LUSMZ系列大容量电源电热鞋的应用与研究

陈罘杲

(山东日纳功能材料科技股份有限公司,山东日照276826)

LUSMZ系列大容量电源电热鞋的应用与研究

陈罘杲

(山东日纳功能材料科技股份有限公司,山东日照276826)

LUSMZ系列大容量电源电热鞋采用目主研发的大容量电源在电加热保暖鞋中的应用技术,结合电池容量大小与鞋子外形尺寸相关联规律,在鞋子一定的体积内把电池容量做到最大,提高了电热鞋的产品功能和对使用时间的要求,并且根据不同性别对鞋子要求不同的特点,特别设计有男款、女款,符合现代人群越来越注重养生与外观美的需求,因此有着巨大的市场潜力。

电源电热鞋；碳纤维加热板；硅胶加热片

电热鞋是一种将电能转化为热能,元件装置于鞋内,为足部保温驱寒达到人体保健目的的新型功能鞋。就当前的电热鞋产品来看,电热鞋从电源使用上主要分为两类：一种是将电源装置于鞋帮上(一般是矮筒靴上应用),另一种是将电源装置于鞋跟内部(应用于矮帮鞋)。但由于电源体积及耐曲折度问题,对于在矮帮鞋帮面上装置电源还较难实现,选择在鞋底装置电源的话,就不得不考虑这样的问题：①鞋子底部经常受到力的冲击,易有爆炸的危险；②若鞋底所处的环境较差,遇到进水或低温冰冻易损坏；③电源容量不大,充电后电源供电时间不够长；④加热片装置的问题,要求其加热快,散热均匀且不易折损。

LUSMZ系列大容量电源电热鞋采用自主研发的大容量电源在电加热保暖鞋中的应用技术,结合电池容量大小与鞋子外形尺寸相关联规律,在鞋子一定的体积内把电池容量做到最大,提高了电热鞋的产品功能和对使用时间的要求,保证其提供的电量可供发热片持续发热2～18 h以上,可以反复充电,延长了电源使用寿命。采用特殊的防潮防爆设计、电池隔离设计,确保其使用安全可靠。电池电路有短路自动保护功能,自动断电后保护其元器件不受损。高抗震性,保证任意高度的自由落地都不受损。并且根据不同性别对鞋子要求不同的特点,特别设计有男款、女款,符合现代人群越来越注重养生与外观美的需求,因此有着巨大的市场潜力。

1 LUSMZ系列大容量电源电热鞋的技术原理

1.1 技术原理

主要功能器件采用本公司自主研发设计的大容量电源系统,采用特殊的防潮防爆设计、电池隔离设计,使电源可以反复充电,延长了鞋子的寿命,独特的电池电路短路自动保护功能设计,使鞋子自动断电后保护其元器件不受损,确保鞋子穿着使用安全可靠；采用自主研发的发热片装置,在加热快、散热均匀稳定的同时,更增加了耐弯折性,达到了电热鞋保温、安全、抗震、健康、美观的功效。

1.2 技术术语

1.2.1 大容量电池设备

电源规格暂定为：3.7 V/4200 mAh,长63 mm,宽42 mm,高16 mm,低压注塑胶壳封套,商标包裹,再加外层钢片防护罩,必要时可在电源上部也就是鞋跟位置加上减震装置。

1.2.2 开关与充电孔

鞋跟处内藏式的开关与充电孔设计,与电源靠近,打开外部的盖套即可看到充电孔与开关。开关设计三个档位(低温-高温-关),做简单指示灯引导,尺寸保持在长3.5 cm,宽1.5 cm,高1.2 cm。配套特定充电器,要求其可以两只鞋同时充电。

1.2.3 发热器

采用材质：硅胶加热片、碳纤维加热板、PET绝缘金属加热膜。材质要有一定的柔韧度,反复弯折不损坏,表面温度低于100 ℃,面状发热且散热均匀。电热转换效率达到98%以上,节能省电发热快,通电即热,5 min达到设定温度；测定其防水等级至少达到5,阻燃等级要达到9；使用寿命可达30 000 h以上。

1.2.4 加热片

一种是采用组合中底板的方式,中底板留有空位,加热片与中底板设置为一体；另一种是以特殊鞋垫的方式设置,在中底板上留有引线孔,从大底处穿过此孔接通加热片。

1.3 发热保温机理

(1)在鞋子一定的体积内,大容量电源的成功研发把电池容量做到了最大,保证了其提供的电量可供发热片持续发热2～18 h以上,绝对满足鞋子对保温时长的要求。同时,充分延长电源使用寿命的问题,确保其可以反复充电。采用电池隔离设计,确保其使用安全可靠。

