張雪青，余弘，張?jiān)捞m，陳鳳梅，沈悅明

（上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海200040）

0 引言

隨著人類探索和改造自然的腳步不斷前進(jìn)，人類活動(dòng)空間的不斷拓展，如何對(duì)抗低溫已經(jīng)成為人類面臨的主要問題之一[1]。一些需要長期進(jìn)行戶外工作的特殊工種人員以及生活在極寒地區(qū)的人們需要抵抗嚴(yán)寒氣候的有效措施[2]。在現(xiàn)代社會(huì)中，人們對(duì)美的追求越來越高，要求服裝既保暖，又不可顯得臃腫，而傳統(tǒng)服裝很難達(dá)到上述要求。因此，在紡織業(yè)界出現(xiàn)了各種類型的防寒保暖服裝被廣泛研究的現(xiàn)象。

1 防寒保暖服的發(fā)展

依據(jù)熱源形式的不同，防寒保暖服大致可以分為消極產(chǎn)熱式防寒保暖服和積極產(chǎn)熱式防寒保暖服兩類。消極產(chǎn)熱式防寒保暖服通過阻礙空氣流動(dòng)，增加服裝與人體之間靜止空氣層的含量來達(dá)到保暖的目的[3]。但是，由于人體自身產(chǎn)生的熱量有限，在長期處于低溫狀態(tài)時(shí)很難單靠人體的肌肉、血管收縮和增加服裝與體表之間靜止空氣層的含量來維持人體熱量平衡[4]，而積極產(chǎn)熱式防寒保暖服卻能有效地解決這一問題。積極產(chǎn)熱式防寒保暖服通過將外接能源轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽訜狍w表空氣，降低人體熱量損失，從而達(dá)到保溫的目的。因此，研制積極產(chǎn)熱式防寒保暖服具有十分重要的意義。

目前，積極產(chǎn)熱式防寒保暖服依據(jù)熱源的種類大致可分為4種：電加熱服裝、化學(xué)加熱服裝、太陽能加熱服裝和相變調(diào)溫服裝[5]。其中，電加熱服裝以其發(fā)熱效率高、工藝簡單、輕便等優(yōu)點(diǎn)成為國內(nèi)外研究最多的積極產(chǎn)熱式防寒保暖服。

2 電加熱服裝

電加熱服裝是一個(gè)復(fù)合系統(tǒng)，它先由電源、發(fā)熱元件、溫度控制系統(tǒng)、安全保護(hù)裝置等通過導(dǎo)線連接成電路后，再將該電路置于服裝內(nèi)，利用電源控制電熱元件產(chǎn)生熱量，起到防寒保暖作用的一類服裝的總稱[6]。目前市場上所銷售的電加熱服裝主要有電加熱棉衣、夾克、馬甲、背心、保暖套裝、護(hù)腰等。

早在20世紀(jì)40年代，Marickt等[7]就將幾乎可以覆蓋全部身體的電加熱墊置于面料和里料之間，開發(fā)出一款電加熱服裝。此后，研究人員對(duì)于電加熱服裝的研究不斷深入。Deloire等[8]將聚氯乙烯涂在電熱絲表面制成加熱元件置于服裝內(nèi)，制成一款熱量可比較均勻向全身傳遞的電加熱服裝；Ozan等[9]將導(dǎo)電紗線織入針織物中制成加熱板，由鎳金屬氰化物和鋰離子電池供電，設(shè)計(jì)出一款帶有溫度控制系統(tǒng)的電加熱服裝；操民[10]將聚酯膜放置于服裝的內(nèi)層充當(dāng)加熱元件，通過與電池連接達(dá)到為人體供暖的要求。此后，科研人員對(duì)電加熱服裝的研究主要集中于電源、發(fā)熱元件、供熱區(qū)域和熱性能評(píng)價(jià)方法等方面。

2.1 電加熱服裝的供電電源

目前市場上電加熱服裝的供電電源主要有外接電源和移動(dòng)電池組兩類。

外接電源供電與普通家用電器一樣，通過電源插頭持續(xù)不斷地為電加熱服裝供電，此種供電方式簡單、穩(wěn)定、持久，容易實(shí)現(xiàn)，但會(huì)限制人體行動(dòng)，只能適用于室內(nèi)和有固定插頭的地方，不適合戶外用途，因?yàn)槠湎拗屏擞脩舻男袆?dòng)范圍。因此，這種類型的產(chǎn)品并不常見。

