当环境温度降低时,增加服装层数和覆盖面积能增大服装整体热阻,从而降低人体向周围环境的散热量,起到保暖作用,但服装过于厚重会影响人的行动与穿着舒适性。故外置热源的加热产品更符合人们对服装/服饰保暖性与便携性的需求。目前,此类产品可通过铁粉氧化的化学能转化为热能、陶瓷等材料吸收太阳能转化为热能、导电发热元件消耗电能产生热量等多种方式实现。其中化学反应不便控制且不能循环利用,太阳能受环境光源的限制,故电热转化技术是目前产品实现积极产热功能的便捷有效方式。目前国内外对电加热可穿戴技术的研究较为成熟,相关产品作为智能可穿戴领域中的重要组成部分,拥有巨大的市场潜力。
1柔性电加热元件的研发
电加热元件是产品实现加热功能的核心,目前其制备方法主要分为两种:直接织造法和涂层法。
直接织造法是将导电发热的金属丝或特种纱线(合金纤维、碳纤维或镀导电物质后的纤维与普通纤维混纺后的纱线)作为加热单元,以针织、机织、刺绣等方法将其嵌入纺织品从而制作电加热元件的方式。
直接织造法制备方式简单灵活,织造的电加热元件具有柔软轻薄、可随意裁剪、温度分布均匀的优点。从直接织造法可选择的材料来看,金属丝不易弯曲、质地较硬、服用性能较差;金属镀层纱线相比更柔软,适合制备电加热针织物;碳纤维具有耐高温、可弯曲、可水洗的优点,虽然其摩擦系数大,但强度较高,可以用于机织电加热元件的研发。
目前,有较多研究通过原位聚合、浸渍涂覆、丝网印刷等后整理方式将发热材料涂覆在基底上形成导电发热层以制备电加热元件。其中,浸涂法是较为常用的一种方法。
涂层法工艺简单,制备的元件更轻薄柔软,但发热层的结合力差等会影响元件的发热均匀度。
2电加热服装与服饰的研发
电加热服装的研究最早出现于20世纪初期。为抵御高空低温环境,美国陆军部在一战和二战期间均为士兵配备了电加热飞行服。随着消费者对服装、服饰功能的多元需求与智能可穿戴技术的发展,电加热产品逐渐推广到民用领域。加热系统与产品的集成方式分为两种,一种是在设计的发热区域织入导电导热纱线或将发热元件与服装缝合,即加热单元一体化;另一种是将加热电路系统整体置于服装口袋或夹层,即加热单元可拆卸。
加热单元一体化的模式更适合针织服装服饰的研发,产品更加轻便美观;但简化织造工艺、降低成本是一大挑战。加热单元可拆卸的方法更灵活,便于产品的清洗以及自主控温或新型功能传感器的接入。但其热源位置相对集中,局部高温和发热不均匀可能会引起人体的不适。
3电加热产品的评价方法与标准
电加热可穿戴产品的舒适性与功能评价是其投入市场的必经环节。
(1)服用性能测试方法
电加热服的性能评价包括热防护性评价和热舒适性评价,目前常采用暖体假人和人体穿着实验相结合的方式来测试,也有研究通过数值模拟来评价服装性能。
由于电加热服装的适用环境可能包含极端条件,故可以在人工气候室中用暖体假人穿着服装模拟人的皮肤温度与出汗状态,得到假人与服装和环境热湿交换时各个分区的功率数据;通过穿着实验获取真实人体的皮肤表面温湿度、体核温度、血流量等生理指标,同时可记录人体穿着服装时静态与动态的热湿、压力、触感、心理舒适性的主观评价。结合两种实验以及其他方法,即可在主客观方面综合评价服装的热防护性与热舒适性能。
数值模拟法是通过模拟电加热服与人体之间的气流与热流交换来研究穿着舒适性。
对比而言,暖体假人和数值模拟实验没有环境限制,重复性高,但精确度较低;人体穿着实验可以更直观地反映服装性能,缺点是无法在极端环境下进行,且个体差异等不确定因素对实验结果影响极大。
(2)行业/企业产品标准
目前国内外均没有电加热可穿戴产品的相关标准,但随着此类产品逐渐成为智能可穿戴市场的关注热点,越来越多的研究者将协同企业,基于产品研发阶段的测试方法,制定并完善电加热产品的性能评价标准。
基于此类产品的工作原理, 有学者参考G B 4706.12005《家用和类似用途电器的安全第 1 部分:通用要求》、GB 4706.8 — 2008《家用和类似用途电器的安全电热毯、电热垫及类似柔性发热器具的特殊要求》以及GB 31241 — 2014《便携式电子产品用锂离子电池和电池组安全要求》对电加热服装进行检测。目前,上海市质量监督检验技术研究院牵头制定了团体标准T/CNTAC 24 — 2018《电加热服装》,规定产品除满足服装产品的标准要求外,还应满足使用说明、防触电保护、发热、耐潮湿、结构、耐热耐燃和电磁辐射等 7 个方面对产品的电器安全和使用方面的技术要求。目前,检测与评价的相关参考标准重点聚焦产品的安全性能,避免发生触电、烫伤甚至造成火灾,未来更全面的标准制定应增加对服装舒适性的评价指标。
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