陳罘杲

(山東日納功能材料科技股份有限公司,山東日照276826)

LUSMZ系列大容量電源電熱鞋的應(yīng)用與研究

陳罘杲

(山東日納功能材料科技股份有限公司,山東日照276826)

LUSMZ系列大容量電源電熱鞋采用目主研發(fā)的大容量電源在電加熱保暖鞋中的應(yīng)用技術(shù),結(jié)合電池容量大小與鞋子外形尺寸相關(guān)聯(lián)規(guī)律,在鞋子一定的體積內(nèi)把電池容量做到最大,提高了電熱鞋的產(chǎn)品功能和對使用時(shí)間的要求,并且根據(jù)不同性別對鞋子要求不同的特點(diǎn),特別設(shè)計(jì)有男款、女款,符合現(xiàn)代人群越來越注重養(yǎng)生與外觀美的需求,因此有著巨大的市場潛力。

電源電熱鞋；碳纖維加熱板；硅膠加熱片

電熱鞋是一種將電能轉(zhuǎn)化為熱能,元件裝置于鞋內(nèi),為足部保溫驅(qū)寒達(dá)到人體保健目的的新型功能鞋。就當(dāng)前的電熱鞋產(chǎn)品來看,電熱鞋從電源使用上主要分為兩類：一種是將電源裝置于鞋幫上(一般是矮筒靴上應(yīng)用),另一種是將電源裝置于鞋跟內(nèi)部(應(yīng)用于矮幫鞋)。但由于電源體積及耐曲折度問題,對于在矮幫鞋幫面上裝置電源還較難實(shí)現(xiàn),選擇在鞋底裝置電源的話,就不得不考慮這樣的問題：①鞋子底部經(jīng)常受到力的沖擊,易有爆炸的危險(xiǎn)；②若鞋底所處的環(huán)境較差,遇到進(jìn)水或低溫冰凍易損壞；③電源容量不大,充電后電源供電時(shí)間不夠長；④加熱片裝置的問題,要求其加熱快,散熱均勻且不易折損。

LUSMZ系列大容量電源電熱鞋采用自主研發(fā)的大容量電源在電加熱保暖鞋中的應(yīng)用技術(shù),結(jié)合電池容量大小與鞋子外形尺寸相關(guān)聯(lián)規(guī)律,在鞋子一定的體積內(nèi)把電池容量做到最大,提高了電熱鞋的產(chǎn)品功能和對使用時(shí)間的要求,保證其提供的電量可供發(fā)熱片持續(xù)發(fā)熱2～18 h以上,可以反復(fù)充電,延長了電源使用壽命。采用特殊的防潮防爆設(shè)計(jì)、電池隔離設(shè)計(jì),確保其使用安全可靠。電池電路有短路自動(dòng)保護(hù)功能,自動(dòng)斷電后保護(hù)其元器件不受損。高抗震性,保證任意高度的自由落地都不受損。并且根據(jù)不同性別對鞋子要求不同的特點(diǎn),特別設(shè)計(jì)有男款、女款,符合現(xiàn)代人群越來越注重養(yǎng)生與外觀美的需求,因此有著巨大的市場潛力。

1 LUSMZ系列大容量電源電熱鞋的技術(shù)原理

1.1 技術(shù)原理

主要功能器件采用本公司自主研發(fā)設(shè)計(jì)的大容量電源系統(tǒng),采用特殊的防潮防爆設(shè)計(jì)、電池隔離設(shè)計(jì),使電源可以反復(fù)充電,延長了鞋子的壽命,獨(dú)特的電池電路短路自動(dòng)保護(hù)功能設(shè)計(jì),使鞋子自動(dòng)斷電后保護(hù)其元器件不受損,確保鞋子穿著使用安全可靠；采用自主研發(fā)的發(fā)熱片裝置,在加熱快、散熱均勻穩(wěn)定的同時(shí),更增加了耐彎折性,達(dá)到了電熱鞋保溫、安全、抗震、健康、美觀的功效。

