王 禎，施養(yǎng)承，田明偉

(1.中國(guó)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(guó)應(yīng)急管理部化學(xué)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(xué) 紡織服裝學(xué)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(huán)境溫度低于該溫度時(shí)，輕則使人感覺不適，重則對(duì)人體造成危害，導(dǎo)致凍傷、生理機(jī)能減弱等，甚至危及生命安全[1]。在實(shí)際生產(chǎn)生活中，當(dāng)環(huán)境溫度低于人體舒適溫度范圍，特別是冬天或者低溫環(huán)境中(最低氣溫可達(dá)-30℃～-40℃)，這就需要對(duì)人體進(jìn)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(tǒng)服裝已不能滿足人們對(duì)服裝功能性的需求，防寒保暖服裝應(yīng)運(yùn)而生。

目前，防寒保暖服裝主要分為兩大類：一類是消極產(chǎn)熱式保暖服，即被動(dòng)產(chǎn)熱式，通過(guò)紡織品材料本身的隔熱性能或增加靜止空氣含量實(shí)現(xiàn)阻隔熱量傳遞以增加保暖性能[2]。傳統(tǒng)的保暖服裝多數(shù)為這類被動(dòng)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(lái)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(chǎn)熱式保暖服，即主動(dòng)產(chǎn)熱式，通過(guò)外加產(chǎn)熱裝置，使得服裝能在需要時(shí)直接為人體提供額外熱量[2]。當(dāng)人體在極寒環(huán)境中、受傷或無(wú)法對(duì)人體進(jìn)行很好的熱量補(bǔ)給情況下，積極產(chǎn)熱式保暖服更具優(yōu)勢(shì)。智能發(fā)熱服裝不僅可提供動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的保暖功能，而且輕便適體，其發(fā)展必然會(huì)對(duì)傳統(tǒng)服裝領(lǐng)域帶來(lái)巨大沖擊，同時(shí)也將帶來(lái)全新的發(fā)展機(jī)遇。

2 智能發(fā)熱服裝

目前，智能發(fā)熱服裝主要是指電發(fā)熱類智能發(fā)熱服裝，即以電能為能源，將電能轉(zhuǎn)化為熱能以達(dá)到保暖御寒作用的服裝。早在20世紀(jì)70年代，日本最先將電能應(yīng)用到服裝保溫上研制出電熱褲，開辟了電子與服裝結(jié)合的新紀(jì)元[3]。隨后，相繼出現(xiàn)了電熱衣、電熱護(hù)膝、電熱襪等電熱服裝產(chǎn)品[4]。我國(guó)于20世紀(jì)80年代初期研制出電熱服，且自電熱服出現(xiàn)以來(lái)各種發(fā)明層出不窮，被應(yīng)用于多種行業(yè)服裝(如飛行員、潛水員、輪船駕駛員等)，隨著科技的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)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(tǒng)，或僅能通過(guò)檔位來(lái)調(diào)節(jié)加熱溫度而沒有相應(yīng)的溫度感應(yīng)及反饋機(jī)制，因此有加熱效率與舒適性差的問(wèn)題。

智能發(fā)熱服是指將發(fā)熱裝置與紡織品面料相結(jié)合，能夠主動(dòng)產(chǎn)熱且溫度可調(diào)控的一種新型電發(fā)熱服裝。其發(fā)熱裝置包括發(fā)熱元件、蓄電池、導(dǎo)線、溫控裝置及溫度傳感器。目前發(fā)熱層溫度設(shè)計(jì)在45℃左右，也可根據(jù)需要設(shè)計(jì)。電發(fā)熱服裝的核心是發(fā)熱元件，其品質(zhì)和性能是發(fā)熱服裝走向產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。發(fā)熱元件材料由金屬絲發(fā)展到碳纖維，再到石墨烯，電熱轉(zhuǎn)換效率越來(lái)越高，解決了傳統(tǒng)產(chǎn)品不能持久發(fā)熱的問(wèn)題。目前市面上發(fā)熱服裝的發(fā)熱片一般位于前胸和后背，也可根據(jù)需求定制，將發(fā)熱片配置到發(fā)熱服的不同部位。隨著技術(shù)的發(fā)展，智能電發(fā)熱服的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)終究會(huì)轉(zhuǎn)化為發(fā)熱材料性能的比拼，如材料的發(fā)熱功耗、舒適性及與紡織材料的兼容性等。

3 智能發(fā)熱服裝研究現(xiàn)狀

3.1 碳纖維類智能發(fā)熱服裝

碳纖維強(qiáng)度高、密度小、耐腐蝕性強(qiáng)且導(dǎo)電性能好，電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能優(yōu)異。碳纖維作為智能發(fā)熱服裝的發(fā)熱材料，除了具有升溫迅速，電熱轉(zhuǎn)化率高，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)外，還具備發(fā)熱時(shí)產(chǎn)生遠(yuǎn)紅外線的功能[6]。因此可利用碳纖維發(fā)熱材料開發(fā)出具有保健功能的發(fā)熱保暖服裝。

碳纖維發(fā)熱服裝與之前的電發(fā)熱服裝相比具有很多優(yōu)點(diǎn)，如發(fā)熱效率高：碳纖維發(fā)熱服裝中的發(fā)熱體為碳纖維織物，發(fā)熱區(qū)域大、電熱轉(zhuǎn)化率高、遠(yuǎn)紅外發(fā)射率高。安全性高：碳纖維工作電壓低，與傳統(tǒng)電熱絲發(fā)熱服裝相比，碳纖維發(fā)熱服裝安全性更高，且碳纖維發(fā)熱體升溫和冷卻速度快，因此，碳纖維發(fā)熱服裝能夠?qū)崿F(xiàn)精確控溫，適用性更廣。舒適性好：碳纖維發(fā)熱服裝中的發(fā)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(fā)熱服裝也存在發(fā)熱裝置防水和耐搓洗性差的問(wèn)題，因此發(fā)熱裝置只能采用可脫卸設(shè)計(jì)。

