一种适用于载人航天飞行的针织手套设计及性能分析

2024-03-07陈树刚刘秀斌王奕霏

载人航天 2024年1期

李猛，尚坤，陈树刚，刘秀斌，王奕霏，吴璠

（1.中国航天员科研训练中心，北京 100094； 2.人因工程全国重点实验室，北京 100094；3.深圳市微纳先材科技有限公司，深圳 518035）

1 引言

航天员实施载人航天飞行任务期间，根据任务需求穿着舱内航天服或舱外航天服。这两类服装均通过结构气密形式实现服装与环境的隔离，因此需要通过通风或液冷保持服内的温湿度控制。手部作为肢体的最末端，需要实施精巧灵活的操作，同时人体手部的尺寸较小，无法在航天服手套内布局通风或液冷功能。航天服上肢体的通风回路最远端延伸至手腕部位，通过腕部送风口或回风口结构，实现通风流场的传递，无法高效、均衡地实现手部的温湿度控制［1⁃2］。采用佩戴舒适手套的方式，能够实现手部的温湿度平衡与保护，同时实现人手与航天服手套的隔离，其作用主要有4 个方面：一是吸收手部皮肤出汗，保持手部的触感与舒适性；二是增加热阻，降低出舱活动过程中温度变化梯度对手部的直接影响；三是隔离手部与航天服手套的直接接触，保护航天服手套内部气密结构，避免因划伤气密层导致航天服气密性的损失；四是方便穿脱，降低手部干湿状态下脱戴航天服手套的难度。

舒适手套通常采用针织结构，具有良好的弹性形变能力，佩戴后能够均匀服帖地覆盖在人手皮肤表面。针织结构的组织厚度适中、弹性充分，为舒适手套提供了良好的舒适性、耐磨性、韧性及防滑性。舒适手套作为保护航天服手套内表面，并提供人手部位温湿度缓冲的有效保障，在载人航天飞行任务中具有不可或缺的作用。

本文分别采用纯棉天然纤维与聚酰亚胺短纤维作为原料试制针织手套，在力学性能、吸湿性、透气性、热传导性等方面比对分析两者的性能与适用能力，同时针对聚酰亚胺在卫生学、远红外等原生特性方面开展实验验证。

2 针织手套功能与设计

2.1 材料设计

根据舒适手套的功能，通常可采用棉纤维材料制成。作为天然纤维，棉纤维的材料易得性、心理适应性、感官接受度较强，能够为舒适手套带来适度的弹性、耐磨性与吸湿性，保持航天服手套内的干爽与温暖。

聚酰亚胺是主链上含有酰亚胺环的一类高分子聚合物，因其芳香结构的稳定性，作为高性能合成纤维，具有优异的热氧稳定性、高强高模特性及化学稳定性。聚酰亚胺短纤维不含卤素，属于绿色环保纤维［3］，国产聚酰亚胺纤维从制造到使用全程对环境友好，能够通过Oeko⁃Tex®Stand⁃ard100 婴儿级生态信心纺织品认证［4］，可作为棉纤维的升级替代材料，在功能与性能方面实现较大幅度的跃升。

根据针织手套的结构尺寸与应用特点，选取的纤维材料基本性能见表1 所示。

表1 纤维原料基本性能Table 1 Basic properties of fibers

2.2 结构设计

采用全成形电脑横机，能够快速高质量地制造针织手套［5］。电脑横机中配置的制版软件与工艺参数可以高效稳定地开展针织手套的生产，其手套设计的流程如图1 所示。

为保证针织手套轻薄，选择普通型拇指的五指手套，手套口通过罗纹组织加弹力纱编织，以提高手套穿脱口的弹性，增加穿戴后的稳定性。获得的针织手套产品如图2 所示。

3 针织手套实验验证与分析

3.1 力学性能测试与分析

参照GB／T19976－2005《纺织品顶破强力的测定钢球法》，选用38 mm 钢球进行测试，棉纤维针织材料的平均顶破强力为553 N，聚酰亚胺纤维针织材料的平均顶破强力为1098 N。当2 种手套使用的纱线规格相同，捻度、密度、结构、厚度、克重相同时，影响强度的最主要的因素为纤维本身的特性及纤维长度与细度等因素。如表1 所示，聚酰亚胺纤维比棉纤维强度高35%，纤维长度长45%，细度只有棉纤维的53%。同时，由于聚酰亚胺纤维为化学合成纤维，长度与细度均匀、摩擦抱和力强，成纱条干更均匀，强度更高。因此宏观表现为材料的顶破强力较大。