1.2 技術(shù)術(shù)語

1.2.1 大容量電池設(shè)備

電源規(guī)格暫定為：3.7 V/4200 mAh,長63 mm,寬42 mm,高16 mm,低壓注塑膠殼封套,商標(biāo)包裹,再加外層鋼片防護(hù)罩,必要時(shí)可在電源上部也就是鞋跟位置加上減震裝置。

1.2.2 開關(guān)與充電孔

鞋跟處內(nèi)藏式的開關(guān)與充電孔設(shè)計(jì),與電源靠近,打開外部的蓋套即可看到充電孔與開關(guān)。開關(guān)設(shè)計(jì)三個(gè)檔位(低溫-高溫-關(guān)),做簡單指示燈引導(dǎo),尺寸保持在長3.5 cm,寬1.5 cm,高1.2 cm。配套特定充電器,要求其可以兩只鞋同時(shí)充電。

1.2.3 發(fā)熱器

采用材質(zhì)：硅膠加熱片、碳纖維加熱板、PET絕緣金屬加熱膜。材質(zhì)要有一定的柔韌度,反復(fù)彎折不損壞,表面溫度低于100 ℃,面狀發(fā)熱且散熱均勻。電熱轉(zhuǎn)換效率達(dá)到98%以上,節(jié)能省電發(fā)熱快,通電即熱,5 min達(dá)到設(shè)定溫度；測定其防水等級(jí)至少達(dá)到5,阻燃等級(jí)要達(dá)到9；使用壽命可達(dá)30 000 h以上。

1.2.4 加熱片

一種是采用組合中底板的方式,中底板留有空位,加熱片與中底板設(shè)置為一體；另一種是以特殊鞋墊的方式設(shè)置,在中底板上留有引線孔,從大底處穿過此孔接通加熱片。

1.3 發(fā)熱保溫機(jī)理

(1)在鞋子一定的體積內(nèi),大容量電源的成功研發(fā)把電池容量做到了最大,保證了其提供的電量可供發(fā)熱片持續(xù)發(fā)熱2～18 h以上,絕對滿足鞋子對保溫時(shí)長的要求。同時(shí),充分延長電源使用壽命的問題,確保其可以反復(fù)充電。采用電池隔離設(shè)計(jì),確保其使用安全可靠。

(2)電源裝置于鞋跟內(nèi)部,采用低壓注塑膠殼封套,商標(biāo)包裹,再加外層鋼片防護(hù)罩,在充分耐沖擊的同時(shí)預(yù)防大底面穿刺；在電源上部也就是鞋跟位置加上減震裝置,加強(qiáng)抗震性,任意高度的自由落地都不受損。

(3)鞋跟處內(nèi)藏式的開關(guān)與充電孔設(shè)計(jì),采用防潮防爆設(shè)計(jì),防止進(jìn)水；打開外部的蓋套即可看到充電孔與開關(guān),且與電源靠近,方便引線。開關(guān)設(shè)計(jì)三個(gè)檔位(低溫-高溫-關(guān)),配套特定充電器,兩只鞋可以同時(shí)充電。電池電路有短路自動(dòng)保護(hù)功能,自動(dòng)斷電后保護(hù)其元器件不受損。

(4)發(fā)熱片：目前計(jì)劃實(shí)驗(yàn)三種材質(zhì)：硅膠加熱片、碳纖維加熱板、PET絕緣金屬加熱膜。電熱轉(zhuǎn)換效率達(dá)到98%以上,通電即熱,5 min達(dá)到設(shè)定溫度,加熱快的同時(shí)要耐彎折,散熱均勻穩(wěn)定。測定其防水等級(jí)至少達(dá)到5,阻燃等級(jí)要達(dá)到9；使用壽命可達(dá)到30 000 h以上。

