溫控電熱防護手套研制與性能評價

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(1.蘇州大學紡織與服裝工程學院，江蘇蘇州　215123；2.蘇州大學現(xiàn)代絲綢國家工程實驗室，江蘇蘇州　215123)

戶外工作人員在嚴寒環(huán)境中作業(yè)時，尤其是極地高峰或太空深海等極端環(huán)境，極易引起手部凍傷、凍僵。當手指皮膚溫度低于15.6 ℃時[1]，手部靈敏度將大幅度降低，阻礙工人作業(yè)精度和效率，嚴重增加事故發(fā)生率；低于4.4 ℃時[2]，手指精細作業(yè)能力幾乎全部喪失。因此，佩戴防寒手套對于保證工人健康和安全尤為重要。傳統(tǒng)多層增厚手套雖能抵御嚴寒，但是不利于手工操作。相比之下，電加熱手套不僅具有優(yōu)越的防寒保暖性能，有效減少手部向周圍環(huán)境中的熱量損失，同時較為輕薄，對手指靈活性影響較小，可滿足人們手部對于工效性、防寒保暖性的要求。即使是在-32 ℃的寒冷環(huán)境中，電加熱產品可有效保持手部皮膚溫度[3]。

目前市場上電熱手套的加熱方式分為持續(xù)加熱和控溫加熱。持續(xù)加熱手套結構簡單，控溫電路設計不完善，普遍出現(xiàn)加熱不均勻的現(xiàn)象，易引起手部局部溫度過高產生不適，且一般無過熱保護裝置，存在極大安全隱患[1]。對于市場上已有的可調溫和控溫的加熱手套，加熱檔位固定且可選范圍小，既不能實現(xiàn)智能加熱，也無法調節(jié)加熱區(qū)間，滿足個人對溫度舒適度的要求。另一方面，一些電熱手套的加熱材料選用的金屬材料易折斷[4-5]，且難以貼合手部曲線；電熱膜或涂層材料不透氣，容易引起手部出汗、悶熱，以致水分凝結降低手套保暖效果[6]；此外，導電布的高電阻以及加熱片的偏移，都會影響加熱效率或加熱面積。

針對以上問題，本研究研制一款較為輕便、可持續(xù)保暖的溫控電熱防護手套，可根據人體以及外界溫度變化自行啟動和停止加熱功能，調節(jié)手部熱量平衡，提高手套的使用時間[7]。通過真人實驗，基于手部實時皮膚溫度變化以及真人主觀手部熱感覺評價，評價其防寒效果和舒適性能。

1　溫控電熱手套研發(fā)

1.1　手套設計

1.溫控裝置；2.調溫按鈕；3.手套； 4.觸頭；5.導線；6.接口；7.加熱片圖1　智能電加熱手套構成

為使手套更貼合人體手部，增強保暖效果，整體采用立體設計，便于手指彎曲，增加動作靈活性。如圖1所示，溫控電熱防護手套包括手套本體、加熱元件和智能調溫裝置。手套本體共四層，包括手套外層、防水透氣層、隔熱層和內里。外層面料采用防風織物，防水透氣層采用PTFE膜層壓材料，材料表面分布均勻的凸點。手套隔熱層采用抓絨面料，內里采用錦綸里料。

1.2　加熱元件

加熱元件由五指型加熱片和連接頭組成，由于手背溫度低于內部，因此加熱片位于手套背部隔熱層和手套內里之間[8]，如圖1(b)所示。考慮到小拇指易寒冷情況，增加小拇指加熱面積。加熱元件采用“三明治”結構的復合材料，硅膠外皮碳纖維束導電材料被夾在PET薄膜之間。發(fā)熱片溫度范圍為35～45 ℃，以保證加熱中手部的安全性和熱舒適性。

1.3　智能溫控裝置

將長、寬為2 cm的微型智能溫控裝置安置在手套背部；感溫觸頭固定在內部虎口位置，以檢測的手套內部微環(huán)境的溫度，調節(jié)加熱片的工作方式；調溫按鈕設定溫度(26～35 ℃)，手套內溫度低于下閾值加熱片開始加熱工作，超過上閾值加熱片停止工作，從而保持微環(huán)境溫度的相對穩(wěn)定，防止升溫過快過高，手部過熱出汗，從而解決加熱效率和手部舒適性問題，同時可滿足不同人群的舒適溫度要求。

