基于不同使用環(huán)境及負(fù)載條件下暖貼產(chǎn)品發(fā)熱特性研究

黃凱杰 周燕舞 葉芷瑜

（威凱檢測技術(shù)有限公司 廣州 510663）

引言

暖貼產(chǎn)品：通常俗稱“暖寶寶”，是以鐵粉為主要原料，與空氣發(fā)生氧化反應(yīng)而持續(xù)釋放熱量，用于人體取暖的一次性自反應(yīng)暖貼。

目前，現(xiàn)行國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)僅有QB/T 4903-2016《暖貼》，據(jù)企業(yè)反饋，產(chǎn)品溫度測試不精確，波動性偏大。此外，由于暖貼產(chǎn)品發(fā)展起源于日本，日本有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：JIS S 4100《一次性暖包》，國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)差異的對測試結(jié)果的影響需要驗證。

現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)主要是考核的是不能直接粘貼在皮膚的暖貼（如圖1所示），隨著暖貼市場的發(fā)展，類似眼罩類可以直接粘貼在人體皮膚上的暖貼產(chǎn)品（如圖2所示）缺少相關(guān)的測試標(biāo)準(zhǔn)。

本文從對比研究使用環(huán)境（如10 ℃、23 ℃、35 ℃環(huán)境溫度下）、測試負(fù)載（如置于空氣中、直接貼在真人身上、貼在模擬硅膠身上以及貼在模擬人體溫度的測試裝置上等）等環(huán)境下暖貼產(chǎn)品的溫升曲線及發(fā)熱特性入手，結(jié)合國內(nèi)外QB/T 4903-2016《暖貼》和JIS S 4100《一次性暖包》的差異，探索出一種可用于眼罩產(chǎn)品的溫升測試方法，為下一步標(biāo)準(zhǔn)修訂提供數(shù)據(jù)參考及建議。

1 不同溫度及負(fù)載條件下測試結(jié)果分析

為了驗證暖貼產(chǎn)品在不同環(huán)境溫度及負(fù)載條件的發(fā)熱特性，取某廠生產(chǎn)的同一批次的暖貼產(chǎn)品（測試樣品如圖3、圖4所示），每次僅改變1個變量，研究在不同條件下發(fā)熱特性差異。

圖1 暖貼（不可直接貼于皮膚上）

圖2 暖貼（可直接貼于皮膚上）

1.1 環(huán)境溫度對試驗結(jié)果的影響

1.1.1 產(chǎn)品重復(fù)性測量

取5片暖貼產(chǎn)品，在無對流房間中，環(huán)境溫度控制在（23±2）℃，貼在底襯材料為2層紗布上，測試樣品不覆蓋，每個暖貼產(chǎn)品布4條熱電偶監(jiān)測，測試時間為工作至器具不發(fā)熱為止，記錄產(chǎn)品的發(fā)熱情況，如表1所示。

根據(jù)五組樣品的測試結(jié)果，依據(jù)公式1和公式2，計算最高溫度、平均溫度、平均溫升和工作時間的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

從表1結(jié)果可見，在相同條件下，樣品間的測試結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差均小于1，一定程度上說明樣品的均勻性及復(fù)現(xiàn)性較好。

1.1.2 環(huán)境溫度對測試結(jié)果的影響

在無對流房間中，環(huán)境溫度分別控制在（10±2）℃、（23±2）℃、（35±2）℃條件下，貼在底襯材料為2層紗布上，每個暖貼產(chǎn)品布4條熱電偶監(jiān)測，測試樣品分別在覆蓋和不覆蓋兩種狀態(tài)下工作，測試時間為工作至器具不發(fā)熱為止，記錄產(chǎn)品的發(fā)熱情況。

測試樣品在不覆蓋的情況下，測試結(jié)果如表2，圖5所示。

從表2，圖5結(jié)果可見，在不同環(huán)境溫度條件下，樣品最高溫度及發(fā)熱時間有差異，筆者分析，主要有以下兩個方面原因：

1）暖貼產(chǎn)品的鐵粉含量恒定，即能產(chǎn)生的熱量理論上是確定的。這就能解釋為什么在10 ℃環(huán)境下最高溫度只能達(dá)到23 ℃，而在23 ℃環(huán)境下最高溫度可以達(dá)到39 ℃。

2）從平均溫升和發(fā)熱時間來看，暖貼產(chǎn)品在23 ℃和35 ℃平均溫升比在10 ℃環(huán)境下平均溫升高，發(fā)熱時間長，筆者分析可能是暖貼產(chǎn)品在氧化反應(yīng)速率與環(huán)境成負(fù)相關(guān)，即環(huán)境溫度越高，產(chǎn)品氧化反應(yīng)速度越慢。

