缓解人体热应激的医用防护服装研究进展及趋势 (1).pdf
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1、研究与技术丝绸 缓解人体热应激的医用防护服装研究进展及趋势 鲁雯玥 严语欣 陈 幸 宋文芳(广东工业大学 艺术与设计学院广州)摘要:目前医用防护服装存在热湿舒适性差的问题容易造成人体热应激引起人体皮肤损伤、虚脱、晕眩甚至中暑等症状 为了解如何缓解医用防护服装造成的人体热应激反应提高人体舒适性文章首先总结了医用防护服装的材料、款式及舒适性相关标准 接着阐述了目前缓解人体热应激的医用防护服装研究进展包括作业场所降温方式和异质结构面料、超吸水材料、辐射降温面料、相变冷却降温服装等研究成果 随后介绍了高导热材料、热电冷却材料和液态冷却三类缓解人体热应激的新材料与技术并提出了其在医用防护服装上的应用思路
2、 最后分析并展望了缓解人体热应激的医用防护服装研究趋势即未来研究需要从提高主动冷却设备的工效性能、扩展调温新材料与技术在医用防护服装上的应用及建立缓解人体热应激的医用防护服装设计方法和流程并开展相关测试与评价关键词:医用防护服装热应激热湿舒适性调温材料与技术工效性服装设计与评价中图分类号:.文献标志码:文章编号:()引用页码:./.收稿日期:修回日期:基金项目:教育部人文社会科学基金规划项目()广东省哲学社会科学规划年度共建项目()作者简介:鲁雯玥()女硕士研究生研究方向为医用防护服工效性能 通信作者:宋文芳副教授.医用防护服装可以阻隔携带病菌的血液、体液、分泌物及空气中的微粒保障医务工作者的
3、生命安全在新型冠状病毒防治工作中发挥了重要作用但也存在着突出的热湿舒适性差问题:医护人员长时间作业时大多表现出热相关疾病如头痛、虚脱、皮肤损伤、晕眩甚至中暑等症状 特别是近年来极端高温天气频发该问题更为显著医用防护服装为保证对病原微生物良好的阻隔性面料纤维结构致密孔径小而少并且纤维材料多为疏水性的聚丙烯、聚乙烯纤维 这种组合可以有效提升防护服的防护性但同时也会造成其较差的透湿透气性能 如何降低相关人员热应激反应提高人体舒适感、健康与安全是应当重点关注的问题 本文综述了缓解人体热应激的医用防护服装的设计总结分析了降温材料和技术的应用进展情况同时结合材料与技术发展现状分析了缓解人体热应激的医用防护
4、服装研究趋势以期为提高医护人员的安全、舒适度和健康指数提供参考 医用防护服装的材料、款式及舒适性目前防护服材料主要包括 复合非织造材料、闪蒸法非织造材料和层压复合材料 复合非织造材料采用熔喷非织造材料为芯层纺黏非织造材料为表面层用于制作一次性隔离服和手术衣 闪蒸法高密度聚乙烯非织造材料又称特卫强()材料采用闪蒸法制备具备优良的微生物阻隔性、抗撕裂性和防水透气性但其不耐高温无法进行高温洗消因此只适合用于制造医用一次性防护服装以往闪蒸法工艺由美国杜邦公司垄断现阶段厦门当盛新材料有限公司和天津工业大学团队成功对闪蒸技术和设备申请了专利实现了闪蒸纺丝技术的国产化 层压复合材料多采用聚乙烯()微孔膜、聚
5、四氟乙烯()微孔膜、热塑性聚氨酯弹性体橡胶()微孔膜等为防护阻隔层通过离线复合的加工方式将阻隔膜材与其他织物复合来制备防护服材料 用于制作医用一次性防护服装的层压复合材料多以纺黏或水刺非织造材料为基布以更便宜、性价比更高的 微孔膜为阻隔层采用一布一膜()或二布一膜()两种覆膜形式将两者复合得到 而重复性使用医用防护服装多以 微孔膜为阻隔层以涤纶织物为内外层制成三层复合材料 相比其他阻隔膜材采用 制备的层压织物具备更佳的阻隔性和透湿性在款式与色彩方面隔离服和手术衣为倒背式色彩多为.蓝色接触传染病患用医用防护服装主要有连体连帽式和分体结构式两种色彩以白色和浅蓝为主 其中连体连帽式医用防护服装具备良
6、好的结构密闭性和材料防护阻隔性广泛用于传染病的防治 连体连帽式医用一次性防护服装的结构如图 所示其采用两片帽或三片帽设计接缝处使用胶条密封杜绝水、气、病菌从接缝处渗漏拉链门襟设计方便穿脱帽檐、袖口、裤脚采用弹性收口加强密封性腰部采用半圈或整圈松紧提高合身性 另外医护人员实际工作中需佩戴口罩、护目镜或防护面罩以及乳胶手套和鞋套增强防护性 重复性使用医用防护服装结构与医用一次性防护服装大体一致但为保证重复洗涤后的密封性会在接缝密封、拉链选择和袖口裤脚设计等方面有所差异图 连体连帽式医用一次性防护服装结构.在热湿舒适性评价指标及标准方面国内医用防护服装相关标准 医用一次性防护服技术要求和/可重复使用
