別一飛，劉嘉銘，高智勇

（1.武漢大學(xué) 圖像傳播與印刷包裝研究中心，武漢 430079；2.合肥美的電冰箱有限公司，合肥 230000；3.武漢大學(xué) 城市設(shè)計(jì)學(xué)院，武漢 430072）

中國(guó)外賣行業(yè)經(jīng)歷了從起步到市場(chǎng)規(guī)模迅速擴(kuò)大的時(shí)期，在線外賣收入占全國(guó)餐飲業(yè)收入比重持續(xù)提高，但其中配送的外賣食物變冷、口感變差等問(wèn)題極大地影響著消費(fèi)者的消費(fèi)體驗(yàn)[1-2]。如何使箱內(nèi)保持合適的溫度狀態(tài)是外賣配送中的難題。目前，外賣箱大多通過(guò)減少運(yùn)輸過(guò)程中散失的熱量來(lái)達(dá)到保溫目的，使用隔熱材料可以較好地隔絕箱體內(nèi)外部環(huán)境，但是其內(nèi)部熱量交換是熱餐食物的高熱量與箱內(nèi)環(huán)境低熱量之間不平衡的熱交換。特別是在寒冷及陰雨天氣條件下，配送過(guò)程中多次開(kāi)蓋會(huì)散失大量熱量導(dǎo)致箱內(nèi)溫度大幅降低的問(wèn)題不能避免，食物的口感及品質(zhì)難以保障[3-4]。

相較于傳統(tǒng)的被動(dòng)保溫，更多的加熱保溫方式被提出。朱傳輝等[5]提出了一種采用相變蓄熱材料研制的外賣保溫箱，采用的主要加熱原理是蓄熱材料的相變放熱，但是相變材料存在循環(huán)過(guò)程中熱物理性質(zhì)的退化問(wèn)題、相變材料的可逆性是否足夠、相變材料的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題，這是保溫箱能否采用這一材料的3 個(gè)主要問(wèn)題。曹瑩等[6]設(shè)計(jì)了一款太陽(yáng)能智能保溫箱，采用環(huán)保的太陽(yáng)能電池對(duì)電加熱保溫箱的電源選擇方向有一定的指導(dǎo)意義，但是太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率低，其能否滿足加熱需求是一個(gè)重大問(wèn)題。

碳系導(dǎo)電材料因具有更輕的質(zhì)量、導(dǎo)熱系數(shù)高、導(dǎo)電性能好、電熱轉(zhuǎn)換效率高和響應(yīng)速率快等優(yōu)點(diǎn)而成為良好的電熱器件候選材料[7-11]。Xia 等[12]以薄層石墨和碳纖維為導(dǎo)電填料添加到改性樹(shù)脂中制備電熱膜，電熱膜在22 V 的電壓下通電5 min，溫度可達(dá)到265 ℃，表現(xiàn)出優(yōu)異的電熱性能。Luo 等[13]采用逐層組裝的方法制備了柔性碳納米管/聚氨酯電熱膜。結(jié)果表明，該薄膜具有良好的電熱性能，在10 V 電壓下可達(dá)到140 ℃的飽和溫度。Chang 等[14]制備的三維石墨烯/碳化聚丙烯腈復(fù)合紙最快的比熱速率可達(dá)213 ℃/(s·V)，在1.75 V 的工作電壓下，最高溫度可達(dá)235 ℃。由此可見(jiàn)，碳系導(dǎo)電復(fù)合材料表現(xiàn)出良好的電阻性加熱行為，規(guī)?；a(chǎn)可用于家庭供暖、加熱服裝、工業(yè)保溫等領(lǐng)域。但由于傳統(tǒng)溶劑型碳系導(dǎo)電復(fù)合材料在使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）以及復(fù)合材料大多處于研發(fā)階段等，所以其在食品保溫研究中很少使用。

因此，文中針對(duì)外賣運(yùn)輸過(guò)程中的熱量損失問(wèn)題，從主動(dòng)供熱角度出發(fā)，使用環(huán)保無(wú)污染且成本較低的碳系水性電熱油墨印制電熱板，并裝配在外賣恒溫箱中。構(gòu)建在約60 ℃的溫度下保持熱平衡的恒溫箱內(nèi)環(huán)境，從根本上解決在運(yùn)輸過(guò)程中食物溫度降低的問(wèn)題，成功實(shí)現(xiàn)保存食物最佳食用溫度的效果。對(duì)外賣恒溫箱的主體布局進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，模擬測(cè)試了在1 h 的配送過(guò)程中外賣恒溫箱內(nèi)部的溫度變化，同時(shí)設(shè)置空白對(duì)照實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證使用發(fā)熱器件后外賣恒溫箱的恒溫效果。

