輻射降溫納米纖維醫用防護服面料及傳感系統集成

吳欽鑫，侯成義，李耀剛，張青紅，秦宗益，王宏志

(東華大學 纖維材料改性國家重點實驗室, 上海 201620)

防護服面料主要是非織造布(NWF)和熔噴布(M)多層復合非織造布，其阻隔效果好，但是透氣透濕性能有待提高[1-2]。由于防護服的透氣性差，醫務人員長時間穿著防護服會產生不適，并且較難實現對穿著防護服人員健康狀況的實時監測;因此，開發透氣透濕且具有健康監測功能的醫用防護服尤為重要。

市售醫用防護服面料中的過濾層為熔噴布，熔噴布單位面積纖維數量多、比表面積大，因而具有很好的過濾性[3-4]，但熔噴布價格高，生產能耗高且污染大。相比之下，靜電紡絲技術具有制造裝置簡單、紡絲成本低廉、產品種類繁多和工藝可控等優點。由靜電紡絲制備的納米纖維過濾膜，纖維比較細且無規則排列，駐極體內有大量電荷儲存[5]，其靜電吸附效應可產生良好的過濾效果[6]；但是靜電紡過濾面料仍缺乏多功能性，如何在防護服面料中添加輻射降溫和傳感功能仍是需要解決的問題。

已有研究團隊成功將微米級的SiO2微球與聚甲基戊烯混合，制備得到50 μm厚的輻射降溫半透明薄膜[7]。該薄膜在8～13 μm的紅外線波段(大氣窗口波段)表現出優異的選擇性輻射降溫，這種降溫方式不需要消耗任何外界能量就能做到被動式持續降溫，但目前的輻射降溫材料大多是塊體、薄膜等，不適合用于人體降溫。針對這個問題，崔屹團隊開發了一種能夠強反射太陽光的降溫織物[8]。使用氧化鋅納米粒子嵌入的聚乙烯進行室外輻射散熱。通過反射90%以上的太陽輻照度，并選擇性地將人體熱輻射發射出去，因此能夠在室外陽光直射下為人體降溫[9-11]。

將輻射降溫材料與織物相結合是多功能面料的一大發展趨勢[12-14]。本文研究將輻射降溫技術運用到靜電紡防護服面料改性中，提高了防護服穿著時的舒適性。通過在靜電紡面料上集成可穿戴傳感系統實時監測醫務人員的個體健康，在大健康、醫療應急等應用中有望扮演重要角色。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

N,N-二甲基甲酰胺(DMF，分析純)，羅恩試劑有限公司；丙酮(分析純)，國藥集團化學試劑有限公司；聚偏氟乙烯(PVDF，重均分子量為15.0×104)，盛邦化工有限公司；二氧化硅(SiO2，粒徑為2、4、8 μm)，雙贏合金材料有限公司；非織造布(聚丙烯(PP)材質)，唐盛紡織材料有限公司；一次性醫用防護服，振德醫療有限公司。

1.2 SiO2/PVDF納米纖維的制備

分別稱取相應質量的PVDF和SiO2，將質量比為3∶2的DMF和丙酮配制成溶劑。再將PVDF粉末和SiO2粉末倒入溶劑中，于70 ℃ 恒溫下加熱，磁力攪拌8 h后，超聲分散30 min。將上述配制好的紡絲液進行靜電紡絲(紡絲條件為：溫度(26±3)℃,紡絲箱相對濕度(35±5)%，推注速度0.8 mm/min,電壓18 kV)，得到SiO2/PVDF輻射降溫納米纖維。

1.3 SiO2/PVDF防護服面料的制備

通過熱壓的方法，將靜電紡絲層SiO2/PVDF輻射降溫納米纖維封裝在2層非織造布之中，得到輻射降溫防護服面料(SiO2/PVDF-NWF)。市售非織造布/熔噴布多層防護服面料標記為M-NWF。

