一種適用于載人航天飛行的針織手套設(shè)計(jì)及性能分析

李 猛， 尚 坤， 陳樹(shù)剛， 劉秀斌， 王奕霏， 吳 璠

（1.中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心， 北京 100094； 2.人因工程全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100094；3.深圳市微納先材科技有限公司， 深圳 518035）

1 引言

航天員實(shí)施載人航天飛行任務(wù)期間，根據(jù)任務(wù)需求穿著艙內(nèi)航天服或艙外航天服。 這兩類服裝均通過(guò)結(jié)構(gòu)氣密形式實(shí)現(xiàn)服裝與環(huán)境的隔離，因此需要通過(guò)通風(fēng)或液冷保持服內(nèi)的溫濕度控制。 手部作為肢體的最末端，需要實(shí)施精巧靈活的操作，同時(shí)人體手部的尺寸較小，無(wú)法在航天服手套內(nèi)布局通風(fēng)或液冷功能。 航天服上肢體的通風(fēng)回路最遠(yuǎn)端延伸至手腕部位，通過(guò)腕部送風(fēng)口或回風(fēng)口結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)流場(chǎng)的傳遞，無(wú)法高效、均衡地實(shí)現(xiàn)手部的溫濕度控制［1?2］。 采用佩戴舒適手套的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)手部的溫濕度平衡與保護(hù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)人手與航天服手套的隔離，其作用主要有4 個(gè)方面：一是吸收手部皮膚出汗，保持手部的觸感與舒適性；二是增加熱阻，降低出艙活動(dòng)過(guò)程中溫度變化梯度對(duì)手部的直接影響；三是隔離手部與航天服手套的直接接觸，保護(hù)航天服手套內(nèi)部氣密結(jié)構(gòu)，避免因劃傷氣密層導(dǎo)致航天服氣密性的損失；四是方便穿脫，降低手部干濕狀態(tài)下脫戴航天服手套的難度。

舒適手套通常采用針織結(jié)構(gòu)，具有良好的彈性形變能力，佩戴后能夠均勻服帖地覆蓋在人手皮膚表面。 針織結(jié)構(gòu)的組織厚度適中、彈性充分，為舒適手套提供了良好的舒適性、耐磨性、韌性及防滑性。 舒適手套作為保護(hù)航天服手套內(nèi)表面，并提供人手部位溫濕度緩沖的有效保障，在載人航天飛行任務(wù)中具有不可或缺的作用。

本文分別采用純棉天然纖維與聚酰亞胺短纖維作為原料試制針織手套，在力學(xué)性能、吸濕性、透氣性、熱傳導(dǎo)性等方面比對(duì)分析兩者的性能與適用能力，同時(shí)針對(duì)聚酰亞胺在衛(wèi)生學(xué)、遠(yuǎn)紅外等原生特性方面開(kāi)展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2 針織手套功能與設(shè)計(jì)

2.1 材料設(shè)計(jì)

根據(jù)舒適手套的功能，通常可采用棉纖維材料制成。 作為天然纖維，棉纖維的材料易得性、心理適應(yīng)性、感官接受度較強(qiáng)，能夠?yàn)槭孢m手套帶來(lái)適度的彈性、耐磨性與吸濕性，保持航天服手套內(nèi)的干爽與溫暖。

聚酰亞胺是主鏈上含有酰亞胺環(huán)的一類高分子聚合物，因其芳香結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，作為高性能合成纖維，具有優(yōu)異的熱氧穩(wěn)定性、高強(qiáng)高模特性及化學(xué)穩(wěn)定性。 聚酰亞胺短纖維不含鹵素，屬于綠色環(huán)保纖維［3］，國(guó)產(chǎn)聚酰亞胺纖維從制造到使用全程對(duì)環(huán)境友好，能夠通過(guò)Oeko?Tex?Stand?ard100 嬰兒級(jí)生態(tài)信心紡織品認(rèn)證［4］，可作為棉纖維的升級(jí)替代材料，在功能與性能方面實(shí)現(xiàn)較大幅度的躍升。

