防寒手套的研究现状与进展
朱亚南，耿川川，刘皓*
（天津工业大学 纺织科学与工程学院，天津 300387）
摘要：防寒手套是寒冷条件下保护人体手部性能的重要用具。文章对现有的防寒手套进行了分类，对不同类别防寒手套的性能特点和研究现状进行了系统的介绍，并对防寒手套的评价方法做了比较详细的阐述，为防寒手套的研究提供参考。
关键词：防寒手套；分类；评价方法；研究现状
Research Status and Progress of Cold Proof Gloves
ZHU Yanan, GENG Chuanchuan, LIU Hao*
（College of Textile Science and Engineering, Tiangong University, Tianjing 300387, China）
Abstract: Cold proof gloves are important tools to protect human hand in cold conditions. This paper classifies the existing cold proof gloves, systematically introduces the performance characteristics and research status of different types of cold proof gloves, and also expounds the evaluation methods of cold proof gloves in detail, which provides a reference for the research of cold proof gloves.
Key words: cold proof gloves; classification; evaluation method; research status
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基金项目：科技部国家重点研发计划“科技冬奥”重点专项（2019YFF0302100）
第一作者简介：朱亚南（1998.10—），女，汉族，山东菏泽人，天津工业大学，2020级硕士研究生，材料与化工专业，研究方向为智能服装服饰，1045331928@qq.com。
*通信联系人：刘皓（1977.07－），男，汉族，湖南衡阳人，天津工业大学，博士，教授，博士生导师，研究方向为柔性传感器、智能服装服饰等，liuhao@tiangong.edu.cn。
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随着人们工作和生活领域的不断扩大，在低温环境和恶劣气候条件下工作的种类也越来越多，例如北极地面矿工、冷冻库工人、搜救员、极地考察人员等[1]。除此之外，冬季人们进行的滑雪、登山等户外活动，也是在低温条件下进行的，都面临着极端寒冷的环境下损失人体热量的难题。手位于人体的四肢，肌肉少，内部产热也很低，因此冷暴露对于人体手部的影响更为明显，研究表明[2]，当手指皮肤温度降至15~20 ℃，手指灵活性将会显著降低，工作的准确性和效率便会降低；手指皮肤温度皮温降至8 ℃以下，手的灵敏度会严重减弱，事故发生率便会增加；当手指皮肤温度低于4.4 ℃，手工性能几乎完全丧失。由此可见，在寒冷条件下，使用防寒手套对手部进行保护是十分重要的，防寒手套的研究也成为人们关注的课题。
根据保暖原理的不同，防寒手套分为被动式保暖和主动式保暖两种[3]。近年来，由于人们对于防寒手套的需求提升，一些特殊的被动式保暖材料开始被研发，与传统的保暖材料如棉、皮毛等天然纤维以及超细纤维等化学纤维相比，提高了手套的隔热性能，更好的降低了手部热量的散失。与此同时，主动式防寒手套也开始涌入市场，与被动式防寒手套不同的是，这类手套不仅能够降低手部热量的散失，还可以将其他形式的热能转化为主动提供热量给手部。
1 被动保暖式防寒
被动式保暖是通过提高纺织品系统的隔热保暖性，以阻止人体的热量向外快速散失来达到保暖的目的。人体热量散失的主要方式有热传导、热对流和热辐射三个方面，可以通过这三个方面来提高被动式防寒手套的保暖性能。
