0 引言

一次性随身保暖产品源于日本，其原理是利用铁氧化反应发热达到保暖的目的^[1]，至今已有近30年历史。一次性随身保暖产品中的发热物质通常由铁粉、活性炭、水、盐和保水剂组成，封装在透气性内包装中，内包装封装完成后置于气密性外包装中^[2]。随着应用领域不断拓展、人们接受程度逐渐提高以及销售渠道多样化，我国一次性随身保暖产品年产量逐年递增并连续多年超过5亿片^[3]。一次性随身保暖产品不仅用于日常御寒保暖^[4]，还用于健康护理和医学研究^[5-6]。随着一次性随身保暖产品使用越来越多，因其造成的低温烫伤案例数量也在不断增加^[7-10]。造成低温烫伤的主要原因一方面是消费者使用方法不当和缺乏自我保护意识^[8]，另一方面是产品质量参差不齐。目前市面上销售的三无产品、质量不过关的不在少数^[11]，亟需建立该类产品质量评定方法。

温度特性是评定此类产品质量的重要依据，发热温度作为表征温度特性的关键参数，其检测方法的选择直接关系到检测结果的准确性和可靠性，是建立标准化测试方法的基础。目前国内外对一次性随身保暖产品的研究方向主要有生产过程中的质量影响因素^[6]、发热物质最佳配比^[12]和对实验动物皮肤的毒性作用^[13]，未发现对发热温度检测方法的相关研究。为给一次性随身保暖产品质量评定中温度特性测试标准化提供科学理论依据，本文以暖贴为研究对象，采用中心法、加权平均法和红外成像法对暖贴发热温度进行测量。首先对测试结果进行方差分析，确定不同测量方式对各观测时刻下的发热温度是否产生显著影响；再利用多重比较进一步分析两两测量方式均值间的差异显著性；最后分析测量方法对发热温度测量结果影响的原因。

1 发热温度测量方式 1.1 中心法

中心法属于接触式点温法。采用一个铂电阻置于暖贴里层中心位置，以测得的中心温度为发热温度。

1.2 加权平均法

加权平均法属于接触式点温法。将暖贴看作4个等分的区域，将4个铂电阻分别置于暖贴里层每个区域中心，以4个铂电阻的平均温度为发热温度。

1.3 红外成像法

红外成像法属于非接触式面测法。采用红外成像仪对暖贴外层进行测量。此方法不需要与表面接触，仅通过接收红外辐射来测定温度，能直接获得发热面平均温度^[14-15]，同时能够获得完整的暖贴发热温度分布图。

2 实验设备 2.1 温热装置

实验使用温热装置模拟暖贴实际使用中的情况。该装置由4部分构成：水浴、测试面、覆盖板及温度采集处理模块。水浴用于模拟人体皮肤温度，温度控制范围可从常温至100 ℃，内置搅拌器使水浴内温度更均匀，加热管PID温控加热，控温精度为±0.1 ℃。水浴的3个立面为测试面，由于暖贴产品均不能直接贴于皮肤，因此工作面上包覆2层纱布，测试时将暖贴贴于纱布上，模拟实际使用中暖贴贴于内衣上；每个测试面有4个PT100铂电阻，采用中心法时最多同时测量12个样品；采用加权平均法可同时测量3个样品。覆盖板由15层绒布组成，测试时完全覆盖测试面，模拟实际使用中暖贴被覆盖在外套下。温度采集处理同时自动采集12组发热数据，发送至上位机进行保存和处理。

2.2 恒温恒湿实验室

恒温恒湿实验室为发热温度测试提供稳定可控的环境条件。实验室面积27.3 m²，实验室内任意两点在任意瞬间温度差≤0.5 ℃，相对湿度差≤1.5%RH；同一点任意30 min周期内波动值温度≤0.5 ℃，相对湿度差≤1.5%RH；同一点24 h任意2个30 min周期内波动值温度≤0.5 ℃，相对湿度差≤1.0%RH。

2.3 红外成像仪

本实验中使用FLIR T425红外成像仪，温度范围-20~1 200 ℃，红外图像分辨率为320×240，热灵敏度为0.05 ℃，准确度±2%，可自动计算指定区域的平均温度。

2.4 数字温度计

采用中心法进行温度测量时，本实验使用CENTER 301数字温度计测量暖贴的中心温度。

3 实验方案设计 3.1 实验条件

皮肤温度又称体表温度，是指皮肤最外面的一层表皮的温度。皮肤分布在身体的外表面，容易受外界因素的影响，因此皮肤温度变化范围较大，一般在20~40 ℃之间浮动。为确定皮肤温度与暖贴发热温度的测量值之间关系，将温热装置温度设置为25，30，34 ℃，分别在上述温度下测量同一批次暖贴发热温度。实验结果表明，温热装置温度越高，暖贴发热温度测量值越高，说明皮肤温度影响暖贴发热温度(见图 1)。中性皮肤温度指人体处于不冷不热状态时所对应的皮肤温度，人体中性皮肤温度为34.1 ℃^[16]。因此温热装置水浴温度设置为34.1 ℃。恒温恒湿实验室温度设置为20 ℃，相对湿度为55%。