1.4 測試與表征

1.4.1 形貌觀察

采用G2 pro掃描電子顯微鏡(SEM)觀察復合納米纖維表面形貌。測試前對試樣進行噴金處理，測試電壓為15 kV。

1.4.2 熱輻射透過率測試

采用Spectrum BX Ⅱ傅里葉紅外光譜表征復合納米纖維的熱輻射透過率，測試波長為4～16 μm。

1.4.3 抗彎柔軟度測試

采用川端評估系統(KES-FB)對防護服面料進行抗彎力矩測試。抗彎力矩越小則表明柔軟度越好，測試曲率為0.5～1.5。

1.4.4 透氣性測試

參照GB/T 24218.15—2018《非織造布試驗方法 第15部分：透氣性的測定》，采用YG461E織物透氣儀根據壓差法對防護服面料進行透氣性測試。測試壓差為100 Pa。

1.4.5 透濕率測試

參照GB/T 12704.1—2009《織物透濕性試驗方法 第1部分：吸濕法》，采用YG601H織物透濕量儀對防護服面料進行透濕率測試。測試溫度為35 ℃、相對濕度為95%。每個試樣測5次，取平均值。

1.4.6 熱阻測試

參照GB/T 11048—2008《生理舒適性 穩態條件下熱阻和濕阻的測定》，采用YG606E型紡織品熱阻測試儀對防護服面料進行熱阻測試。測試溫度為26 ℃。每個試樣測5次，取平均值。

1.4.7 接觸角測試

采用OCA40 Micro全自動視頻微觀接觸角測量儀對防護服面料進行接觸角測試。測試溫度為25 ℃，注射液體體積為10 nL。

1.4.8 過濾效率測試

參照GB 19082—2009《醫用一次性防護服技術要求》，采用QINSUN G506過濾效率測試儀對防護服面料進行過濾效率測試。測試條件：采樣流量為28.3 L/min、噴霧流量為9 L/min、氣溶膠發生器顆粒直徑中值為3.0 μm。每個試樣測5次，取平均值。

1.4.9 天空輻射降溫性能測試

采用吉時利2700數據采集器對防護服面料天空輻射降溫性能進行測試。將測溫熱電偶置于防護服面料的頂部、底部和環境處，以檢測這3處的實時溫度及變化情況。

2 結果與討論

2.1 SiO2/PVDF納米纖維制備工藝分析

2.1.1 SiO2粒徑對SiO2/PVDF納米纖維影響

紡絲液中PVDF質量分數為15%，SiO2與PVDF質量比為1∶10時，探究不同SiO2粒徑對SiO2/PVDF納米纖維紅外透過率的影響，其納米纖維的SEM照片如圖1所示。可以看出，SiO2顆粒分布在納米纖維表面或內部，隨著顆粒粒徑的增大，纖維中附著的SiO2顆粒逐漸減少。當顆粒粒徑較大時，纖維相對于SiO2直徑較細，SiO2顆粒不易吸附在PVDF纖維上，容易脫落。

圖1 不同SiO2粒徑下SiO2/PVDF納米纖維的SEM照片

圖2為不同SiO2粒徑的SiO2/PVDF納米纖維的紅外光譜圖。可以看出，含有不同粒徑SiO2的SiO2/PVDF納米纖維均在9 μm處有吸收峰，但隨著SiO2粒徑的增大，SiO2/PVDF納米纖維在9 μm波長處的紅外吸收峰逐漸減小，這也反映出復合的SiO2顆粒越大，越容易脫落，導致紅外吸收峰減小。

圖2 不同SiO2粒徑的SiO2/PVDF納米纖維的紅外透過率圖譜

2.1.2 PVDF質量分數對SiO2/PVDF納米纖維影響

當SiO2粒徑為2 μm，SiO2與PVDF質量比為1∶10時，研究紡絲液PVDF質量分數對SiO2/PVDF納米纖維紅外透過率的影響，其納米纖維的SEM照片如圖3所示。可看出當紡絲液中PVDF質量分數為10%、12%時，纖維有較多串珠，宏觀上表現出纖維膜容易破裂。當紡絲液質量分數低時，纖維較細，SiO2顆粒也不易吸附在纖維上，容易脫落。而如圖3(c)、(d)所示，當紡絲液質量分數升高時，纖維表面形貌光滑，SiO2顆粒均勻吸附在纖維上。

