一種適用于載人航天飛行的針織手套設計及性能分析

李 猛， 尚 坤， 陳樹剛， 劉秀斌， 王奕霏， 吳 璠

（1.中國航天員科研訓練中心， 北京 100094； 2.人因工程全國重點實驗室， 北京 100094；3.深圳市微納先材科技有限公司， 深圳 518035）

1 引言

航天員實施載人航天飛行任務期間，根據任務需求穿著艙內航天服或艙外航天服。 這兩類服裝均通過結構氣密形式實現服裝與環境的隔離，因此需要通過通風或液冷保持服內的溫濕度控制。 手部作為肢體的最末端，需要實施精巧靈活的操作，同時人體手部的尺寸較小，無法在航天服手套內布局通風或液冷功能。 航天服上肢體的通風回路最遠端延伸至手腕部位，通過腕部送風口或回風口結構，實現通風流場的傳遞，無法高效、均衡地實現手部的溫濕度控制［1?2］。 采用佩戴舒適手套的方式，能夠實現手部的溫濕度平衡與保護，同時實現人手與航天服手套的隔離，其作用主要有4 個方面：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，降低出艙活動過程中溫度變化梯度對手部的直接影響；三是隔離手部與航天服手套的直接接觸，保護航天服手套內部氣密結構，避免因劃傷氣密層導致航天服氣密性的損失；四是方便穿脫，降低手部干濕狀態下脫戴航天服手套的難度。

舒適手套通常采用針織結構，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。 針織結構的組織厚度適中、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。 舒適手套作為保護航天服手套內表面，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，在力學性能、吸濕性、透氣性、熱傳導性等方面比對分析兩者的性能與適用能力，同時針對聚酰亞胺在衛生學、遠紅外等原生特性方面開展實驗驗證。

2 針織手套功能與設計

2.1 材料設計

根據舒適手套的功能，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、心理適應性、感官接受度較強，能夠為舒適手套帶來適度的彈性、耐磨性與吸濕性，保持航天服手套內的干爽與溫暖。

聚酰亞胺是主鏈上含有酰亞胺環的一類高分子聚合物，因其芳香結構的穩定性，作為高性能合成纖維，具有優異的熱氧穩定性、高強高模特性及化學穩定性。 聚酰亞胺短纖維不含鹵素，屬于綠色環保纖維［3］，國產聚酰亞胺纖維從制造到使用全程對環境友好，能夠通過Oeko?Tex?Stand?ard100 嬰兒級生態信心紡織品認證［4］，可作為棉纖維的升級替代材料，在功能與性能方面實現較大幅度的躍升。

根據針織手套的結構尺寸與應用特點，選取的纖維材料基本性能見表1 所示。

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

2.2 結構設計

采用全成形電腦橫機，能夠快速高質量地制造針織手套［5］。 電腦橫機中配置的制版軟件與工藝參數可以高效穩定地開展針織手套的生產，其手套設計的流程如圖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，增加穿戴后的穩定性。 獲得的針織手套產品如圖2 所示。

3 針織手套實驗驗證與分析

3.1 力學性能測試與分析

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

參照GB／T21196.2－2007《紡織品 馬丁代爾法織物耐磨性的測定》，利用YG401E 型織物平磨儀（馬丁代爾儀）對樣品進行耐磨測試。 磨料選用羊毛磨料織物，摩擦負荷不小于12 kPa，摩擦軌跡為Lissajous 曲線。 測試前后的針織材料表觀狀態如圖3 所示。

圖3 耐磨性測試結果Fig.3 Results of the abrasion resistance on fabrics

其中，棉針織材料在經歷3 萬次摩擦后，達到試樣破損的判定條件，如圖3（b）所示，棉纖維出現斷紗，產生針織結構漏孔；聚酰亞胺針織材料在經歷6 萬次摩擦后，雖表面出現明顯的纖維磨損痕跡，如圖3（d）所示，但仍未達到試樣破損的判定，實驗中止。

