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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(chǎn)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(chǎn)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(jù)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。
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??紤]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。
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。
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)。
3.1.1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]??諝饬魉賹τ行Ъ訜峁β实挠绊戄^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。
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
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。