参照GB／T21196.2－2007《纺织品马丁代尔法织物耐磨性的测定》，利用YG401E 型织物平磨仪（马丁代尔仪）对样品进行耐磨测试。磨料选用羊毛磨料织物，摩擦负荷不小于12 kPa，摩擦轨迹为Lissajous 曲线。测试前后的针织材料表观状态如图3 所示。

图3 耐磨性测试结果Fig.3 Results of the abrasion resistance on fabrics

其中，棉针织材料在经历3 万次摩擦后，达到试样破损的判定条件，如图3（b）所示，棉纤维出现断纱，产生针织结构漏孔；聚酰亚胺针织材料在经历6 万次摩擦后，虽表面出现明显的纤维磨损痕迹，如图3（d）所示，但仍未达到试样破损的判定，实验中止。

对材料本身而言，聚酰亚胺的耐磨性能与其化学结构和高分子特性密切相关。聚酰亚胺为酰亚胺基团聚合物，这些酰亚胺基团使得聚酰亚胺纤维具有高强度和高硬度，且纤维表面光滑，减少了摩擦磨损，使其具有良好的耐磨性能。

同时在针织结构设计中，针织物线圈长度越大，单位面积内线圈越少，即横密、纵密越小，织物越不耐磨［7］。对比图3（a）与图3（c），棉纤维材料的蓬松性导致在获得相同针织手套重量与厚度的前提下，单位面积内的棉针织材料线圈数量少于聚酰亚胺针织材料，因此由于纤维材料物理结构特性的差异，会导致聚酰亚胺针织手套的耐磨性优于棉针织手套。

对比图3（b）与图3（d），由于棉纤维的平均长度较短，在磨损过程中，脱落的纤维可以离开针织材料表面，因此耐磨测试后的棉针织材料表面不易保留组织结构之外的纤维材料；相反，聚酰亚胺纤维的平均长度较长，结合其较大的断裂伸长率，导致耐磨测试后的聚酰亚胺针织材料表面团聚了大量的磨损纤维。这种特性有利于针织手套在实际使用过程中控制脱出物脱落，磨损后产生的多余物较少。

顶破与耐磨测试结果表明，作为高模高强材料，聚酰亚胺针织手套的耐磨性远优于棉针织手套，且在耐磨过程中脱出物较少，结构稳定性高。对比棉针织手套的一次性使用，聚酰亚胺针织手套的力学性能优势，使其具有多次重复使用的可行性。

3.2 吸湿性测试与分析

模拟舒适手套穿戴在人手表面，在空间相对狭小密闭的环境中，采用加湿设备营造室温条件的湿态环境，由干态至湿态的回潮率变化曲线如图4（a）所示。将舒适手套通过水蒸气完全饱和后，通过模拟通风干燥环境，由湿态至干态的回潮率变化曲线如图4（b）所示。

图4 吸湿特性曲线Fig.4 Hygroscopicity curves of different knitted fab⁃rics

从干态至湿态的变化过程中，同等时间与环境条件下，单位重量的棉针织手套吸水率是聚酰亚胺针织手套的1.6 倍。湿态饱和状态下，棉针织手套的吸水率可达180%，是聚酰亚胺针织手套的2.2 倍。综合干态至湿态及湿态至干态的回潮率变化过程，聚酰亚胺针织手套受环境湿度变化的影响更小，更有利于保持相对稳定的使用状态。

3.3 透气性测试与分析

透气性反映了舒适手套在人体出汗过程中，对由汗液形成的湿热蒸气的释放能力。出汗作为人体潜热释放的重要手段，通过汗液蒸发的形式以人体水分为介质，有效带走人体多余热量［8］。舒适手套的高透气性能够使皮肤表面的湿热气体穿透舒适手套，并保持手部皮肤的干燥，有利于维持人手活动的灵活性与触感。

参照GB／T5453－1997《纺织品织物透气性的测定》，利用TEXTEST FX3300－Ⅳ全自动透气仪进行测试，测试压力选择100 Pa，对棉针织手套与聚酰亚胺针织手套的结构本体部分与罗纹织口部分分别进行透气率测试，结果如表2 所示。聚酰亚胺针织手套与棉针织手套在掌指部位针织结构与腕部罗纹弹力结构上均能保持相同水平的透气率。