2 LUSMZ系列大容量電源電熱鞋的設(shè)計(jì)原則

2.1 功能設(shè)計(jì)原則

使用LUSMZ系列大容量電源電熱鞋,能夠達(dá)到鞋子快速升溫、保持足部溫度舒適、改善足部溫度環(huán)境的目的,實(shí)現(xiàn)人體足部健康保健的功效。

2.2 性價(jià)比設(shè)計(jì)原則

(1)大容量電池、發(fā)熱片材質(zhì)等無副作用；(2)產(chǎn)品生產(chǎn)無“三廢”排放；(3)產(chǎn)品便于推廣和使用；

(4)產(chǎn)品能夠采用知識(shí)產(chǎn)權(quán)和保護(hù)措施；(5)產(chǎn)品便于運(yùn)輸,保存安全。

3 LUSMZ系列大容量電源電熱鞋的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 關(guān)鍵技術(shù)

主要功能器件采用本公司自主研發(fā)設(shè)計(jì)的大容量電源系統(tǒng),采用特殊的防潮防爆設(shè)計(jì)、電池隔離設(shè)計(jì),使電源可以反復(fù)充電,延長了鞋子的壽命,獨(dú)特的電池電路短路自動(dòng)保護(hù)功能設(shè)計(jì),使鞋子自動(dòng)斷電后保護(hù)其元器件不受損,確保鞋子穿著使用安全可靠；采用本公司自主研發(fā)的發(fā)熱片裝置,在加熱快、散熱均勻穩(wěn)定的同時(shí),更增加了耐彎折性,達(dá)到了電熱鞋保溫、安全、抗震、健康、美觀的功效。

3.2 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

(1)研制開發(fā)的大容量電源,其電量可供發(fā)熱片持續(xù)發(fā)熱2～18 h以上,電池可反復(fù)充電,極大的延長了保溫時(shí)間。配套特定充電器,可以兩只鞋同時(shí)充電。且電池電路有短路自動(dòng)保護(hù)功能,自動(dòng)斷電后保護(hù)其元器件不受損。

(2)發(fā)熱片采用硅膠加熱片、碳纖維加熱板、PET絕緣金屬加熱膜材質(zhì),節(jié)能省電發(fā)熱快,通電即熱,材質(zhì)具有很強(qiáng)的柔韌度,反復(fù)彎折不損壞,散熱均勻穩(wěn)定。

(3)加熱片的設(shè)置：一種是采用組合中底板的方式,中底板留有空位加熱片與中底板設(shè)置為一體；另一種就是以特殊鞋墊穿過此孔接通加熱片。

圖1 工藝流程圖

(4)鞋款定位為矮幫的商務(wù)休閑款：底型選擇較穩(wěn)重厚實(shí)的橡膠大底,增加其防滑耐磨性；幫面設(shè)計(jì)配合簡潔大氣的結(jié)構(gòu),搭配上較有質(zhì)感的材質(zhì),手工縫制的圍條圍蓋更顯經(jīng)典；幫面款式設(shè)計(jì)有外耳圍蓋舌式及明橡筋舌式兩款,都采用手工縫制的圍條圍蓋增加其穩(wěn)重大氣。它卸去了冬季棉靴的笨重感,不止輕便,更增添了視覺美的沖擊,滿足了人們越來越注重養(yǎng)生保健又渴望美的需求。

4 LUSMZ系列大容量電源電熱鞋的技術(shù)工藝路線

4.1 技術(shù)路線

4.1.1 大容量電池的制作工藝

(1)負(fù)電極的制備

碳負(fù)電極與適量的導(dǎo)電劑研磨混合后,加入一定量的膠黏劑,在適量溶劑中攪拌一段時(shí)間使其成為均勻漿料,用澆鑄法涂覆在銅箔(10～12 μm)表面,然后在適宜的溫度下干燥,在一定的壓力下壓片后,得到所需的電極。