1 材料與結(jié)構(gòu)

1.1 發(fā)熱材料

本研究使用納米碳材料制備的碳系水性電熱油墨，以炭黑、石墨、碳納米管為導(dǎo)電填料，水為溶劑，水性丙烯酸樹(shù)脂為連接料，消泡劑和分散劑為助劑[15-17]，無(wú)揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）排放，具有環(huán)保無(wú)毒害、低成本、電熱性能優(yōu)異的優(yōu)點(diǎn)，可在安全電壓（≤36 V）下表現(xiàn)出高效的電熱轉(zhuǎn)換性能。本研究所用的實(shí)驗(yàn)材料和試劑如表1 所示，所用的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備見(jiàn)表2。在制備碳系水性電熱油墨過(guò)程中，油墨中總的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在20.8%（石墨占10.8%，炭黑占6%，碳納米管占4%），水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在52.2%，水性丙烯酸樹(shù)脂在油墨中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在10%，消泡劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在2%，分散劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%。制備工藝見(jiàn)圖1。

圖1 碳系水性電熱油墨的制備工藝Fig.1 Preparation of carbon water-based electric heating ink

表1 實(shí)驗(yàn)中使用的材料和試劑Tab.1 Materials and reagents used in experiment

表2 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備Tab.2 Experimental instrument and equipment

1.2 發(fā)熱器件設(shè)計(jì)

本研究使用200 目絲網(wǎng)版在承印物上印刷面積為25 cm×25 cm 的碳系水性電熱油墨。絲網(wǎng)印刷前，打開(kāi)絲網(wǎng)印刷機(jī)進(jìn)行絲網(wǎng)印刷版的安裝和位置的調(diào)試，固定好印制基材后進(jìn)行設(shè)備抽真空；將碳系水性電熱油墨涂在絲網(wǎng)印刷機(jī)刮板的一側(cè)，用回油刀先將油墨浸潤(rùn)在待印刷的絲網(wǎng)版孔內(nèi)，再將印刷刮板下降到基材處與基材直接接觸，進(jìn)行發(fā)熱器件的電路印制。發(fā)熱器件截面圖如圖2 所示，結(jié)構(gòu)分解圖如圖3所示，其中最上方1 為萬(wàn)通板材料，其內(nèi)部孔狀結(jié)構(gòu)使熱量均勻分布在整個(gè)發(fā)熱器件表面，并且能提供一定的緩沖防震作用。緊貼著萬(wàn)通板的2 是貼在導(dǎo)電涂層兩端的銅帶，其作為電熱油墨層的電極并將多個(gè)發(fā)熱模塊并聯(lián)起來(lái)。圖2 和圖3 中緊貼著萬(wàn)通板的黑色層3 為碳系水性電熱油墨，經(jīng)干燥固化形成導(dǎo)電涂層，承擔(dān)導(dǎo)電發(fā)熱的作用。底部4 為環(huán)氧樹(shù)脂玻璃纖維布，通過(guò)熱壓的方法來(lái)與前3 層材料復(fù)合，主要保護(hù)導(dǎo)電涂層，防止水汽、磨損等外部因素對(duì)器件性能的影響，提高發(fā)熱器件的使用壽命。

圖2 發(fā)熱器件截面Fig.2 Cross section of heating device

圖3 發(fā)熱器件結(jié)構(gòu)分解Fig.3 Structure decomposition of heating device

1.3 發(fā)熱原理

電熱油墨作為一種新型電熱材料，需要通過(guò)凹版印刷、絲網(wǎng)印刷、刮涂、旋涂或噴涂的方式附著在基材上，并經(jīng)過(guò)干燥形成平整均勻的導(dǎo)電涂層才能使用。印刷的油墨在初始階段由于不導(dǎo)電的溶劑、連接料等阻隔在導(dǎo)電碳填料之間，因此無(wú)法形成有效的導(dǎo)電通路。在干燥過(guò)程中，其內(nèi)部導(dǎo)電粒子間隙隨著溶劑的揮發(fā)逐漸縮小，最終不同尺寸的納米級(jí)碳材料互相填充，緊密連接形成交縱錯(cuò)雜的導(dǎo)電通路，在外加電壓下形成電流并將一部分電能轉(zhuǎn)化為熱能，以熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)和熱輻射的形式向周圍環(huán)境傳導(dǎo)。電熱器件在一定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量Q可通過(guò)式（1）計(jì)算。

式中：Q為發(fā)熱量；I為通過(guò)器件的電流；U為外加電壓；R為電阻；t為時(shí)間。

1.4 外賣恒溫箱結(jié)構(gòu)

