探讨辐射降温纳米纤维医用防护服面料及传感系统集成

刘仕琪

（江苏省特种安全防护产品质量监督检验中心，江苏 泰州 225300）

在当前全世界范围内各种流行病肆意传播的背景下，要想做好流行病的防疫工作，除了需要进行科学防控和医学救治以外，还需要防护服、口罩等防护用品保障医护人员和救援人员的安全，在医护人员和患者之间创建有效的防护屏障。因此，需要针对医疗防护服的制备和应用性能开展系统研究，在减轻医护人员穿着负担的基础上拓展防护服的应用功能，发挥良好的防护效果。

1 研究背景

当前市面上销售的医用防护服普遍存在透视性和透气性差等问题，在医护人员穿戴时间持续延长的条件下，防护服内部环境因为湿度和温度的上升，直接影响防护服的穿着舒适度。医疗工作者长时间在高湿、高温环境中工作容易感到不适，影响整体工作效率。因此，设计人员需要严格按照防护服面料相关设计原则开展各项工作，除了要满足标准防护性能要求，还要保证穿着舒适度。静电纺丝纳米纤维因自身特殊的三维结构，其孔隙率超过熔喷布，面料的透气性较好。因为静电纺丝纳米纤维中携带大量静电荷，容易形成静电吸附，所以被当作过滤材料，是未来制作医用防护服的理想材料。传统模式下的单组分静电纺丝纳米纤维面料因为缺少多功能性，需要研究人员重点研究如何提升面料的辐射降温性能。为避免医护人员在穿着防护服时出现意外，部分防护服开始集成设计各种传感系统。针对医用防护服构筑智能传感防护系统具有重要价值[1]。

2 医用防护服分析

2.1 医用防护服分类

最开始医生穿着防护服主要为了避免遭受分泌物和血液污染。新型冠状病毒肺炎疫情彻底暴发后，人们对于医用防护服的功能产生了更加深刻的认识。医用防护服作为保障公共安全的重要装置和应急物资，能帮助医护人员降低传染病的传染风险。当前的医用防护服类型主要涵盖非织造布类和机织类。非织造布因生产简单、成本低廉以及具有环保性、良好的疏水性和机械性能等特征，在医用防护服中得到广泛应用。因为新冠病毒的强大传播能力，在该轮疫情下，医用防护服皆为一次性服装，使用后能进行集中回收利用，并根据统一标准直接销毁，可有效阻隔病毒传播[2]。

2.2 医用防护服材料

闪蒸法非织造布主要经过闪蒸纺丝获得聚乙烯非织造布，这种防护服具有强度较高、透气性较好、耐穿刺、防护性能较为稳定的优点。覆膜非织造纺织品主要是针对防渗透气膜和纺黏布进行复合，主要涵盖聚四氟乙烯膜、聚氨酯膜以及聚乙烯膜（复合膜）3种，相关结构分成两布一膜，拥有良好的疏水性，能阻隔液体渗透。静电纺丝材料属于纳米纤维技术中的基础材料之一，运用该材料制作的防护服所形成的电场力能够克服液体表层张力。静电纺丝纳米纤维膜整体制造工艺可控，孔隙率高且表面积大，除了可以提升过滤效率，还可以改善防护服的透气性，广泛应用于过滤材料中[3]。

3 辐射降温纳米纤维材料和具体应用

3.1 辐射降温材料

在辐射降温材料方面，自然界存在诸多辐射降温典型例子。例如，虽然撒哈拉沙漠气温较高，但依然有大量生物在此生存，比如撒哈拉银蚁因主体覆盖密集毛发，处于0.4~1.7 μm太阳光波长下具备较强的反射率，处于2.5~1.6 μm中红外波长内存在较高的热辐射率，即使在炎热沙漠，依然能借助红外线辐射热量维持舒适的体温。相关生物材料对应的纳米结构对研发辐射降温材料具有良好的启发作用。二氧化硅颗粒呈随机分布状态，主要表现为50 μm厚聚甲基戊烯膜，这种材料因二氧化硅颗粒自身强大的声子-极化子共振效应，基于大气窗口易形成较高的发射强度。除此之外，二氧化硅微粒子于可见光方位呈现出透明状态，能避免太阳直射导致温度上升。二氧化硅颗粒直径单纯对超材料光学性质产生影响。

