碳系水性電熱油墨在外賣恒溫箱中的應用

別一飛，劉嘉銘，高智勇

（1.武漢大學 圖像傳播與印刷包裝研究中心，武漢 430079；2.合肥美的電冰箱有限公司，合肥 230000；3.武漢大學 城市設計學院，武漢 430072）

中國外賣行業(yè)經歷了從起步到市場規(guī)模迅速擴大的時期，在線外賣收入占全國餐飲業(yè)收入比重持續(xù)提高，但其中配送的外賣食物變冷、口感變差等問題極大地影響著消費者的消費體驗[1-2]。如何使箱內保持合適的溫度狀態(tài)是外賣配送中的難題。目前，外賣箱大多通過減少運輸過程中散失的熱量來達到保溫目的，使用隔熱材料可以較好地隔絕箱體內外部環(huán)境，但是其內部熱量交換是熱餐食物的高熱量與箱內環(huán)境低熱量之間不平衡的熱交換。特別是在寒冷及陰雨天氣條件下，配送過程中多次開蓋會散失大量熱量導致箱內溫度大幅降低的問題不能避免，食物的口感及品質難以保障[3-4]。

相較于傳統的被動保溫，更多的加熱保溫方式被提出。朱傳輝等[5]提出了一種采用相變蓄熱材料研制的外賣保溫箱，采用的主要加熱原理是蓄熱材料的相變放熱，但是相變材料存在循環(huán)過程中熱物理性質的退化問題、相變材料的可逆性是否足夠、相變材料的經濟性問題，這是保溫箱能否采用這一材料的3 個主要問題。曹瑩等[6]設計了一款太陽能智能保溫箱，采用環(huán)保的太陽能電池對電加熱保溫箱的電源選擇方向有一定的指導意義，但是太陽能電池轉換效率低，其能否滿足加熱需求是一個重大問題。

碳系導電材料因具有更輕的質量、導熱系數高、導電性能好、電熱轉換效率高和響應速率快等優(yōu)點而成為良好的電熱器件候選材料[7-11]。Xia 等[12]以薄層石墨和碳纖維為導電填料添加到改性樹脂中制備電熱膜，電熱膜在22 V 的電壓下通電5 min，溫度可達到265 ℃，表現出優(yōu)異的電熱性能。Luo 等[13]采用逐層組裝的方法制備了柔性碳納米管/聚氨酯電熱膜。結果表明，該薄膜具有良好的電熱性能，在10 V 電壓下可達到140 ℃的飽和溫度。Chang 等[14]制備的三維石墨烯/碳化聚丙烯腈復合紙最快的比熱速率可達213 ℃/(s·V)，在1.75 V 的工作電壓下，最高溫度可達235 ℃。由此可見，碳系導電復合材料表現出良好的電阻性加熱行為，規(guī)模化生產可用于家庭供暖、加熱服裝、工業(yè)保溫等領域。但由于傳統溶劑型碳系導電復合材料在使用過程中會產生揮發(fā)性有機物（VOCs）以及復合材料大多處于研發(fā)階段等，所以其在食品保溫研究中很少使用。

因此，文中針對外賣運輸過程中的熱量損失問題，從主動供熱角度出發(fā)，使用環(huán)保無污染且成本較低的碳系水性電熱油墨印制電熱板，并裝配在外賣恒溫箱中。構建在約60 ℃的溫度下保持熱平衡的恒溫箱內環(huán)境，從根本上解決在運輸過程中食物溫度降低的問題，成功實現保存食物最佳食用溫度的效果。對外賣恒溫箱的主體布局進行了結構設計，模擬測試了在1 h 的配送過程中外賣恒溫箱內部的溫度變化，同時設置空白對照實驗，驗證使用發(fā)熱器件后外賣恒溫箱的恒溫效果。

1 材料與結構

1.1 發(fā)熱材料

本研究使用納米碳材料制備的碳系水性電熱油墨，以炭黑、石墨、碳納米管為導電填料，水為溶劑，水性丙烯酸樹脂為連接料，消泡劑和分散劑為助劑[15-17]，無揮發(fā)性有機物（VOCs）排放，具有環(huán)保無毒害、低成本、電熱性能優(yōu)異的優(yōu)點，可在安全電壓（≤36 V）下表現出高效的電熱轉換性能。本研究所用的實驗材料和試劑如表1 所示，所用的實驗儀器設備見表2。在制備碳系水性電熱油墨過程中，油墨中總的碳質量分數控制在20.8%（石墨占10.8%，炭黑占6%，碳納米管占4%），水的質量分數控制在52.2%，水性丙烯酸樹脂在油墨中的質量分數控制在10%，消泡劑的質量分數控制在2%，分散劑的質量分數為15%。制備工藝見圖1。