(2)电源装置于鞋跟内部,采用低压注塑胶壳封套,商标包裹,再加外层钢片防护罩,在充分耐冲击的同时预防大底面穿刺；在电源上部也就是鞋跟位置加上减震装置,加强抗震性,任意高度的自由落地都不受损。

(3)鞋跟处内藏式的开关与充电孔设计,采用防潮防爆设计,防止进水；打开外部的盖套即可看到充电孔与开关,且与电源靠近,方便引线。开关设计三个档位(低温-高温-关),配套特定充电器,两只鞋可以同时充电。电池电路有短路自动保护功能,自动断电后保护其元器件不受损。

(4)发热片：目前计划实验三种材质：硅胶加热片、碳纤维加热板、PET绝缘金属加热膜。电热转换效率达到98%以上,通电即热,5 min达到设定温度,加热快的同时要耐弯折,散热均匀稳定。测定其防水等级至少达到5,阻燃等级要达到9；使用寿命可达到30 000 h以上。

2 LUSMZ系列大容量电源电热鞋的设计原则

2.1 功能设计原则

使用LUSMZ系列大容量电源电热鞋,能够达到鞋子快速升温、保持足部温度舒适、改善足部温度环境的目的,实现人体足部健康保健的功效。

2.2 性价比设计原则

(1)大容量电池、发热片材质等无副作用；(2)产品生产无“三废”排放；(3)产品便于推广和使用；

(4)产品能够采用知识产权和保护措施；(5)产品便于运输,保存安全。

3 LUSMZ系列大容量电源电热鞋的技术创新点

3.1 关键技术

主要功能器件采用本公司自主研发设计的大容量电源系统,采用特殊的防潮防爆设计、电池隔离设计,使电源可以反复充电,延长了鞋子的寿命,独特的电池电路短路自动保护功能设计,使鞋子自动断电后保护其元器件不受损,确保鞋子穿着使用安全可靠；采用本公司自主研发的发热片装置,在加热快、散热均匀稳定的同时,更增加了耐弯折性,达到了电热鞋保温、安全、抗震、健康、美观的功效。

3.2 技术创新点

(1)研制开发的大容量电源,其电量可供发热片持续发热2～18 h以上,电池可反复充电,极大的延长了保温时间。配套特定充电器,可以两只鞋同时充电。且电池电路有短路自动保护功能,自动断电后保护其元器件不受损。

(2)发热片采用硅胶加热片、碳纤维加热板、PET绝缘金属加热膜材质,节能省电发热快,通电即热,材质具有很强的柔韧度,反复弯折不损坏,散热均匀稳定。

(3)加热片的设置：一种是采用组合中底板的方式,中底板留有空位加热片与中底板设置为一体；另一种就是以特殊鞋垫穿过此孔接通加热片。

图1 工艺流程图

(4)鞋款定位为矮帮的商务休闲款：底型选择较稳重厚实的橡胶大底,增加其防滑耐磨性；帮面设计配合简洁大气的结构,搭配上较有质感的材质,手工缝制的围条围盖更显经典；帮面款式设计有外耳围盖舌式及明橡筋舌式两款,都采用手工缝制的围条围盖增加其稳重大气。它卸去了冬季棉靴的笨重感,不止轻便,更增添了视觉美的冲击,满足了人们越来越注重养生保健又渴望美的需求。

4 LUSMZ系列大容量电源电热鞋的技术工艺路线

4.1 技术路线

4.1.1 大容量电池的制作工艺

(1)负电极的制备

碳负电极与适量的导电剂研磨混合后,加入一定量的胶黏剂,在适量溶剂中搅拌一段时间使其成为均匀浆料,用浇铸法涂覆在铜箔(10～12 μm)表面,然后在适宜的温度下干燥,在一定的压力下压片后,得到所需的电极。

(2)正极制备

将锰酸锂、导电剂、PVDF(聚偏氟乙烯)在80 ℃真空烘烤6 h,然后按一定比例进行混合、搅拌、涂在集流体铝箔上,经120 ℃真空脱气、烘干、压膜、制成小片,得到正极片。

(3)电解液配置

采用1 mol/L的LiPF6/（EC+DMC+EMC）,体积比1∶1∶1配制电解液。EC为碳酸乙烯酯,DMC碳酸二甲酯,EMC为碳酸甲乙酯。

(4)通过卷绕,装入钢壳,脉冲脱气24 h。注液,搁置后预充、化成后制得样品电池,待测。

工艺流程图见图1所示。

4.1.2 电热片的制作工艺

(1)玻璃纤维布的制备

采用优质进口玻璃纤维为编织材料,进行平纹、斜纹、缎纹或采用其它织法编织成高级玻璃纤维布基材。在200～250 ℃烘箱中烘3 h,进行脱蜡处理后,再经交联剂KH-580表面处理,备用。