最終設(shè)計(jì)成型的外賣恒溫箱如圖4 所示。箱體尺寸為58 cm×42 cm×42 cm，箱體選用EPP 材料，采用2 塊發(fā)熱器件，通過(guò)連接固定后置于箱內(nèi)兩壁進(jìn)行供熱。選用箱體2 個(gè)面積相對(duì)較大的面作為發(fā)熱面有3個(gè)好處：2 個(gè)面作為發(fā)熱面相比4 個(gè)面節(jié)省材料；2個(gè)面積較大的面作為發(fā)熱面電阻小，通電發(fā)熱效果明顯；恒溫箱的2 個(gè)相對(duì)的面作為發(fā)熱面，在通電加熱時(shí)可以形成熱對(duì)流，加速箱體溫度的提升，箱體內(nèi)溫度更加均勻。發(fā)熱器件可先組裝后直接插入恒溫箱或者取出收納，使用便捷，結(jié)構(gòu)穩(wěn)固。同時(shí)通過(guò)對(duì)發(fā)熱器件功率的控制能有效地使恒溫箱體內(nèi)溫度達(dá)到熱餐食物的最佳存儲(chǔ)溫度。

圖4 發(fā)熱器件安裝示意圖Fig.4 Schematic diagram of heating device installation

2 電熱性能測(cè)試

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的恒溫箱的保溫性能，分別對(duì)發(fā)熱器件和裝置發(fā)熱器件后的恒溫箱進(jìn)行電熱性能測(cè)試。在室溫18 ℃的條件下，將發(fā)熱器件分別接通14、16、18、20 V 直流電壓，用紅外攝像機(jī)記錄發(fā)熱器件的溫度變化，測(cè)試發(fā)熱器件的溫度響應(yīng)速率和各工作電壓下的飽和溫度。由圖5 結(jié)果可看出，發(fā)熱器件的溫度影響速度較快，在接通電源10 min 內(nèi)溫度快速上升，隨后逐漸趨于平穩(wěn)，大約20 min 即能到達(dá)相對(duì)穩(wěn)定的飽和溫度。當(dāng)給發(fā)熱器件施加14 V 電壓時(shí)，通過(guò)的工作電流為1.89 A，發(fā)熱器件所消耗的功率僅僅只有26.5 W，能夠達(dá)到的飽和溫度為54.1 ℃左右；接通16 V 電壓時(shí)，工作電流為2.16 A，功率為34.6 W，飽和溫度為65.1 ℃；施加18 V 電壓時(shí)，工作電流為 2.43 A，功率為 43.7 W，飽和溫度為76.7 ℃；施加20 V 電壓時(shí)，工作電流為2.71 A，此時(shí)發(fā)熱器件的功率為54.2 W，飽和溫度為88.8 ℃?？偟膩?lái)說(shuō)，使用碳系水性電熱油墨絲網(wǎng)印刷制備的發(fā)熱器件可在小于55 W 的低功耗下實(shí)現(xiàn)從54 ℃到89 ℃發(fā)熱區(qū)間的靈活溫度調(diào)節(jié)，從而滿足多樣化的溫度控制需求。圖6 展示的是本實(shí)驗(yàn)制備的發(fā)熱器件的發(fā)熱溫度與功率密度的函數(shù)關(guān)系，溫度和功率密度的擬合曲線近似線性關(guān)系（T=782.6×P+21.4，T為溫度，P為功率密度）。由圖6 可知，斜率很陡峭（≈782.6 ℃·cm2/W），說(shuō)明在相同的功率密度條件下，單位面積能達(dá)到的飽和溫度更高，即有更高的電熱轉(zhuǎn)化效率，能耗更低[18]。

圖5 發(fā)熱器件在不同電壓下的運(yùn)行情況Fig.5 Operation of heating device under different voltage

圖6 發(fā)熱器件的溫度與輸入功率密度Fig.6 Temperature and input power density of heating device

綜合考慮功耗、食物保溫效果和使用安全性，設(shè)計(jì)的恒溫箱選擇將2 片發(fā)熱器件置于箱內(nèi)壁兩側(cè)，并將電壓設(shè)置在18 V 對(duì)恒溫箱的保溫效果進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)使用探頭型溫濕度計(jì)讀取在加熱過(guò)程中箱體內(nèi)部環(huán)境的溫度。從圖7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，未放置食物的外賣恒溫箱在18 ℃的室溫條件下，通過(guò)兩側(cè)的發(fā)熱器件進(jìn)行加熱約30 min 后能達(dá)到60 ℃以上的溫度，之后箱內(nèi)溫度能穩(wěn)定在60～65 ℃左右。由于箱體優(yōu)異的隔熱效果，在加熱–冷卻過(guò)程中，溫度曲線表現(xiàn)出了明顯的快速升溫和緩慢降溫的特征，切斷電源后經(jīng)過(guò)100 min 箱內(nèi)溫度降至接近室溫。該過(guò)程所消耗的時(shí)間是升溫過(guò)程的4 倍，因此該恒溫箱出色的加熱性能及隔熱性能充分滿足外賣熱餐食物的保溫需求。

