电加热可穿戴产品的研究进展_丁波.pdf

应用技术Technical Textiles产业用纺织品62纺织导报 China Textile Leader 2023 No.2电加热可穿戴产品的研究进展文|丁波张辉Research Advances in Electrically Heated Wearable ProductsAbstract:Electrically heated wearable products are a general term for apparel or accessories that consist of an electrical energy-driven internal heating element.Based on the R&D of electrically heated elements on apparel and accessories,the factors influencing the electrical heating performance,and the testing and evaluation methods of the products,the paper summarizes and analyzes the development status and trends of such products,so as to provide a reference for future research.Key words:electric heating elements;electric heating products;smart wearable products;electric heating performance;clothing evaluation摘要：电加热可穿戴产品是利用电能驱动内部发热元件工作的一类服装/服饰的总称。文章基于电加热元件与服装服饰的研发、电热性能的影响因素、产品的测试与评价方法，总结分析了此类产品的发展现状与趋势，为未来相关研究提供一定参考。关键词：电加热元件；电加热产品；智能可穿戴；电热性能；服装评价中图分类号：TS941 文献标志码：A备方法主要分为两种：直接织造法和涂层法。1.1直接织造法直接织造法是将导电发热的金属丝或特种纱线（合金纤维、碳纤维或镀导电物质后的纤维与普通纤维混纺后的纱线）作为加热单元，以针织、机织、刺绣等方法将其嵌入纺织品从而制作电加热元件的方式。1.1.1针织法针织法是将导电导热纱线与普通纱线混合织造成线圈结构的针织电加热织物。HAMDANI等用镀银纱线和不锈钢丝分别织造了针织电加热织物，对比结果表明，在相同电压下，不锈钢丝针织物的产热效率更高。但金属丝柔性较差，元件长时间使用后易断裂，存在安全隐患。故较多研究选择用复合纱线研发电加热织物，相比金属丝，其制成的元件更加柔软灵活，服用性能更好。有研究使用镀银纱线与涤纶纱线配合织造电加热针织物，对比纬平针、罗纹、芝麻点提花 3 种组织的针织物在 3 V电压下的温度变化，发现纬平针织物的平衡温度最高；而LIU等发现，在平针、罗纹、互锁结构的针织物中，罗纹和互锁结构的织作者简介：丁波，女，1998年生，硕士在读，主要从事服装舒适性与功能服装研究。通信作者：张辉，教授，E-mail：。作者单位：北京服装学院服装艺术与工程学院。基金项目：北京服装学院爱慕内衣研究院研发项目（HXKY05190336）。当环境温度降低时，增加服装层数和覆盖面积能增大服装整体热阻，从而降低人体向周围环境的散热量，起到保暖作用，但服装过于厚重会影响人的行动与穿着舒适性。故外置热源的加热产品更符合人们对服装/服饰保暖性与便携性的需求。目前，此类产品可通过铁粉氧化的化学能转化为热能、陶瓷等材料吸收太阳能转化为热能、导电发热元件消耗电能产生热量等多种方式实现。其中化学反应不便控制且不能循环利用，太阳能受环境光源的限制，故电热转化技术是目前产品实现积极产热功能的便捷有效方式。