對材料本身而言，聚酰亞胺的耐磨性能與其化學結構和高分子特性密切相關。 聚酰亞胺為酰亞胺基團聚合物，這些酰亞胺基團使得聚酰亞胺纖維具有高強度和高硬度，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。

同時在針織結構設計中，針織物線圈長度越大，單位面積內線圈越少，即橫密、縱密越小，織物越不耐磨［7］。 對比圖3（a）與圖3（c），棉纖維材料的蓬松性導致在獲得相同針織手套重量與厚度的前提下，單位面積內的棉針織材料線圈數量少于聚酰亞胺針織材料，因此由于纖維材料物理結構特性的差異，會導致聚酰亞胺針織手套的耐磨性優于棉針織手套。

對比圖3（b）與圖3（d），由于棉纖維的平均長度較短，在磨損過程中，脫落的纖維可以離開針織材料表面，因此耐磨測試后的棉針織材料表面不易保留組織結構之外的纖維材料；相反，聚酰亞胺纖維的平均長度較長，結合其較大的斷裂伸長率，導致耐磨測試后的聚酰亞胺針織材料表面團聚了大量的磨損纖維。 這種特性有利于針織手套在實際使用過程中控制脫出物脫落，磨損后產生的多余物較少。

頂破與耐磨測試結果表明，作為高模高強材料，聚酰亞胺針織手套的耐磨性遠優于棉針織手套，且在耐磨過程中脫出物較少，結構穩定性高。對比棉針織手套的一次性使用，聚酰亞胺針織手套的力學性能優勢，使其具有多次重復使用的可行性。

3.2 吸濕性測試與分析

模擬舒適手套穿戴在人手表面，在空間相對狹小密閉的環境中，采用加濕設備營造室溫條件的濕態環境，由干態至濕態的回潮率變化曲線如圖4（a）所示。 將舒適手套通過水蒸氣完全飽和后，通過模擬通風干燥環境，由濕態至干態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

從干態至濕態的變化過程中，同等時間與環境條件下，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。 濕態飽和狀態下，棉針織手套的吸水率可達180%，是聚酰亞胺針織手套的2.2 倍。 綜合干態至濕態及濕態至干態的回潮率變化過程，聚酰亞胺針織手套受環境濕度變化的影響更小，更有利于保持相對穩定的使用狀態。

3.3 透氣性測試與分析

透氣性反映了舒適手套在人體出汗過程中，對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，通過汗液蒸發的形式以人體水分為介質，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的靈活性與觸感。

參照GB／T5453－1997《紡織品 織物透氣性的測定》，利用TEXTEST FX3300－Ⅳ全自動透氣儀進行測試，測試壓力選擇100 Pa，對棉針織手套與聚酰亞胺針織手套的結構本體部分與羅紋織口部分分別進行透氣率測試，結果如表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構與腕部羅紋彈力結構上均能保持相同水平的透氣率。

表2 透氣率測試結果Table 2 Results of the fabric permeability to air

3.4 熱傳導性測試與分析

聚酰亞胺具有低導熱率特性，其導熱率低于羊絨、羽絨、純棉、腈綸、錦綸等常用纖維織物［9］。參考GB／T10294－2008《絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定防護熱板法》，采用雙試樣防護熱板法，進行常壓環境導熱系數測試，其基于一維、穩態傳熱狀態下的傅里葉導熱定律，能夠獲得試樣中心計量區域大小范圍內的等效熱導率或等效熱阻，原理如圖5 所示。

圖5 導熱系數測試設備原理圖Fig.5 Schematic diagram of thermal con?ductivity measuring device

在雙試件裝置中，由2 個試樣夾與1 個測量熱板，熱流由測量熱板分別經兩側試件傳給兩側冷卻單元，測量熱板總熱流Φ如式（1）所示。

式中，Φg為流經上測試件熱流，Φr為流經下測試件熱流，熱流按照傅里葉導熱定律計算，如式（2）、式（3）所示。

式中，λg、λr分別為上下樣件導熱系數，hg、hr分別為上下樣件厚度，T0、Tg、Tr分別為測量熱板、上冷板、下冷板溫度，A為測量熱板面積。 測試過程的動態平衡曲線如圖6 所示。