(2)正極制備

將錳酸鋰、導(dǎo)電劑、PVDF(聚偏氟乙烯)在80 ℃真空烘烤6 h,然后按一定比例進(jìn)行混合、攪拌、涂在集流體鋁箔上,經(jīng)120 ℃真空脫氣、烘干、壓膜、制成小片,得到正極片。

(3)電解液配置

采用1 mol/L的LiPF6/（EC+DMC+EMC）,體積比1∶1∶1配制電解液。EC為碳酸乙烯酯,DMC碳酸二甲酯,EMC為碳酸甲乙酯。

(4)通過卷繞,裝入鋼殼,脈沖脫氣24 h。注液,擱置后預(yù)充、化成后制得樣品電池,待測。

工藝流程圖見圖1所示。

4.1.2 電熱片的制作工藝

(1)玻璃纖維布的制備

采用優(yōu)質(zhì)進(jìn)口玻璃纖維為編織材料,進(jìn)行平紋、斜紋、緞紋或采用其它織法編織成高級(jí)玻璃纖維布基材。在200～250 ℃烘箱中烘3 h,進(jìn)行脫蠟處理后,再經(jīng)交聯(lián)劑KH-580表面處理,備用。

(2)硅膠混煉膠制備

導(dǎo)熱硅橡膠以有機(jī)硅樹脂為粘結(jié)材料,填充導(dǎo)熱粉體達(dá)到導(dǎo)熱目的的高分子復(fù)合材料,原料配方如下：

有機(jī)硅樹脂(基礎(chǔ)原料)：乙烯基硅橡膠和甲基乙烯基硅橡膠；氣相法白炭黑；經(jīng)基硅油；導(dǎo)熱絕緣填料：氧化鋁、氧化鎂、氮化硼、氮化鋁等；阻燃劑為氫氧化鎂,氫氧化鋁；無機(jī)著色劑,有機(jī)鉑催化劑。

選用乙烯基硅橡膠、部分白炭黑(100份)和導(dǎo)熱填料(200～500份)在真空捏合機(jī)內(nèi),混成團(tuán)后再分次加入剩余白炭黑。全部混成團(tuán)后于100混煉3 h,然后升溫至150 ℃、真空度60～99 kPa下脫水共混30min；取出,自然冷卻,在常溫下,在雙輥煉膠機(jī)上將0.5～1.5份含氫硅油、0.01～0.06份阻燃劑,3～10份著色劑及0.25～0.75份鉑催化劑混煉；最后在平板硫化機(jī)上制片(120 ℃, 10min),得到混煉硅橡膠。

(3)玻璃纖維硅膠布的制備

由涂烘機(jī)的上膠機(jī)構(gòu)將混煉硅橡膠與溶劑(如汽油、甲苯等)混勻的膠漿涂覆到經(jīng)過脫蠟的玻璃纖維的一面,當(dāng)一側(cè)表面的膠漿經(jīng)烘燥后再涂覆另一側(cè),在引入烘燥機(jī)構(gòu)進(jìn)行烘燥,涂覆與烘燥連續(xù)進(jìn)行。經(jīng)烘燥后收卷得到涂膠布,然后引入壓延機(jī),由壓延機(jī)將混煉硅橡膠壓延到涂膠布上,最后經(jīng)硫化機(jī)硫化,得到玻璃纖維硅膠布。

(4)導(dǎo)熱硅膠片的制備

把絲狀的鎳鎘合金發(fā)熱體均布于涂布有耐高溫硅橡膠的玻璃纖維布間,發(fā)熱絲呈“W”狀,經(jīng)高溫模壓而成。電熱絲通過有電源線與電源相連,電源上設(shè)有溫度控制開關(guān)和充電插孔。

