智能發熱服裝研究現狀及發展趨勢

王 禎，施養承，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]。在實際生產生活中，當環境溫度低于人體舒適溫度范圍，特別是冬天或者低溫環境中(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：一類是消極產熱式保暖服，即被動產熱式，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阻隔熱量傳遞以增加保暖性能[2]。傳統的保暖服裝多數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。另一種則是積極產熱式保暖服，即主動產熱式，通過外加產熱裝置，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，積極產熱式保暖服更具優勢。智能發熱服裝不僅可提供動態調節的保暖功能，而且輕便適體，其發展必然會對傳統服裝領域帶來巨大沖擊，同時也將帶來全新的發展機遇。

2 智能發熱服裝

目前，智能發熱服裝主要是指電發熱類智能發熱服裝，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，相繼出現了電熱衣、電熱護膝、電熱襪等電熱服裝產品[4]。我國于20世紀80年代初期研制出電熱服，且自電熱服出現以來各種發明層出不窮，被應用于多種行業服裝(如飛行員、潛水員、輪船駕駛員等)，隨著科技的發展，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，或僅能通過檔位來調節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。

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

3 智能發熱服裝研究現狀

3.1 碳纖維類智能發熱服裝

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

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

3.2 石墨烯類智能發熱服裝

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，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，即單片層石墨烯，但在實際研究應用中，層數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]。基于焦耳定律，石墨烯發熱服在使用的過程中，通電之后便會迅速發熱，而石墨烯發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絡，施加較低的電壓即可產生較高的熱量。

圖1 石墨烯、氧化石墨烯的結構示意圖

圖2 石墨烯發熱膜制備工藝和工作示意圖

石墨烯發熱服的主要特性除了產熱效率高外，還具有理療功能。其特有的六角型結構能夠反射人體發出的遠紅外線，有效保持人體溫度，且石墨烯在發熱時發出的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熱服，能夠實現人工智能語音對話，可以輕松實現人衣互動、精細控溫、定制參數、提供個性化健康使用方案等。

4 智能發熱服裝發展趨勢

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

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。物聯網的迅速推廣為發熱保暖服裝智能化發展提供了機遇[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。未來智能化發熱服裝除了輕便保暖，在人體健康感知、監測、護理、疾病預防、疾病預警等方面也將逐漸完善。

4.2 環保舒適

由于智能發熱服裝研發、生產涉及的學科眾多，因此開發過程要高度重視環保，實現研發、生產、使用、廢棄的全過程無污染或少污染。此外，智能發熱服裝的發展在保證保暖性的同時，也需實現功能性和舒適性的協調，以提高消費者的認可度。

4.3 經濟耐用

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

5 結語

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