根據(jù)針織手套的結(jié)構(gòu)尺寸與應(yīng)用特點(diǎn)，選取的纖維材料基本性能見(jiàn)表1 所示。

表1 纖維原料基本性能Table 1 Basic properties of fibers

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用全成形電腦橫機(jī)，能夠快速高質(zhì)量地制造針織手套［5］。 電腦橫機(jī)中配置的制版軟件與工藝參數(shù)可以高效穩(wěn)定地開(kāi)展針織手套的生產(chǎn)，其手套設(shè)計(jì)的流程如圖1 所示。

為保證針織手套輕薄，選擇普通型拇指的五指手套，手套口通過(guò)羅紋組織加彈力紗編織，以提高手套穿脫口的彈性，增加穿戴后的穩(wěn)定性。 獲得的針織手套產(chǎn)品如圖2 所示。

3 針織手套實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

3.1 力學(xué)性能測(cè)試與分析

參照GB／T19976－2005《紡織品 頂破強(qiáng)力的測(cè)定鋼球法》，選用38 mm 鋼球進(jìn)行測(cè)試，棉纖維針織材料的平均頂破強(qiáng)力為553 N，聚酰亞胺纖維針織材料的平均頂破強(qiáng)力為1098 N。 當(dāng)2 種手套使用的紗線規(guī)格相同，捻度、密度、結(jié)構(gòu)、厚度、克重相同時(shí)，影響強(qiáng)度的最主要的因素為纖維本身的特性及纖維長(zhǎng)度與細(xì)度等因素。 如表1 所示，聚酰亞胺纖維比棉纖維強(qiáng)度高35%，纖維長(zhǎng)度長(zhǎng)45%，細(xì)度只有棉纖維的53%。 同時(shí)，由于聚酰亞胺纖維為化學(xué)合成纖維，長(zhǎng)度與細(xì)度均勻、摩擦抱和力強(qiáng)，成紗條干更均勻，強(qiáng)度更高。 因此宏觀表現(xiàn)為材料的頂破強(qiáng)力較大。

參照GB／T21196.2－2007《紡織品 馬丁代爾法織物耐磨性的測(cè)定》，利用YG401E 型織物平磨儀（馬丁代爾儀）對(duì)樣品進(jìn)行耐磨測(cè)試。 磨料選用羊毛磨料織物，摩擦負(fù)荷不小于12 kPa，摩擦軌跡為L(zhǎng)issajous 曲線。 測(cè)試前后的針織材料表觀狀態(tài)如圖3 所示。

圖3 耐磨性測(cè)試結(jié)果Fig.3 Results of the abrasion resistance on fabrics

其中，棉針織材料在經(jīng)歷3 萬(wàn)次摩擦后，達(dá)到試樣破損的判定條件，如圖3（b）所示，棉纖維出現(xiàn)斷紗，產(chǎn)生針織結(jié)構(gòu)漏孔；聚酰亞胺針織材料在經(jīng)歷6 萬(wàn)次摩擦后，雖表面出現(xiàn)明顯的纖維磨損痕跡，如圖3（d）所示，但仍未達(dá)到試樣破損的判定，實(shí)驗(yàn)中止。

對(duì)材料本身而言，聚酰亞胺的耐磨性能與其化學(xué)結(jié)構(gòu)和高分子特性密切相關(guān)。 聚酰亞胺為酰亞胺基團(tuán)聚合物，這些酰亞胺基團(tuán)使得聚酰亞胺纖維具有高強(qiáng)度和高硬度，且纖維表面光滑，減少了摩擦磨損，使其具有良好的耐磨性能。