(2)硅胶混炼胶制备

导热硅橡胶以有机硅树脂为粘结材料,填充导热粉体达到导热目的的高分子复合材料,原料配方如下：

有机硅树脂(基础原料)：乙烯基硅橡胶和甲基乙烯基硅橡胶；气相法白炭黑；经基硅油；导热绝缘填料：氧化铝、氧化镁、氮化硼、氮化铝等；阻燃剂为氢氧化镁,氢氧化铝；无机着色剂,有机铂催化剂。

选用乙烯基硅橡胶、部分白炭黑(100份)和导热填料(200～500份)在真空捏合机内,混成团后再分次加入剩余白炭黑。全部混成团后于100混炼3 h,然后升温至150 ℃、真空度60～99 kPa下脱水共混30min；取出,自然冷却,在常温下,在双辊炼胶机上将0.5～1.5份含氢硅油、0.01～0.06份阻燃剂,3～10份着色剂及0.25～0.75份铂催化剂混炼；最后在平板硫化机上制片(120 ℃, 10min),得到混炼硅橡胶。

(3)玻璃纤维硅胶布的制备

由涂烘机的上胶机构将混炼硅橡胶与溶剂(如汽油、甲苯等)混匀的胶浆涂覆到经过脱蜡的玻璃纤维的一面,当一侧表面的胶浆经烘燥后再涂覆另一侧,在引入烘燥机构进行烘燥,涂覆与烘燥连续进行。经烘燥后收卷得到涂胶布,然后引入压延机,由压延机将混炼硅橡胶压延到涂胶布上,最后经硫化机硫化,得到玻璃纤维硅胶布。

(4)导热硅胶片的制备

把丝状的镍镉合金发热体均布于涂布有耐高温硅橡胶的玻璃纤维布间,发热丝呈“W”状,经高温模压而成。电热丝通过有电源线与电源相连,电源上设有温度控制开关和充电插孔。

4.1.3 小型触摸式温控开关的制作工艺

4.2 LUSMZ系列大容量电源电热鞋的制作及工艺图

4.2.1 鞋帮材料

电热鞋全部采用最优质的头层牛皮制造,鞋头部的皮质为亚光感觉类似磨砂皮料,鞋帮面采用粒面牛皮。

4.2.2 鞋底材料

使用固特异鞋底和高性能耐磨军用橡胶材质,以国际众多军队使用战靴的鞋底材质为原型,加上舒适度的注入而达到耐磨度与舒适度的完美结合,合成技术生产的橡胶大底,特别凸显在耐寒和耐磨方面的优异的性能。加工工艺见图2。

图2 加工工艺

表1 电热鞋技术指标

表2 大容量电池技术指标

表3 硅胶加热片技术指标

表4 PET绝缘金属电热膜技术参数

表5 碳纤维加热板技术指标

表6 电池开关技术指标

5 LUSMZ系列大容量电源电热鞋主要技术指标

5.1 电热鞋技术指标（见表1）

5.2 大容量电池技术指标（见表2）

5.3 硅胶加热片技术指标（见表3）

5.4 PET绝缘金属电热膜技术参数（见表4）

5.5 碳纤维加热板技术指标（见表5）

5.6 电池开关技术指标（见表6）

6 LUSMZ系列大容量电源电热鞋对比分析

电热鞋在我国已经发展了六、七年的时间,目前也有为数不少的厂家生产电热鞋,但市场开拓进展迟缓,电热鞋虽然在鞋子保温方面达到了一定的功效,但也存在着很多的问题,例如：安全性能受到质疑、电池寿命不够长、散热不够均匀,而且目前的产品主要应用于军警靴或劳保靴,多数属于高帮鞋,在外型上存在着一定的缺陷,使得受众消费群体比较局限,满足不了不同地区消费者的需求。

LUSMZ系列大容量电源电热鞋采用自主研发的大容量电源在电加热保暖鞋中的应用技术,结合电池容量大小与鞋子外形尺寸相关联规律,在鞋子一定的体积内把电池容量做到最大,提高了电热鞋的产品功能和对使用时间的要求,保证其提供的电量可供发热片持续发热2～18 h以上,可以反复充电,延长了电源使用寿命。采用特殊的防潮防爆设计、电池隔离设计,确保其使用安全可靠。电池电路有短路自动保护功能,自动断电后保护其元器件不受损。高抗震性,保证任意高度的自由落地都不受损。并且根据不同性别对鞋子要求不同的特点,特别设计有男款、女款,符合现代人群越来越注重养生与外观美的需求,因此它有着很大的市场潜力。

陈罘杲,男,毕业于哈尔滨电工学院、北京农业电力工程学院,博士,“中国现代功能鞋理论”创始者和学科带头人,拥有在电磁、化工、环境、功能鞋、纳米材料、电光源、农业等领域的发明专利50多项,现任山东日纳功能材料科技股份有限公司总经理,湖南科技大学轻化学院客座教授。