减少手部的传导散热，可通过填充羽绒、棉花、中空纤维等作为手套的絮料，使织物含气量增加，从而形成热传导率小的空气层。2020年Tabarestani等人[4]对比了无填充与不同厚度的填充棉絮手套的隔热性能，发现随着填充厚度的增加其隔热性能越好，且热阻越大。
减少手部的对流散热，一般采用涂层织物、复合层压织物、超细纤维高密度织物等一些防风织物作为手套的外层面料，防止空气透过，从而保护手套内部空气层。2021年郝梦楠等人[5]使用水性聚氨酯材料涂敷在普通手套表面，制备了一款可耐低温的保暖手套，发现聚氨酯的发泡率为2倍时的隔热保温效果最好。
在手套内添加光、热反射材料，其反射作用可以减少因热辐射而造成的手部热量散失。这类材料是指具有对光辐照和热辐射产生反射作用的功能性材料，所反射的远红外线很容易被人体组织吸收，可以促使体内的血流量增多以提升手部的血液循环。2014年Hsu等人[6]展示了一种具有红外反射能力的金属纳米线嵌入布，所制备的手套在热成像下比普通手套温度低，证明人体手部的热量被手套反射，从而减少了辐射散热。
2 主动保暖式防寒
主动保暖式防寒是在传统的被动保暖式防寒手套的基础之上，通过外加产热装置或使用产热纤维材料，对手部主动加热达到保暖的效果，是一种更为先进保暖方式。此类防寒手套按照不同的外接热源可以分为电加热手套、化学加热手套、相变加热手套、太阳能加热手套。
2.1 电加热防寒手套
电加热防寒手套是采用电能与热能转化，通过外接电源控制加热元件消耗电能来产生热量，是目前技术较为成熟的主动保暖式防寒手套。目前应用于电加热手套的加热材料主要有金属丝、碳纤维发热丝、石墨烯及碳纳米管薄膜等，其优缺点。近年来，科研学者基于不同材质电加热手套的缺点进行了改进。2016年刘丽妍等人[7]采用镀银导电金属丝作为发热元件，通过添纱、衬纬三种组织结构将金属丝织入手套手掌部位，测试不同组织结构手套的发热性能，发现衬纬组织结构的手套温度分布最均匀。2019年Kim等人[8]使用五种浓度的石墨烯溶液循环浸涂在芳纶手套上并进行热压，随着浸涂的次数增加大大提高了手套的电热性和耐久性。2021年Dawit等人[9]制备了一种用于雷诺疾病的电加热手套，将导电银/聚乙烯纱与毛纱编织成金属丝加热织物，根据患者肿胀部位，将金属丝加热织物放置在手套中指尖一侧提高了手套中手指的灵活性。2021年Kubley等人[10]将碳纳米管薄膜与织物热熔粘合在一起可以保证材料结合的稳定性，为了提高透气性在粘合前进行了激光穿孔。2022年Wang等人[11]通过人体实验对比了碳纳米管膜、金属纤维和碳纤维电加热手套的性能，发现金属纤维的电热性能最好，但碳纳米管的热舒适性更高。这类防寒手套需要研究加热片在手套中的放置位置以及加热元件的性能以提高手套的保暖效果，是目前应用最广泛的主动式加热手套，适合于极寒环境下使用。
2.2 相变调温防寒手套
相变调温防寒手套是指在一定温度或温度范围内，其相变时吸收或释放的热量可用来进行温度调节的手套。2016年Lin等人[12]在探索了相变材料在防护手套设计中的应用，将相变材料封装到手套中可以减少热量流失或防止过热。但由于手部的生理运动特点，传统的封装技术会导致相变溶液泄漏、腐蚀封装容器等问题，微胶囊技术的出现解决了这一问题。2017年王瑞教授等人[13]合成了一种相变微胶囊，采用转移涂布技术将微胶囊涂覆到纬编针织织物表面，制备了用于轻质低温防护手套的复合织物。还有学者将相变材料与其他材料结合。2020年Wu等人[14]使用生物相容性相变材料填充绝缘织物并涂敷聚二甲基硅氧烷，制备了一种热调节织物并集成为手套，表现出良好的疏水性、高机械强度和高工作稳定性，通过对比裸手的温度变化，肯定了手套在低温环境下的保暖性。但相变材料的制作条件、相变过程比较复杂，有些相变纤维受到相变温度的限制，相变的范围比较窄，因此，相变调温防寒手套不适合长时间在极冷环境下使用。
2.3 太阳能加热防寒手套
太阳能加热手套可分为两种：一种是太阳能电池蓄电和电加热手套的结合，称为太阳能蓄电电加热防寒手套；另一种由太阳光蓄热保温材料制作，称为太阳能蓄热防寒手套。目前应用较多的柔性太阳能电池有柔性太阳能电池板、柔性塑胶太阳能电池、染料敏化太阳能电池等。2018年王志坤教授等人[15]制备了一种多功能太阳能温控手套，利用储蓄电池和太阳能通过太阳能板转化的电能供电，将电能转化为热能升高手套内部混合溶液的温度从而达到控温的效果。太阳能蓄热防寒手套所使用的材料具有优异的光热转换能力。2022年Bai等人[16]制备了一种可以进行光热转换的纳米微胶原纤维柔性传感器，将其集成为太阳能加热的手套，经过测试，5分钟在阳光下的手套温度升高了14.3 ℃。虽然此类防寒手套最节能环保，但目前光热转换的技术还不够成熟，且这种能量转换方式需要在自然光、白炽灯以及红外线等的照射下进行转化，受光源强度的影响较强，还处于初步研发阶段。因此，太阳能加热手套在极寒环境下无法持续为手部供热。
