電熱防護(hù)手套研制及其在極端寒冷環(huán)境下的工效實(shí)驗(yàn)

王 璐， 韓 雪， 婁 琳， 何令華， 周小紅

(1. 浙江理工大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院(國際絲綢學(xué)院)， 浙江 杭州 310018； 2. 浙江理工大學(xué) 服裝學(xué)院， 浙江 杭州 310018； 3. 浙江微松冷鏈科技有限公司， 浙江 杭州 311100)

由于工作內(nèi)容的不同，有很多行業(yè)的工作者隨時(shí)都有可能暴露在寒冷的氣候中進(jìn)行作業(yè)[1]，如南極科學(xué)考察者，登山運(yùn)動(dòng)員，冬季寒冷環(huán)境中工作的電力線路維護(hù)人員等。他們要面對(duì)的并不是普通的寒冷環(huán)境，有的工作者需要在-40～-20 ℃的極端寒冷環(huán)境中工作，當(dāng)手指皮膚溫度降至15.0 ℃時(shí)，手指的靈巧度和靈敏度顯著降低，當(dāng)降至4.4 ℃時(shí)，幾乎所有手指的細(xì)微動(dòng)作都會(huì)喪失[2-3]。在過去的研究中表明，手指靈巧度更依賴于手部的血流量[4]，而冷暴露會(huì)減少手部的血流量，降低手的靈活性，同時(shí)會(huì)對(duì)手部造成傷害[5]，這對(duì)于在極端環(huán)境中工作的人來說，是一個(gè)很大的阻礙，因此防寒手套具有很重要的作用[6]。

在一般的寒冷環(huán)境下，佩戴熱絕緣材料的傳統(tǒng)保暖手套可達(dá)到手部保暖的目的，但是在極端寒冷環(huán)境下，需通過增加熱絕緣材料厚度以此增加靜止空氣層達(dá)到保暖效果，但這種手套往往比較厚重，影響手指的靈活性，對(duì)手部的活動(dòng)有較大的限制。隨著人們對(duì)智能紡織品的不斷探索，電加熱手套也逐漸進(jìn)入了大眾視線，這種手套利用一種主動(dòng)加熱技術(shù)，通過電源控制器為加熱元件提供電壓[7]，使得加熱材料加熱升溫，向手套傳遞熱量，從而對(duì)手部防寒保暖。學(xué)者們對(duì)電加熱手套的研制和加熱性能進(jìn)行了很多研究。Mccormack[8]在冷室環(huán)境中研究得出手套的主體材料、加熱元件、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等因素會(huì)影響其對(duì)手部的保暖效果。Kenneth[5]在南極洲麥克默多站的極端寒冷環(huán)境下對(duì)電加熱手套、化學(xué)加熱手套和傳統(tǒng)防護(hù)手套進(jìn)行保溫測(cè)試，結(jié)果表明電加熱手套在實(shí)驗(yàn)開始和結(jié)束時(shí)均為3種手套中溫度最高的手套。馬妮妮等[9]研制了溫控電熱手套，在環(huán)境溫度為2.5 ℃時(shí)，通過人體主觀實(shí)驗(yàn)探究到電熱手套加熱狀態(tài)時(shí)，手部溫度明顯提升。

本文優(yōu)選金屬纖維和碳納米管薄膜電加熱材料，研制了可控溫的電熱防護(hù)手套，采用熱成像實(shí)驗(yàn)對(duì)手套電熱升溫性能進(jìn)行直接觀測(cè)。并提出在-30 ℃極端寒冷環(huán)境下，以螺絲螺母裝配作業(yè)來測(cè)試電熱防護(hù)手套的工作效率，同時(shí)記錄在實(shí)驗(yàn)過程中左右手的主觀熱感受和疼痛感受。

1 電熱防護(hù)手套的研制

1.1 手套結(jié)構(gòu)與材質(zhì)

手套采用方便靈活的五指手套，適宜于各種作業(yè)需要?；境叽鐬椋菏终谱顚捥?2 cm，中指頂端到手掌底部長23 cm。

手背設(shè)計(jì)為三明治結(jié)構(gòu)，如圖1(a)所示。保暖里層A采用搖粒絨面料，防水防風(fēng)外層C采用PU涂層滌綸面料，電加熱中間層B有金屬纖維和碳納米管薄膜2種加熱片。手掌同手背里層A，采用保暖的搖粒絨面料，如圖1(b)所示。

A—搖粒絨面料層；B—電加熱片層；C—PU涂層滌綸面料。圖1 手套實(shí)物Fig.1 Gloves in kind. (a)Back of hand;(b)Palm