智能電加熱手套電源可以由幾種方式提供：a)連接電動車電源，可直接用于騎行電瓶車時穿戴；b)連接小型便攜式可充電鋰電池，將導線通過袖子穿出，電池可放在服裝或背包等，用于登山，長時間外出等。

2　真人實驗

6名志愿者(男3名，女3名)自愿參加穿戴試驗，其特征如表1所示。要求受試者在實驗之前24 h內不可飲酒，不可做劇烈運動；2 h內不可進食，不可吸煙、喝茶或咖啡。

表1　受試者信息

試驗在人工氣候室進行，試驗中受試者保持著裝一致，均穿著同一套服裝，即純棉內衣和內褲、羽絨上衣、羽絨褲、防寒靴。受試者需穿戴手套在無風(0.17 m/s)和有風(0.5 m/s)兩種工況下分別進行兩次試驗(手套加熱和不加熱)，兩次試驗至少間隔一天，以排除受試者對冷環(huán)境適應性的影響。

圖2　手部皮膚溫度測量

試驗前，要求志愿者在室內環(huán)境(28 ℃)中貼好皮膚溫濕度傳感器，見圖2，靜坐15～30 min達到正常體溫并保持穩(wěn)定之后戴上手套，進入預先設定好溫濕度(2.5 ℃，60%)、風速(0.17 m/s或0.5 m/s)的人工氣候室，靜坐在桌前，雙手半握，放在桌上，風自左向右吹向人體。試驗時長60 min，每隔10 min詢問受試者手部主觀熱感覺。主觀熱感覺分為9個等級(-4非常冷、-3冷、-2涼、-1有點涼、0適中、1有點暖、2暖、3熱、4非常熱)。

3　結果與分析

3.1　各部位皮膚溫度變化

3.1.1大拇指溫度

不同條件下大拇指皮膚溫度變化曲線如圖3所示，在無風環(huán)境中，大拇指皮膚溫度在不加熱的條件下60 min內持續(xù)快速下降了17.1 ℃，最終溫度是14.4 ℃；加熱狀態(tài)下，大拇指皮膚溫度下降速度變緩，其間溫度略有上升，60 min內共下降了9.8 ℃，最終溫度為22.3 ℃。

當風速為0.5 m/s，不加熱狀態(tài)下的大拇指皮膚溫度先快速下降，之后緩慢下降，60 min內溫度共下降17.6 ℃，最終溫度為12.4 ℃；加熱狀態(tài)下，大拇指皮膚溫度先是快速下降后速度變緩，平穩(wěn)之后溫度緩慢上升，最后略有下降，試驗過程中溫度共下降12.4 ℃，最終溫度為18.4 ℃。統(tǒng)計分析表明，無風條件下的大拇指皮膚溫度在加熱和不加熱兩種情況下第45 min之后存在顯著性差異；有風條件下的大拇指皮膚溫度自試驗開始后的第10 min后存在顯著性差異。

顯著性差異水平P<0.05時，標記為“*”；顯著性差異水平P<0.01時，標記為“**”圖3　無風和有風環(huán)境下大拇指皮膚溫度變化曲線

3.1.2食指溫度

圖4描述了無風、有風環(huán)境中食指皮膚溫度的變化趨勢，即在無風環(huán)境中，不加熱條件下，60 min內食指皮膚溫度持續(xù)快速下降了18.6 ℃，最終溫度為13.1 ℃；加熱狀態(tài)下，食指皮膚溫度在前15 min略有下降，之后逐漸趨于平穩(wěn)，60 min內溫度共下降5.8 ℃，最終溫度為25.4 ℃。

風速為0.5 m/s時，在不加熱條件下，食指皮膚溫度先急劇下降，之后下降速度變緩，60 min內溫度共下降19.5 ℃，最終溫度為11.7 ℃；加熱狀態(tài)下，食指溫度在短暫快速下降后趨于平穩(wěn)，第30 ～ 50 min內溫度緩慢上升后略下降，試驗過程中共下降8.6 ℃，最終溫度為22.0 ℃。統(tǒng)計分析表明在無風環(huán)境食指在加熱與不加熱兩種情況下的皮膚溫度自第25 min后存顯著性差異，在有風環(huán)境中自第15 min后存在顯著性差異。

顯著性差異水平P<0.05時，標記為“*”；顯著性差異水平P<0.01時，標記為“**”圖4　無風和有風環(huán)境下食指皮膚溫度變化曲線

3.1.3中指溫度

中指皮膚溫度隨時間變化曲線如圖5所示。無風環(huán)境中，中指在不加熱的條件下，溫度持續(xù)快速下降，60 min內中指溫度共下降17.9 ℃，最終溫度為14.5 ℃；加熱條件下，溫度略微下降后保持穩(wěn)定，之后略下降，60 min內中指皮膚溫度共下降8.0 ℃，最終溫度為24.8 ℃。