圖3 不同PVDF質量分數的SiO2/PVDF納米纖維的SEM照片

圖4為不同PVDF質量分數的SiO2/PVDF納米纖維紅外光譜圖。可看出，SiO2/PVDF納米纖維在9 μm波長處的紅外吸收峰強度隨著紡絲液濃度的增大而增強。當PVDF質量分數為10%和12%時，二者在9 μm波長處的紅外吸收峰幾乎一致；當PVDF質量分數增大至15%和18%時，二者在9 μm波長處的紅外吸收峰也幾乎一致，但吸收強度大于紡絲液中PVDF質量分數為10%和12%的SiO2/PVDF納米纖維。

圖4 不同PVDF質量分數的SiO2/PVDF納米纖維紅外光譜

2.1.3 SiO2摻雜量對SiO2/PVDF納米纖維影響

紡絲液中PVDF質量分數為15%，探究粒徑為2 μm的SiO2摻雜量對SiO2/PVDF納米纖維紅外透過率的影響，其納米纖維的表面形貌如圖5所示。當SiO2與PVDF質量比為1∶10(圖5(b))和3∶20(圖5(c))時，SiO2顆粒在納米纖維中分布較為均勻，但如圖5(d)所示，當SiO2與PVDF質量比為1∶5時，大量顆粒團聚，這會降低納米纖維的孔隙率，從而導致面料的透氣性變差。

圖5 不同SiO2摻雜量的SiO2/PVDF納米纖維的SEM照片

圖6示出不同SiO2摻雜量的SiO2/PVDF納米纖維的紅外光譜。表明未添加SiO2的樣品，在9 μm處無明顯的紅外吸收峰，而添加了SiO2的樣品隨著摻雜量的增大，在9 μm處的紅外吸收峰逐漸增大，這反映出其紅外輻射性能的提高。當SiO2與PVDF質量比為3∶20和1∶5時，二者的紅外吸收峰強度差異不大。

圖6 不同SiO2摻雜量的SiO2/PVDF納米纖維的紅外光譜

結合上述實驗結果，PVDF質量分數為15%、SiO2粒徑為2 μm、SiO2與PVDF質量比為3∶20為SiO2與PVDF輻射降溫納米纖維的最優參數，這一系列參數將用于后續實驗。

2.2 輻射降溫防護服面料穿著舒適性

防護服面料透氣性測試結果如圖7所示。2種面料的透氣率都隨著面料表面施加的壓力增大而升高，但SiO2/PVDF-NWF的透氣率比M-NWF高50%左右。

圖7 防護服面料的透氣性

透濕性能好的面料能夠將皮膚排出的汗液有效擴散，保證身體皮膚的干爽舒適。2種面料的透濕率和熱阻如表1所示。M-NWF和SiO2/PVDF-NWF的平均透濕率分別為26.762和240.658 g/(m2·h)。說明SiO2/PVDF-NWF比M-NWF的透濕性好，SiO2/PVDF納米纖維是疏水材料，可有效防止水蒸氣擴散到纖維上，另外SiO2/PVDF-NWF均是由纖維構成多孔的網絡，因此空氣和水分可有效地從皮膚擴散到環境中，這對透濕率有一定的促進作用。

熱阻是反映服裝保溫性能的參數，其值越大說明保溫性能越好。由表1可知，M-NWF的熱阻為0.115 9 ℃·m2/W，而SiO2/PVDF-NWF的熱阻更低，為0.083 8 ℃·m2/W。說明SiO2/PVDF-NWF可有效將人體產生的熱量擴散到防護服外，提高穿著舒適性。

表1 SiO2/PVDF-NWF和M-NWF的透濕率和熱阻

2.3 輻射降溫防護服面料防護性能

對面料進行了抗撕裂測試，應力-位移曲線如圖8(a)所示。由圖可知M-NWF最大載荷為5.5 N，SiO2/PVDF-NWF最大載荷為5.3 N，二者位移差約為 5 mm，且抗撕裂強度相差不大。

圖8 輻射降溫防護服面料性能測試圖

從圖8(b)的接觸角可看出，NWF層的接觸角為101.0°，SiO2/PVDF的接觸角為107.1°，2層均為疏水材料，表明該面料可有效阻擋液體滲透，起到防護作用。

根據GB 19082—2009，防護服的過濾效率需大于70%。M-NWF的過濾效率為73.937%，而SiO2/PVDF-NWF的過濾效率為88.378%，比傳統商用防護服的過濾效率高14.4%，這歸因于靜電紡絲納米纖維材料中的大量靜電荷所產生的靜電吸附效應。

