作者：林磊 王宏付 柯莹
来源：《丝绸》2022年第03期加热片
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摘要： 为揭示电加热服的材料、加工工艺与热防护性能之间的关系，解析电加热服设计过程中的关键问题，文章首先对金属、镀金和非金属两个类别的电加热材料进行分别阐述并分析其各自的优缺点;接着介绍了电加热服的三种加工工艺，分别为直接利用电热丝制作、放置电加热片制作和涂覆电热薄膜或涂层制作。其中，直接利用电热丝制作电加熱服加热均匀、直接高效，但工艺复杂;放置电加热片制作电加热服方便简洁，但容易造成加热不均;涂覆电加热薄膜或涂层的方式成本低、使用灵活，但服装透湿透气性和耐用性不佳。最后从电安全、电热、热舒适性三方面对电加热服的综合性能进行评价，总结得出未来电加热服将会在加热区域的设计、加工工艺优化、性能评价方式改进和功能升级四方面开展更加深入的研究。 关键词： 电加热服;电加热材料;加工工艺;热防护性能;性能评价;热舒适性
中图分类号： TS941.71
文献标志码： A
文章编号： 1001 7003（2022）03 0068 08
引用页码： 031110
DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2022.03.010 （篇序）
低温环境下，人们通常穿着多层服装以防止热量散失，但服装过于厚重会限制着装者的身体运动，在一些特定场合并不实用。随着纺织技术的不断发展创新，智能加热服装得以广泛应用，它将传统保暖服的被动隔热变为主动加热。目前智能加热服主要有：电加热服、化学加热服、相变加热服、流体加热服和太阳能加热服 [1] 。电加热服以电为能源，将电能通过置入于服装中的电加热元件从而转化为热能，可以在低温环境中积极主动地提供热量，提高穿戴者的舒适性 [2] 。相比其他智能加热服，电加热服发热时间长、温度可调节、并且能较好地贴合人体。随着电发热系统技术的逐渐成熟，电加热服已成为最常见的智能加热服装之一 [3] 。本文从电加热服的材料、加工工艺、性能评价三方面介绍电加热服的发展现状，分析未来电加热服的发展趋势，并提出电加热服的性能评价流程，为后续相关研究提供一定参考。
1 电加热材料的分类
电加热材料主要分为金属、镀金和非金属类加热材
料，如图1所示。金属类加热材料主要有铁、铜、银、不锈钢和铝等金属或合金类材料，通常将金属丝制成导电纱线或包覆纱线，然后将其织入织物或者其他材料中制成电加热元件。镀金属类电加热材料通过电镀、化学镀和真空镀等方法将纯金属镀在普通纤维或者纱线上制成，其中镀金纱线的含量影响电加热材料的性能。镀银纱线导电性能优异，阻值稳定，延展性好，是目前金属镀金类加热材料中最常用的一种。
非金属类电加热材料来源广泛，主要有碳系发热材料、导电高聚物等。相对于金属类加热材料，非金属类电加热材料模量低，延展性好，便于织造，制成服装更贴合人体。碳系发热材料主要有碳纤维、碳纳米材料和石墨烯发热材料等，目前使用在电加热材料中的导电高聚物较多的有聚吡咯（PPy）、聚噻吩及其衍生物和过渡金属碳化物（MXene）。
虽然电加热材料的研究取得了相当大的进展，但在实际应用中仍然存在一些具有挑战性的问题。如表1所示为一些常用电加热材料性能优劣的总结。石墨烯、碳纳米材料和金属纳米线等电加热材料的能耗减少、加工过程优化和经济化生产是未来需要重点发展的，金属类加热材料的柔性化、轻薄化，非金属加热材料的耐洗性能、耐磨性能也是需要进一步解决的问题。
2 电加热服的加工工艺
电加热服的加工工艺主要有三种：直接通过电热丝制作、放置电加热片制作、通过电热薄膜或者涂层制作。
2.1 通过电热丝制作
将电热丝直接缝制到服装中，或者先缝制到织物上制作电加热元件，再将其置入电加热服装是较早的制作电加热服的方式，如图2所示。这种加工工艺的优点在于发热效率高，加热位置覆盖广。
Leveratt [25] 将柔性电加热线缝制到织物上，制成电加热服装，包括上衣、裤子、手套和袜子，通过电子控制器控制每根电热丝的电流，多个电路器控制供应的功率，自动且独立调节服装加热功率。Doganay等 [26] 用银纳米线制备了电加热手套，当施加3.5 V电压加热时，手套的温度分布相当均匀，且温度上升到70 ℃只需要100 s。Cheng等 [6] 利用铜纳米线基复合纤维织成保暖织物，并将其与单片机集成到服装中，设计了一个可穿戴的智能个人取暖系统，实现了取暖织物与智能手机的交互，为行动不便的人提供了一种有效取