3.2 传感材料

力敏传感器可以对测试服装相关承压分布和大小程度进行准确检测，主要分为摩擦电式、压阻式、压电式以及电容式，而压阻式力敏传感器因具有较强的抗干扰能力、快速反应和制作简便等优势在商业传感器领域被广泛应用。柔性力敏传感器整体柔性较好，可以与服装集成，可穿戴使用，广泛应用于运动评估、医疗监测、电子皮肤等领域。传感材料的选择会直接影响柔性力敏传感器整体传感性能，而有效的导电传感材料可以进一步延长响应时间并提高灵敏度，优化设备元件综合性能[4]。

3.3 织物应用

新型冠状病毒肺炎疫情的全面暴发对全球各地产生不良影响，在我国火车站、机场等核心交通枢纽场所可以经常看到穿戴医用防护服的工作者。传统防护服由于舒适性较差，容易损害医护人员的身体健康。因此，合理改善防护性能和透气性，可以进一步提升防护服的舒适度。静电纺丝材料作为一种方便快捷、连续、高效的纳米纤维，运用该材料制造的纳米纤维膜拥有良好的静电吸附功能，并广泛应用于过滤材料领域。尽管纳米纤维应用功能相对单一，但通过增加二氧化硅颗粒能顺利制造出拥有良好辐射降温功能的服饰材料，应用于防护服制作中能针对人体实施有效的热管理。

4 辐射降温纳米纤维医用防护服面料

4.1 防护服面料形态

辐射降温纳米纤维防护服面料SEM图如图1所示。采用辐射降温纳米纤维制作的医用防护服面料表层存在一定孔隙，因此，需进一步提升防护服的透湿性和透气性，提高工作人员的穿着舒适度。采用辐射降温纳米纤维制作的防护服表面主要为无纺布层，中间是静电纺丝过滤层，具有良好的辐射降温功能。该材料的防护性能符合国家行业标准，提高了面料的孔隙率，能进一步优化材料的透湿性能和透气性能。

图1 辐射降温纳米纤维防护服面料SEM图

4.2 防护服面料的防护性能

防护服面料整体机械性能较好且较为牢固，不会轻易被撕扯断开，因此，对面料实施抗撕裂检测十分必要。辐射降温纳米纤维材料适用于医用防护服的制作。材料性能检测中的液体反应主要通过接触角显示，液体和服饰材料对应气、固、液相接触所形成的夹角便是接触角，如果小于90°属于亲水，大于90°属于疏水。辐射降温纳米纤维面料能有效阻隔渗透液体，具有较好的防护作用。按照行业标准要求，医用防护服在实际应用中的相关空气颗粒过滤效率应超过70.000%，辐射降温纳米纤维面料的过滤效率则达到88.378%，与传统商用防护服相比，整体过滤效率超过14.400%，主要是因为静电纺丝纳米纤维材料内涵盖大量静电荷，形成某种静电吸附效应。此外，静电纺丝多孔结构有助于有效过滤颗粒物。

4.3 防护服面料的舒适性

在柔软度方面，随着织物刚度降低，面料的柔软度提高。通过进一步增加氧化硅颗粒，经过综合制作形成的辐射降温纳米纤维不会对防护服面料的柔软度造成不良影响。通过织物的透气性能准确判断气体透过织物的程度，而孔隙的数量和大小会直接影响织物的透气性。采用辐射降温纳米纤维制作的医用防护服整体透气率超过一般商用防护服约45.000%。透湿率是判断水分通过织物的难易程度，对防护人员顺利蒸发汗液具有重要意义。织物的透湿率和纤维孔隙有关，同时还会影响织物的亲水性。研究发现，辐射降温纳米纤维平均透湿率达到240.658 g/（m2·h），远远超过一般商用防护服，因为辐射降温纳米纤维属于一种疏水性材料，能避免水蒸气扩散导致纤维吸收水分。除此之外，辐射降温纳米纤维材料属于一种纤维形式的多孔网络，所以能支持环境中的水分和空气顺利从服装内扩散至外部环境，在种种因素影响下，有效改善了防护服面料的透湿性。织物热阻值即人体所形成热量在织物中的通过能力，数值越高，热量越不会轻易传输至外界。因此，防护服的热阻值越小，越方便人体将多余热量扩散至服装外，而采用辐射降温纳米纤维制备的防护服整体热阻值较低，有助于医护人员散发热量。

