王 禎，施養(yǎng)承，田明偉

(1.中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院/中華人民共和國應急管理部化學品登記中心，山東 青島，266000；2.安徽省迪盛織造整理有限公司，安徽 亳州，233600；3.青島大學 紡織服裝學院，山東 青島，266071)

1 引言

人類是恒溫生物，體溫一般保持在37℃左右，周圍環(huán)境溫度低于該溫度時，輕則使人感覺不適，重則對人體造成危害，導致凍傷、生理機能減弱等，甚至危及生命安全[1]。在實際生產(chǎn)生活中，當環(huán)境溫度低于人體舒適溫度范圍，特別是冬天或者低溫環(huán)境中(最低氣溫可達-30℃～-40℃)，這就需要對人體進行保溫。服裝是人體抵御寒冷最直接有效的方式之一，但傳統(tǒng)服裝已不能滿足人們對服裝功能性的需求，防寒保暖服裝應運而生。

目前，防寒保暖服裝主要分為兩大類：一類是消極產(chǎn)熱式保暖服，即被動產(chǎn)熱式，通過紡織品材料本身的隔熱性能或增加靜止空氣含量實現(xiàn)阻隔熱量傳遞以增加保暖性能[2]。傳統(tǒng)的保暖服裝多數(shù)為這類被動式的服裝，如棉服、羽絨服等，只是單純靠阻隔人體熱量的散失來保持身體溫度，服裝比較臃腫、笨重，且如果溫度下降到一定程度，此類服裝難以充分維持人體的溫度。另一種則是積極產(chǎn)熱式保暖服，即主動產(chǎn)熱式，通過外加產(chǎn)熱裝置，使得服裝能在需要時直接為人體提供額外熱量[2]。當人體在極寒環(huán)境中、受傷或無法對人體進行很好的熱量補給情況下，積極產(chǎn)熱式保暖服更具優(yōu)勢。智能發(fā)熱服裝不僅可提供動態(tài)調(diào)節(jié)的保暖功能，而且輕便適體，其發(fā)展必然會對傳統(tǒng)服裝領域帶來巨大沖擊，同時也將帶來全新的發(fā)展機遇。

2 智能發(fā)熱服裝

目前，智能發(fā)熱服裝主要是指電發(fā)熱類智能發(fā)熱服裝，即以電能為能源，將電能轉化為熱能以達到保暖御寒作用的服裝。早在20世紀70年代，日本最先將電能應用到服裝保溫上研制出電熱褲，開辟了電子與服裝結合的新紀元[3]。隨后，相繼出現(xiàn)了電熱衣、電熱護膝、電熱襪等電熱服裝產(chǎn)品[4]。我國于20世紀80年代初期研制出電熱服，且自電熱服出現(xiàn)以來各種發(fā)明層出不窮，被應用于多種行業(yè)服裝(如飛行員、潛水員、輪船駕駛員等)，隨著科技的發(fā)展，其應用領域和范圍不斷拓展[5]。然而，電熱服的加熱裝置往往缺乏加熱控制系統(tǒng)，或僅能通過檔位來調(diào)節(jié)加熱溫度而沒有相應的溫度感應及反饋機制，因此有加熱效率與舒適性差的問題。

智能發(fā)熱服是指將發(fā)熱裝置與紡織品面料相結合，能夠主動產(chǎn)熱且溫度可調(diào)控的一種新型電發(fā)熱服裝。其發(fā)熱裝置包括發(fā)熱元件、蓄電池、導線、溫控裝置及溫度傳感器。目前發(fā)熱層溫度設計在45℃左右，也可根據(jù)需要設計。電發(fā)熱服裝的核心是發(fā)熱元件，其品質(zhì)和性能是發(fā)熱服裝走向產(chǎn)業(yè)化的關鍵。發(fā)熱元件材料由金屬絲發(fā)展到碳纖維，再到石墨烯，電熱轉換效率越來越高，解決了傳統(tǒng)產(chǎn)品不能持久發(fā)熱的問題。目前市面上發(fā)熱服裝的發(fā)熱片一般位于前胸和后背，也可根據(jù)需求定制，將發(fā)熱片配置到發(fā)熱服的不同部位。隨著技術的發(fā)展，智能電發(fā)熱服的市場競爭終究會轉化為發(fā)熱材料性能的比拼，如材料的發(fā)熱功耗、舒適性及與紡織材料的兼容性等。

3 智能發(fā)熱服裝研究現(xiàn)狀

3.1 碳纖維類智能發(fā)熱服裝

碳纖維強度高、密度小、耐腐蝕性強且導電性能好，電學、熱學和力學性能優(yōu)異。碳纖維作為智能發(fā)熱服裝的發(fā)熱材料，除了具有升溫迅速，電熱轉化率高，使用壽命長等優(yōu)點外，還具備發(fā)熱時產(chǎn)生遠紅外線的功能[6]。因此可利用碳纖維發(fā)熱材料開發(fā)出具有保健功能的發(fā)熱保暖服裝。

碳纖維發(fā)熱服裝與之前的電發(fā)熱服裝相比具有很多優(yōu)點，如發(fā)熱效率高：碳纖維發(fā)熱服裝中的發(fā)熱體為碳纖維織物，發(fā)熱區(qū)域大、電熱轉化率高、遠紅外發(fā)射率高。安全性高：碳纖維工作電壓低，與傳統(tǒng)電熱絲發(fā)熱服裝相比，碳纖維發(fā)熱服裝安全性更高，且碳纖維發(fā)熱體升溫和冷卻速度快，因此，碳纖維發(fā)熱服裝能夠實現(xiàn)精確控溫，適用性更廣。舒適性好：碳纖維發(fā)熱服裝中的發(fā)熱體為碳纖維布，柔軟、輕薄、透氣，穿著舒適性更好。但目前碳纖維發(fā)熱服裝也存在發(fā)熱裝置防水和耐搓洗性差的問題，因此發(fā)熱裝置只能采用可脫卸設計。