測試樣品用8層普通平面絨覆蓋情況下，測試結(jié)果如表3，圖6所示。

圖3 測試樣品背面

圖4 測試樣品正面（帶4個單獨發(fā)熱面）

表1 產(chǎn)品重復(fù)性測量

表2 不同環(huán)境溫度、無覆蓋條件下測試結(jié)果

圖5 不同環(huán)境溫度、無覆蓋條件下測試結(jié)果

從表3，圖6結(jié)果可見，測試樣品在覆蓋的情況下，發(fā)熱時間及最高溫度都比不覆蓋時高一些，筆者分析可能是因為覆蓋物起到一定的保溫作用，防止熱量快速散失。

通過產(chǎn)品覆蓋和不覆蓋的對比測試，可以得出一個結(jié)論，為了更好的反映暖貼產(chǎn)品的實際使用情況，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品預(yù)期用途來確定產(chǎn)品是否需要覆蓋。

1.2 不同負(fù)載對試驗結(jié)果的影響

在無對流房間中，環(huán)境溫度控制在（23±2）℃條件下，測試樣品貼在不同負(fù)載上，1#貼在底襯材料為2層紗布上、2#貼在女生真人身上、3#貼在男生真人身上、4#貼在硅膠上，每個暖貼產(chǎn)品布4條熱電偶監(jiān)測，測試樣品用8層普通平面絨覆蓋，測試時間為工作至器具不發(fā)熱為止，記錄產(chǎn)品的發(fā)熱情況，測試結(jié)果如表4，圖7所示。

從表4，圖7結(jié)果可見，測試樣品在不同負(fù)載的情況下，最高溫度和工作時間有差異，測試樣品貼在常溫的紗布及常溫的硅膠上的測試結(jié)果不能正確反映器具在人身上的工作情況。

分析：暖貼產(chǎn)品受環(huán)境溫度及負(fù)載差異影響較大，為了能準(zhǔn)確測量暖貼產(chǎn)品的發(fā)熱特性，需要有相關(guān)測試負(fù)載裝置來模擬暖貼產(chǎn)品在人身上工作的情況。

測試負(fù)載裝置應(yīng)能模擬人皮皮膚構(gòu)造及人體表皮溫度情況，應(yīng)關(guān)注測溫設(shè)備表層的厚度模擬皮膚厚度、設(shè)備表層溫度模擬皮膚表層溫度以及液體流速控制來模擬血液流動帶走熱量的情況。

2 國內(nèi)外暖貼標(biāo)準(zhǔn)測試差異

現(xiàn)行國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)主要有國內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QB/T 4903-2016《暖貼》和日本有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：JIS S 4100《一次性暖包》，對比QB/T 4903-2016與標(biāo)準(zhǔn)JIS S 4100溫升測試方法，差異情況見表5。

對比中外標(biāo)準(zhǔn)的測試方法，可以發(fā)現(xiàn)：

1）測試的環(huán)境溫度有略微差異，但是都在20±5 ℃范圍內(nèi)；

2）試驗裝置的溫?zé)岵勘砻娌牧辖M成有差異，JIS標(biāo)準(zhǔn)使用7塊厚1 mm聚丙烯板，國內(nèi)行標(biāo)使用1塊厚8 mm聚丙烯板；

3）循環(huán)式恒溫水箱的溫水流量和溫?zé)岵勘砻鏈囟扔胁町?，JIS標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)水箱的流速較大，溫?zé)岵勘砻鏈囟容^低。為驗證此差異對測試結(jié)果的影響，進行多組對比試驗，測試結(jié)果見表6；

表3 不同環(huán)境溫度、有覆蓋條件下測試結(jié)果

圖6 不同環(huán)境溫度、有覆蓋條件下測試結(jié)果

表4 不同負(fù)載條件下測試結(jié)果

圖7 不同負(fù)載條件下測試結(jié)果

4）JIS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了測溫用熱電偶的形狀以及溫?zé)岵勘砻娌牧戏旁跍責(zé)岵可弦信懦諝獾南嚓P(guān)措施，可以一定程度避免其他干擾因素；

5）國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)所考慮的暖貼產(chǎn)品都不適于直接貼在皮膚上的暖貼產(chǎn)品（如眼罩），對于蒸汽眼罩類產(chǎn)品的測試，急需有統(tǒng)一的測試標(biāo)準(zhǔn)及測試方法。