1.2 電加熱層

電加熱層[10]是手套的核心部件，由3個(gè)部分組成，分別是五指加熱片、電源連接口和溫度控制開關(guān)，如圖2所示。

圖2 加熱元件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of heating element. (a) Metal fiber electric heating sheet; (b) Carbon nanotube film electric heating sheet

1.2.1 金屬纖維電加熱層

金屬纖維電加熱層中的加熱片(東莞暖的電熱科技有限公司定制)由直徑為500 μm的金屬纖維以一定的環(huán)繞形式分布在五指和手背，并粘合在2層非織造布之間制成，加熱片厚度為0.550 mm，如圖2(a)所示。金屬纖維電加熱片功率為8 W，最大工作電壓為7.4 V。溫度控制開關(guān)運(yùn)用了穩(wěn)減電流的原理，以控制電流來實(shí)現(xiàn)溫度檔位，最高檔100%電流供電，中檔75%電流，最低檔50%電流。在室溫環(huán)境下，溫度控制最高檔的加熱溫度設(shè)計(jì)為50 ℃。

1.2.2 碳納米管薄膜電加熱層

碳納米管薄膜電加熱層中的加熱片(蘇州捷迪納米科技公司定制)是將厚度為6 μm的碳納米管薄膜按照手指的形狀切割成寬為0.5 mm的碳納米管薄膜條，分布在五指和手背部位。通過熱壓的方式，將碳納米管薄膜條兩面與滌綸織物相結(jié)合制成，加熱片厚度為0.340 mm，柔軟度很好，如圖2(b)所示。碳納米管薄膜電加熱片功率為7.5 W，最大工作電壓為7.4 V。溫度控制開關(guān)設(shè)置了4個(gè)檔位，在室溫環(huán)境下，溫度控制最高檔的加熱溫度設(shè)計(jì)為46 ℃。

1.3 手套電源

低溫型鋰電池(深圳中順新能電池有限公司定制)可在-40 ℃的低溫環(huán)境下工作或存放，連續(xù)放電可達(dá)4 h。該電池在行車記錄儀、共享單車、野外作業(yè)或者極地等嚴(yán)寒環(huán)境下均有使用記錄，一般工作電壓為3.7 V，本文中電熱防護(hù)手套專用電源設(shè)計(jì)額定電壓為7.4 V。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器與試樣

日本三豐Mitutoyo厚度測(cè)試儀；德國英福泰克VarioCAM?hr head固定式紅外熱像儀。

金屬纖維電熱防護(hù)手套，該樣品記為M；碳納米薄膜電熱防護(hù)手套，該樣品記為C。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 電熱防護(hù)手套升溫特征實(shí)驗(yàn)

采用紅外熱像儀對(duì)所制金屬纖維電熱防護(hù)手套和碳納米管薄膜電熱防護(hù)手套進(jìn)行熱成像分析。實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度由紅外熱像儀測(cè)得28 ℃。

開啟紅外熱像儀，電熱防護(hù)手套或者佩戴電熱防護(hù)手套的操作者右手的手背部面向紅外熱像儀鏡頭置于實(shí)驗(yàn)臺(tái)的復(fù)合板材上，調(diào)整試樣完整出現(xiàn)在屏幕拍照區(qū)域的中心位置，設(shè)置紅外熱像儀拍攝軟件的參數(shù)，拍攝時(shí)間設(shè)置為90 s，每隔3 s拍攝1次熱成像照片；點(diǎn)擊紅外熱像儀的開始拍攝按鈕時(shí)，按下電加熱片的加熱開關(guān)至最高加熱檔位，實(shí)驗(yàn)加熱開始；實(shí)驗(yàn)結(jié)束保存拍攝的熱成像圖片。同一試樣進(jìn)行2次加熱實(shí)驗(yàn)時(shí)，間隔至少5 min，確保試樣電加熱后充分散熱，溫度恢復(fù)到初始溫度。

2.2.2 電熱防護(hù)手套低溫環(huán)境下的工效實(shí)驗(yàn)

氣候室長5 m，寬3 m，高2 m，設(shè)置為-30 ℃的低溫環(huán)境。氣候室放置裝有1排10對(duì)螺桿和螺母的2塊木板裝置，螺桿直徑為12 mm，長30 mm，固定于木板上，螺桿之間間隔為10 cm，如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)Fig.3 Experimental platform structure

