電熱防護手套研制及其在極端寒冷環境下的工效實驗

王 璐， 韓 雪， 婁 琳， 何令華， 周小紅

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

由于工作內容的不同，有很多行業的工作者隨時都有可能暴露在寒冷的氣候中進行作業[1]，如南極科學考察者，登山運動員，冬季寒冷環境中工作的電力線路維護人員等。他們要面對的并不是普通的寒冷環境，有的工作者需要在-40～-20 ℃的極端寒冷環境中工作，當手指皮膚溫度降至15.0 ℃時，手指的靈巧度和靈敏度顯著降低，當降至4.4 ℃時，幾乎所有手指的細微動作都會喪失[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]，而冷暴露會減少手部的血流量，降低手的靈活性，同時會對手部造成傷害[5]，這對于在極端環境中工作的人來說，是一個很大的阻礙，因此防寒手套具有很重要的作用[6]。

在一般的寒冷環境下，佩戴熱絕緣材料的傳統保暖手套可達到手部保暖的目的，但是在極端寒冷環境下，需通過增加熱絕緣材料厚度以此增加靜止空氣層達到保暖效果，但這種手套往往比較厚重，影響手指的靈活性，對手部的活動有較大的限制。隨著人們對智能紡織品的不斷探索，電加熱手套也逐漸進入了大眾視線，這種手套利用一種主動加熱技術，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，從而對手部防寒保暖。學者們對電加熱手套的研制和加熱性能進行了很多研究。Mccormack[8]在冷室環境中研究得出手套的主體材料、加熱元件、結構設計等因素會影響其對手部的保暖效果。Kenneth[5]在南極洲麥克默多站的極端寒冷環境下對電加熱手套、化學加熱手套和傳統防護手套進行保溫測試，結果表明電加熱手套在實驗開始和結束時均為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，在環境溫度為2.5 ℃時，通過人體主觀實驗探究到電熱手套加熱狀態時，手部溫度明顯提升。

本文優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手套，采用熱成像實驗對手套電熱升溫性能進行直接觀測。并提出在-30 ℃極端寒冷環境下，以螺絲螺母裝配作業來測試電熱防護手套的工作效率，同時記錄在實驗過程中左右手的主觀熱感受和疼痛感受。

1 電熱防護手套的研制

1.1 手套結構與材質

手套采用方便靈活的五指手套，適宜于各種作業需要。基本尺寸為：手掌最寬處12 cm，中指頂端到手掌底部長23 cm。

手背設計為三明治結構，如圖1(a)所示。保暖里層A采用搖粒絨面料，防水防風外層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個部分組成，分別是五指加熱片、電源連接口和溫度控制開關，如圖2所示。

圖2 加熱元件結構圖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。溫度控制開關運用了穩減電流的原理，以控制電流來實現溫度檔位，最高檔100%電流供電，中檔75%電流，最低檔50%電流。在室溫環境下，溫度控制最高檔的加熱溫度設計為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。溫度控制開關設置了4個檔位，在室溫環境下，溫度控制最高檔的加熱溫度設計為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 ℃的低溫環境下工作或存放，連續放電可達4 h。該電池在行車記錄儀、共享單車、野外作業或者極地等嚴寒環境下均有使用記錄，一般工作電壓為3.7 V，本文中電熱防護手套專用電源設計額定電壓為7.4 V。

2 實驗部分

2.1 實驗儀器與試樣

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

金屬纖維電熱防護手套，該樣品記為M；碳納米薄膜電熱防護手套，該樣品記為C。

2.2 實驗方法

2.2.1 電熱防護手套升溫特征實驗

采用紅外熱像儀對所制金屬纖維電熱防護手套和碳納米管薄膜電熱防護手套進行熱成像分析。實驗環境溫度由紅外熱像儀測得28 ℃。

開啟紅外熱像儀，電熱防護手套或者佩戴電熱防護手套的操作者右手的手背部面向紅外熱像儀鏡頭置于實驗臺的復合板材上，調整試樣完整出現在屏幕拍照區域的中心位置，設置紅外熱像儀拍攝軟件的參數，拍攝時間設置為90 s，每隔3 s拍攝1次熱成像照片；點擊紅外熱像儀的開始拍攝按鈕時，按下電加熱片的加熱開關至最高加熱檔位，實驗加熱開始；實驗結束保存拍攝的熱成像圖片。同一試樣進行2次加熱實驗時，間隔至少5 min，確保試樣電加熱后充分散熱，溫度恢復到初始溫度。