目前国内外对电加热可穿戴技术的研究较为成熟，相关产品作为智能可穿戴领域中的重要组成部分，拥有巨大的市场潜力。1柔性电加热元件的研发电加热元件是产品实现加热功能的核心，目前其制DOI:10.16481/ki.ctl.2023.02.014应用技术Technical Textiles产业用纺织品63纺织导报 China Textile Leader 2023 No.2物电阻变化比平针织物更小。陈莉等使用镀银纱线织造了平针、罗纹、四平和衬纬组织的电加热针织物，发现等间距衬入 3 根镀银纱线的纬编织物加热效率和均匀性最好。许静娴等将镀银纱线制备的罗纹电加热针织物集成在服装上，在 6 V电压下其表面温度达到35。除了金属丝和复合纱线，碳纤维也可作为加热单元，刘青使用手摇横机制备了碳纤维加热针织物。张颖将碳纤维与莫代尔混纺纱线以四平组织与空气层组织间隔织造了针织电加热护颈的加热层。1.1.2机织法由经纬纱按一定的规律交织而成的机织物表面结构相较于针织物更简单，结构更稳定，故也有研究选择此种方式制备电加热织物。当导电纱线为经纱，织造过程中的强力磨损会导致其电学性能变差；当导电纱同为经纬纱时，所织造的电加热织物会由于经纬交织点的存在而发热不均匀。故电加热机织物的设计一般将非导电纱定为经纱，导电纱与非导电纱间隔排列做纬纱。镀银纱线除了适用于电加热针织物，也多作为导电纱应用于电加热机织物中。LIU等通过设计导电纬纱的间隔织造了不同阻值（10、14和18）的电热机织物。在 0 环境和 7 V电压下，3 种织物在28 的平衡状态下实际功率消耗分别为4.9、3.5、2.72 W。李雅芳设计了导电纱间隔分别为0.5和 1 cm的织物（规格为10 cm10 cm），在 3 V电压条件下，其最高温度可分别达到40.88和45.03。ZHAO等设计织造了平纹、斜纹和缎纹组织的发热织物（图 1），电源电压为10 V时，发热织物20 min可达到最高稳定温度61。此外，碳纤维作为导电纱也可以织造电加热机织物，如史俊辉经实验证明碳纤维导电纱间距为 2 mm（4 根纱左右）时织物温度分布较均匀，且对比串联和并联两种排列形式，发现加热单元被并联时发热效率更高。图 1电加热织物及其结构示意图1.1.3其他加工方法目前，也有研究将金属丝或导电纱以刺绣方式嵌入到加热织物的基底上，这种方法便于控制加热区域的形状与面积。ROH等将聚氨酯涂覆的铜丝复合纱线刺绣在织物上，制备了一种体积小、重量轻、结构稳定、具有温度传感功能的智能电加热纺织品。根据纱线密度，该织物的温度范围在20 40 之间。李雅芳采用刺绣的方法将镀银纱线按照设计的电路嵌入纯棉织物中，电压为 5 V时织物最高温度可达63.11。张艺强以不同排列方式在平纹与斜纹基底刺入不锈钢纱线制备发热织物，测试表明导电纱线并列分布在平纹基底织物时其发热效果更好。此外，CHENG等用银纳米线、铜纳米线编织加工电加热织物（图 2），其在 3 V电压下可快速升温至38。BESSHAPOSHNIKOVA等将碳纤维导电纱高温熔融固定在黏合衬上制备了导电纱排列方式不同的电加热织物。图 2编织电加热织物制备流程图综上所述，直接织造法制备方式简单灵活，织造的电加热元件具有柔软轻薄、可随意裁剪、温度分布均匀的优点。从直接织造法可选择的材料来看，金属丝不易弯曲、质地较硬、服用性能较差；金属镀层纱线相比更柔软，适合制备电加热针织物；碳纤维具有耐高温、可弯曲、可水洗的优点，虽然其摩擦系数大，但强度较高，可以用于机织电加热元件的研发。1.2涂层法目前，有较多研究通过原位聚合、浸渍涂覆、丝网印刷等后整理方式将发热材料涂覆在基底上形成导电发热层以制备电加热元件。浸涂法是较为常用的一种方法，HE等通过原位聚合法制备了银/聚吡咯（Ag/Ppy）涂层的棉织物，经两次水洗后，其在10 V电压下仍可达到43 的稳定温度。KIM等将石墨烯/水性聚氨酯（WPU）复合材料浸渍在芳纶织物上制备电加热元件。