同時(shí)在針織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，針織物線圈長(zhǎng)度越大，單位面積內(nèi)線圈越少，即橫密、縱密越小，織物越不耐磨［7］。 對(duì)比圖3（a）與圖3（c），棉纖維材料的蓬松性導(dǎo)致在獲得相同針織手套重量與厚度的前提下，單位面積內(nèi)的棉針織材料線圈數(shù)量少于聚酰亞胺針織材料，因此由于纖維材料物理結(jié)構(gòu)特性的差異，會(huì)導(dǎo)致聚酰亞胺針織手套的耐磨性優(yōu)于棉針織手套。

對(duì)比圖3（b）與圖3（d），由于棉纖維的平均長(zhǎng)度較短，在磨損過(guò)程中，脫落的纖維可以離開(kāi)針織材料表面，因此耐磨測(cè)試后的棉針織材料表面不易保留組織結(jié)構(gòu)之外的纖維材料；相反，聚酰亞胺纖維的平均長(zhǎng)度較長(zhǎng)，結(jié)合其較大的斷裂伸長(zhǎng)率，導(dǎo)致耐磨測(cè)試后的聚酰亞胺針織材料表面團(tuán)聚了大量的磨損纖維。 這種特性有利于針織手套在實(shí)際使用過(guò)程中控制脫出物脫落，磨損后產(chǎn)生的多余物較少。

頂破與耐磨測(cè)試結(jié)果表明，作為高模高強(qiáng)材料，聚酰亞胺針織手套的耐磨性遠(yuǎn)優(yōu)于棉針織手套，且在耐磨過(guò)程中脫出物較少，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高。對(duì)比棉針織手套的一次性使用，聚酰亞胺針織手套的力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)，使其具有多次重復(fù)使用的可行性。

3.2 吸濕性測(cè)試與分析

模擬舒適手套穿戴在人手表面，在空間相對(duì)狹小密閉的環(huán)境中，采用加濕設(shè)備營(yíng)造室溫條件的濕態(tài)環(huán)境，由干態(tài)至濕態(tài)的回潮率變化曲線如圖4（a）所示。 將舒適手套通過(guò)水蒸氣完全飽和后，通過(guò)模擬通風(fēng)干燥環(huán)境，由濕態(tài)至干態(tài)的回潮率變化曲線如圖4（b）所示。

圖4 吸濕特性曲線Fig.4 Hygroscopicity curves of different knitted fab?rics

從干態(tài)至濕態(tài)的變化過(guò)程中，同等時(shí)間與環(huán)境條件下，單位重量的棉針織手套吸水率是聚酰亞胺針織手套的1.6 倍。 濕態(tài)飽和狀態(tài)下，棉針織手套的吸水率可達(dá)180%，是聚酰亞胺針織手套的2.2 倍。 綜合干態(tài)至濕態(tài)及濕態(tài)至干態(tài)的回潮率變化過(guò)程，聚酰亞胺針織手套受環(huán)境濕度變化的影響更小，更有利于保持相對(duì)穩(wěn)定的使用狀態(tài)。

3.3 透氣性測(cè)試與分析

透氣性反映了舒適手套在人體出汗過(guò)程中，對(duì)由汗液形成的濕熱蒸氣的釋放能力。 出汗作為人體潛熱釋放的重要手段，通過(guò)汗液蒸發(fā)的形式以人體水分為介質(zhì)，有效帶走人體多余熱量［8］。舒適手套的高透氣性能夠使皮膚表面的濕熱氣體穿透舒適手套，并保持手部皮膚的干燥，有利于維持人手活動(dòng)的靈活性與觸感。

參照GB／T5453－1997《紡織品 織物透氣性的測(cè)定》，利用TEXTEST FX3300－Ⅳ全自動(dòng)透氣儀進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試壓力選擇100 Pa，對(duì)棉針織手套與聚酰亞胺針織手套的結(jié)構(gòu)本體部分與羅紋織口部分分別進(jìn)行透氣率測(cè)試，結(jié)果如表2 所示。 聚酰亞胺針織手套與棉針織手套在掌指部位針織結(jié)構(gòu)與腕部羅紋彈力結(jié)構(gòu)上均能保持相同水平的透氣率。