2.2.2 電熱防護手套低溫環境下的工效實驗

氣候室長5 m，寬3 m，高2 m，設置為-30 ℃的低溫環境。氣候室放置裝有1排10對螺桿和螺母的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 實驗臺結構Fig.3 Experimental platform structure

人體主觀工效實驗參照GB/T 16251—2008《工作系統設計的人類工效學原則》，由1名操作者在極端低溫環境下完成螺母裝配作業。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，右手戴電熱防護手套，如圖4所示。2款電熱防護手套分別在加熱和不加熱狀態進行4組實驗，分別標記為金屬纖維電熱防護手套不加熱(M0)、金屬纖維電熱防護手套加熱(M1)、碳納米管薄膜電熱防護手套不加熱(C0)、碳納米管薄膜電熱防護手套加熱(C1)。

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

操作者在-30 ℃低溫環境下進行螺母裝配作業，步驟如下：

1)入倉：操作者穿好實驗服裝，進入-30 ℃低溫環境氣候室；

2)靜坐：操作者入倉后即實驗開始，靜坐5 min；

3)螺母裝配：從第6 min開始，操作者進行第1次螺母裝配測試。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內裝配螺母的個數；

4)踏步運動：第1次螺母裝配結束后，從第11 min起，操作者在氣候室進行2腳一前一后的踏步運動，到第15 min末結束；

5)螺母裝配：踏步運動結束后，從第16 min起開始進行第2次螺母裝配實驗。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內裝配螺母的個數；

6)出倉：操作者離開氣候室，實驗完成。

操作者在氣候室共停留20 min，在各時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個等級(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個等級(0無痛， 1輕微疼痛， 2疼痛， 3非常疼痛，4非常非常疼痛)。

3 結果與分析

3.1 電熱防護手套熱成像

在進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分別示出電熱防護手套、操作者佩戴電熱防護手套在最高檔加熱時的熱成像圖。

圖6 電熱防護手套熱成像圖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手套在最高檔加熱時的熱成像圖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種電熱防護手套的加熱性能良好，升溫速度較快，在60 s時基本達到最高溫度；金屬纖維電熱防護手套大面積最高溫度可達到50 ℃，碳納米管薄膜電熱防護手套可達到的溫度相對較低一點，大面積最高溫度達到46 ℃，局部位置溫度可達50 ℃。

從圖7可看出：2種電熱防護手套在操作者右手佩戴時加熱性能良好，升溫速度較快，在60 s時基本達到最高溫度；但這種狀態下可達到的最高溫度較電熱防護手套置于實驗臺的復合板材上低。佩戴在操作者手上后，金屬纖維電熱防護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手套最高溫度大面積為46 ℃，局部位置可達50 ℃。

3.2 電熱防護手套的工效與熱舒適性評價

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

在低溫環境中，人體抵御寒冷的能力可通過作業工效表現出來。人體可通過代償性生理調節功能來抵御寒冷，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，并出現寒冷導致的疼痛。人體也可通過運動增強生理調節功能來抵御寒冷，此外，電加熱手套是一種外部主動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

實驗綜合外部主動供給右手能量的電熱防護手套和運動增加生理調節功能的抵御寒冷方法，結果顯示。

1)3個實驗組M0、M1、C0在第2次裝配螺母的數目較第1次裝配螺母的數目均增加，即2次裝配螺母之間的踏步運動，能使裝配螺母作業的工效提高。上述3個實驗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手套不加熱實驗組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)金屬纖維電熱防護手套加熱實驗組M1，2次裝配螺母數目較不加熱實驗組M0裝配螺母數目均有增加;碳納米管薄膜電熱防護手套加熱實驗組C1，第1次裝配螺母數目較不加熱實驗組C0裝配螺母數目有增加，即工效提高。在實驗時間內，實驗組M1根據熱感受和疼痛感受顯示，比實驗組M0更能抵御寒冷。在實驗的前10 min時間內，實驗組C1比實驗組C0更能抵御寒冷

3)碳納米管薄膜電熱防護手套加熱實驗組C1第2次裝配螺母數目與第1次裝配螺母數目基本一致，第2次裝配螺母數目與不加熱組C0裝配螺母數目相同。觀測在實驗的后10 min時間內的熱感受和疼痛感受，實驗組C1與實驗組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，指標是相同的。

4 結 論

研制了2種電熱防護手套，并在-30 ℃極端寒冷環境下進行工效實驗，得到如下結論。

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

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

3)在20 min的測試時間內，金屬纖維電熱防護手套擰螺絲作業的工效增加，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)在極端寒冷環境下的踏步運動，能使螺母裝配作業的工效提高。