3.2 石墨烯類智能發(fā)熱服裝

石墨烯是繼富勒烯和碳納米管之后的新型碳納米結構材料，是一種二維層狀、單原子厚度的碳單質(zhì)，由sp2雜化的碳原子在二維平面上有序排列而成(如圖1)。原則上，石墨烯是單層原子厚度的碳單質(zhì)，即單片層石墨烯，但在實際研究應用中，層數(shù)較少或者含有其他原子的類似結構，也被稱為石墨烯[7]。石墨烯被認為是其他各維碳材料的基本組成單位。石墨烯可以包覆成零維的富勒烯，卷曲成一維的碳納米管或者堆垛成三維的石墨[8，9]。獨特的結構賦予了石墨烯優(yōu)異的性能，尤其在電學、光學、熱學、力學等方面性能更加突出。同時，石墨烯是目前為止導熱系數(shù)最高的材料，且石墨烯的電子遷移率受溫度變化的影響較小[10，11]?；诮苟桑┌l(fā)熱服在使用的過程中，通電之后便會迅速發(fā)熱，而石墨烯發(fā)熱服裝工作的關鍵元件在于石墨烯薄膜，通過如圖2所示的石墨烯薄膜制備工藝，使得石墨烯片層之間能夠形成均勻連通的導電網(wǎng)絡，施加較低的電壓即可產(chǎn)生較高的熱量。

圖1 石墨烯、氧化石墨烯的結構示意圖

圖2 石墨烯發(fā)熱膜制備工藝和工作示意圖

石墨烯發(fā)熱服的主要特性除了產(chǎn)熱效率高外，還具有理療功能。其特有的六角型結構能夠反射人體發(fā)出的遠紅外線，有效保持人體溫度，且石墨烯在發(fā)熱時發(fā)出的6 μm～14 μm遠紅外光對人體健康十分有益。此外，石墨烯面料更加輕盈、透氣，具有良好的彈性，如2018年冬奧會閉幕式、2019年春晚，演員穿著輕薄的石墨烯智能發(fā)熱演出服裝時既不會被凍傷，還能保證動作流暢舒展。2018中國國際服裝服飾博覽會上展出的智能石墨烯發(fā)熱服，能夠實現(xiàn)人工智能語音對話，可以輕松實現(xiàn)人衣互動、精細控溫、定制參數(shù)、提供個性化健康使用方案等。

4 智能發(fā)熱服裝發(fā)展趨勢

發(fā)熱材料是智能發(fā)熱保暖服裝開發(fā)的關鍵，近年來，以碳纖維、石墨烯等新材料為發(fā)熱元件，先后研制出發(fā)熱保暖內(nèi)衣、發(fā)熱防寒服等產(chǎn)品。隨著技術的發(fā)展，智能發(fā)熱服裝將會成為發(fā)熱保暖行業(yè)的一個熱點，得到更廣泛的應用，具有巨大的市場潛力，其發(fā)展也將更加多元化。

4.1 功能集成

隨著人們對服裝性能的要求越來越高，智能發(fā)熱服裝將更加重視功能集成，除保暖功能外，還應具備保健、抗菌、防污、抗靜電等功能。物聯(lián)網(wǎng)的迅速推廣為發(fā)熱保暖服裝智能化發(fā)展提供了機遇[12]。服裝的拓展性和兼容性既為多功能的實現(xiàn)奠定了基礎，也為傳感器元件的集成提供了平臺。未來智能化發(fā)熱服裝除了輕便保暖，在人體健康感知、監(jiān)測、護理、疾病預防、疾病預警等方面也將逐漸完善。

4.2 環(huán)保舒適

由于智能發(fā)熱服裝研發(fā)、生產(chǎn)涉及的學科眾多，因此開發(fā)過程要高度重視環(huán)保，實現(xiàn)研發(fā)、生產(chǎn)、使用、廢棄的全過程無污染或少污染。此外，智能發(fā)熱服裝的發(fā)展在保證保暖性的同時，也需實現(xiàn)功能性和舒適性的協(xié)調(diào)，以提高消費者的認可度。

4.3 經(jīng)濟耐用

目前，發(fā)熱保暖服裝成本過高，不利于推廣使用，因此加大低成本發(fā)熱保暖材料的研發(fā)力度，使之具有良好的經(jīng)濟適用性，是今后的研究方向之一。此外，智能發(fā)熱服裝質(zhì)量參差不齊，發(fā)熱元件在穿用或洗滌維護后，性能會有所下降。因此，發(fā)熱保暖材料的耐用性也是今后的研究重點之一。

5 結語

智能發(fā)熱保暖服裝是一種積極產(chǎn)熱式保暖服，可明顯提升人體對低溫環(huán)境的耐受度。隨著科技、材料、服裝設計、電路集成水平的提升以及生產(chǎn)成本的下降，智能發(fā)熱保暖服裝會逐漸進入人們的生活。今后智能發(fā)熱保暖服裝需從功能集成、環(huán)保舒適、經(jīng)濟耐用等方面加大研發(fā)力度，以實現(xiàn)產(chǎn)學研與市場的精準對接，滿足不同消費群體對智能發(fā)熱保暖服裝的需求。