圖1 碳系水性電熱油墨的制備工藝Fig.1 Preparation of carbon water-based electric heating ink

表1 實驗中使用的材料和試劑Tab.1 Materials and reagents used in experiment

表2 實驗儀器設備Tab.2 Experimental instrument and equipment

1.2 發(fā)熱器件設計

本研究使用200 目絲網版在承印物上印刷面積為25 cm×25 cm 的碳系水性電熱油墨。絲網印刷前，打開絲網印刷機進行絲網印刷版的安裝和位置的調試，固定好印制基材后進行設備抽真空；將碳系水性電熱油墨涂在絲網印刷機刮板的一側，用回油刀先將油墨浸潤在待印刷的絲網版孔內，再將印刷刮板下降到基材處與基材直接接觸，進行發(fā)熱器件的電路印制。發(fā)熱器件截面圖如圖2 所示，結構分解圖如圖3所示，其中最上方1 為萬通板材料，其內部孔狀結構使熱量均勻分布在整個發(fā)熱器件表面，并且能提供一定的緩沖防震作用。緊貼著萬通板的2 是貼在導電涂層兩端的銅帶，其作為電熱油墨層的電極并將多個發(fā)熱模塊并聯起來。圖2 和圖3 中緊貼著萬通板的黑色層3 為碳系水性電熱油墨，經干燥固化形成導電涂層，承擔導電發(fā)熱的作用。底部4 為環(huán)氧樹脂玻璃纖維布，通過熱壓的方法來與前3 層材料復合，主要保護導電涂層，防止水汽、磨損等外部因素對器件性能的影響，提高發(fā)熱器件的使用壽命。

圖2 發(fā)熱器件截面Fig.2 Cross section of heating device

圖3 發(fā)熱器件結構分解Fig.3 Structure decomposition of heating device

1.3 發(fā)熱原理

電熱油墨作為一種新型電熱材料，需要通過凹版印刷、絲網印刷、刮涂、旋涂或噴涂的方式附著在基材上，并經過干燥形成平整均勻的導電涂層才能使用。印刷的油墨在初始階段由于不導電的溶劑、連接料等阻隔在導電碳填料之間，因此無法形成有效的導電通路。在干燥過程中，其內部導電粒子間隙隨著溶劑的揮發(fā)逐漸縮小，最終不同尺寸的納米級碳材料互相填充，緊密連接形成交縱錯雜的導電通路，在外加電壓下形成電流并將一部分電能轉化為熱能，以熱對流、熱傳導和熱輻射的形式向周圍環(huán)境傳導。電熱器件在一定時間內產生的熱量Q可通過式（1）計算。

式中：Q為發(fā)熱量；I為通過器件的電流；U為外加電壓；R為電阻；t為時間。

1.4 外賣恒溫箱結構

最終設計成型的外賣恒溫箱如圖4 所示。箱體尺寸為58 cm×42 cm×42 cm，箱體選用EPP 材料，采用2 塊發(fā)熱器件，通過連接固定后置于箱內兩壁進行供熱。選用箱體2 個面積相對較大的面作為發(fā)熱面有3個好處：2 個面作為發(fā)熱面相比4 個面節(jié)省材料；2個面積較大的面作為發(fā)熱面電阻小，通電發(fā)熱效果明顯；恒溫箱的2 個相對的面作為發(fā)熱面，在通電加熱時可以形成熱對流，加速箱體溫度的提升，箱體內溫度更加均勻。發(fā)熱器件可先組裝后直接插入恒溫箱或者取出收納，使用便捷，結構穩(wěn)固。同時通過對發(fā)熱器件功率的控制能有效地使恒溫箱體內溫度達到熱餐食物的最佳存儲溫度。

圖4 發(fā)熱器件安裝示意圖Fig.4 Schematic diagram of heating device installation

2 電熱性能測試

為了驗證所設計的恒溫箱的保溫性能，分別對發(fā)熱器件和裝置發(fā)熱器件后的恒溫箱進行電熱性能測試。在室溫18 ℃的條件下，將發(fā)熱器件分別接通14、16、18、20 V 直流電壓，用紅外攝像機記錄發(fā)熱器件的溫度變化，測試發(fā)熱器件的溫度響應速率和各工作電壓下的飽和溫度。由圖5 結果可看出，發(fā)熱器件的溫度影響速度較快，在接通電源10 min 內溫度快速上升，隨后逐漸趨于平穩(wěn)，大約20 min 即能到達相對穩(wěn)定的飽和溫度。當給發(fā)熱器件施加14 V 電壓時，通過的工作電流為1.89 A，發(fā)熱器件所消耗的功率僅僅只有26.5 W，能夠達到的飽和溫度為54.1 ℃左右；接通16 V 電壓時，工作電流為2.16 A，功率為34.6 W，飽和溫度為65.1 ℃；施加18 V 電壓時，工作電流為 2.43 A，功率為 43.7 W，飽和溫度為76.7 ℃；施加20 V 電壓時，工作電流為2.71 A，此時發(fā)熱器件的功率為54.2 W，飽和溫度為88.8 ℃?？偟膩碚f，使用碳系水性電熱油墨絲網印刷制備的發(fā)熱器件可在小于55 W 的低功耗下實現從54 ℃到89 ℃發(fā)熱區(qū)間的靈活溫度調節(jié)，從而滿足多樣化的溫度控制需求。圖6 展示的是本實驗制備的發(fā)熱器件的發(fā)熱溫度與功率密度的函數關系，溫度和功率密度的擬合曲線近似線性關系（T=782.6×P+21.4，T為溫度，P為功率密度）。由圖6 可知，斜率很陡峭（≈782.6 ℃·cm2/W），說明在相同的功率密度條件下，單位面積能達到的飽和溫度更高，即有更高的電熱轉化效率，能耗更低[18]。