風速為0.5 m/s試驗中，中指在不加熱的條件下，溫度先是急速下降，之后速度變緩，60 min內共下降19.6 ℃，最終溫度為11.3 ℃；加熱狀態(tài)下，中指溫度在快速下降后趨于穩(wěn)定，第60 min時中指皮膚溫度共下降10.1 ℃，最終溫度為21.0 ℃。統(tǒng)計分析表明，在無風環(huán)境中，加熱和不加熱條件下的中指皮膚溫度變化在第25 min后存在顯著性差異；在有風環(huán)境中，加熱和不加熱兩種條件下中指皮膚溫度變化在第15 min之后出現(xiàn)顯著性差異。

顯著性差異水平P<0.05時，標記為“*”；顯著性差異水平P<0.01時，標記為“**”圖5　無風和有風環(huán)境下中指皮膚溫度變化曲線

3.1.4無名指溫度

圖6描述了無風、有風環(huán)境中無名指皮膚溫度的變化趨勢。如圖6所示，在無風環(huán)境中，無名指皮膚溫度在不加熱條件下快速下降，60 min內溫度共下降16.7 ℃，最終溫度為14.4 ℃；加熱條件下，無名指皮膚溫度略有下降后稍有停滯，之后緩慢下降，60 min內溫度共下降8.1 ℃，最終溫度為23.7 ℃。

風速為0.5 m/s，手套不加熱條件下，60 min內無名皮膚指溫度先是迅速下降，之后下降速度變緩，共計下降了19.7 ℃，最終溫度是11.1 ℃；加熱狀態(tài)下，無名指皮膚溫度平緩下降至趨于穩(wěn)定，試驗過程中共下降9.5 ℃，最終溫度為21.6 ℃。統(tǒng)計分析表明，在無風環(huán)境中，無名指在加熱和不加熱兩種情況下的溫度變化在35 ～ 60 min內出現(xiàn)顯著性差異；在有風環(huán)境中，無名指溫度變化自第20 min開始出現(xiàn)顯著性差異。

顯著性差異水平P<0.05時，標記為“*”；顯著性差異水平P<0.01時，標記為“**”圖6　無風和有風環(huán)境下無名指皮膚溫度變化曲線

3.1.5小拇指溫度

不同條件下小拇指皮膚溫度隨時間變化曲線見圖7。由圖7可見，在無風，不加熱的條件下，60 min小拇指皮膚溫度快速下降了17.3 ℃，最終溫度為14.7 ℃；加熱條件下，小拇指皮膚溫度略微下降后趨于平穩(wěn)，60 min內溫度共下降7.8 ℃，最終溫度為23.6 ℃。

風速為0.5 m/s，不加熱的條件下，小拇指溫度先是迅速下降，之后下降速度較為緩慢并逐漸趨于穩(wěn)定，60 min內溫度共下降19.1 ℃，第60 min時小拇指皮膚溫度為10.8 ℃；加熱狀態(tài)下小拇指皮膚溫度在迅速下降后變緩，20 min后略微上升后趨于平穩(wěn)，60 min內溫度共下降10.5 ℃，最終溫度是20.3 ℃。統(tǒng)計分析表明，在無風環(huán)境中，25～60 min內加熱和不加熱兩種情況下的小拇指皮膚溫度變化存在顯著性差異；有風環(huán)境中，15～60 min內加熱和不加熱兩種狀態(tài)下的小拇指皮膚溫度變化存在顯著性差異。

顯著性差異水平P<0.05時，標記為“*”；顯著性差異水平P<0.01時，標記為“**”圖7　無風和有風環(huán)境下小拇指皮膚溫度變化曲線

圖8描述了有風、無風環(huán)境中手背皮膚溫度的變化趨勢，即在無風、不加熱條件下，前5 min內手背皮膚溫度快速下降，之后緩慢下降，60 min內手背皮膚溫度共下降14.0 ℃，最終溫度是17.7 ℃；加熱狀態(tài)下，手背皮膚溫度略下降后逐漸平穩(wěn)，60 min內手背溫度共下降6.8 ℃，最終溫度為25.5 ℃。