4.1.3 小型觸摸式溫控開關(guān)的制作工藝

4.2 LUSMZ系列大容量電源電熱鞋的制作及工藝圖

4.2.1 鞋幫材料

電熱鞋全部采用最優(yōu)質(zhì)的頭層牛皮制造,鞋頭部的皮質(zhì)為亞光感覺類似磨砂皮料,鞋幫面采用粒面牛皮。

4.2.2 鞋底材料

使用固特異鞋底和高性能耐磨軍用橡膠材質(zhì),以國際眾多軍隊(duì)使用戰(zhàn)靴的鞋底材質(zhì)為原型,加上舒適度的注入而達(dá)到耐磨度與舒適度的完美結(jié)合,合成技術(shù)生產(chǎn)的橡膠大底,特別凸顯在耐寒和耐磨方面的優(yōu)異的性能。加工工藝見圖2。

圖2 加工工藝

表1 電熱鞋技術(shù)指標(biāo)

表2 大容量電池技術(shù)指標(biāo)

表3 硅膠加熱片技術(shù)指標(biāo)

表4 PET絕緣金屬電熱膜技術(shù)參數(shù)

表5 碳纖維加熱板技術(shù)指標(biāo)

表6 電池開關(guān)技術(shù)指標(biāo)

5 LUSMZ系列大容量電源電熱鞋主要技術(shù)指標(biāo)

5.1 電熱鞋技術(shù)指標(biāo)（見表1）

5.2 大容量電池技術(shù)指標(biāo)（見表2）

5.3 硅膠加熱片技術(shù)指標(biāo)（見表3）

5.4 PET絕緣金屬電熱膜技術(shù)參數(shù)（見表4）

5.5 碳纖維加熱板技術(shù)指標(biāo)（見表5）

5.6 電池開關(guān)技術(shù)指標(biāo)（見表6）

6 LUSMZ系列大容量電源電熱鞋對比分析

電熱鞋在我國已經(jīng)發(fā)展了六、七年的時(shí)間,目前也有為數(shù)不少的廠家生產(chǎn)電熱鞋,但市場開拓進(jìn)展遲緩,電熱鞋雖然在鞋子保溫方面達(dá)到了一定的功效,但也存在著很多的問題,例如：安全性能受到質(zhì)疑、電池壽命不夠長、散熱不夠均勻,而且目前的產(chǎn)品主要應(yīng)用于軍警靴或勞保靴,多數(shù)屬于高幫鞋,在外型上存在著一定的缺陷,使得受眾消費(fèi)群體比較局限,滿足不了不同地區(qū)消費(fèi)者的需求。

LUSMZ系列大容量電源電熱鞋采用自主研發(fā)的大容量電源在電加熱保暖鞋中的應(yīng)用技術(shù),結(jié)合電池容量大小與鞋子外形尺寸相關(guān)聯(lián)規(guī)律,在鞋子一定的體積內(nèi)把電池容量做到最大,提高了電熱鞋的產(chǎn)品功能和對使用時(shí)間的要求,保證其提供的電量可供發(fā)熱片持續(xù)發(fā)熱2～18 h以上,可以反復(fù)充電,延長了電源使用壽命。采用特殊的防潮防爆設(shè)計(jì)、電池隔離設(shè)計(jì),確保其使用安全可靠。電池電路有短路自動(dòng)保護(hù)功能,自動(dòng)斷電后保護(hù)其元器件不受損。高抗震性,保證任意高度的自由落地都不受損。并且根據(jù)不同性別對鞋子要求不同的特點(diǎn),特別設(shè)計(jì)有男款、女款,符合現(xiàn)代人群越來越注重養(yǎng)生與外觀美的需求,因此它有著很大的市場潛力。

陳罘杲,男,畢業(yè)于哈爾濱電工學(xué)院、北京農(nóng)業(yè)電力工程學(xué)院,博士,“中國現(xiàn)代功能鞋理論”創(chuàng)始者和學(xué)科帶頭人,擁有在電磁、化工、環(huán)境、功能鞋、納米材料、電光源、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的發(fā)明專利50多項(xiàng),現(xiàn)任山東日納功能材料科技股份有限公司總經(jīng)理,湖南科技大學(xué)輕化學(xué)院客座教授。