4.4 辐射降温面料的应用

针对采用辐射降温纳米纤维制作的防护服进行天空辐射降温测试发现，一般商用防护服的肩部、边角等部位的温度和环境温度几乎一致，不存在明显降温效果。采用辐射降温纳米纤维制作的防护服在较大光强度的条件下，面料底层和顶部温差是2.5 ℃，面料底层和环境温度间的温差是7.0 ℃。随着时间不断延长，在光照强度减弱的条件下，面料表面和内部的温度状态与环境温度间的差异减小。因为二氧化硅微球在大气透明窗口8~13 μm拥有强烈共振吸收功能，在阳光辐射强度增加以及环境升温条件下，辐射降温纳米纤维可以把热量利用随机分散的二氧化硅表层声子-极化子共振传输至外部空气中，发挥出防护服的降温效应。在太阳光强度接近0的条件下，二氧化硅微球表层声子-极化子共振进一步减弱，降温效果不明显。采用辐射降温纳米纤维制作的防护服面料存在大量孔隙，医护人员穿着防护服时可以通过面料的孔隙发散热量，与环境空气进行顺畅循环，合理改善着装舒适度。

5 辐射降温纳米纤维医用防护服传感系统集成

5.1 传感器设计

基于辐射降温功能，针对防护服面料上的传感系统进行集成互联，得到多功能医用防护服样品，在静电纺面料中创新性集成各种可穿戴传感系统，并对医务人员的个人健康状况进行实时监测，在医疗应急和大健康领域发挥着重要作用。在传感器设计和型号方面，各个传感器和电路板之间以拔插连接为主，安装拆卸较为便捷，能二次应用。如果一个人的身体比较健康，其对应血氧饱和度会超过95.000%；如果一个人生病或感觉疲劳，其血氧饱和度会下降。血氧饱和度作为一种关键生理参数，能体现出肺部氧合以及血红蛋白的携氧能力，也是判断人体血液携氧水平的基础指标。比如新冠病毒会导致人体内血氧饱和度快速降低，可通过血氧饱和度检测用传感装置对目标人员的血氧饱和度进行实时监控，预防因血氧饱和度不足所引发的各种意外。

体内温湿度是判断穿着者舒适度的基础参数，因此，需要设置温湿度传感设备，选择DH11温湿度传感器，为节约空间，可以在电路板内进行集成设计。在疫情背景下，人员移动轨迹较复杂，而掌握人员行动路径能为工作人员后续研究流行病学和进行防疫筛查提供有效参考。各个传感器之间的相关数据信息主要是利用单片机进行编译并转化为数字信号传送至手机应用内[5]。

5.2 保护壳设计

假如各个电路板和传感器全部暴露于外部，容易影响医用防护服的穿着舒适度，还有可能损伤电路板，因此，需要合理配置保护壳，可以直接运用成本低廉、快捷简便的3D打印法，对保护壳进行打印，将定位传感器、电路板以及聚合物电池分别设置在3个保护壳内，在有效保护基础元件的同时，改善防护服的舒适度和美观度，并在保护壳侧边设置槽孔，方便引出导线。此外，合理设置插槽结构，可以优化界面联系，提升界面贴合紧密度，不会轻易发生脱落现象，有助于后续直接开启和提取传感装置，可利用魔术贴直接固定防护服和外部保护壳，支持各个元件发挥良好的可拆卸功能[6]。

5.3 互联防护系统

柔性互联集成系统主要包括定位传感器、温湿度传感器以及血氧传感器等部件。传感器件分布于3D打印保护壳内，借助手机应用可以查看相关人员的地理位置、体表温湿度以及血氧浓度。在防护服内侧对应手腕部位设置血氧传感器，并利用防护服中的封装导线连接单片机，在皮肤上按压传感器能对人体内的血氧浓度进行实时检测。要想准确评估人体舒适度，可以利用温湿度传感器检测体表温湿度。除此之外，当因人员移动导致位置发生变化时，相关经纬度也会发生一定变化，该系统能在危险发生时快速定位，保障人员安全。柔性互联系统的有效应用有助于监测防护人员的整体健康状态。智能防护服主要由4个部分构成，分别是蓝牙、定位传感器、血氧传感器以及温湿度传感器。电池能为整个智能系统提供基础电力支持。单片机这一装置能在接收传感器所检测信号后实施转化编译，将其变成数字信号，并利用WiFi和蓝牙进行无线传输，顺利发送相关信号。用户可以直接通过手机实时查看各种应用程序，能有效监测并保障医务人员的舒适度和健康安全，在物联网、大数据以及智能医疗等领域发挥重要作用。

6 结语

静电纺丝法是运用辐射降温二氧化硅/聚偏氟乙烯纳米纤维制作防护服面料，有助于优化防护服性能，同时在辐射降温纳米纤维防护服面料中全面集成设置定位、温湿度测量装置、血氧传感装置，构建多功能防护系统，能推动医疗应急领域进一步发展，提升医疗防护水平。