為了驗證溫水流量及溫?zé)岵勘砻娌煌瑢y試結(jié)果的影響，進行以下試驗，1#（溫?zé)岵勘砻鏈囟?0±1 ℃，溫水流速12±2 L/min）、2#（溫?zé)岵勘砻鏈囟?5±1 ℃，溫水流速12±2 L/min）、3#（溫?zé)岵勘砻鏈囟?0±1 ℃，溫水流速2～4 L/min）、4#（溫?zé)岵勘砻鏈囟?5±1 ℃，溫水流速 2～4 L/min）。

表5 QB/T 4903-2016與JIS S 4100測試方法對比

表6 不同表面溫度及流水速度的測試結(jié)果

通過表6、圖8測試結(jié)果，筆者分析：測試樣品在不同的溫?zé)岵勘砻鏈囟壬蠝y試結(jié)果不同，相同流速下，溫?zé)岵勘砻鏈囟仍礁?，得到的最高溫度越高；測試樣品在不同的溫水流速下測試結(jié)果也不同，相同溫?zé)岵勘砻鏈囟认?，溫水流速越高，得到的最高溫度越低?/p>

由于暖貼產(chǎn)品的發(fā)熱量基本恒定，暖貼產(chǎn)品與測試設(shè)備接觸表面溫度越高，得到的最高溫度越高。此外，水流動的越快，帶走表面熱量的速度越快，測得的最高溫度越低。從表6結(jié)果來看，理論分析與實際測試結(jié)果是吻合的。

因此在進行樣品測試時，選擇的測試條件就相當(dāng)重要，查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，人體體表溫度大致如圖9所示。

3 測溫設(shè)備及溫?zé)岵勘砻娌牧喜町惖难芯?/h2>

目前用于暖貼產(chǎn)品測試的測試設(shè)備主要有兩種，一種是加熱器和水箱融為一體，且?guī)в卸鄠€測溫表面，可以實現(xiàn)多個產(chǎn)品同時測量（簡稱圓桶測溫裝置，見圖10）；一種是加熱水容器與溫?zé)岵咳萜鞣蛛x，通過水循環(huán)將所需溫度的水從加熱水容器帶到溫?zé)岵咳萜骱?，再回到加熱水容器的這樣一種裝置，測試窗口一般只有兩個（簡稱矩形槽測溫裝置，見圖11）。

3.1 不同測溫裝置測試結(jié)果比對分析

圓桶測溫裝置的優(yōu)勢是有8個測試區(qū)域，可實現(xiàn)多個產(chǎn)品同時檢測，不足之處在于無法控制水流速度，可能會導(dǎo)致工作區(qū)域熱量集聚，不能準(zhǔn)確模擬人體血液流動帶走熱量的情況；

矩形槽測溫裝置的優(yōu)勢溫?zé)岵颗c加熱槽獨立，避免水溫波動太大，同時帶有流速控制裝置，可以一定程度模擬人體血液流動情況，不足之處在于測試區(qū)域只有2個。

為了驗證兩個測溫裝置的測試效果，取2片試驗樣品，分別貼在圓桶和矩形槽測溫裝置上進行測試，環(huán)境溫度控制在23±2 ℃、溫?zé)岵勘砻鏈囟瓤刂圃?5±1 ℃，測試樣品不覆蓋，樣品1#貼在圓桶上、樣品2#貼在矩形槽上（水流速度控制在低流速，1 L/min），測試結(jié)果見表7。

從表7可見，在溫水基本沒有流速的情況下，圓桶測溫裝置與矩形槽測溫裝置測試結(jié)果基本一致。不過，當(dāng)對溫水流速有要求時，圓形桶無法滿足測試條件。

圖8 不同表面溫度及流水速度的測試結(jié)果

圖9 人體體表溫度示例

圖10 圓桶測溫裝置

圖11 矩形槽測溫裝置

3.2 不同溫?zé)岵勘砻娌牧蠝y試結(jié)果對比分析

JIS標(biāo)準(zhǔn)使用的溫?zé)岵勘砻娌牧蠟?塊厚1 mm聚丙烯板，國內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)使用的溫?zé)岵勘砻娌牧蠟?塊厚8 mm厚聚丙烯板（見圖12），由于聚丙烯板材料的柔韌性及彎曲性，實際操作中很難將7塊聚丙烯板緊密結(jié)合并在不膠黏情況下排除額外空氣。在兩種材料測試結(jié)果可以等效的情況下，筆者更傾向于使用1塊厚8 mm厚聚丙烯板代替7塊厚1 mm聚丙烯板。

由于聚丙烯板材料在實際操作中也是比較難緊密貼合在溫?zé)岵勘砻妫虼诵枰獙ふ乙环N可以替代的材質(zhì)。此類材料不僅需要在導(dǎo)熱性、柔軟度等方面優(yōu)于聚丙烯板，而且還需要與人體皮膚相似，經(jīng)過查找相關(guān)文獻(xiàn)及對比分析，筆者發(fā)現(xiàn)硅膠材質(zhì)在這方面可以滿足要求。硅膠材料與聚丙烯板材料實物對比圖見圖13。