風速為0.5 m/s，不加熱的條件下，手背皮膚溫度先快速下降，第10 min后緩慢下降，試驗過程中溫度共下降了15.0 ℃，最終溫度16.5 ℃；加熱狀態(tài)下，手背皮膚溫度短暫下降之后緩慢上升，一段時間的平穩(wěn)之后略下降，最終溫度共下降8.1 ℃，第60 min時的溫度為22.9 ℃。統(tǒng)計分析表明，無風環(huán)境中，自第25 min后加熱與不加熱條件下的皮膚溫度存在顯著性差異；有風環(huán)境中手背在加熱和不加熱條件下的皮膚溫度變化在15～60 min內存在顯著性差異。

顯著性差異水平P<0.05時，標記為“*”；顯著性差異水平P<0.01時，標記為“**”圖8　無風和有風環(huán)境下手背皮膚溫度變化曲線

3.1.7手部平均皮膚溫度

圖9描述了有風、無風環(huán)境中手部(五指和手背)的平均皮膚溫度的變化趨勢。在無風、不加熱條件下，60 min內手部平均皮膚溫度持續(xù)下降了17.0 ℃，最終溫度是14.8 ℃；加熱狀態(tài)下，手部平均皮膚溫度在短暫下降之后變緩至逐漸平穩(wěn)，60 min內手部平均皮膚溫度共下降7.7 ℃，最終溫度為24.2 ℃。

風速為0.5 m/s，不加熱的條件下，手部平均皮膚溫度先快速下降，第35 min后緩慢下降，試驗過程中溫度共下降了18.4 ℃，最終溫度12.3 ℃；加熱狀態(tài)下，手部平均皮膚溫度在前10 min內快速下降之后保持平穩(wěn)，最后略下降，最終共下降9.8 ℃，第60 min時的溫度為21.0 ℃。統(tǒng)計分析表明，無風環(huán)境中，在10～60 min加熱與不加熱條件存在顯著性差異；有風環(huán)境中手背在加熱和不加熱條件下的皮膚溫度變化自第5 min之后存在顯著性差異。

顯著性差異水平P<0.05時，標記為“*”；顯著性差異水平P<0.01時，標記為“**”圖9　無風和有風環(huán)境下手部平均皮膚溫度變化曲線

綜上所述，兩種風速環(huán)境中，無論加熱與否，五指和手背的皮膚溫度和平均皮膚溫度均隨著時間增長而下降，但是加熱組溫度在最初下降后，最終保持相對穩(wěn)定。風速為0.17 m/s時，加熱條件下的手指和手背在第60 min時的平均皮膚溫度相比于對照組(手套不加熱)高了9.4 ℃；0.5 m/s時相比于對照組最終溫度提升了8.6 ℃。15 ℃被認為是手動作業(yè)工效不受影響的臨界溫度[2,9], 對照組中，所有部位的局部皮膚溫度均低于15 ℃，即手工操作能力受到明顯影響，靈活性降低。相比之下，加熱狀態(tài)下的手部局部溫度均高于15 ℃，也就是說，在寒冷的環(huán)境中，加熱狀態(tài)下手套保暖效果更好，有利于降低五指和手背部位熱量的散失，能更好維持手部的皮膚溫度，保證手部的作業(yè)工效。研究表明，嵌入式加熱元件可以提高手套的防寒效果。這與之前的研究結果是一致的[10-11]。

在加熱條件下，手指各部位的皮膚溫度均出現(xiàn)小幅增加的動態(tài)波動，這可能與智能調溫裝置有關。試驗的前幾分鐘，由于手部溫度仍處于設定溫度范圍內(26～35 ℃)，因此加熱裝置處于不工作狀態(tài)，隨著溫度下降到低于下閾值，加熱裝置開始啟動，手部皮膚溫度出現(xiàn)輕微上升，因此不會出現(xiàn)手部局部溫度過高狀況或因環(huán)境變化時頻繁調整溫控器的不便。

不同部位的皮膚溫度變化情況不同。相比于其它部位，加熱狀態(tài)下大拇指的最終溫度最低，這可能是因為大拇指部位特殊，加熱片與該部位皮膚貼合度不夠，加熱效果不理想，仍需改進研究；兩種風速下，無論是否加熱，第60 min時的手背皮膚溫度均是最高，一方面這可能是因為手背比手指更接近人體，另一方面可能是因為電熱片更接近、貼合手背皮膚表面，增加了之間的接觸面積和熱量傳遞。這進一步證明了較大的加熱面積可以增加加熱效果，這與Song等[11]、Wang等[12]的研究結果一致。然而，由于小手指空隙較大，試驗最開始時手到周圍環(huán)境的對流散熱很大，所以0.5 m/s環(huán)境中，加熱狀態(tài)下前20 min小拇指的溫度曲線明顯下降。之后溫度略有增加, 且第60 min時的最終溫度高于20 ℃，這同樣證明了加熱片提高了手套的保暖性能。