移動(dòng)電池組供電相對(duì)于外接電源供電更方便人的活動(dòng)，但也有其自身的缺點(diǎn)。目前市場上的產(chǎn)品大多利用可反復(fù)充放電的鋰電池作為電源供電，以方便人們的活動(dòng)。然而，由于電池容量和耐用性對(duì)電加熱服裝的應(yīng)用具有一定的限制，所以一般的移動(dòng)電源只能維持電加熱服裝的高檔位供電2～4 h[11]，滿足不了長期從事戶外活動(dòng)的需求。若加大電池容量，會(huì)使電池的體積相應(yīng)地增加，對(duì)服裝的輕便性也會(huì)造成一定的影響。龔書平[12]和于欣[13]試圖將無線充電技術(shù)用于給電加熱服裝的電源充電，在一定程度上雖然緩解了電池容量有限的問題，但同樣限制了人的活動(dòng)范圍。另外，鋰電池一般內(nèi)置于服裝內(nèi)側(cè)口袋或上衣褲子口袋中，由于其不能彎折和擠壓，必須放在堅(jiān)硬外殼里才可以使用，放在身上不但比較累贅，影響美觀，而且還會(huì)對(duì)人的活動(dòng)產(chǎn)生一些影響，降低舒適性。針對(duì)上述存在的問題，閆俁西[14]發(fā)明了一種可彎折可擠壓的片狀柔性電池，該柔性電池由若干個(gè)依次疊加的柔性固態(tài)電池單元組成，且每個(gè)柔性固態(tài)電池單元由柔性正極片、柔性隔膜和柔性負(fù)極片組成。在制作時(shí)，將柔性固態(tài)電池置于電加熱護(hù)腰內(nèi)，隨著身體的彎曲可以很好地貼合在身上，同時(shí)具有支撐和固定作用，使用和攜帶非常方便，但目前對(duì)電池的壽命、電池容量與質(zhì)量之間的矛盾等問題還未完全解決，有待進(jìn)一步的研究。

2.2 電加熱服裝的發(fā)熱元件

電加熱服裝主要通過發(fā)熱元件發(fā)熱實(shí)現(xiàn)保溫加熱的作用，發(fā)熱元件的選擇直接影響電加熱服裝的發(fā)熱效率和穿著者的實(shí)際感受。常用的發(fā)熱元件主要有金屬發(fā)熱材料、電熱膜和碳纖維發(fā)熱材料3類。其中，金屬發(fā)熱材料質(zhì)地較硬，無法根據(jù)人體活動(dòng)隨意改變形狀，一般用于電熱毯等產(chǎn)品；電熱膜透氣性差，易氧化，一般也不作為電加熱服裝的發(fā)熱元件；碳纖維發(fā)熱元件電熱轉(zhuǎn)化率高、柔軟、質(zhì)輕、耐用，是一種比較合適的服用發(fā)熱元件[11]。因此，目前市場上的電加熱服裝大多采用碳纖維發(fā)熱材料作為發(fā)熱元件。

隨著石墨烯技術(shù)的發(fā)展，以石墨烯為發(fā)熱元件的電加熱服裝逐步走向市場。崔志英等[15]通過比較石墨烯發(fā)熱織物與碳纖維發(fā)熱織物的發(fā)熱效能發(fā)現(xiàn)，石墨烯發(fā)熱織物熱穩(wěn)定性更好，升溫速度更快，發(fā)熱均勻性更好，加熱效率顯著大于碳纖維發(fā)熱織物。除此之外，童瀟等[16]將碳納米管復(fù)合薄膜材料用作發(fā)熱元件，也取得了良好的效果。許靜嫻等[17]將鍍銀紗線制成針織物作為發(fā)熱元件，在6 V電壓下能夠獲得良好的發(fā)熱效果，可以很好地確保人體的熱舒適性。

2.3 電加熱服裝的供熱區(qū)域

電加熱服裝主要靠發(fā)熱片來供給熱量，因受當(dāng)前電池電量的影響和對(duì)穿著舒適性的考慮，發(fā)熱片無法覆蓋全身，只能局部加熱。目前，市場上的電加熱服裝發(fā)熱片的安放位置主要在后背、前胸、腰部、腹部、膝關(guān)節(jié)等部位，但這種供熱區(qū)域的選擇合理性缺乏理論和試驗(yàn)依據(jù)。宋英莉等[18]結(jié)合中醫(yī)理論研究，提出發(fā)熱片在經(jīng)脈部位會(huì)使人體皮膚溫度大面積提高，優(yōu)于其它位置。

2.4 電加熱服裝的熱性能評(píng)價(jià)

當(dāng)人體穿著電加熱服裝時(shí)，只有人體的周圍環(huán)境處于熱平衡狀態(tài)，且保持在最適合的溫度范圍內(nèi)才能達(dá)到良好的保溫防寒效果，這就需要對(duì)電加熱服裝進(jìn)行熱性能評(píng)價(jià)，而人體著裝試驗(yàn)法和暖體假人法是當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者們常用的熱性能測試方法。