CHATTERJEE等研究了氧化石墨烯溶液的浓度和浸渍周期对电加热织物的表面电阻率、厚度、透气性、孔隙率和水蒸气渗透率的影响。虞茹芳等通过无转移液相浸涂沉积法在涤纶针织物上沉积了还原氧化石墨烯涂层。SADI等将碳纳米管（CNT）墨水以丝网方式印在1 cm1 cm10 cm15 cm编织 整合应用技术Technical Textiles产业用纺织品64纺织导报 China Textile Leader 2023 No.22.2加热单元可拆卸在服饰的研发方面，马妮妮等对手部进行分区确定加热温度，以碳纤维与PET薄膜作为电加热手套的发热元件。王璐等以碳纳米管薄膜为发热元件研发了电热防护手套。此外将发热片置于膝关节处，结合中草药研发电加热功能护膝，可以辅助治疗膝关节炎症和磨损。在服装的研发方面，李冉将温度传感器与发热元件结合的自动控温装置应用于一款针对下肢障碍人群的防寒服，其可在服装温度超过45 时自启过热保护功能。唐世君等研发了一款 4 档调温的电热马甲，其发热时间不小于 3 h（功率9.8 W），衣内温度可达50。苗钰等在腰部嵌入碳纤维加热片，研发了一款用于保暖理疗的针织裤。沈雷等用碳纤维发热膜结合智能温控器等装置研发了针对老年人的冬季保暖服装。除了碳纳米管和碳纤维，石墨烯加热片是目前热门的加热元件，张海棠将加热片置于服装胸部、背部和大腿部位，研发了电加热医疗救援服。柯莹等研发了一款电加热高空清洁作业服，其在 5 V电压下额定功率为 9 W，服装表面温度可达（455）。崔志英通过将同等规格的石墨烯与碳纤维发热片置于服装背部，发现石墨烯发热片所对应服装的加热效率更高。此外，加热系统的设计还可以结合AI技术、传感技术模块，为产品增加智能调温、监测生理指标等功能。POLANSK 将温度传感器置入消防队员等专业人员的智能防护服中，该服装可在40 120 范围快速响应避免烧伤。智裳科技公司和The North Face公司均开发了可以监测体温、心率等生理指标的智能调温服。综上所述，加热单元一体化的模式更适合针织服装服饰的研发，产品更加轻便美观；但简化织造工艺、降低成本是一大挑战。加热单元可拆卸的方法更灵活，便于产品的清洗以及自主控温或新型功能传感器的接入。但其热源位置相对集中，局部高温和发热不均匀可能会引起人体的不适。3电热性能的影响因素由于人体生理属性的差异和电加热产品多元的应用场景，电加热产品的电热性能的实现需从多角度考量，包括元件的热稳定性、加热均匀度、加热功率密度和加热速率等。下文基于主观（热源属性）与客观（环境条件）两方面总结了电加热产品电热性能的影响因素。3.1热源属性对电热性能的影响（1）热源与皮肤距离纬编棉织物的一侧，制备了一种可加热的CNT/棉复合织物；许冰等将石墨烯与高聚物的混合浆料印刷在柔性基材上，在电压为 9 10 V时，发热片温度均匀稳定，使用寿命长。综上所述，直接织造的电热元件由于导电纱线和普通纱线的合理分配，具有轻便的优点，且加热功率规格的调整可以通过织物的组织、导热纱线密度、排列方式的改变来实现；但也有导电纱线异物感明显，织造成本较高。涂层法工艺简单，制备的元件更轻薄柔软，但发热层的结合力差等会影响元件的发热均匀度。2电加热服装与服饰的研发电加热服装的研究最早出现于20世纪初期。为抵御高空低温环境，美国陆军部在一战和二战期间均为士兵配备了电加热飞行服。随着消费者对服装、服饰功能的多元需求与智能可穿戴技术的发展，电加热产品逐渐推广到民用领域。加热系统与产品的集成方式分为两种，一种是在设计的发热区域织入导电导热纱线或将发热元件与服装缝合；另一种是将加热电路系统整体置于服装口袋或夹层。下文将以此为依据总结电加热服装与服饰的研究现状。2.1加热单元与产品一体化在电加热服饰研发方面，张阿真将镀银纱线以纬平针组织织入电加热针织手套，在 6 V电压下手套可升温至51.4。张颖将碳纤维织入电加热针织护颈带的内层用以加热。ZHANG等将用气相沉积法制备的加热元件缝合到手套手指的内衬上，研发了