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石墨烯电加热服装怎么样?

  • 来源:本站
  • 关键词:
  • 作者:南耀小编
  • 发布日期:2021-12-01
  • 浏览量:233

摘 要:石墨烯纤维在力学、电学、热学方面的优异性能,使其在导电纤维、电加热服装等方面有着广阔的发展前景。研究了石墨烯电加热服装的电热性能和热舒适性能,对石墨烯发热织物的热稳定性能、功率密度、升温速度、发热均匀度等电热性能进行了测试,并利用暖体假人测试了服装的保暖性能。通过与碳纤维发热织物比较得出:石墨烯发热织物具有良好的热稳定性,且功率密度高、升温速度快、发热均匀性好。环境温度为5℃和-5℃时,石墨烯电加热服装的加热效率显著大于碳纤维加热服装,发热保暖效果优异;在低温-5℃环境下,石墨烯电加热组合服装仍能满足人体热舒适性的需求。

关键词:石墨烯;电加热服装;电热性能;热舒适性


电热服冬天场景图.png


随着社会的发展及消费者对服装多样化的需求,防寒服装在满足保暖性的同时更加注重轻便、舒适等性能。现代电子技术、传感技术、材料科学的发展为智能轻便防寒服的发展供了技术支持,如电加热服装通过外加产热装置,对人体主动加热起到保暖的效果,较好地满足了低温作业人员的需求。


石墨烯电加热服封面1.jpg

近年来国内外学者对电加热织物及服装进行了研究,但新型纳米材料石墨烯相关的电加热服装鲜有报道。石墨烯纤维因其高导电、高导热、较高的强度和良好的柔性而得到广泛关注[10],可用于散热材料、导电织物、储能材料等,适用于制备柔性电子织物[11]。目前,石墨烯在纺织品及功能服装领域的应用成为研究的热点。本文选用石墨烯电加热服装,对其电热性能和寒冷环境下的热舒适性能进行研究,通过与碳纤维电加热服装的比较,分析石墨烯电加热服装的特点,为人们合理选择电加热服装提供参考,同时为设计户外防寒服提供科学指导。


图2电热马甲示意图.png


(一)石墨烯电加热服装的特点

1.热稳定性能

在环境温度20℃条件下,石墨烯发热织物的电阻为5.0Ω,碳纤维发热织物3片并联的电阻为10.0Ω。织物的电阻变化率与电加热温度关系的曲线如图3所示。由图可知:2种加热织物随着表面温度的升高电阻均逐渐变小,电阻变化率增大。温度继续上升,2种织物电阻趋于稳定,热稳定性都较好,在相同的工作温度下,石墨烯加热织物的电阻变化率小于碳纤维加热织物。


图3电热服发热温度曲线1.png

2.升温速度

试样在通电状态下织物表面几何中心温度上升曲线如图4所示。从图可知,随着时间的延长,加热织物表面的温度均呈现上升趋势。随着织物温度的上升,织物与外界环境的温差增大,散热量逐渐增大,直至等于产热量,最后织物表面温度趋于稳定。


图4电热织物升温曲线.png


对2种织物的瞬时核心温度进行单因素方差检验,统计结果显示:2种织物的升温速度存在显著差异(P<0.05)。因此,在输入相同的电压下,石墨烯加热织物的瞬时温度较高、热惯性小,热响应时间短,升温速度较碳纤维织物快。

3.织物发热均匀性

织物表面温度分布系数的实验结果如图5所示。由图可知,石墨烯发热织物的温度分布系数介于0.004~0.008之间较稳定,碳纤维发热织物的温度分布系数范围较大,为0.001~0.017。


图5 发热服温度分布系数.png


对红外热像图进行定量分析,提取发热织物中心温度为45℃时的图像,各温度分布比例如图6所示。由图可知,石墨烯发热织物温度主要集中于39.5~46.4℃之间,所占比例为62.3%;其次为36.0~39.4℃之间,为9.5%。而碳纤维发热织物温度在43.0~46.4℃之间的比例最大,为33.5%;其次为低温区域22.0~25.4℃,为17.9%;其余各低温区域和高温区域的占比接近,温度分布分散,均匀性较差;而石墨烯发热织物两端高温和低温区域面积占比较低,中间温度区域占比大,进一步说明石墨烯发热织物温度集中分布,均匀性较好。



图6发热服温度分布对比.png

4.热舒适性能

穿着电加热组合服装的暖体假人加热效率如表2所示。根据GB/T24254—2009《纺织品和服装冷环境下需求热阻的测定》,人体步行或轻度作业时新陈代谢生热量约为100W/m2,故在环境温度5℃条件下,石墨烯及碳纤维加热组合服装都能满足人体热舒适状态的要求。低温环境-5℃下,石墨烯电加热组合服装的保暖性更优异,中等强度手工作业时仍能满足人体达到热舒适状态的需求。

暖体假人各部位消耗的功率如图7所示。在环境温度为5℃和-5℃下,头部均为热量损失最多的区域,其次为左右小腿。穿着碳纤维或石墨烯发热组合服装,各部位的能量损耗均减少,加热效果明显。环境温度5℃时,胸背部位加热效率最高为50.22%,其次是臀腹部位34.67%、其他部位的热量损耗也均减少。因此,在躯干部分进行电加热不仅可以减少加热区域的热损,也可以减少其他部位的热量损失,且越接近热源的部位热量损耗减少得越多。


图7暖体.png

(二)结论

本文对石墨烯电加热服装的电热性能和热舒适性能进行了研究,实验结果表明:

①石墨烯发热织物具有良好的热稳定性能;石墨烯发热织物升温速度较碳纤维发热织物快,瞬时温度高,热惯性小,热响应时间短,温度分布均匀性好。

②环境温度为5℃和-5℃时,石墨烯电加热组合服装的加热效率分别为26.4%、22.7%,显著高于碳纤维加热组合服装。在服装中置入辅助加热装置可以显著增加服装的保暖性,且置入石墨烯导电织物的加热效果更佳。低温环境-5℃下,石墨烯电加热组合服装仍能满足人体达到热舒适状态的需求,加热保暖性能更优异。

综上所述,利用加热元件对服装加热可以显著提高服装的保暖性能,从而增强服装在冷环境下对人体的防护效果;石墨烯电加热服装加热均匀、升温速度快、保暖性能优异,有着更为广阔的应用前景。



(本文有删减。文章:崔志英,杨诗慧,张妍,曾艺佳,王朝晖.石墨烯电加热服装的服用性能研究[J].毛纺科技,2018:5-9.)


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