表2 透氣率測(cè)試結(jié)果Table 2 Results of the fabric permeability to air

3.4 熱傳導(dǎo)性測(cè)試與分析

聚酰亞胺具有低導(dǎo)熱率特性，其導(dǎo)熱率低于羊絨、羽絨、純棉、腈綸、錦綸等常用纖維織物［9］。參考GB／T10294－2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測(cè)定防護(hù)熱板法》，采用雙試樣防護(hù)熱板法，進(jìn)行常壓環(huán)境導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試，其基于一維、穩(wěn)態(tài)傳熱狀態(tài)下的傅里葉導(dǎo)熱定律，能夠獲得試樣中心計(jì)量區(qū)域大小范圍內(nèi)的等效熱導(dǎo)率或等效熱阻，原理如圖5 所示。

圖5 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試設(shè)備原理圖Fig.5 Schematic diagram of thermal con?ductivity measuring device

在雙試件裝置中，由2 個(gè)試樣夾與1 個(gè)測(cè)量熱板，熱流由測(cè)量熱板分別經(jīng)兩側(cè)試件傳給兩側(cè)冷卻單元，測(cè)量熱板總熱流Φ如式（1）所示。

式中，Φg為流經(jīng)上測(cè)試件熱流，Φr為流經(jīng)下測(cè)試件熱流，熱流按照傅里葉導(dǎo)熱定律計(jì)算，如式（2）、式（3）所示。

式中，λg、λr分別為上下樣件導(dǎo)熱系數(shù)，hg、hr分別為上下樣件厚度，T0、Tg、Tr分別為測(cè)量熱板、上冷板、下冷板溫度，A為測(cè)量熱板面積。 測(cè)試過(guò)程的動(dòng)態(tài)平衡曲線如圖6 所示。

圖6 熱傳導(dǎo)率測(cè)試平衡曲線Fig.6 Curves of thermal conductivity measure

從熱傳導(dǎo)率測(cè)試曲線可見(jiàn)，聚酰亞胺的波動(dòng)慢且更平緩，能夠更好地緩沖測(cè)試實(shí)驗(yàn)過(guò)程中環(huán)境溫度的波動(dòng)，通過(guò)平衡態(tài)加熱功率計(jì)算，棉纖維舒適手套的導(dǎo)熱系數(shù)為0.132 W／（m·K），聚酰亞胺纖維針織手套的導(dǎo)熱系數(shù)為0.121 W／（m·K）。 綜合聚酰亞胺針織材料較低的導(dǎo)熱系數(shù)與低回潮率特性，相對(duì)于棉針織材料，其在濕態(tài)條件下可提供更有效的保溫能力。

3.5 材料原生特性測(cè)試與分析

聚酰亞胺纖維在環(huán)境安全性、人體衛(wèi)生學(xué)、遠(yuǎn)紅外特性等方面具有原生性能力，是棉纖維所不具備的，對(duì)其開(kāi)展進(jìn)一步的測(cè)試分析，獲得其原生特性與應(yīng)用價(jià)值。

3.5.1 環(huán)境安全性測(cè)試與分析

工作狀態(tài)的航天服內(nèi)通常為高氧環(huán)境，聚酰亞胺具備的熱穩(wěn)定性與阻燃特性有利于維持航天服內(nèi)的環(huán)境安全性，相關(guān)測(cè)試如表3 所示。

表3 面料熱物性測(cè)試Table 3 Thermal physical properties of fabrics

聚酰亞胺具有極低的熱膨脹系數(shù)，在熱分解過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱收縮或破裂，能夠在極端異常高溫下保持物理結(jié)構(gòu)上的熱阻隔，防止人體灼傷。