圖7 空箱測(cè)試Fig.7 Empty box test

隨后模擬了熱餐食物的配送過(guò)程，對(duì)恒溫箱的保溫效果進(jìn)行測(cè)試。將初始溫度為60 ℃的食物放入外賣恒溫箱中，同時(shí)對(duì)恒溫箱施加18 V 的電壓使箱內(nèi)環(huán)境溫度開(kāi)始升溫，此階段是將熱餐食物放入恒溫箱中準(zhǔn)備配送的模擬；然后每過(guò)10 min 打開(kāi)箱蓋10 s，模擬在外賣配送過(guò)程中取出其他餐食的操作；最后在1 h 之后取出熱餐食物測(cè)量溫度，模擬配送實(shí)驗(yàn)至此結(jié)束。在整個(gè)模擬配送過(guò)程中通過(guò)探頭式溫濕度計(jì)記錄的箱內(nèi)環(huán)境溫度變化如圖8 所示。圖8中溫度曲線的5 次突然下降對(duì)應(yīng)在1 h 模擬實(shí)驗(yàn)中的5 次開(kāi)蓋操作。由于箱體內(nèi)外溫差巨大，因此在開(kāi)蓋的一瞬間箱內(nèi)熱量大量流失導(dǎo)致溫度突然下降。雖然在開(kāi)蓋的過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致箱內(nèi)環(huán)境溫度下降，但是箱內(nèi)環(huán)境溫度整體上還是保持上升趨勢(shì)，并在43 min時(shí)箱內(nèi)溫度已經(jīng)達(dá)到60 ℃以上。最終在取出熱餐食物時(shí)，其溫度僅下降約5 ℃，食物仍保持在口感合適的溫度。

圖8 模擬運(yùn)輸測(cè)試Fig.8 Simulated transport test

最后設(shè)置空白對(duì)照實(shí)驗(yàn)，將60 ℃的水分別放置在普通外賣箱和外賣恒溫箱中保存20 min，然后取出觀察其溫度變化情況，從而更加直觀地評(píng)估電熱器件對(duì)外賣保溫箱在保溫效果上的提升。從圖9 結(jié)果來(lái)看，60 ℃水放置在普通外賣箱中經(jīng)過(guò)20 min 后溫度降低到47.5 ℃，而放置在外賣恒溫箱中的水在經(jīng)過(guò)20 min 后取出其溫度仍能保持在60 ℃，其保溫效率比普通外賣箱的高27.3%。充分證明了所設(shè)計(jì)的恒溫箱在原外賣箱的基礎(chǔ)上大幅度提升了保溫效果。

圖9 普通外賣箱和外賣恒溫箱對(duì)比測(cè)試Fig.9 Comparison test of ordinary takeaway box and constant temperature takeaway box

3 結(jié)語(yǔ)

本研究將碳系水性電熱油墨和印刷電子技術(shù)相結(jié)合運(yùn)用到外賣恒溫箱中。使用炭黑、石墨和碳納米管等成本較低的碳材料制備了碳系水性電熱油墨，并進(jìn)一步制備了發(fā)熱器件。在通電情況下，制備的發(fā)熱器件（25 cm×25 cm）在18 V 電壓條件下，飽和溫度可達(dá)到76.7 ℃，功率密度為6.992×10?2W/cm2。在不同輸入電壓下，發(fā)熱器件的功率密度與溫度之間呈現(xiàn)線性關(guān)系，斜率為782.6 ℃·cm2/W 。表明發(fā)熱器件能有效地將電能轉(zhuǎn)換為熱能，能達(dá)到即時(shí)補(bǔ)充運(yùn)輸過(guò)程中熱量損失的作用，從根本上解決了外賣食品在配送過(guò)程中熱交換不平衡的問(wèn)題，可在低溫環(huán)境下對(duì)外賣熱餐食物起到更加可靠的保溫效果。與傳統(tǒng)的外賣保溫箱相比，本研究所制備的外賣恒溫箱保溫效率大幅提高，滿足外賣行業(yè)發(fā)展對(duì)安全與高品質(zhì)食品的需求。