基于石墨烯加热膜片的自动控温运动服

许 冰，钟冬根，龚 龑，，4，齐 凯，周红雷

（1.新疆大学纺织与服装学院，乌鲁木齐 830000；2.江西财经大学体育学院，南昌 330000；3.北京服装学院材料学院，北京 100000；4.塔里木大学纺织服装系，阿拉尔 843300）

1 背景

目前，中国石墨烯产业化的应用包括石墨烯粉末涂料和石墨烯发热膜等。粉末涂料由于门槛相对较低，鉴别难度高，市场较为混乱；而石墨烯发热膜，拥有单层石墨烯的明显特征，具有透明、轻薄、柔软可折叠等特性，也是实现大规模石墨烯民用的核心基础[3][4]。石墨烯发热膜也具有低电压高热量、安全轻薄便利等特性，因此可广泛用于家庭智能取暖领域、智能体育活动、智能可穿戴领域[5][6]。体育运动员运动量大，热量消耗快，比普通人更加需要维持身体温度来保持肌肉运动活力[7][8]。

2 石墨烯膜制备

2.1 实验药品

表1 实验药品信息表Tab.1 Experimental drug information table

2.2 浆料的制备及涂膜

准确称量45g 数均分子量为22000 的TPU（热塑性聚氨酯）树脂溶解在150gDMF 中，溶解温度为80℃，溶解完全降至室温后加入55g 助剂A（亮度调节剂）并搅拌均匀，标记为树脂溶液1；准确称量35g 数均分子量为35000 的TPU 树脂溶解在150gDMF中，溶解温度为80℃，溶解完全降至室温后加入65g助剂A并搅拌均匀，标记为树脂溶液2。

将树脂溶液1、2 按质量比1：1 混合搅拌均匀配制成溶剂。本实验配制4组不同浓度梯度的石墨烯浆料，质量浓度分别为5.5%、6.5%、7.5%、8.5%，四种助剂的质量分数和为1%，每组配制10g 石墨烯浆料。4 组浆料配制完成后，每组分别涂膜1~5 层，涂膜基底为7.5cm×2.5cm×1.61cm 的玻璃片，共20 片膜。将玻璃片置于120℃烘箱中恒温干燥2h后取出降至室温，最后在膜表面贴上铜箔电路。

表2 不同含量石墨烯浆料的成分表Tab.2 Composition table of graphite slurry with different content

图1 7.5%wt石墨烯浆料实物图及SEM图Fig.1 7.5%wt graphene slurry physical image and SEM image

2.3 电性能表征

本实验配合1cm2刀口电极测量膜的方块电阻，所测电阻为测量10 处区域方块电阻的平均值。石墨烯膜电导率通过公式σ=L/RDW 求得，式中σ：电导率（S/cm）；L：膜长度（7.5cm），D：膜厚度（cm），本实验取10 组厚度数据的平均值；W：膜宽度（2.8cm），测试当天室温为26.4℃。

图2 石墨烯电加热膜模型图Fig.2 Graphene electric heating film model diagram

2.3.1 电压与发热膜温度的的关系

图a~d 为浓度梯度5.5%~9.5%的石墨烯浆料分别涂膜1~5层后其发热温度随电压变化的关系图，由于本实验中发热膜的用途是为人体保暖，因此本实验设定的电压范围选择5~10V以上且每遇整数取一次温度值，最大为10V。由图可以看出，石墨烯浓度对发热温度的影响最为显著，浓度越高，相同电压下发热温度越高。另外，同一浓度的石墨烯膜涂膜层数越多，即厚度越厚，相同电压下发热温度越高，对于施加5~10V电压的电加热服来说，只有浓度7.5%以上，涂膜层数3 层以上才能达到40℃左右的人体适宜温度，浓度过低或涂膜层数太少均无法在指定电压范围内达到理想温度。

图3 不同浓度各层数下温度与电压的关系图Fig.3 The relationship between temperature and voltage under different concentration and number of layers

2.3.2 电极间距与温度分布的关系

本实验认为电极间距是影响温度分布的一个重要原因，为了验证猜想本实验将7个浓度梯度的石墨烯浆料分别涂在10cm×10cm的聚酰亚胺薄膜上，若将整片膜按图示方法粘贴铜箔电路，将会把膜分成5个区域。

图4 石墨烯电加热膜示意图及等效电路图Fig.4 Schematic diagram and equivalent circuit diagram of graphene electric heating film

图5 石墨烯膜电极间距与发热温度关系图Fig.5 Relationship between electrode spacing and heating temperature of graphene film