人體主觀工效實(shí)驗(yàn)參照GB/T 16251—2008《工作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的人類工效學(xué)原則》，由1名操作者在極端低溫環(huán)境下完成螺母裝配作業(yè)。該操作者為1名青年女性，頭部戴防寒雷鋒帽，上身穿2件保暖內(nèi)衣加1件羽絨服，下身穿1件厚打底褲再外穿1條棉褲，腳部穿加絨襪和雪地靴，左手戴單層搖粒絨保暖手套，右手戴電熱防護(hù)手套，如圖4所示。2款電熱防護(hù)手套分別在加熱和不加熱狀態(tài)進(jìn)行4組實(shí)驗(yàn)，分別標(biāo)記為金屬纖維電熱防護(hù)手套不加熱(M0)、金屬纖維電熱防護(hù)手套加熱(M1)、碳納米管薄膜電熱防護(hù)手套不加熱(C0)、碳納米管薄膜電熱防護(hù)手套加熱(C1)。

圖4 操作者著裝示意圖Fig.4 Schematic diagram of subject′s dress

操作者在-30 ℃低溫環(huán)境下進(jìn)行螺母裝配作業(yè)，步驟如下：

1)入倉：操作者穿好實(shí)驗(yàn)服裝，進(jìn)入-30 ℃低溫環(huán)境氣候室；

2)靜坐：操作者入倉后即實(shí)驗(yàn)開始，靜坐5 min；

3)螺母裝配：從第6 min開始，操作者進(jìn)行第1次螺母裝配測(cè)試。要求將螺母從螺桿底部擰出螺桿，再將其擰回底部原來位置，記錄5 min內(nèi)裝配螺母的個(gè)數(shù)；

4)踏步運(yùn)動(dòng)：第1次螺母裝配結(jié)束后，從第11 min起，操作者在氣候室進(jìn)行2腳一前一后的踏步運(yùn)動(dòng)，到第15 min末結(jié)束；

5)螺母裝配：踏步運(yùn)動(dòng)結(jié)束后，從第16 min起開始進(jìn)行第2次螺母裝配實(shí)驗(yàn)。同樣要求將螺母從螺桿底部擰出螺桿，再擰回底部，記錄5 min內(nèi)裝配螺母的個(gè)數(shù)；

6)出倉：操作者離開氣候室，實(shí)驗(yàn)完成。

操作者在氣候室共停留20 min，在各時(shí)間段記錄左右手的主觀寒冷感受，包括熱感受和疼痛感受。熱感受分為9個(gè)等級(jí)(4非常非常熱，3很熱，2熱，1稍微溫暖，0既不熱也不冷，-1有些冷，-2冷，-3很冷，-4非常非常冷);主觀疼痛感受分為5個(gè)等級(jí)(0無痛， 1輕微疼痛， 2疼痛， 3非常疼痛，4非常非常疼痛)。

3 結(jié)果與分析

3.1 電熱防護(hù)手套熱成像

在進(jìn)行操作者佩戴手套拍攝熱成像圖之前先拍操作者右手背的熱成像圖，如圖5所示。該名操作者手部大致溫度在34 ℃左右。

圖5 人手熱成像圖Fig.5 Thermal imaging of human hand

圖6、7分別示出電熱防護(hù)手套、操作者佩戴電熱防護(hù)手套在最高檔加熱時(shí)的熱成像圖。

圖6 電熱防護(hù)手套熱成像圖Fig.6 Thermal imaging of electric-heating protective gloves. (a) Metal fiber thread electric-heating protective gloves;

圖7 操作者佩戴電熱防護(hù)手套在最高檔加熱時(shí)的熱成像圖Fig.7 Thermal imaging of electric-heating protective gloves with hand at the highest heat. (a) Metal fiber electric-heating protective gloves with hand; (b) Carbon nanotube film electric-heating protective gloves with hand

從圖6可看出：2種電熱防護(hù)手套的加熱性能良好，升溫速度較快，在60 s時(shí)基本達(dá)到最高溫度；金屬纖維電熱防護(hù)手套大面積最高溫度可達(dá)到50 ℃，碳納米管薄膜電熱防護(hù)手套可達(dá)到的溫度相對(duì)較低一點(diǎn)，大面積最高溫度達(dá)到46 ℃，局部位置溫度可達(dá)50 ℃。

從圖7可看出：2種電熱防護(hù)手套在操作者右手佩戴時(shí)加熱性能良好，升溫速度較快，在60 s時(shí)基本達(dá)到最高溫度；但這種狀態(tài)下可達(dá)到的最高溫度較電熱防護(hù)手套置于實(shí)驗(yàn)臺(tái)的復(fù)合板材上低。佩戴在操作者手上后，金屬纖維電熱防護(hù)手套最高溫度大面積為48 ℃，少部分位置是50 ℃，碳納米管薄膜電熱防護(hù)手套最高溫度大面積為46 ℃，局部位置可達(dá)50 ℃。