為了驗證聚丙烯板材質(zhì)與硅膠材料差異對測試結(jié)果的影響，在保證其他測試條件相同情況下，僅改變溫?zé)岵勘砻娌牧希瑴y試樣品1#溫?zé)岵勘砻娌牧蠟?塊厚1 mm聚丙烯板、測試樣品2#溫?zé)岵勘砻娌牧蠟?塊厚8 mm聚丙烯板、測試樣品3#溫?zé)岵勘砻娌牧蠟?塊厚8 mm硅膠，測試結(jié)果見表8。

從表8的測試結(jié)果，筆者分析三種溫?zé)岵勘砻娌牧系臏y試結(jié)果基本相同，存在互相替代的可能。另外，由于硅膠的柔軟性好，與溫?zé)岵康馁N合會更加緊密，所以熱傳導(dǎo)效率也會高些，比如設(shè)定相同的溫度條件下，不同溫?zé)岵勘砻娌牧蠝y得的初始溫度，硅膠＞1片8 mm厚聚丙烯板＞7片1 mm厚聚丙烯板。所以在溫?zé)岵勘砻娌牧峡蛇x擇的情況下，筆者更傾向于使用硅膠材料。

3.3 測試裝置覆蓋材料和下墊材料的必要性

JIS S 4100《一次性暖包》和 QB/T 4903-2016《暖貼》測試裝置中都使用了2層紗布作為下墊材料、8層平面絨作為覆蓋材料。筆者分析標(biāo)準(zhǔn)中如此規(guī)定的目的是為了模擬暖貼產(chǎn)品的實際使用情況，不直接貼在人體皮膚上（可能模擬隔了一層衣服），同時考慮使用者外部還有其他衣服包裹的情況。因此對于測量QB/T 4903-2016和JIS S 4100標(biāo)準(zhǔn)中的暖貼產(chǎn)品（如暖寶寶），此覆蓋材料和下墊材料是合理且必要的。

但是，現(xiàn)在市面上出現(xiàn)很多可以直接貼在皮膚上使用的暖貼產(chǎn)品（如蒸汽眼罩），現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)測試方法是不能全部適用的，急需行業(yè)出臺制定相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。筆者建議，在制定蒸汽眼罩等直接貼于皮膚的暖貼產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)時，應(yīng)取消下墊材料，如果產(chǎn)品使用時不會存在覆蓋，也需要取消覆蓋材料。此外，如果暖貼產(chǎn)品使用的位置不是一個平面，如蒸汽眼罩使用在眼睛周邊，筆者建議是否將溫?zé)岵康谋砻娌牧蠐Q成臉部模型形狀，而不是一個平面。

表7 不同測溫裝置測試結(jié)果

圖12 不同標(biāo)準(zhǔn)要求的聚丙烯板

圖13 聚丙烯板材料與硅膠材料

表8 不同溫?zé)岵勘砻娌牧蠝y試結(jié)果

4 總結(jié)

本文通過研究某款暖貼產(chǎn)品在不用的環(huán)境溫度下、不同負(fù)載條件下以及不同的測溫設(shè)備下的發(fā)熱情況，結(jié)合對比研究中外標(biāo)準(zhǔn)的測試方法差異，設(shè)計了對比試驗，發(fā)現(xiàn)暖貼產(chǎn)品與環(huán)境溫度、負(fù)載條件影響較大，并初步得出以下結(jié)論：

1）環(huán)境溫度會影響暖貼產(chǎn)品的最高溫度和發(fā)熱時間，環(huán)境溫度越低，發(fā)熱時間越短。

2）暖貼產(chǎn)品在有覆蓋條件下比沒覆蓋條件下能達(dá)到的最高溫度更高。

3）測溫裝置溫?zé)岵勘砻鏈囟仍降?，測得的最高溫度越低。

4）測溫裝置溫水流速越快，測得的最高溫度越低。

5）測溫裝置表面材料用硅膠材料代替聚丙烯板材料，存在可替代性。

經(jīng)過一系列的對比研究，旨在探究更為合理的暖貼產(chǎn)品溫升測試方法，探討不同溫水速度及溫?zé)岵勘砻娌牧喜町悓y試結(jié)果的影響，為后續(xù)暖貼標(biāo)準(zhǔn)的修訂或眼罩標(biāo)準(zhǔn)的制定提供了數(shù)據(jù)依據(jù)及建議。