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暖的解决方案。另外，将其固定在护膝和婴儿模型胸部位置，经红外热像显示，加热织物对相应部位进行了有效的加热，通过手机APP可以实现温度监测和加热温度控制，应用前景较好。
2.2 放置电加热片制作
电加热片也是常见的电加热元件，是目前最常用的制作电加热服的手段，其结构如图3所示。通常利用口袋放置电加热片，或者直接将电加热片缝制到服装中。根据所需要的加热部位不同，可以在不同位置放置加热片，根据用户要求，可以制作不同形状、大小的加热片。研究指出 [27] ，人体保暖不足的部位主要在前胸、肩部、腹部、前臂和小腿，因此加热片的放置应主要集中在这些区域。
唐世君等 [28] 研制了一种由背心、电池和加热载体组成的电加热服装，背心前身两个口袋用来放置电池，发热载体布置在后背、前腹部，智能遥控电池有四档电压脉冲输出，电热服发热时间大于3 h，服装表面温度高于50 ℃。WU等 [29] 将基于热舒适控制模型设计得到电加热片应用于服装中，通过低温实验证明了电加热片对于人体热舒适调节的舒适性。Udayraj等 [30] 设计出由加热夹克和裤子组成的电加热服，放置12个加热片，两个在
腹部，三个在上背部，三个位于下背部，另外在臀部和骨盆处各有两个，通过独立的两个电池提供电压，加热时间分别可达6 h和14.8 h。李佳怡等 [31] 研制了具有智能温控装置的新型防寒服，具有多层结构，上衣加热片位于防寒服内胆腹部和后腰，裤子加热片放置在两侧膝盖。图4是对常见电加热服中加热片分布情况进行的展示。
在低温环境，手指灵活性能会受到很大影响，温度过低也会导致冻疮、麻痹，因此手部保暖也很重要。马妮妮等 [32] 研制了一款轻便、可持续保暖的温控电热防护手套，包括手套本体、加热元件和智能调温装置，加热片形状为五指型，放置在手套背部隔热层和内里之间，通过真人实验发现电热手套能提供较好的保暖性能，提高手指舒适性。
2.3 涂覆电热薄膜或涂层制作
皮革加工 将电热薄膜或涂层涂覆在织物表面，也能得到电热性能良好的电加热服，制作方便，使用灵活，也常用于电加热服的制作中。Zhang等 [33] 在织物表面涂覆导电聚合物亚乙基二氧噻吩（PEDOT）涂层， 制备出一款柔软、质轻、透气的电热手套，施加电压几秒后，佩戴者就能感受到热量从织物传递到手指。有学者将MXene分别涂覆在棉手套、纤维素纤维表面制作了电热手套和电热护颈垫，热性能优良，温度分布均匀 [23-24] 。许冰等 [
甲基化引物设计
35] 基于石墨烯电加热膜研究出一款自动控温运动服，这种加热膜可以在10 V电压下连续工作500 h，5 000次稳定发热。
通过电热丝直接制作电加热服的方法直接有效，但是制作工艺复杂，简化制作工艺是一大挑战，如何将其合理地嵌入服装而不影响服装舒适性是未来研究重点。外置电加热片虽然可以根据人体部位所需进行加热，但是电加热服的加热均匀度得不到保障。除此之外，电加热片的厚度会影响舒适性，轻薄化电加热片是未来电加热服研究的热点。电加热片与服装的结合方式需要更加完善，以保证电加热服的舒适性。在织物表面涂覆电熱薄膜或涂层虽然方便经济，但是薄膜和涂层的耐洗性能到目前为止都没有很好的保障，在长时间使用过后性能下降，且通过这种方式制作的电加热服，其透湿透气性能较差。
3 电加热服的性能评价
3.1 电安全性能
电加热服的电安全问题是人们一直关心的问题，到目前为止还没有关于电加热服电安全性能的一套完整评价体系。郑兆和等 [36] 将电加热服装的电安全性能分为移动电源安全
性、电器安全性、电磁兼容性、电发热安全性、特殊存放安全性的要求。张妍 [37] 研究指出电加热服一般贴身穿着，所以存在一定安全隐患，应确保输出电压低于12 V，输出电流在2 A以下，同时设置短路保护装置，确保着装者人身安全。除此之外，电加热服应该注意的电安全问题还有：电路封装得严谨，防止出现短路或者意外接触液体后出现安全问题;电路设计的合理性，防止发热温度过高而对人体造成损伤;电加热服的防老化性能要好，保证在存放过程中不会造成导线脱胶、裸露等情况。
3.2 电热性能
卷纸架
电加热服的电热性能主要包括电热元件的热稳定性、加热均匀度、加热功率密度和升温速度等 [38] 。
热稳定性是指在稳定状态下工作温度的电阻稳定性和加热功率稳定性，是评价电热服电热性能的重要指标。其变化越小，说明电加热服的热稳定性越好。Ou等 [7] 通过红外热像系统测试由液态金属氧化薄膜制成的加热服装的热性能，其热像图显示在外力作用下，加热元件的电阻变化率小。
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