3.2 实验步骤

本实验对来自同一批次的6个暖贴进行测试。将待测样品置于恒温恒湿实验室中不少于2 h。打开暖贴外包装并揭去明胶层剥离纸，按照图 2在明胶层布置铂电阻，1~4号铂电阻用于加权平均法测量，5号铂电阻用于中心法测量。铂电阻布置完成后，将暖贴贴于测试面纱布上并合上覆盖板(见图 3)，开始计时。分别在开始测试后的1.5，2.5，3.5，4.5 h时刻打开覆盖板，用红外成像仪对样品外层温度进行测量，并且记录该时刻1~5号铂电阻读数后重新合上覆盖板。

4 结果与分析 4.1 方差齐性检验

方差分析的基本思想是通过分析研究不同来源的变异对总差异的贡献大小，从而确定可控因素对研究结果影响力的大小。应用方差分析的前提是数据应满足各个水平下的总体具有相同的方差，即方差齐性。采用Levene检验法进行方差齐性检验，显著性水平取0.05，各观测时刻下检验结果见表 1。表中各观测时刻的显著性均大于显著性水平0.05，因此认为3种测量方式分别在各观测时刻下的方差齐性，满足方差分析前提条件。

4.2 方差分析

对各观测时刻下的测量结果进行方差分析，分析结果见表 2。由表可知，各观测时刻下F值对应的概率＜0.01，即各处理总体均值间极显著不一致，表明不同测量方式对各观测时刻下的发热温度产生显著影响。

4.3 多重比较

方差分析检验结论为总体均值间极显著不一致，并不意味着每两个处理均值间的差异都显著或极显著。为进一步分析两两处理均值间的差异显著性，对测量结果进行多重比较。本实验多重比较采用最小显著差数法(LSD)，比较结果见表 3。表中显著性不大于显著性水平0.05时，表明在此显著性水平条件下，相应的两组均值存在显著性差异。由此可见，在全部观测时刻下，红外成像法与中心法、加权平均法间均存在极显著差异(P≤0.01)，中心法与加权平均法之间没有显著性差异。

4.4 分析

变异系数反映单位均值上的离散程度，变异系数小表明数据的稳定性和重复性更高。不同观测时刻下各测量方法的变异系数见表 4。由表可知，在各观测时刻下均呈现相同趋势：加权平均法的变异系数最小，其次是红外成像法，中心法变异系数最大。中心法变异系数较大，主要由于与加权平均法和红外成像法相比，中心法仅采集暖贴中心温度。以1.5 h时刻6个样品的红外成像图为例(见图 4)，图中可见样品表面颜色差异明显并且分布不规则，这是由于样品原料层各处厚度不一，导致样品各处发热温度差异较大，中心法只采集中心温度会导致测量结果离散程度增加。中心法与加权平均法测得的发热温度接近，且中心法测得的温度较加权平均法测得温度高；图中红外成像法测得的中心温度同样比红外成像法测得的发热区的平均温度高。由此可见暖贴中心温度比平均温度高。因此中心法采集到的温度并不能完全代表样品实际发热温度，并且数据稳定性和重复性较低。

中心法与加权平均法相比较可得出与上述一致的结论。图 4(a)、图 4(b)、图 4(d)、图 4(e)表面温度分布不均匀，对应表 5中样品1、样品2、样品4、样品5各个观测时刻下加权平均法4个铂电阻测得的最大温差较大，同一样品相同观测时刻最大温差可达2.59 ℃；图 4(c)、图 4(f)表面温度分布较均匀，对应表中样品3、样品6最大温差较小。并且从表可见，不同观测时刻下同一样品最大温差基本相同，但不同样品间最大温差不一致，与样品发热材料分布均匀程度有关。

红外成像法变异系数比加权平均法大，部分观测时刻与加权平均法接近，但红外成像法的均值比另外两种方法明显较低，主要原因是暖贴里、外层温度不一致。覆盖板打开90 s后重新合上的过程里、外层温度变化见图 5。由图可知，打开覆盖板前，里、外层温度基本相等，由于覆盖板的隔离，样品周围的氧气含量比外界环境低。打开覆盖板至重新合上前，样品周围氧含量升高，暖贴中的铁粉氧化反应加剧，里层温度先升高后趋于稳定；外层因外界温度低且覆盖板打开后空气流动，温度升高不明显并且迅速下降后趋于稳定，稳定后里、外层温度相差约2 ℃。重新合上覆盖板后，由于此前覆盖板打开后一直降温，所以重新合上后外层温度迅速下降并逐渐上升；此时由于外层温度低于里层温度，里层温度逐渐下降，直至里、外层温度相同后共同升温。红外成像法测量时需打开覆盖板，因此测得的温度较低，并且由于打开覆盖板后外层温度变化速度快，所以数据重复性较低。

5 结束语

本文提出了一次性随身保暖产品的发热温度的3种测量方法，并以暖贴为实验对象，对3种测量方法进行比较。由方差分析结果可知，在相同实验条件下不同测量方法对发热温度测量结果有显著影响。进行多重比较发现，中心法与加权平均法之间不存在显著性差异，但由于暖贴表面温度不均匀，加权平均法数据重复性最好，中心法数据重复性最差；红外成像法数据重复性比中心法好，但与中心法、加权平均法均存在极显著差异。经进一步研究发现，其主要原因是红外成像法测试时需要打开覆盖板，此时暖贴里、外层温差变大且外层温度变化较快。综上所述，对一次性随身保暖产品温度特性进行标准化测量时，为提高测量结果的重复性和稳定性，宜采用加权平均法。