表2 透气率测试结果Table 2 Results of the fabric permeability to air

3.4 热传导性测试与分析

聚酰亚胺具有低导热率特性，其导热率低于羊绒、羽绒、纯棉、腈纶、锦纶等常用纤维织物［9］。参考GB／T10294－2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》，采用双试样防护热板法，进行常压环境导热系数测试，其基于一维、稳态传热状态下的傅里叶导热定律，能够获得试样中心计量区域大小范围内的等效热导率或等效热阻，原理如图5 所示。

图5 导热系数测试设备原理图Fig.5 Schematic diagram of thermal con⁃ductivity measuring device

在双试件装置中，由2 个试样夹与1 个测量热板，热流由测量热板分别经两侧试件传给两侧冷却单元，测量热板总热流Φ如式（1）所示。

式中，Φg为流经上测试件热流，Φr为流经下测试件热流，热流按照傅里叶导热定律计算，如式（2）、式（3）所示。

式中，λg、λr分别为上下样件导热系数，hg、hr分别为上下样件厚度，T0、Tg、Tr分别为测量热板、上冷板、下冷板温度，A为测量热板面积。测试过程的动态平衡曲线如图6 所示。

图6 热传导率测试平衡曲线Fig.6 Curves of thermal conductivity measure

从热传导率测试曲线可见，聚酰亚胺的波动慢且更平缓，能够更好地缓冲测试实验过程中环境温度的波动，通过平衡态加热功率计算，棉纤维舒适手套的导热系数为0.132 W／（m·K），聚酰亚胺纤维针织手套的导热系数为0.121 W／（m·K）。综合聚酰亚胺针织材料较低的导热系数与低回潮率特性，相对于棉针织材料，其在湿态条件下可提供更有效的保温能力。

3.5 材料原生特性测试与分析

聚酰亚胺纤维在环境安全性、人体卫生学、远红外特性等方面具有原生性能力，是棉纤维所不具备的，对其开展进一步的测试分析，获得其原生特性与应用价值。

3.5.1 环境安全性测试与分析

工作状态的航天服内通常为高氧环境，聚酰亚胺具备的热稳定性与阻燃特性有利于维持航天服内的环境安全性，相关测试如表3 所示。

表3 面料热物性测试Table 3 Thermal physical properties of fabrics

聚酰亚胺具有极低的热膨胀系数，在热分解过程中不会产生强烈的热收缩或破裂，能够在极端异常高温下保持物理结构上的热阻隔，防止人体灼伤。

3.5.2 人体卫生学测试与分析

聚酰亚胺纤维具有原生性的抗菌抑菌功能，测试结果如表4 所示。其中，参照GB／T20944.3－2008《纺织品抗菌性能的评价第3 部分：振荡法》，以聚酰亚胺材料浸泡试验菌液，振荡1 h 后与空白对照组的活菌数进行对比，其大肠杆菌、金黄葡萄球菌、白色念珠菌的抑菌率均大于99.99%；参照GB4789.15－2016《食品卫生微生物学检验霉菌和酵母计数》，在28 ℃、湿度90% RH 的条件下，在材料表面进行14 天的黑曲霉菌培养，能够达到不生长的等级；参照GB／T24253－2009《纺织品防螨性能的评价》，在对照组平皿中螨数时为103 只的条件下，螨虫趋避率为71.84%，可确定其具有防螨效果。

表4 面料卫生学性能测试Table 4 Hygienic properties of fabrics

3.5.3 远红外性能测试与分析

远红外线具有较强的渗透力与辐射力，能够产生显著的温控效应与共振效应［10］，被人体吸收后可以转化为内能。远红外线透过人体表皮，可使体内的水分子产生共振，使水分子活化，增强分子间的结合力，使细胞产生共振效应，进一步将远红外热能传递到人体皮下较深的部分，使皮下深层温度上升，产生的温热由内向外散发。这种作用能够使毛细血管扩展，促进血液循环。

通过面料热物性测试，如表5 所示，聚酰亚胺针织材料具有较强的远红外功能，在4～16 μm 的远红外波长范围内，其材料发射率与吸收率均为88%，在此波长范围内，材料的吸收率与发射率相互平衡，能够在此波长范围内，形成屏蔽效应，使其远红外功能得到充分利用。