在仔猪培育中，环境温度的控制是影响成活率的重要因素。初生仔猪的体温一般在 37.5～38 ℃，其体温调节机能暂不健全，易受寒冷的影响而出现体温过低现象[1]。李雪等[2]分析指出，将出生后6 h的仔猪放在5 ℃的环境下90 min，会导致直肠温度下降4 ℃。温度过低时，仔猪体内免疫球蛋白活性会降低，从而导致患病，特别是腹泻和低血糖症，严重时会导致仔猪死亡[3]。因此，断奶仔猪的温度控制对保障仔猪成活率、降低腹泻与应激反应和促进肠道健康及免疫系统发育至关重要。养猪场常见的冬季采暖热源形式主要有燃煤锅炉、燃油热风机、生物质燃料、普通电热丝、保温灯等[4-5]。燃油热风机运行成本高，使用中存在温差大的问题，一般养殖场都做应急备用。生物质燃料易受潮、不耐烧。常规电热丝保温板控温粗放、能耗高，且安全风险突出，电热丝裸露易被仔猪啃咬导致漏电。保温灯的热源来自上部，易出现上热下冷的问题[6]。总体来说，这些常规加温模式存在运行成本高、热效率低、温度不稳定、安全隐患突出及环境污染等问题，迫切需要研发节能、安全的热源和保温设备及材料。
1 材料与方法
1.1 试验材料
石墨烯加热板尺寸为0.96 m×1.1 m，电热丝保温板从市场购买，尺寸为0.59 m×1.2 m。石墨烯加热板设计使用5层结构，依次为片状模塑料（SMC）、环氧树脂片材、石墨烯加热膜、环氧树脂片材、SMC片材，通过热压成型工艺制成一体化结构（图1）。SMC由不饱和聚酯树脂、玻璃纤维、填料及添加剂组成，具有绝缘、高强度、耐高温、耐腐蚀等特性，环氧树脂片材由双酚A型环氧树脂、添加剂等组成，具有绝缘、耐高温等特性。实际热压成型工艺是通过加热（150 ℃）、加压（80 MPa）将两层环氧树脂片材与石墨烯加热膜压制成一体成型的加热板，这个过程中环氧树脂之间发生交联固化，形成稳定的三维网络结构。再通过加热（150 ℃）、加压（10 MPa）将两层SMC片材与发热板压制一体成型，过程中SMC树脂之间发生交联固化，形成稳定的三维网络结构。同时在线接头的位置采用了铁线圈套住电线，防止小猪咬坏，在加热板中部位置添加了机械式的限温感应器，防止小猪长时间躺在加热板上以致散热失效，局部温度过高，导致小猪烫伤，温度控制在0～85 °C，可应用于仔猪保温箱、母猪产床等场景。
1.2 试验设计
试验于2024年11月10日至2025年4月6日，在句容市某生猪养殖场内开展，连续通电测试5个月，测定石墨烯加热板和电热丝保温板的设备性能，包括升温、保温时间，衰减率及耗能。试验用仔猪猪舍面积为12.96 m2，共养殖仔猪12头，品种为杜洛克和梅山杂交二元仔猪。猪舍内采用智能控温温控器，温度控制在29～31 ℃，安装多功能电表，热敏电阻温度传感器，在温控仪上设定好目标温度，分别记录初始温度、电量、时间后通电，记录各自的电压、电流和瞬时功率。并分别于2024年11—12月和2025年3—4月选取1月龄公仔猪，进行2批应用效果测定，每批次试验45 d，探究不同加热板对仔猪生长的影响。
1.3 记录指标及方法
1.3.1 升温保温时间
在不同环境温度下（10、15、20 ℃）进行测试，测定加热板的升温、保温时间。初始升温时间是指加热开始时环境温度升到加热板设定温度所需时间；升温时间是指环境温度低于加热板的设定目标温度后，重新升温到目标温度所需时间；保温时间指加热板达到设定温度后，保持该温度恒定不变的持续时间。
1.3.2 衰减率和耗电量测定
在220 V电压下连续通电测试5个月，用功率计测定石墨烯加热板和电热丝的初始和运行5个月后的功率值，同步记录电表数据。为消除电压变化对功率测试结果的干扰，采用同一电压下的理论功率计算功率衰减率，如式（1 ）～（2 ）所示。
功率衰减率=（初始理论功率值－运行5个月的理论功率值）/初始理论功率值
理论功率=（2202×P1）/U2
式中，P1为实测功率，U为实测电压。
1.3.3 仔猪生长指标
在每批次实验开始时和45 d后记录仔猪重量，各选取同时出生的6只仔猪，石墨烯和电热丝保温板处理各3只。
1.4 数据处理
利用 Excel 软件对数据进行处理。
2 结果与分析
2.1 不同环境温度下升温保温时间差异
由表1可知，环境温度越低，石墨烯加热板初始升温时间越长，且长于电热丝保温板；保温时间因环境温度不同略有差异，石墨烯加热板和电热丝保温板的保温时间差异较小。电热丝保温板升温时间较短，但温度均匀性较差（31.3～32.8 ℃）。
表1 不同环境温度下石墨烯加热板和电热丝保温板的升温、保温时间 |
| 指标 | 10 ℃ | 15 ℃ | 20 ℃ | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 石墨烯加热板 | 电热丝保温板 | 石墨烯加热板 | 电热丝保温板 | 石墨烯加热板 | 电热丝保温板 | |
| 初始升温时间/min | 32 | 25 | 27 | 23 | 22 | 21 |
| 保温时间/min | 4 | 4 | 5 | 4 | 6 | 5 |