圖6 熱傳導率測試平衡曲線Fig.6 Curves of thermal conductivity measure

從熱傳導率測試曲線可見，聚酰亞胺的波動慢且更平緩，能夠更好地緩沖測試實驗過程中環境溫度的波動，通過平衡態加熱功率計算，棉纖維舒適手套的導熱系數為0.132 W／（m·K），聚酰亞胺纖維針織手套的導熱系數為0.121 W／（m·K）。 綜合聚酰亞胺針織材料較低的導熱系數與低回潮率特性，相對于棉針織材料，其在濕態條件下可提供更有效的保溫能力。

3.5 材料原生特性測試與分析

聚酰亞胺纖維在環境安全性、人體衛生學、遠紅外特性等方面具有原生性能力，是棉纖維所不具備的，對其開展進一步的測試分析，獲得其原生特性與應用價值。

3.5.1 環境安全性測試與分析

工作狀態的航天服內通常為高氧環境，聚酰亞胺具備的熱穩定性與阻燃特性有利于維持航天服內的環境安全性，相關測試如表3 所示。

表3 面料熱物性測試Table 3 Thermal physical properties of fabrics

聚酰亞胺具有極低的熱膨脹系數，在熱分解過程中不會產生強烈的熱收縮或破裂，能夠在極端異常高溫下保持物理結構上的熱阻隔，防止人體灼傷。

3.5.2 人體衛生學測試與分析

聚酰亞胺纖維具有原生性的抗菌抑菌功能，測試結果如表4 所示。 其中，參照GB／T20944.3－2008《紡織品 抗菌性能的評價 第3 部分：振蕩法》，以聚酰亞胺材料浸泡試驗菌液，振蕩1 h 后與空白對照組的活菌數進行對比，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《食品衛生微生物學檢 驗 霉 菌 和 酵 母 計 數》， 在28 ℃、 濕 度90% RH 的條件下，在材料表面進行14 天的黑曲霉菌培養，能夠達到不生長的等級；參照GB／T24253－2009《紡織品 防螨性能的評價》，在對照組平皿中螨數時為103 只的條件下，螨蟲趨避率為71.84%，可確定其具有防螨效果。

表4 面料衛生學性能測試Table 4 Hygienic properties of fabrics

3.5.3 遠紅外性能測試與分析

遠紅外線具有較強的滲透力與輻射力，能夠產生顯著的溫控效應與共振效應［10］，被人體吸收后可以轉化為內能。 遠紅外線透過人體表皮，可使體內的水分子產生共振，使水分子活化，增強分子間的結合力，使細胞產生共振效應，進一步將遠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，產生的溫熱由內向外散發。 這種作用能夠使毛細血管擴展，促進血液循環。

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

表5 面料遠紅外特性測試Table 5 Far infrared radiation properties of fabrics

4 結論

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用；聚酰亞胺針織手套的力學性能與熱穩定性更優，具有更長的使用壽命與穩定性，使用過程中脫出物更少，對載人航天飛行應用的環境更加友好。

2）聚酰亞胺纖維原生性的遠紅外特性能夠為針織手套在肢體末端濕冷環境下提供更好的溫熱性，減緩由低溫導致的手部感知覺與活動性降低，進一步起到促進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熱特性，在相對密閉環境中使用時，人手出汗與環境溫度變化下的干濕態轉換過程中，針織手套的隔熱性能損失較小；聚酰亞胺的抗菌抑菌能力，能夠保持針織手套對人的衛生學滿足性，可進一步考慮針織手套在飛行任務中的重復使用性。