图5 为实际测得的石墨烯膜电极间距与发热温度关系图，本实验恒定电压为10V。由图可知相同浓度的石墨烯膜，电极间距越小，发热温度越高，发热更加均匀，这是因为相同尺寸的膜片，电极间距越小，则分隔的区域越多，在电路图中表现为并联的电阻越多，因此电路总电阻越小，相同电压下发热温度越高。此外，考虑到人体适宜的温度和成本、美观等方面的因素，确定了石墨烯含量7.5%、电压9~10v，电极间距1cm 的方案，后续将采用丝网印刷技术将石墨烯浆料和导电银浆印在聚酰亚胺薄膜和织物上制成成品石墨烯电加热膜，并将其初步应用于电加热服领域。

3 涂膜及控制器原理

3.1 柔性基材涂膜

本实验确定出最佳浆料配比及电极参数后，通过丝网印刷技术将浆料和电极印刷在聚酰亚胺薄膜上，做成如图七所示的石墨烯电加热膜，成品测试结果发现，以柔性的热反射布料为基底的石墨烯电加热膜，也可实现电加热功能，且膜发热面积更大，发热更均匀。为了能更好的导电，因此银浆两边铺设镀银导线，用铜箔胶带进行固定，两端引出导线后接一个含有3 个档位的控温开关，另一端为USB 插头，使用10V 移动电源对膜供电，加热膜可在红、蓝、绿3个档位稳定持续发热，红色为最低档，发热温度为32~35℃；蓝色为中档，发热温度为35~8℃；绿色为最高档，发热温度为38~40℃。

图6 石墨烯电加热布实物图Fig.6 The physical drawing of the graphene electric heating cloth

图7 石墨烯电加热膜的循环稳定性Fig.7 Cyclic stability of graphene electroheated film

本实验持续施加10V 电压500h，膜发热程度良好，温度变化不大，发热均匀。为测试膜的耐受性能，本实验进行了循环稳定性实验，将电压由0V 调至10V，记录最终温度和升温时间，再将电压调至0V，待膜表面恢复到室温后再调至10V，如此循环5000次，每隔500次取一次升温时间和最终温度的平均值，通过方差大小来分析膜的工作稳定程度，记录数据如图7所示。

可以看出，在循环稳定性实验中，膜的升温时间在10.8s 上下波动，方差0.05。图显示膜最终温度在43℃左右上下波动，方差为0.20，两组数据方差均不大，说明膜的发热比较稳定。而且，经过5000 次循环稳定性测试后，性能依然良好，未出现断路或温度下降等问题。

3.2 控制器结构与工作原理

在键入挡位设置后，单片机发送测温指令给DS18B20，使其开始测温并进行温度信息回传。单片机将回传温度信息给LCD1602 显示。在单片机内部，比较当前测量温度是否超出温度阈值，如果该温度低于阈值，单片机启动加热单元来升高膜片温度，并且蜂鸣器报警；如果该温度未高于阈值，除控制LCD实时显示当前温度外，不作任何操作。

图8 系统整体框图Fig.8 System overall block diagram

由图9 可以看出，本控制器的硬件分为7 个模块，分别为电源模块、控制驱动模块、DS18B20测温模块、上拉电阻、1602液晶模块、蜂鸣器驱动和按键模块。本实验的最高电压达到10V，不能直接给其他模块供电，因此电源模块设置了7805 稳压器，将电压转换为5v供给到其他模块上。DS18B20测温模块和控制驱动模块都设置了三组接插件，因为本实验需要控制器独立控制三个膜片的工作状态，蜂鸣器与1602显示器，分别是用于按键的声音反馈和温度的状态显示。按键的功能分别是加减温度（挡位调换），确定与取消温度设置。由于stc 带载能力弱无法驱动1602显示器，因此本电路设置了上拉电阻提高信号的带载能力。

图9 硬件电路图Fig.9 Hardware circuit diagram

4 结语

制备出一种石墨烯粉末掺加高聚物得到石墨烯浆料的配方，涂膜后得到电加热膜，分析了电压（9~10V）、膜层（3层）、升温温度（32~35、35~38、38~40℃，三个档位）等参数与石墨烯含量（7.5%wt）之间的关系，确定出最佳石墨烯含量和电极间距（1CM）。最后采用丝网印刷技术，将浆料和电极印在柔性热反射布料上制备成石墨烯电加热膜成品，测试了膜的使用寿命和循环稳定性（10V电压下连续工作500h及5000次稳定发热），确定了膜的可靠性后在电源与膜片之间加入了控制器，可独立控制每个膜片的工作状态及升温速率，最后将柔性膜嵌入冲锋衣中得到了可用的电加热装。

图10 运动服成品图Fig.10 Sportswear finished image