2.4 化学加热防寒手套
化学加热防寒手套就是在手套中放入化学加热包，其原理是化学反应产生热量，其中热能由铁粉、碱性、碱土或过渡金属、活性炭或非活性炭以及其他成分的各种混合物产生。2021年Irzmańska等人[17]在手套中放置化学加热剂，对其形状与放置位置进行研究，发现手指的灵活性主要受加热剂形状的影响，加热剂的物理存在并不影响手的灵巧性。这种主动加热方式的成本较低，方便灵活，但其转化过程不可逆，不能重复使用，且无法控制化学反应速度，使用温度也不可控。因此，化学加热防寒手套的使用范围比较局限。
3 防寒手套的性能评价
3.1 热舒适性评价
手套的热舒适性评价一般通过数值模拟、热手模型、人体试穿三种测试方法进行评价。数值模拟是近年来国内新引入的一种织物热舒适的研究方法，通过计算机进行数值计算及图像显示，分析包含流体流动、热传导等相关物理现象。2017年Fallahi等人[18]利用线性外推法和实际物理条件，从数值模拟中推导了寒冷条件下与人手指有关的手套耐久时间和手套热阻估计的解析表达式。2022年Yang等人[19]所建立的人手数值模型可以合理预测3种极寒环境下手部的局部生理反应，为低温预测和防护手套开发提供基础知识。目前为止，此类评价方式可以较好的评估、预测实验对象的性能，但数值模拟的构建需要通过大量的客观实验数据作为基础，因此，这类评价方式不能单独作为防寒手套的热舒适性评价手段。热手模型实验是利用假手模型模拟手部与环境热交换的过程，在过程中测量防寒手套的温度变化、温度分布、加热功率等。热手模型虽然能较好的模拟人体生理的变化，但无法对防寒纺织品进行主观评价，缺乏一定的实践意义。人体试穿实验是人体穿戴防寒手套，在特定环境下对手套进行主观评价，同时记录人体的客观生理反应。此类评估方法多用于评估不同工作环境下手套等防寒纺织品在人体穿戴时的热舒适性，具有一定的实践意义。
如表1所示为近几年通过三种测试方法对防寒手套舒适性评价的总结。三种评价方式适用于防寒手套研发的不同阶段，其中数值模拟的评价方式适用于手套前期，热手模型的评价方式适用于手套的制备阶段，真人试穿的评价方式适用于手套的成品阶段。
3.2 手套工效性评价
手套对于手部的灵巧度、触觉灵敏度、握力、肌肉活动、疲劳等会产生负面影响，而防寒手套在低温环境下对手部的工效性一般通过真人试穿实验进行评价。目前，基于手套工效性的测试工具有螺丝螺母装配、拾取钢针、钳子绑线、握力检测测功仪等，也有以应用人群的工作环境为测试过程。
2014年Dianat等人[27]对人体裸手或佩戴不同手套进行手动工具工作时，评估了手部性能的影响，结果显示其中一种手套可与裸手条件媲美，比双层手套具有更突出的灵巧性和更高的握力。2017年Ramadan等人[28]研究了佩戴不同手套对工人握力的影响，经过测试发现厚度对握力的影响很大，认为在某些工作场合要替换更加合适厚度的手套以提高操作机器与工具所需要的握力，但也要保证手套的保暖性能。2021年王璐等人[29]通过人体穿着两种不同的电加热手套在-30 ℃极端寒冷环境下进行螺丝螺母装配作业，实验结果表明，佩戴电加热手套装配螺母作业的工效增加，抵御寒冷的作用显著。2022年Bidoki等人[30]研究了不同材料、厚度与层数的手套对手部性能的影响，分别进行了主客观评价评估手部灵活性和触觉灵敏度。
4 结语
本文根据保暖原理对防寒手套做了分类，被动式保暖的防寒手套致力于减少手部传导散热、对流散热与辐射散热以提升手套的保暖性；主动式保暖的防寒手套致力于将高科技产热元件与材料融入手套中，根据不同产热方式，对手部释放热量以提升手套的保暖性。并介绍了防寒手套基于热舒适性、工效性的评价方法。
未来科研人员应研究主动保暖与被动保暖相结合的防寒手套，通过平衡两者的结合来增强保暖性。在性能评估方面，由于现实环境中温度变化的不稳定性，为了提高手套的应用价值，手套的性能应该在动态温度的环境下进行评估。
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原载：《西部皮革》杂志2023年4月第7期