3.5.2 人體衛(wèi)生學(xué)測(cè)試與分析

聚酰亞胺纖維具有原生性的抗菌抑菌功能，測(cè)試結(jié)果如表4 所示。 其中，參照GB／T20944.3－2008《紡織品 抗菌性能的評(píng)價(jià) 第3 部分：振蕩法》，以聚酰亞胺材料浸泡試驗(yàn)菌液，振蕩1 h 后與空白對(duì)照組的活菌數(shù)進(jìn)行對(duì)比，其大腸桿菌、金黃葡萄球菌、 白色念珠菌的抑菌率均大于99.99%；參照GB4789.15－2016《食品衛(wèi)生微生物學(xué)檢 驗(yàn) 霉 菌 和 酵 母 計(jì) 數(shù)》， 在28 ℃、 濕 度90% RH 的條件下，在材料表面進(jìn)行14 天的黑曲霉菌培養(yǎng)，能夠達(dá)到不生長(zhǎng)的等級(jí)；參照GB／T24253－2009《紡織品 防螨性能的評(píng)價(jià)》，在對(duì)照組平皿中螨數(shù)時(shí)為103 只的條件下，螨蟲(chóng)趨避率為71.84%，可確定其具有防螨效果。

表4 面料衛(wèi)生學(xué)性能測(cè)試Table 4 Hygienic properties of fabrics

3.5.3 遠(yuǎn)紅外性能測(cè)試與分析

遠(yuǎn)紅外線具有較強(qiáng)的滲透力與輻射力，能夠產(chǎn)生顯著的溫控效應(yīng)與共振效應(yīng)［10］，被人體吸收后可以轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。 遠(yuǎn)紅外線透過(guò)人體表皮，可使體內(nèi)的水分子產(chǎn)生共振，使水分子活化，增強(qiáng)分子間的結(jié)合力，使細(xì)胞產(chǎn)生共振效應(yīng)，進(jìn)一步將遠(yuǎn)紅外熱能傳遞到人體皮下較深的部分，使皮下深層溫度上升，產(chǎn)生的溫?zé)嵊蓛?nèi)向外散發(fā)。 這種作用能夠使毛細(xì)血管擴(kuò)展，促進(jìn)血液循環(huán)。

通過(guò)面料熱物性測(cè)試，如表5 所示，聚酰亞胺針織材料具有較強(qiáng)的遠(yuǎn)紅外功能，在4～16 μm 的遠(yuǎn)紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)，其材料發(fā)射率與吸收率均為88%，在此波長(zhǎng)范圍內(nèi)，材料的吸收率與發(fā)射率相互平衡，能夠在此波長(zhǎng)范圍內(nèi)，形成屏蔽效應(yīng)，使其遠(yuǎn)紅外功能得到充分利用。

表5 面料遠(yuǎn)紅外特性測(cè)試Table 5 Far infrared radiation properties of fabrics

4 結(jié)論

1）采用純棉天然纖維的針織手套，具有均衡的性能與較低的原料成本，適用于配套航天服單次穿著條件下的一次性應(yīng)用；聚酰亞胺針織手套的力學(xué)性能與熱穩(wěn)定性更優(yōu)，具有更長(zhǎng)的使用壽命與穩(wěn)定性，使用過(guò)程中脫出物更少，對(duì)載人航天飛行應(yīng)用的環(huán)境更加友好。

2）聚酰亞胺纖維原生性的遠(yuǎn)紅外特性能夠?yàn)獒樋検痔自谥w末端濕冷環(huán)境下提供更好的溫?zé)嵝?，減緩由低溫導(dǎo)致的手部感知覺(jué)與活動(dòng)性降低，進(jìn)一步起到促進(jìn)手部工效與操作能力保持的重要作用。

3）基于聚酰亞胺纖維的低吸濕與低導(dǎo)熱特性，在相對(duì)密閉環(huán)境中使用時(shí)，人手出汗與環(huán)境溫度變化下的干濕態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，針織手套的隔熱性能損失較?。痪埘啺返目咕志芰?，能夠保持針織手套對(duì)人的衛(wèi)生學(xué)滿足性，可進(jìn)一步考慮針織手套在飛行任務(wù)中的重復(fù)使用性。