7、医用防护服技术要求规定材料透湿量应不小于 /()美国标准 紧急医疗操作用防护服和套装标准则是要求总体热损失须大于 /然而在实际作业中学者们通过问卷调研及人体热生理实验研究均发现医护人员穿着医用防护服装会出现热应激反应 可见目前医用防护服装的标准并不能满足医护人员实际穿着舒适性要求需要通过材料和技术的研究及应用来缓解人体热应激并通过人体穿着实验对防护服装进行测试与评价进一步完善标准 缓解人体热应激的医用防护服装研究现状及进展在实际作业现场目前已有的缓解医护人员热应激的方法主要包括风扇降温、使用冰马甲和正压防护服等 另外学术界也对医用防护服装用降温材料进行了广泛研究和探讨主要降温材料有异质结构面料
8、、超吸水材料、辐射降温面料、相变材料等 本文主要阐述相关材料与技术在医用防护服装上的应用现状、进展和研究不足.作业场所降温目前降低人体热应激最佳措施仍是空调设备但是其仅适用于室内作业人员 对于户外作业人员主要的降温方式有使用强力风扇穿着冰马甲及在身体周围放置冰块以冷却周围空气等如图 所示 由于传热原理和防护服的密闭性风扇降温仅在外界环境温度低于人体皮肤温度时起到一定作用 对于极端高温环境风扇降温不再发挥作用 另外穿着冰马甲仅会带来短暂的冷却效果而采用冰块冷却周围大环境带来的冷却效果更是有限图 作业场所常用降温方式(图片来自网络).()除上述方式外正压医用防护服装是目前采用的一种主动式的气冷降温
9、方式 当前新型正压防护服装被用来降低医护人员在高温作业环境下的热应激其作用原理是促进人体和服装微环境之间的空气流动使皮肤表面汗液蒸发带走热量 目前有两种类型的正压防护服即自然风冷却服和压缩冷空气制冷服装 图 为中国驼人集团研发的医用正压防护服其中冷空气由小型空气压缩机产生通过管道送入腰部新风系统(装有过滤装置)接着通过软管进入人体和服装微环境 另外将空气压缩机与新风系统分离此防护服可作为自然风冷却服使用 目前该防护服在河南、湖北、海南等多个地区的室外核酸检测现场对医护人员开展了小范围的穿着实验发现该防护服可显著提高穿着舒适性 然而由于价格昂贵且结构复杂该类正压防护服装并未得到广泛应用另外缺少对
10、该类防护服降温效果的主客观评价及着装后运动灵活性、穿脱便利性等方面的工效性评价未来研究需要通过热生理实验进行测试与评价第 卷 第 期缓解人体热应激的医用防护服装研究进展及趋势图 驼人集团医用正压防护服装.异质结构面料异质结构面料()是指双面润湿性能不同的单向导湿面料其可以将皮肤表面的汗液转移到外界环境减少人体穿着时的湿黏感同时汗液蒸发会带走热量提升人体舒适性 另外 面料可以阻止环境液体的渗透 王洁等采用泡沫整理法对聚丙烯纺黏熔喷纺黏非织造布()的一面采用亲水整理另一面进行“三拒一抗”整理(即拒水、拒油、拒酒精和抗静电)并发现整理后的 获得了良好的单向导湿效果 任祺等采用亲水性整理剂 对 非织造
11、布进行单面亲水整理整理后的材料透湿量从整理前的./()提升到./()透湿性得到显著提升 等制备了一种由聚乳酸()/低熔聚乳酸()和疏水热塑性聚氨酯()组成的新型 无纺布富含亲水性基团的 作为面料内层表现出优异的内吸水性疏水的 作为外层可有效提高非织造布的机械性能和耐磨性实现了非织造布内层吸收(防止液体回流)和外层保护性能可作为医用防护服装的候选材料 等开发了一种具有不对称性孔径的全亲水性射流二极管面料()液体可以自由地从该面料一侧吸向另一侧但反方向的输送被阻塞 该面料可用于防护服它允许人体汗液排出但阻挡有毒液体以提供舒适和保护 面料有望作为医用防护服装主体材料以提升其热湿舒适性 然而目前更多的