3.2 石墨烯類智能發(fā)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(jié)構(gòu)材料，是一種二維層狀、單原子厚度的碳單質(zhì)，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(zhì)，即單片層石墨烯，但在實(shí)際研究應(yīng)用中，層數(shù)較少或者含有其他原子的類似結(jié)構(gòu)，也被稱為石墨烯[7]。石墨烯被認(rèn)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(dú)特的結(jié)構(gòu)賦予了石墨烯優(yōu)異的性能，尤其在電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)等方面性能更加突出。同時(shí)，石墨烯是目前為止導(dǎo)熱系數(shù)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]?；诮苟桑┌l(fā)熱服在使用的過(guò)程中，通電之后便會(huì)迅速發(fā)熱，而石墨烯發(fā)熱服裝工作的關(guān)鍵元件在于石墨烯薄膜，通過(guò)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(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，施加較低的電壓即可產(chǎn)生較高的熱量。

圖1 石墨烯、氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 石墨烯發(fā)熱膜制備工藝和工作示意圖

石墨烯發(fā)熱服的主要特性除了產(chǎn)熱效率高外，還具有理療功能。其特有的六角型結(jié)構(gòu)能夠反射人體發(fā)出的遠(yuǎn)紅外線，有效保持人體溫度，且石墨烯在發(fā)熱時(shí)發(fā)出的6 μm～14 μm遠(yuǎn)紅外光對(duì)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(huì)閉幕式、2019年春晚，演員穿著輕薄的石墨烯智能發(fā)熱演出服裝時(shí)既不會(huì)被凍傷，還能保證動(dòng)作流暢舒展。2018中國(guó)國(guó)際服裝服飾博覽會(huì)上展出的智能石墨烯發(fā)熱服，能夠?qū)崿F(xiàn)人工智能語(yǔ)音對(duì)話，可以輕松實(shí)現(xiàn)人衣互動(dòng)、精細(xì)控溫、定制參數(shù)、提供個(gè)性化健康使用方案等。

4 智能發(fā)熱服裝發(fā)展趨勢(shì)

發(fā)熱材料是智能發(fā)熱保暖服裝開發(fā)的關(guān)鍵，近年來(lái)，以碳纖維、石墨烯等新材料為發(fā)熱元件，先后研制出發(fā)熱保暖內(nèi)衣、發(fā)熱防寒服等產(chǎn)品。隨著技術(shù)的發(fā)展，智能發(fā)熱服裝將會(huì)成為發(fā)熱保暖行業(yè)的一個(gè)熱點(diǎn)，得到更廣泛的應(yīng)用，具有巨大的市場(chǎng)潛力，其發(fā)展也將更加多元化。

4.1 功能集成

隨著人們對(duì)服裝性能的要求越來(lái)越高，智能發(fā)熱服裝將更加重視功能集成，除保暖功能外，還應(yīng)具備保健、抗菌、防污、抗靜電等功能。物聯(lián)網(wǎng)的迅速推廣為發(fā)熱保暖服裝智能化發(fā)展提供了機(jī)遇[12]。服裝的拓展性和兼容性既為多功能的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)，也為傳感器元件的集成提供了平臺(tái)。未來(lái)智能化發(fā)熱服裝除了輕便保暖，在人體健康感知、監(jiān)測(cè)、護(hù)理、疾病預(yù)防、疾病預(yù)警等方面也將逐漸完善。

4.2 環(huán)保舒適

由于智能發(fā)熱服裝研發(fā)、生產(chǎn)涉及的學(xué)科眾多，因此開發(fā)過(guò)程要高度重視環(huán)保，實(shí)現(xiàn)研發(fā)、生產(chǎn)、使用、廢棄的全過(guò)程無(wú)污染或少污染。此外，智能發(fā)熱服裝的發(fā)展在保證保暖性的同時(shí)，也需實(shí)現(xiàn)功能性和舒適性的協(xié)調(diào)，以提高消費(fèi)者的認(rèn)可度。

4.3 經(jīng)濟(jì)耐用

目前，發(fā)熱保暖服裝成本過(guò)高，不利于推廣使用，因此加大低成本發(fā)熱保暖材料的研發(fā)力度，使之具有良好的經(jīng)濟(jì)適用性，是今后的研究方向之一。此外，智能發(fā)熱服裝質(zhì)量參差不齊，發(fā)熱元件在穿用或洗滌維護(hù)后，性能會(huì)有所下降。因此，發(fā)熱保暖材料的耐用性也是今后的研究重點(diǎn)之一。

5 結(jié)語(yǔ)

智能發(fā)熱保暖服裝是一種積極產(chǎn)熱式保暖服，可明顯提升人體對(duì)低溫環(huán)境的耐受度。隨著科技、材料、服裝設(shè)計(jì)、電路集成水平的提升以及生產(chǎn)成本的下降，智能發(fā)熱保暖服裝會(huì)逐漸進(jìn)入人們的生活。今后智能發(fā)熱保暖服裝需從功能集成、環(huán)保舒適、經(jīng)濟(jì)耐用等方面加大研發(fā)力度，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研與市場(chǎng)的精準(zhǔn)對(duì)接，滿足不同消費(fèi)群體對(duì)智能發(fā)熱保暖服裝的需求。