此外，同一部位的皮膚溫度在高風速環(huán)境中的下降速度更快，這與空氣速度會降低防寒性能的研究結果一致[10,13]。空氣流速對有效加熱功率的影響較小，但可以降低手套熱阻，增加了向周圍環(huán)境的熱量損失，大大降低了保暖效果。從圖3到圖9可以看到，盡管高風速條件下(0.5 m/s)的手部最終溫度低于低風速環(huán)境(0.17 m/s)，但是在加熱與對照組的統(tǒng)計差異出現(xiàn)的更早，這表明0.5 m/s風速下，溫控電熱手套對于手部局部加熱的效果更明顯。這可能與人體生理和心理變化有關，需進行進一步探究。

3.2　主觀評價

不同條件下的手部熱感覺評價結果分別如圖10(a)、圖10(b)所示。從圖10中可以看出，兩種風速環(huán)境中，手套加熱和不加熱時受試者的手部總體熱感覺均呈下降趨勢，即感覺手部越來越冷。

無風環(huán)境、不加熱狀態(tài)下，受試者手部熱感覺自進入人工氣候室的0.5(微暖)逐漸下降到-2(涼)；加熱狀態(tài)下，受試者的手部熱感覺從進入氣候室的第10 min開始下降，由0.5(微暖)緩慢降至-0.7(微涼)。風速為0.5 m/s，不加熱條件下，受試者的手部熱感覺由起初進入氣候室的0.5(微暖)開始下降，最終達到-2.5(較涼)的狀態(tài)；加熱狀態(tài)下，受試者的手部熱感覺在氣候室的前10 min幾乎無變化，10 min后從0.5(微暖)緩慢下降，最終達到-1(有點涼)。統(tǒng)計分析表明，無風環(huán)境中，在加熱和不加熱下的熱感覺等級在第20 min后存在顯著性差異；有風環(huán)境中，手部主觀熱感覺在第10～60 min存在顯著性差異。

綜上分析可得，兩種風速環(huán)境中，不論手套加熱與否，手部熱感覺均隨時間增長呈下降趨勢，但加熱狀態(tài)下手部熱感覺下降的起點較晚，且下降速度更緩慢，最終熱感覺等級較高，在一定程度上說明加熱手套的保暖效果更好；相比于無風環(huán)境，有風環(huán)境中的加熱手套最終熱感覺較低，說明0.5 m/s的風速會降低加熱手套的防寒性能，這與手套加熱時手指和手背的皮膚溫度變化規(guī)律相同，證明實驗結果的可靠性。

顯著性差異水平P<0.05時，標記為“*”；顯著性差異水平P<0.01時，標記為“**”圖10　無風和有風環(huán)境下手部整體熱感覺評價

4　結　論

本研究采用智能溫控裝置研制了一款較為輕便、并且可持續(xù)保暖的溫控電熱防護手套。通過真人實驗，基于手指和手背的皮膚溫度變化以及真人主觀熱感覺，得到結論如下：

a)在寒冷環(huán)境中，無風(0.17 m/s)和有風(0.5 m/s)條件下的手指和手背皮膚溫度均隨時間增長會下降，但電熱手套均能提供較好的保暖性能，在60 min內使皮膚溫度維持相對穩(wěn)定。無風環(huán)境中，手套不加熱較加熱時的手部最終平均皮膚溫度相差9.3 ℃；有風情況下，手套不加熱較加熱時的手部最終平均皮膚溫度相差8.6 ℃。

b)在寒冷環(huán)境中，手部熱感覺呈現(xiàn)下降趨勢。加熱狀態(tài)相對于不加熱狀態(tài)時的手指和手背熱感覺等級有大幅度提升。不加熱狀態(tài)下的熱感覺下降起點更早，最終評價等級也略低。

c)智能溫控系統(tǒng)加熱后的手套保暖性能更好，有利于降低手指和手背部位的熱量散失，更好維持手指和手背皮膚溫度，保證手部精細作業(yè)能力；風速影響電熱手套保暖效果，0.5 m/s的風速會降低智能溫控電熱手套的防寒性能。