基于透明导电薄膜的护目镜除雾研究

基于透明导电薄膜的护目镜除雾研究

陈佳乐 李滢潇 许航铭

江苏大学 机械工程学院 江苏镇江 212000

摘要：新冠肺炎爆发，医护工作者身着防护服佩戴护目镜过程中，暴露出护目镜起雾问题，本文分析了护目镜起雾的原因和常见的解决方法，提出了一种利用透明导电薄膜置于护目镜内表面，通过小型直流电源通电加热除雾的解决方案，并分析其可行性。

关键词：透明导电薄膜；护目镜；除雾

在抗击新型冠状病毒期间，医护人员救治新冠肺炎患者的过程中，他们穿着厚实防护服而产生的闷热和呼出的热空气从口罩边缘流出，常常会出现护目镜起雾遮挡视线问题^[1]。由于新冠疫情爆发的突然和此类重大传染病疫情很少出现，我国针对护目镜起雾问题没有预先的应对措施。在发现护目镜起雾问题后，广大医务工作者发挥他们的创造力想出了涂抹碘酒，涂抹洗洁精，涂抹洗手液和喷涂泳镜专用防雾喷剂的方法来临时解决护目镜起雾问题^[2]。但这些方法存在着除雾效果不佳，可能对人眼有刺激，和降低护目镜透明度的问题。

本文探讨利用透明导电膜通电对护目镜表面进行加热，从而降低护目镜内外表面温差，实现除雾目的。通过较为简易的除雾系统，实现了护目镜表面高效的除雾效果，从而帮助医护工作者更好的救治病人，抗击新冠肺炎等传染性疾病。

1. 导电薄膜除雾原理

1.1起雾原因

当一物体表面温度低于周围环境的水蒸气露点温度时，周围空气中的水蒸气接触此物体便会遇冷液化，产生微小的水珠附着物体表面，产生“起雾”现象。对于透明表面，大大小小的小水珠表面对光线杂乱无章的折射反射，从而改变了物体表面的透明度。

1.2常见的除雾方法

针对起雾一般解决方法分为以下三种：（1）降低物体表面周围的空气湿度，如车载空调对车内除湿。（2）减小物体表面与周围空气的温度差，如车载空调吹热风对车窗玻璃加热，吹冷风对玻璃表面空气降温，此外还有通过对各种纯电阻电路通电加热提高玻璃表面温度从而减小温差实现除雾效果^[3]。 （3）通过喷涂或表面微结构处理产生超疏水或超亲水层，此种方法较为复杂，是当下研究热点，但投入使用的较少。

1.3导电除雾薄膜除雾原理

透明导电薄膜兼具导电性与可见光范围的高透光率，对其两侧通电，作为纯电阻电路，也进行细微程度的加热，其加热总功率可以表示为：

P=U²/R (1)

其中U为透明导电膜两端电压，R为透明导电膜的总电阻。

若透明导电膜表面电阻分布均匀，形状为一个长方形，R₀为方块电阻，则加热总功率为：

P=U²D²/R₀²L² (2)

其中L为透明导电膜的长度，D为导电膜宽度。

当加热功率大于热耗散功率时，导电膜便加热，从而降低护目镜表面与周围空气之间的温度差，从而实现除雾目的。

2. 除雾系统结构

护目镜除雾系统包含电源，透明导电膜，导线，开关四部分。

1. 1. 电源

电源采用可充电式的小型蓄电池，兼顾小型化便捷性与重复使用的环保性。其电压的选择，根据除雾要求进行调整。

1. 2. 透明导电膜（加热元件）

透明导电膜作为除雾系统的核心，粘贴到护目镜内表面或直接在护目镜内表面用磁控溅射，蒸镀或溶胶凝胶法制得，是整个除雾系统的热源，同时由于医护人员需要透过护目镜观察工作，所以其需要有较高的可见光透过率。在加热除雾过程中膜层表面会有十几到几十摄氏度的温升，所以对其热稳定性有所要求。

常见透明导电膜主要有金属膜，氧化物膜，其他化合物膜，高分子膜，复合膜等。金属膜与氧化物膜研究与应用最为广泛，其中金属膜导电性能好，但透明性较差，不适合做护目镜镜片膜层。氧化物膜作为加热元件具有无明火，热惯性小，面发热，热电转化率高，可承受小电压下的大电流等优点，已在多种加热器件中应用^[4]。

氧化物膜种类繁多，包括掺锡氧化铟膜（ITO）,氧化铝膜（AZO），掺氟氧化锡膜（FTO）等。其中ITO膜广泛应用于平面显示，电致变色，各种透明电极，微波屏蔽与防护，交通工具的风挡除雾等领域，是制备与使用最为成熟的透明导电膜^[5]。其具有载流子浓度高，可见光透过率高，膜层硬度高，耐磨耐化学腐蚀，热稳定性好的特点^[6]，故综合考虑，这里采用ITO透明导电膜作为护目镜除雾系统的热源。

3.可行性分析

透明导电膜作为电热元件用于汽车，飞机，精密仪器玻璃表面除霜除雾应用较为广泛^[7]，相较于传统涂抹除雾液，具有效率高，使用方便，安全无污染的优点。相较于其他空调系统加热，微米级电阻丝加热，具有热电转化率高，节能环保，发热除雾均匀的优点。根据需求不同，可设计功率不足1W至数百KW，从而适应各种加热环境和要求，是一种优良的发热元件。

而在护目镜除雾应用中，需要兼具轻便型与高除雾效率，通过小型电源提供一个较低电压，而在低阻值的导电膜上形成一个大电流，从而达到所需加热功率，实现除雾目的。

综上，随着新冠疫情的渐渐控制，普通人与医护人员生活渐渐回归正常，但医用护目镜的除雾要求仍在，生活中头盔，眼镜，泳镜，滑雪眼镜等同样有起雾的问题，通过透明导电膜电加热除雾有着广泛的应用前景，也希望此项技术可以更好地应用，改善医护工作者等的工作生活环境。

参考文献：

[1]刘成栋,邹平.防起雾口罩现状与技术研究[J].辽宁丝绸,2020(02):56+9.

[2]胡建美,赵洁.新型冠状病毒肺炎疫情防控期间医用护目镜防雾技巧[J].护理研究,2020,34(04):573.

[3]李刚,田小亮.空气源热泵系统结霜及除霜实验研究[J].科学技术创新,2020(12):7-9.

[4]刘杭生,邓秋农.透明导电膜(TCO)发热元件及其应用[J].电子与自动化,1996(01):42-43.

[5]成立顺,孙本双,钟景明,何力军,王东新,陈焕铭.ITO透明导电薄膜的研究进展[J].稀有金属快报,2008(03):10-16.

[6]廖亚琴,李愿杰,黄添懋.透明导电薄膜现状与发展趋势[J].东方电气评论,2014,28(01):13-18.

[7]常天海,江豪成,李育红,唐华.ITO透明导电玻璃的除霜试验研究[J].真空与低温,1999(02):100-102.

作者简介：陈佳乐（1999.10-），男，汉族，江苏徐州人，共青团员，本科，主要从事透明导电薄膜发热器件及应用研究；李滢潇（1999.8-），男，汉族，浙江嘉兴人，共青团员，本科，主要从事透明导电薄膜发热器件及应用研究；许航铭（1999.01-），男，汉族，浙江丽水人共青团员，本科，主要从事透明导电薄膜发热器件及应用研究。