2.4 天空輻射降溫性能

輻射降溫防護服面料的輻射降溫性能可通過如圖9(a)所示的設備進行更準確的測試。

圖9 天空輻射降溫圖

測溫裝置的主體材料為聚乙烯泡沫，裝置表面為鋁箔，以隔絕測試區域與外界的熱交換。使用聚丙烯支架放置測試樣品，測量溫度的熱電偶分別置于樣品的底部、頂部和裝置周圍。圖9(b)示出測試過程太陽光實時輻射強度。M-NWF的時間-溫度曲線如圖9(c)所示，面料底部、上部和環境溫度均趨于一致，無明顯降溫效果。SiO2/PVDF-NWF的溫度-時間曲線如圖9(d)所示，當光強度較強時，面料底部與頂部溫差為2.5 ℃，面料底部與環境溫度的溫差為7 ℃。這是因為SiO2微球在大氣透明窗口處(波長為8～13 μm)具有強的共振吸收，在受到太陽光輻射升溫時，SiO2/PVDF復合納米纖維能夠將熱量通過無序分散的SiO2微球表面聲子共振源源不斷地輸送到外太空冷源，達到降溫的效果。當太陽光強度趨于0時，SiO2微球的表面聲子共振減弱，無降溫效果。

2.5 多功能防護服系統集成

為測試輻射降溫防護服面料的調溫調濕功能，將傳統商用防護服腋下兩側面料替換為SiO2/PVDF-NWF，并測試了人員穿著時體表的溫濕度變化情況,如圖10所示。可看出，穿著部分替換SiO2/PVDF-NWF的防護服的被試者體表微環境溫度比穿著傳統防護服低2 ℃左右，體表的相對濕度亦降低5%左右。這表明，相比于傳統防護服面料，SiO2/PVDF-NWF具有更好的穿著舒適性。

圖10 穿著防護服時體表溫濕度變化

在輻射降溫功能基礎上，進一步通過防護服面料上的傳感系統柔性互聯集成，獲得了多功能醫用防護服樣件，如圖11所示。該互聯柔性集成系統由血氧傳感器(型號HW-605，分辨率：1 dBm)、溫濕度傳感器(型號DH11，溫度精度為±0.3 ℃，相對濕度精度為±3%)和北斗GPS定位傳感器(型號BD182，精度小于2.5 m)組成，可通過手機應用查看被試人員的血氧濃度、體表溫濕度和地理位置等。

圖11 多功能防護服系統示意圖

通過圖11局部放大圖可知，互聯柔性集成系統的傳感器件放置在相應的3D打印保護殼中。導線使用熱封條集成在防護服表面，將各傳感器與單片機相連，聚合物鋰電池給傳感器和單片機提供工作電源。血氧傳感器設置在防護服內側的手腕處，傳感器按壓在皮膚上可檢測人員的血氧濃度。被試人員的舒適性可通過溫濕度傳感器檢測到的體表溫濕度進行評估。此外，被試人員位置發生改變時，經緯度也會發生相應的變化，可實現快速定位。本套柔性互聯集成系統有望應用于防護人員的健康狀況監測。

3 結 論

通過靜電紡絲法制備了具有輻射降溫功能的SiO2/PVDF納米纖維，通過熱壓法將SiO2/PVDF納米纖維封裝在2層非織造布之中得到輻射降溫防護服面料(SiO2/PVDF-NWF),進一步在防護服面料上集成了柔性互聯的傳感系統。得到如下主要結論。

1)紡絲液中PVDF質量分數為15%，摻雜SiO2粒徑為2 μm，SiO2與PVDF質量比為3∶20時，SiO2/PVDF納米纖維的顯微結構和9 μm處的紅外透過率最佳。

2)SiO2/PVDF-NWF面料的透濕率為240.658 g/(m2·h)，熱阻為0.083 8 ℃·m2/W，過濾效率為88.378%。

3)經天空輻射降溫測試得到SiO2/PVDF-NWF上下兩側的溫差為2.5 ℃。并將其替換部分商用防護服面料，穿著人員內部微環境相較穿著市售醫用防護服降低了2 ℃，相對濕度降低了5%。

4)在防護服中集成了血氧、溫濕度和定位傳感器，構筑了多功能防護系統。

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