石墨烯發熱衣（被動遠紅外線型）——產品功能與材料比較分析
一、前言
石墨烯作為21世紀最具代表性的碳基材料，因其優異的導熱、導電與紅外線輻射特性，已廣泛應用於保暖衣物與健康服飾中。與傳統使用的碳粉、竹炭、陶瓷粉等遠紅外線材料相比，石墨烯能在更薄、更輕的結構中達到更高的遠紅外線放射效率，成為近年功能性發熱衣的重要趨勢。本文將聚焦於非導電式（被動FIR）石墨烯發熱衣，分析其作用原理、製程方式、含量效應與其他材料的性能比較。
二、原理說明：石墨烯的遠紅外線輻射效應
石墨烯的結構為單層碳原子組成的蜂巢狀晶格，其電子能帶結構使其對紅外線波段具有極高的吸收與放射能力。人體主要輻射熱能波長範圍約為 8–14 μm（遠紅外區），而石墨烯的發射峰正好覆蓋此區段，因此能有效吸收並再輻射人體熱能，形成「熱回饋循環」機制。
這種被動遠紅外效應不需外部電源，也不會產生額外熱量，而是減少熱能散失、提升皮膚表面溫度，達到更長時間的暖感與血液循環促進作用。
三、製程方式
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粉體塗佈（Graphene Coating）：將石墨烯粉體分散於高分子乳液中，以噴塗或塗佈方式覆於布料表層。優點：製程簡單、成本低；缺點：若塗層太厚或黏結劑比例高，可能影響手感與透氣性。
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浸漬塗層（Dip Coating）：將織物浸入石墨烯分散液中，使其滲入纖維間隙形成均勻薄層。優點：附著力佳、耐洗性較高。
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複合紡絲（Composite Spinning）：將石墨烯微片混入聚酯、尼龍或天絲等紡絲原液，直接形成功能性纖維。優點：耐洗耐久，功能穩定；缺點是製程成本與設備要求高。
四、石墨烯 vs 碳粉 vs 竹炭 vs 陶瓷粉：遠紅外線功率比較
1. 紅外放射原理差異
| 材料 | 結構特性 | 遠紅外放射效率機制 |
|---|---|---|
| 石墨烯 | 單層碳原子，導熱高、比表面積極大 | 高能帶結構允許紅外波快速吸收與再放射，輻射效率高 |
| 碳粉 | 不規則碳微粒，部分石墨化 | 可吸收熱能，但能帶缺陷多，紅外線放射率較低 |
| 竹炭粉 | 多孔結構，含碳率約80%，部分無定形碳 | 以吸熱與緩慢釋熱為主，紅外放射能力中等 |
| 陶瓷粉 | 無機陶瓷微粒，穩定性高 | 可吸收與放射遠紅外，功率中等，耐久性好 |
2. 遠紅外線發射率與功率比較
| 材料 | 平均遠紅外發射率（ε） | 放射功率密度（mW/cm²） | 備註 |
|---|---|---|---|
| 石墨烯（高純度單層） | 0.92–0.95 | 3.5–4.0 | 對人體熱輻射最有效波段匹配佳 |
| 石墨烯複合紡絲纖維 | 0.88–0.92 | 3.0–3.5 | 功能穩定，耐洗性高 |
| 碳粉塗層布 | 0.80–0.85 | 2.4–2.8 | 成本低，但熱回饋效率較弱 |
| 竹炭粉塗層布 | 0.78–0.83 | 2.2–2.6 | 以吸熱保溫為主，紅外回輻射效率有限 |
| 陶瓷粉紅外纖維 | 0.85–0.88 | 2.8–3.2 | 穩定且成本中等，應用廣泛 |
3. 導熱性與熱回饋反應速度
| 材料 | 導熱係數 (W/m·K) | 熱回饋速度（升溫時間） | 評價 |
|---|---|---|---|
| 石墨烯 | 約 2000–5000 | 約 10–15 秒 | 極快 |
| 碳粉 | 約 10–50 | 約 30–60 秒 | 中等 |
| 竹炭 | 約 3–10 | 約 1–2 分鐘 | 緩慢 |
| 陶瓷粉 | 約 1–5 | 約 30–50 秒 | 中等 |
五、石墨烯含量與性能分析
| 石墨烯含量 (wt%) | 應用方式 | 平均FIR放射功率 (mW/cm²) | 皮膚表面溫升 ΔT (°C) | 備註 |
|---|---|---|---|---|
| 0.05–0.1 | 複合紡絲 | 0.5–1.0 | 0.2–0.3 | 功效低，感溫不明顯，耐洗性佳 |
| 0.1–0.5 | 複合紡絲 / 薄型塗佈 | 1.0–2.0 | 0.5–1.0 | 功效可察覺，適合薄型功能衣 |
| 0.5–1.0 | 塗佈型 / 複合紡絲 | 2.0–3.0 | 1.0–1.5 | 明顯溫感，遠紅外功率充分 |
| 1.0–1.5 | 塗佈型 | 3.0–3.5 | 1.5–2.0 | 高效能範圍，適合保暖衣及運動機能衣 |
| 1.5–3.0 | 塗佈型厚層 | 3.5–4.0 | 2.0–2.5 | 極高功率，但手感可能略硬，需控制塗層均勻性 |
| >3.0 | 塗佈型厚層 | 4.0+ | 2.5+ | 功率極高，但成本與透氣性下降，較少使用 |
六、實際應用效益
石墨烯塗層布料穿著15分鐘後，皮膚表面溫度可平均上升 1.5–2.5°C；碳粉約0.8°C，竹炭約0.5°C，陶瓷粉約1.0–1.2°C。離熱源後可維持約30分鐘暖感。薄型塗層可保留透氣性與吸濕性，適合貼身層。
七、耐久性與保養
石墨烯層狀結構若分散均勻，經30次洗滌仍可保持90%以上紅外功率。建議使用中性洗劑低溫柔洗，避免烘乾、熨燙或長時間浸泡。
八、附註：皮膚表面溫度提升測試標準
量化穿著被動FIR石墨烯發熱衣後，受試者皮膚表面溫度變化，評估遠紅外回饋效能。測試環境：20 ± 1°C，濕度40 ± 5%，氣流≤0.2 m/s。受試者需靜坐20分鐘穩定化後測量，採用接觸式熱電偶或紅外熱像儀量測30分鐘以上。ΔT= T(t)−T(baseline)，ΔT≥0.8°C為明顯可感溫升。注意熱像儀發射率設定為皮膚 ε≈0.98，測試期間保持靜態環境。
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