电加热户外服发热元件电热性能评价

王鑫 鲁虹

摘要：电加热服是近年来研究的热点，发热元件是电加热服的重要组成部分。由于穿着环境和场合限制，电加热户外服对于发热元件的电热性能有着较高的要求。碳纤维发热元件、石墨烯发热元件及碳纳米管发热元件是适用于服装的发热元件。为筛选出最适用于电加热户外服的发热元件，通过对比实验，对三种发热元件的电热性能（升温速度、發热均匀性、发热稳定性）进行测试。结果表明，碳纳米管发热片各项表现均优于碳纤维发热片以及石墨烯发热片，为电加热户外服的发热元件的筛选奠定基础。

关键词：发热元件;升温速度;发热均匀性;热稳定性

电加热服是指以电能为能源，通过电加热元件将电能转化为热能的服装，发热元件在电加热服的发热系统中发挥重要作用[1]。发热元件大体可分为金属发热材料、碳纤维发热材料以及电热膜三大类。金属发热材料可通过将不锈钢纱线、镀银纱线等排列于织物中设计而成[2-4]。碳纤维发热材料是将不同排列方式的碳纤维通过导电材料固定于基布上制成[5-6]。电热膜多为三明治结构[7]，碳纳米管发热片就是某公司研发的新型电热膜。不同种类的发热元件适用于不同领域，本文对市场上常见的三种适用于服装的发热元件电热性能进行评价，为电加热户外服发热元件的筛选提供依据。

1升温速度

1.1实验方案

发热片的升温速度是衡量发热片电热性能的标准之一。升温速度越快，发热片的电热性能越优秀。将碳纤维发热片、石墨烯发热片和碳纳米管发热片放在温度为20℃，相对湿度为65%的恒温室内平衡。通过额定电压为5V的充电宝供电，利用红外热像仪optris400测量发热片几何中心温度，每10s测量一次，持续6分钟。

1.2实验结果与分析

通过Origin对数据进行处理，得到每种发热片升温曲线如图1所示。通电过程中，3种发热片表面温度均呈现先上升再趋于稳定的趋势。通电初期发热片的产热量远大于散热量，发热片表面温度上升速度较快。随着发热片表面温度的上升，发热片表面温度与外界环境间温度差增大，散热量增大，发热片表面温度上升速度减小，直至发热片的散热量等于产热量时，发热片表面温度也达到一个相对稳定的状态。

在输入相同的电压的情况下，碳纳米管发热片的瞬时温度最高，相较于其他两种发热片，碳纳米管发热片的热惯性最小、热响应所需时间最短，碳纳米管发热片的升温速度较石墨烯发热片和碳纤维发热片更快。

2发热均匀性

2.1实验方案

发热片表面不同位置发热温度的一致性称为发热片表面温度分布的均匀性，是衡量发热片电热性能的标准之一。本实验在温度为20℃相对湿度为65%的恒温室内进行。通过额定电压为5V的充电宝为发热片供电，持续6分钟，采用红外热像仪optris400对3种发热片工作时表面温度进行测量，每隔30秒拍摄一次红外图像。参照国标GB/T7287-2008，利用红外热像仪自带软件对每种发热片表面9个部位的温度数据进行提取，测温点的选取如图2所示。通过公式（1）计算温度分布系数。

Tz——发热片几何中心处的温度，单位为K;

Ti——发热片第i点的温度，单位为K;

n——除发热片几何中心处测温点外的测温点数目，无量纲;

a——温度分布系数，无量纲。

2.2实验结果与分析

通过红外热像仪自带软件分别对3种发热片每个测温点的温度进行提取，通过Excel对发热片每隔30秒的温度分布系数a进行计算，利用Origin对数据进行处理，得到如图3所示的三种发热片温度系数随时间变化曲线。a1、a2、a3分别为碳纤维发热片、石墨烯发热片、碳纳米管发热片的温度分布系数。

通电过程中三种发热片温度分布系数均呈现先增大再趋于稳定的趋势。通电初期，发热片各部位之间温度差异较小;随通电时间的增加，发热片各部位之间温度差异增大，温度分布不均匀。实验结果表明，三种发热片温度分布系数从小到大分别为碳纳米管发热片、石墨烯发热片、碳纤维发热片。温度分布系数越小，发热片发热均匀性越好，因而碳纳米管发热片发热最均匀。

3发热片热稳定性

3.1实验方案

发热片的热稳定性是指发热片工作达到稳定状态、表面温度一定的情况下，发热片电阻稳定性。将三种发热片放在温度为20℃，相对湿度为65%的恒温恒湿室平衡，通过万用电表测试三种发热片常温下的初始电阻;校对QC3.0USB电流电压计，将其与发热片串联，通过额定电压为5V的充电宝为发热片供电，通过红外热像仪optris400对发热片温度进行监测，待发热片温度稳定后用QC3.0USB功率计测试通过织物的电流和电压，计算发热片在该温度下的电阻，每种发热片重复3次。

3.2实验结果与分析

通过计算所得发热片温度稳定时的电阻Rr和初始电阻R0，对发热片的电阻变化率?进行计算，计算公式如下：

?——电阻变化率;

R0——织物常温下的初始电阻;

Rr——织物在该温度下的电阻。

三种发热片在发热温度达到稳定状态后，通过发热片的电流、电压、发热片电阻以及电阻变化率如表1所示。

结果表明，三种发热片电阻变化率?从大到小依次为碳纤维发热片、石墨烯发热片、碳纳米管发热片。电阻变化率?越小，发热片的热稳定性越强，因而碳纳米管发热片在三种发热片中热稳定性最强，石墨烯发热片次之，碳纤维发热片的电阻变化率高达7.14%，热稳定性最差。

4结束语

对碳纤维发热片、石墨烯发热片以及碳纳米管发热片的升温速度、发热均匀性以及热稳定性进行测试，结果表明碳纳米管发热片在各方面表现均优于石墨烯发热片和碳纤维发热片，具有优秀的电热性能。本文实验结果为电加热户外服发热元件的筛选提供理论依据。

参考文献

[1]唐世君，郭诗珧.电加热服装的研制[J].中国个体防护装备，2013（06）：5-8.

[2]张艺强. 不锈钢电加热织物的热性能分析与模拟[D].浙江理工大学，2018.

[3] Syed Talha Ali Hamdani，Anura Fernando，Muhammad Maqsood. Thermo-mechanical behavior of stainless steel knitted structures[J]. Heat and Mass Transfer，2016，52（9）.

[4]李雅芳. 基于镀银纱线的加热织物制备及其热力学性能研究与仿真[D].天津工业大学，2017.

[5]吴官正，张玲，范佳璇，董维锋，韩晓果，肖学良.服装用发热碳纤维串并联模型对发热效率及均匀性的影响[J].服装学报，2018，3（04）：294-300.

[6]张猛，富秀荣.碳纤维发热织物的电热性能研究[J].合成纤维，2015，44（11）：25-27+57.

[7] Hamdani Syed Talha Ali，Potluri Prasad，Fernando Anura. Thermo-Mechanical Behavior of Textile Heating Fabric Based on Silver Coated Polymeric Yarn.[J]. Materials （Basel， Switzerland），2013，6（3）.

作者简介：王鑫，硕士，主要研究方向为服装先进制造与人体科学研究。

通讯作者：鲁虹，副教授，主要研究方向为服装先进制造与人体科学研究。

（东华大学 服装与艺术设计学院 上海 200051;东华大学 现代服装设计与技术教育部重点实验室 上海 200051）