3.2 電熱防護(hù)手套的工效與熱舒適性評(píng)價(jià)

操作者的螺母裝配記錄見表1。左右手的主觀寒冷感受見表2。

表1 擰螺絲記錄Tab.1 Screwing record

在低溫環(huán)境中，人體抵御寒冷的能力可通過作業(yè)工效表現(xiàn)出來。人體可通過代償性生理調(diào)節(jié)功能來抵御寒冷，但人體的抗寒代償能力是有限的，操作者在低溫氣候室停留了20 min，雙手的主觀寒冷感受從溫暖到寒冷，并出現(xiàn)寒冷導(dǎo)致的疼痛。人體也可通過運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)生理調(diào)節(jié)功能來抵御寒冷，此外，電加熱手套是一種外部主動(dòng)供給身體局部能量的方法。

表2 左右手的主觀寒冷感受記錄Tab.2 Records of subjective cold feelings of left and right hands

實(shí)驗(yàn)綜合外部主動(dòng)供給右手能量的電熱防護(hù)手套和運(yùn)動(dòng)增加生理調(diào)節(jié)功能的抵御寒冷方法，結(jié)果顯示。

1)3個(gè)實(shí)驗(yàn)組M0、M1、C0在第2次裝配螺母的數(shù)目較第1次裝配螺母的數(shù)目均增加，即2次裝配螺母之間的踏步運(yùn)動(dòng)，能使裝配螺母作業(yè)的工效提高。上述3個(gè)實(shí)驗(yàn)組右手熱感受和疼痛感受在11～15 min和16～20 min基本不變，甚至碳納米管薄膜電熱防護(hù)手套不加熱實(shí)驗(yàn)組C0熱感受在16～20 min有改善，從-3的很冷感受，改善到-2的冷感受。

2)金屬纖維電熱防護(hù)手套加熱實(shí)驗(yàn)組M1，2次裝配螺母數(shù)目較不加熱實(shí)驗(yàn)組M0裝配螺母數(shù)目均有增加;碳納米管薄膜電熱防護(hù)手套加熱實(shí)驗(yàn)組C1，第1次裝配螺母數(shù)目較不加熱實(shí)驗(yàn)組C0裝配螺母數(shù)目有增加，即工效提高。在實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，實(shí)驗(yàn)組M1根據(jù)熱感受和疼痛感受顯示，比實(shí)驗(yàn)組M0更能抵御寒冷。在實(shí)驗(yàn)的前10 min時(shí)間內(nèi)，實(shí)驗(yàn)組C1比實(shí)驗(yàn)組C0更能抵御寒冷

3)碳納米管薄膜電熱防護(hù)手套加熱實(shí)驗(yàn)組C1第2次裝配螺母數(shù)目與第1次裝配螺母數(shù)目基本一致，第2次裝配螺母數(shù)目與不加熱組C0裝配螺母數(shù)目相同。觀測(cè)在實(shí)驗(yàn)的后10 min時(shí)間內(nèi)的熱感受和疼痛感受，實(shí)驗(yàn)組C1與實(shí)驗(yàn)組C0在16～20 min，熱感受均為-2的冷感受，疼痛感受均為2的疼痛，指標(biāo)是相同的。

4 結(jié) 論

研制了2種電熱防護(hù)手套，并在-30 ℃極端寒冷環(huán)境下進(jìn)行工效實(shí)驗(yàn)，得到如下結(jié)論。

1)金屬纖維電熱防護(hù)手套和碳納米管薄膜電熱防護(hù)手套均具有良好的加熱性能，升溫速度快。

2)螺母裝配作業(yè)，在-30 ℃極端寒冷環(huán)境下測(cè)試電熱防護(hù)手套的工作效率，綜合操作者的熱感受和疼痛感受，能客觀比較電熱防護(hù)手套抵御寒冷的作用。

3)在20 min的測(cè)試時(shí)間內(nèi)，金屬纖維電熱防護(hù)手套擰螺絲作業(yè)的工效增加，抵御寒冷的作用是顯著的，碳納米管薄膜電熱防護(hù)手套在前10 min抵御寒冷的作用是顯著的，后10 min的作用則減弱了。

4)在極端寒冷環(huán)境下的踏步運(yùn)動(dòng)，能使螺母裝配作業(yè)的工效提高。