12、是对该面料的基础热物理性质测试即水气传递能力和隔热性测试缺少对其实际穿着效果评价 未来需要将此面料制作成医用防护服装开展人体穿着实验通过人体热生理指标变化及主观感觉进行评判.超吸水材料超吸水材料能吸收自身几十至几百倍的水分用于服装可以吸收大量人体皮肤表面汗液从而提升人体舒适性 目前超吸水材料在医用防护领域的研究主要是超吸水纤维和超吸水膜两种形态 等使用聚乙烯醇和高吸水聚合物成比例混合的溶液采用静电纺丝法制备了高吸水纳米纤维并将其涂覆在口罩上以改善口罩的防护性和舒适性 通过吸液能力和透气性测试发现该纳米纤维涂层增强了口罩吸收汗液的能力提高了佩戴舒适性但同时纳米纤维堵塞了口罩材料纤维孔隙降低了透气
13、性 等采用湿法纺丝法制备了一种新型医用防护服装复合面料(图)其外层为聚丙烯酸丙烯酰胺/聚乙烯醇纤维、竹浆纤维和乙丙烯纤维层合的超吸水无纺布内层为抗静电的高强度聚丙烯无纺布 通过实验发现该防护服面料具备优异的水分吸收能力其最大吸湿率达到./显著高于传统防护服面料的./并且其透湿系数达到 ./()为传统面料的.倍 等制备了一种可用于医用防护服装热管理的超吸水性锌聚乙烯醇复合薄膜并将 的该薄膜贴于医用防护服装背部内面进行了出汗假人实验 实验发现该薄膜可降低防护服内部 的湿度降低热指数到 以下从而降低医护人员中暑的可能性还可以显著降低防护服蒸发阻力以增强蒸发冷却来获得更多的热损失图 新型医用防护服装复
14、合面料.目前超吸水材料作为主体面料或者涂覆层可以提高防护服面料的透湿性、透气性但未研究其耐用性如吸湿后的机械性能下降等 另外未研究吸收材料制成的服装对人体造成的热生理和心理感受.辐射降温面料辐射降温面料概念最早由 等于 年提出其是由低红外反射率和高红外透射率材料层合而成并将人体辐射热量直接传输到外界环境中来提供被动降温 目前学者们探索了应用于医用防护服装的辐射降温面料制备及其降温效果评价 吴钦鑫等采用静电纺丝法制备了具有辐射降温功能的二氧化硅/聚偏氟乙烯(/)纳米纤维中间层并通过热压法将其夹在两层非织造布之中制备了辐射降温纳米纤维医用防护服装面料 同时将市售防护服腋下两侧面料替换为新型防护服面
15、料并开展了人体穿着实验发现实验结束时新型防护服面料将人体与服装微环境温湿度分别降低了约 和 等针对易暴露于极端高温环境下的特殊行业人员和医务工作者采用静电纺丝和浸渍涂层工艺合成了一种吸湿被动冷却分层超织物其同.时具备红外辐射冷却和水分蒸发冷却性能其作用原理如图 所示 通过热压法将该超织物与纺黏无纺布层合制备了一种防护性超织物并通过人体穿着实验发现相较于传统医用防护服装该织物制成的服装可以显著降低衣下空气层的温度和相对湿度 另外有学者制备了兼具水分管理性能的辐射降温面料 如 等使用聚丙烯腈和二氧化硅纳米颗粒制备了双层纳米多孔聚乙烯膜并发现该材料同时具有辐射冷却能力和各向异性润湿性能作用原理如图
16、所示通过人工皮肤模拟设备测试了其红外辐射冷却性能并发现在.的环境温度下相较于棉纤维面料和特卫强材料该材料覆盖的人工皮肤温度显著降低同时该材料通过了防水和细颗粒物阻断测试 该具有水分管理性能的辐射降温面料有望应用于医用防护服装以提高医护人员热湿舒适感图 辐射降温面料作用原理示意.图 双层纳米多孔聚乙烯膜的作用原理示意.目前研究通过人体穿着实验证明红外辐射降温面料可以显著降低衣下空气层温度但未能给出直接反应人体热湿舒适性的客观生理指标如皮肤温度或者主观感受指标 另外多数研究未探索辐射降温面料的其他重要指标如机械性能等.相变冷却降温相变材料()是指随外界温度变化而改变状态并能产生潜热的物质其由固态变
17、为液态或由液态变为固态时会吸收或释放大量的潜热而物质温度不变 目前 应用于服装面料主要有三种途径即将 植入纤维内部、将 涂敷于织物表面及将 以块状的形式置于服装多个位置 研究发现 的制冷/加热效果显著取决于其质量和覆盖面积 前两种途径无法在纤维或面料内加入大量的 因而获得的 面料降温效果不显著而将块状 加入服装内可以提供显著的制冷量 等设计了一款穿在医用防护服装下的相变材料降温背心前后分别有 个和 个口袋每个口袋用于装入相变材料包 通过实地测量 位医护人员穿着该背心作业时的生理指标和主观感受发现该降温背心可显著降低人体核心温度和心率改善热舒适和热感觉水平 另外该背心在使用前只需放在低温冰箱里激
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