摘要
冬季寒冷气候的保暖工作一直是一个备受关注的热点问题，除了日常生活外还包括从事寒冷环境户外工作的工作者，户外娱乐项目的爱好者等。较低的寒冷环境会减少他们手部的血流量，从而影响手指的灵活性，对身体和工作都会造成阻碍。电加热手套采用一种主动加热技术，为人手提供一定的热量，同时降低手套的厚重感，在保暖的情况下提高手指的灵活性。本论文旨在对金属丝和碳纳米管薄膜这二种可穿戴电加热材料进行系统研究，并将其设计的电加热元件置入手套手背制成电加热手套。 首先，论文对金属丝和碳纳米管薄膜二种电加热材料的外观形貌和元素组成进行了观察测定，重点对它们的电热升温散热性能进行了实验研究。通过二种电加热材料在施加电压后温度随时间变化的关系，观察到金属丝和碳纳米管薄膜都具有良好的加热性能，通电后升温速度较快，并发现碳纳米管薄膜在开关电压的瞬间，温度骤变现象十分明显。根据牛顿冷却定律，对电加热材料温度随时间变化的实验数据进行分析拟合，得到了电加热材料导热系数、质量和比热容三者之间的关系，并通过电卡效应解释了碳纳米管薄膜电加热材料在电压开关瞬间温度骤变的原因。 其次，根据手形特征和灵活方便的目标，将金属丝与非织造布、碳纳米管薄膜与涤纶布粘合，分别确定了电加热材料的长度或面积、质量等参数，并根据电流稳减的原理设计了三档温控的金属丝电加热元件和四档温控的碳纳米管薄膜电加热元件。理论计算了二种电加热元件在不同档位开关下电加热材料的最大温度变化值，并采用红外热像仪测试了电加热元件的表面温度。由于红外热像仪在电加热元件表面的测温点与加热材料作为热源具有一定的距离，所以电加热元件各档电加热材料最大温度变化理论计算值高于电加热元件表面的实验测试值。 最后，将金属丝电加热元件和碳纳米管薄膜电加热元件置于手背部位，与摇粒绒保暖里层和PU涂层涤丝纺面料防水防风外层构成三明治结构，制备可控温的金属丝电加热手套和碳纳米管薄膜电加热手套，并进行了人体工效学实验，测试电加热手套在极端寒冷环境下的实际性能。采用红外热像仪观察二种电加热手套在人手佩戴前后最高档时的加热效果，同时对二种电加热手套在未加热和加热状态下，分别进行-30℃极端寒冷环境下螺母装配作业的工效实验和热舒适性主观评价，通过螺母装配的数量比较电加热手套对人手工效的影响。实验结果表明，在-30℃极端寒冷环境下，20min的测试时间内，金属丝电加热手套装配螺母作业的工效增加，抵御寒冷的作用是显著的，而碳纳米管薄膜电加热手套在前10min抵御寒冷的作用是显著的，在后10min抵御寒冷的作用有一定程度的减弱。
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