人體著裝試驗(yàn)法就是讓試驗(yàn)員穿著電加熱服裝，在正常工作情況下得到人體對(duì)電加熱服裝加熱性能的主觀評(píng)價(jià)。Haisman等[19]采用此方法研究了寒冷環(huán)境中人體穿著電加熱服裝和穿著普通服裝時(shí)手部和腳部的溫度變化，發(fā)現(xiàn)穿著電加熱服裝能夠維持人體手部的溫度，且能延緩腳部溫度的下降。伍佳[20]制作了一款殘疾人穿的電加熱褲，他讓腿部殘疾者在不同溫度下穿著該款電加熱褲進(jìn)行熱舒適評(píng)價(jià)，結(jié)果表明該款熱能褲可以很好地彌補(bǔ)殘腿的熱量損失，大大提高了殘疾人在寒冷環(huán)境中的舒適度。Song[21]采用人體著裝試驗(yàn)法研究了電加熱服對(duì)于改善學(xué)生舒適性的作用，發(fā)現(xiàn)在寒冷環(huán)境下電加熱服裝能夠顯著提高學(xué)生手部的溫度，人體的舒適性得到很大提高。

暖體假人法是采用暖體假人模擬人體與環(huán)境之間的熱交換過程，測量體表溫度變化的方法。Wang等[22-23]采用暖體假人測試法對(duì)電加熱服裝加熱效率的影響因素進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)電壓、外界溫度、風(fēng)速等會(huì)影響電加熱服裝的加熱效率。此外，還有研究人員采用暖體假人法測試了試驗(yàn)過程中軟體假人身體各段皮膚溫度的變化，得出電熱背心是服裝配套保暖量的主要貢獻(xiàn)者。但是，上述研究只是指出電加熱服裝的熱效能能夠在一定程度上起到保溫加熱作用，對(duì)電加熱服裝的熱效能要達(dá)到的水平并未形成統(tǒng)一的結(jié)論。

2.5 電加熱服裝的智能化發(fā)展

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，電加熱服裝也不僅僅局限于保暖這一項(xiàng)功能?？茖W(xué)工作者對(duì)電加熱服的研究已經(jīng)走向智能化，除了加熱保暖功能外，還增加了許多其它功能，如數(shù)據(jù)傳輸功能、通訊功能、人體生理指標(biāo)檢測功能等。美國Malden Mills公司開發(fā)了一款智能加熱服，可以將數(shù)據(jù)傳輸功能和通訊功能添加到該款智能加熱服中，使之不僅僅是一款簡單的電加熱服裝。The North Face公司研發(fā)的智能加熱服裝，可以實(shí)時(shí)檢測人體的心率和體溫，并根據(jù)檢測結(jié)果自動(dòng)地調(diào)節(jié)加熱功率，達(dá)到智能控溫的效果，使穿著者始終處于舒適的狀態(tài)。

2.6 電加熱服裝存在的問題

電加熱服裝已經(jīng)是市場上比較常見的一種產(chǎn)品，但現(xiàn)有電加熱服裝仍然存在許多不足：①電加熱服裝的電池帶電量較小，無法滿足長時(shí)間供電需求的問題仍未得到很好的解決；②電加熱服裝發(fā)熱區(qū)域位置是否合理有待進(jìn)一步考證；③絕大多數(shù)電加熱服裝還無法根據(jù)外界溫度的變化自主地調(diào)節(jié)加熱功率，只能由穿著者手動(dòng)切換；④目前市場上的電加熱服裝一般設(shè)有高溫檔（65～70℃）、中溫檔（55～60℃）和低溫檔（40～45℃）3個(gè)檔位，這種檔位設(shè)置的合理性以及是否會(huì)因局部過熱對(duì)人體產(chǎn)生傷害還有待進(jìn)一步進(jìn)行論證；⑤電加熱服裝既是服裝產(chǎn)品，又是電器產(chǎn)品，其用電安全性應(yīng)該受到關(guān)注，雖然目前市場上的此類產(chǎn)品均是使用12 V以下的安全特低電壓供電，但并無明確的規(guī)定，且電氣的安全性也未列入標(biāo)準(zhǔn)的考核范圍。電加熱服裝作為一種跨學(xué)科領(lǐng)域的產(chǎn)品應(yīng)該有專門針對(duì)該類產(chǎn)品制定的標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范市場，保護(hù)消費(fèi)者的合法權(quán)益。

3 結(jié)論

隨著科技的不斷發(fā)展，各種智能產(chǎn)品越來越受到人們的青睞，電加熱服裝作為一種智能服裝，必然有廣闊的發(fā)展前景。從電源、發(fā)熱元件、供熱區(qū)域、熱性能評(píng)價(jià)、智能化發(fā)展趨勢等方面對(duì)電加熱服裝的研究情況進(jìn)行分析，指出目前市場上電加熱服裝性能存在的一些不足之外（如電池耐用性的問題、未完全實(shí)現(xiàn)智能控溫、溫度設(shè)置的合理性、缺乏相應(yīng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)等問題），希望對(duì)今后電加熱服裝的進(jìn)一步研究指明方向。