圖5 發(fā)熱器件在不同電壓下的運行情況Fig.5 Operation of heating device under different voltage

圖6 發(fā)熱器件的溫度與輸入功率密度Fig.6 Temperature and input power density of heating device

綜合考慮功耗、食物保溫效果和使用安全性，設計的恒溫箱選擇將2 片發(fā)熱器件置于箱內壁兩側，并將電壓設置在18 V 對恒溫箱的保溫效果進行測試，同時使用探頭型溫濕度計讀取在加熱過程中箱體內部環(huán)境的溫度。從圖7 實驗結果來看，未放置食物的外賣恒溫箱在18 ℃的室溫條件下，通過兩側的發(fā)熱器件進行加熱約30 min 后能達到60 ℃以上的溫度，之后箱內溫度能穩(wěn)定在60～65 ℃左右。由于箱體優(yōu)異的隔熱效果，在加熱–冷卻過程中，溫度曲線表現出了明顯的快速升溫和緩慢降溫的特征，切斷電源后經過100 min 箱內溫度降至接近室溫。該過程所消耗的時間是升溫過程的4 倍，因此該恒溫箱出色的加熱性能及隔熱性能充分滿足外賣熱餐食物的保溫需求。

圖7 空箱測試Fig.7 Empty box test

隨后模擬了熱餐食物的配送過程，對恒溫箱的保溫效果進行測試。將初始溫度為60 ℃的食物放入外賣恒溫箱中，同時對恒溫箱施加18 V 的電壓使箱內環(huán)境溫度開始升溫，此階段是將熱餐食物放入恒溫箱中準備配送的模擬；然后每過10 min 打開箱蓋10 s，模擬在外賣配送過程中取出其他餐食的操作；最后在1 h 之后取出熱餐食物測量溫度，模擬配送實驗至此結束。在整個模擬配送過程中通過探頭式溫濕度計記錄的箱內環(huán)境溫度變化如圖8 所示。圖8中溫度曲線的5 次突然下降對應在1 h 模擬實驗中的5 次開蓋操作。由于箱體內外溫差巨大，因此在開蓋的一瞬間箱內熱量大量流失導致溫度突然下降。雖然在開蓋的過程中會導致箱內環(huán)境溫度下降，但是箱內環(huán)境溫度整體上還是保持上升趨勢，并在43 min時箱內溫度已經達到60 ℃以上。最終在取出熱餐食物時，其溫度僅下降約5 ℃，食物仍保持在口感合適的溫度。

圖8 模擬運輸測試Fig.8 Simulated transport test

最后設置空白對照實驗，將60 ℃的水分別放置在普通外賣箱和外賣恒溫箱中保存20 min，然后取出觀察其溫度變化情況，從而更加直觀地評估電熱器件對外賣保溫箱在保溫效果上的提升。從圖9 結果來看，60 ℃水放置在普通外賣箱中經過20 min 后溫度降低到47.5 ℃，而放置在外賣恒溫箱中的水在經過20 min 后取出其溫度仍能保持在60 ℃，其保溫效率比普通外賣箱的高27.3%。充分證明了所設計的恒溫箱在原外賣箱的基礎上大幅度提升了保溫效果。

圖9 普通外賣箱和外賣恒溫箱對比測試Fig.9 Comparison test of ordinary takeaway box and constant temperature takeaway box

3 結語

本研究將碳系水性電熱油墨和印刷電子技術相結合運用到外賣恒溫箱中。使用炭黑、石墨和碳納米管等成本較低的碳材料制備了碳系水性電熱油墨，并進一步制備了發(fā)熱器件。在通電情況下，制備的發(fā)熱器件（25 cm×25 cm）在18 V 電壓條件下，飽和溫度可達到76.7 ℃，功率密度為6.992×10?2W/cm2。在不同輸入電壓下，發(fā)熱器件的功率密度與溫度之間呈現線性關系，斜率為782.6 ℃·cm2/W 。表明發(fā)熱器件能有效地將電能轉換為熱能，能達到即時補充運輸過程中熱量損失的作用，從根本上解決了外賣食品在配送過程中熱交換不平衡的問題，可在低溫環(huán)境下對外賣熱餐食物起到更加可靠的保溫效果。與傳統的外賣保溫箱相比，本研究所制備的外賣恒溫箱保溫效率大幅提高，滿足外賣行業(yè)發(fā)展對安全與高品質食品的需求。