| 升温时间/min | 6 | 4 | 5 | 3 | 4 | 2 |
| 加热板表面温度/℃ | 31.8 | 32.6 | 32.0 | 32.8 | 31.9 | 31.3 |
2.2 功率衰减率测定
由表2可知，石墨烯加热板初始功率为229.4 W，运行5个月后功率为228.1 W；电热丝保温板初始功率为85.3 W，运行5个月后功率为84.2 W。通过计算得出石墨烯加热板和电热丝保温板功率衰减率分别为0.57%、1.29%；电热丝保温板功率衰减率较石墨烯加热板高0.72个百分点。
表2 石墨烯加热板和电热丝保温板实测功率 |
| 日期 | 石墨烯加热板 | 电热丝保温板 | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 实测电压/V | 实测功率/W | 理论功率/W | 实测电压/V | 实测功率/W | 理论功率/W | |
| 2024年11月 | 225.4 | 240.8 | 229.4 | 223.5 | 88.0 | 85.3 |
| 2024年12月 | 224.4 | 238.2 | 229.0 | 223.9 | 88.0 | 85.0 |
| 2025年1月 | 222.0 | 232.4 | 228.2 | 223.5 | 87.0 | 84.3 |
| 2025年2月 | 223.7 | 235.7 | 228.0 | 228.5 | 91.2 | 84.5 |
| 2025年3月 | 226.0 | 240.7 | 228.1 | 227.5 | 90.0 | 84.2 |
2.3 耗电量
由表3可知，石墨烯加热板单位面积耗电为4.14 kWh/d，电热丝保温板单位面积耗电为5.93 kWh/d。石墨烯加热板耗电量较加热丝保温板低30.19%。
表3 石墨烯加热板和电热丝保温板用电量对比表 |
| 用电量 | 石墨烯加热板 | 电热丝保温板 |
|---|---|---|
| 初始电表示数/kWh | 10 | 15 |
| 5个月后电表示数/kWh | 665 | 645 |
| 5个月总用电量/kWh | 655 | 630 |
| 加热板面积/m2 | 1.056 | 0.708 |
| 单位面积耗电/（kWh/d） | 4.14 | 5.93 |
2.4 仔猪生长重量
2024年11—12月试验期间的石墨烯加热板仔猪平均生长重量4.70 kg，加热丝保温板仔猪平均生长重量3.63 kg；2025年3—4月试验期间的石墨烯加热板仔猪平均生长重量5.70 kg，加热丝保温板仔猪平均生长重量4.07 kg（表4）。表明石墨烯加热板更有利于仔猪生长发育。
表4 石墨烯加热板和电热丝保温板对仔猪生长重量的影响 |
| 时间 | 测定指标 | 石墨烯加热板 | 电热丝保温板 |
|---|---|---|---|
| 2024-11-12 | 断奶时重量 | 5.07 ± 0.06 | 5.00 ± 0.10 |
| 断奶一个月后重量 | 9.77 ± 0.06 | 8.63 ± 0.15 | |
| 生长重量 | 4.70 ± 0.10 | 3.63 ± 0.12 | |
| 2025-03-04 | 断奶时重量 | 5.10 ± 0.10 | 5.00 ± 0.10 |
| 断奶一个月后重量 | 10.80 ± 0.30 | 9.07 ± 0.15 | |
| 生长重量 | 5.70 ± 0.20 | 4.07 ± 0.06 |
3 结论与讨论
连续运行5个月后，石墨烯加热板单位面积耗电为4.14 kWh/d，对比加热丝保温板节能在30%以上。石墨烯加热板结构坚固，可有效防止仔猪啃咬，发热均匀，使用寿命较长；而电热丝保温板则容易遭受仔猪啃咬，使用寿命较短，且发热不均，容易烫伤小猪。对比仔猪生长重量发现，用石墨烯加热板的仔猪在生长重量方面明显优于电热丝加热板，可能是由于石墨烯加热膜会向周围环境辐射出对仔猪有益的红外线，与仔猪机体细胞形成“分子共振”和“内热效应”，从而改善机体血液循环、增强新陈代谢、激活生物分子活性及提高免疫功能，利于仔猪生长[12]。目前市场上石墨烯加热膜质量参差不一，部分产品存在电热转化效率低、衰减率高、卷曲度不高、防水防腐蚀性能不强、使用寿命短等缺点[13]。朱晓明等[9]研究表明，石墨烯板/膜的节能性均略逊于电阻丝。本研究结果与其不一致，可能与使用的石墨烯加热膜产品质量有关。因此，未来可进一步分析石墨烯加热膜材料的性能参数对使用效果的影响，并深入研究加热膜安装应用技术与养殖设施环境调控技术的集成优化。
综上，研究比较分析了由片状模塑料（SMC）、环氧树脂片材、石墨烯加热膜、环氧树脂片材及SMC片材，经热压成型工艺制备而成的石墨烯加热板和电热丝保温板的设备性能，包括升温时间、保温时间、加热时间及衰减率等，并在仔猪养殖中进行应用，结果表明，研发的石墨烯加热板设备性能优异，不仅节能环保，而且发热均匀稳定，对仔猪生长也较为有利，其作为新型采暖保温产品具有良好的应用前景。