探討輻射降溫納米纖維醫用防護服面料及傳感系統集成

劉仕琪

（江蘇省特種安全防護產品質量監督檢驗中心，江蘇 泰州 225300）

在當前全世界范圍內各種流行病肆意傳播的背景下，要想做好流行病的防疫工作，除了需要進行科學防控和醫學救治以外，還需要防護服、口罩等防護用品保障醫護人員和救援人員的安全，在醫護人員和患者之間創建有效的防護屏障。因此，需要針對醫療防護服的制備和應用性能開展系統研究，在減輕醫護人員穿著負擔的基礎上拓展防護服的應用功能，發揮良好的防護效果。

1 研究背景

當前市面上銷售的醫用防護服普遍存在透視性和透氣性差等問題，在醫護人員穿戴時間持續延長的條件下，防護服內部環境因為濕度和溫度的上升，直接影響防護服的穿著舒適度。醫療工作者長時間在高濕、高溫環境中工作容易感到不適，影響整體工作效率。因此，設計人員需要嚴格按照防護服面料相關設計原則開展各項工作，除了要滿足標準防護性能要求，還要保證穿著舒適度。靜電紡絲納米纖維因自身特殊的三維結構，其孔隙率超過熔噴布，面料的透氣性較好。因為靜電紡絲納米纖維中攜帶大量靜電荷，容易形成靜電吸附，所以被當作過濾材料，是未來制作醫用防護服的理想材料。傳統模式下的單組分靜電紡絲納米纖維面料因為缺少多功能性，需要研究人員重點研究如何提升面料的輻射降溫性能。為避免醫護人員在穿著防護服時出現意外，部分防護服開始集成設計各種傳感系統。針對醫用防護服構筑智能傳感防護系統具有重要價值[1]。

2 醫用防護服分析

2.1 醫用防護服分類

最開始醫生穿著防護服主要為了避免遭受分泌物和血液污染。新型冠狀病毒肺炎疫情徹底暴發后，人們對于醫用防護服的功能產生了更加深刻的認識。醫用防護服作為保障公共安全的重要裝置和應急物資，能幫助醫護人員降低傳染病的傳染風險。當前的醫用防護服類型主要涵蓋非織造布類和機織類。非織造布因生產簡單、成本低廉以及具有環保性、良好的疏水性和機械性能等特征，在醫用防護服中得到廣泛應用。因為新冠病毒的強大傳播能力，在該輪疫情下，醫用防護服皆為一次性服裝，使用后能進行集中回收利用，并根據統一標準直接銷毀，可有效阻隔病毒傳播[2]。

2.2 醫用防護服材料

閃蒸法非織造布主要經過閃蒸紡絲獲得聚乙烯非織造布，這種防護服具有強度較高、透氣性較好、耐穿刺、防護性能較為穩定的優點。覆膜非織造紡織品主要是針對防滲透氣膜和紡黏布進行復合，主要涵蓋聚四氟乙烯膜、聚氨酯膜以及聚乙烯膜（復合膜）3種，相關結構分成兩布一膜，擁有良好的疏水性，能阻隔液體滲透。靜電紡絲材料屬于納米纖維技術中的基礎材料之一，運用該材料制作的防護服所形成的電場力能夠克服液體表層張力。靜電紡絲納米纖維膜整體制造工藝可控，孔隙率高且表面積大，除了可以提升過濾效率，還可以改善防護服的透氣性，廣泛應用于過濾材料中[3]。

3 輻射降溫納米纖維材料和具體應用

3.1 輻射降溫材料

在輻射降溫材料方面，自然界存在諸多輻射降溫典型例子。例如，雖然撒哈拉沙漠氣溫較高，但依然有大量生物在此生存，比如撒哈拉銀蟻因主體覆蓋密集毛發，處于0.4~1.7 μm太陽光波長下具備較強的反射率，處于2.5~1.6 μm中紅外波長內存在較高的熱輻射率，即使在炎熱沙漠，依然能借助紅外線輻射熱量維持舒適的體溫。相關生物材料對應的納米結構對研發輻射降溫材料具有良好的啟發作用。二氧化硅顆粒呈隨機分布狀態，主要表現為50 μm厚聚甲基戊烯膜，這種材料因二氧化硅顆粒自身強大的聲子-極化子共振效應，基于大氣窗口易形成較高的發射強度。除此之外，二氧化硅微粒子于可見光方位呈現出透明狀態，能避免太陽直射導致溫度上升。二氧化硅顆粒直徑單純對超材料光學性質產生影響。

3.2 傳感材料

力敏傳感器可以對測試服裝相關承壓分布和大小程度進行準確檢測，主要分為摩擦電式、壓阻式、壓電式以及電容式，而壓阻式力敏傳感器因具有較強的抗干擾能力、快速反應和制作簡便等優勢在商業傳感器領域被廣泛應用。柔性力敏傳感器整體柔性較好，可以與服裝集成，可穿戴使用，廣泛應用于運動評估、醫療監測、電子皮膚等領域。傳感材料的選擇會直接影響柔性力敏傳感器整體傳感性能，而有效的導電傳感材料可以進一步延長響應時間并提高靈敏度，優化設備元件綜合性能[4]。

3.3 織物應用

新型冠狀病毒肺炎疫情的全面暴發對全球各地產生不良影響，在我國火車站、機場等核心交通樞紐場所可以經常看到穿戴醫用防護服的工作者。傳統防護服由于舒適性較差，容易損害醫護人員的身體健康。因此，合理改善防護性能和透氣性，可以進一步提升防護服的舒適度。靜電紡絲材料作為一種方便快捷、連續、高效的納米纖維，運用該材料制造的納米纖維膜擁有良好的靜電吸附功能，并廣泛應用于過濾材料領域。盡管納米纖維應用功能相對單一，但通過增加二氧化硅顆粒能順利制造出擁有良好輻射降溫功能的服飾材料，應用于防護服制作中能針對人體實施有效的熱管理。

4 輻射降溫納米纖維醫用防護服面料

4.1 防護服面料形態

輻射降溫納米纖維防護服面料SEM圖如圖1所示。采用輻射降溫納米纖維制作的醫用防護服面料表層存在一定孔隙，因此，需進一步提升防護服的透濕性和透氣性，提高工作人員的穿著舒適度。采用輻射降溫納米纖維制作的防護服表面主要為無紡布層，中間是靜電紡絲過濾層，具有良好的輻射降溫功能。該材料的防護性能符合國家行業標準，提高了面料的孔隙率，能進一步優化材料的透濕性能和透氣性能。

圖1 輻射降溫納米纖維防護服面料SEM圖

4.2 防護服面料的防護性能

防護服面料整體機械性能較好且較為牢固，不會輕易被撕扯斷開，因此，對面料實施抗撕裂檢測十分必要。輻射降溫納米纖維材料適用于醫用防護服的制作。材料性能檢測中的液體反應主要通過接觸角顯示，液體和服飾材料對應氣、固、液相接觸所形成的夾角便是接觸角，如果小于90°屬于親水，大于90°屬于疏水。輻射降溫納米纖維面料能有效阻隔滲透液體，具有較好的防護作用。按照行業標準要求，醫用防護服在實際應用中的相關空氣顆粒過濾效率應超過70.000%，輻射降溫納米纖維面料的過濾效率則達到88.378%，與傳統商用防護服相比，整體過濾效率超過14.400%，主要是因為靜電紡絲納米纖維材料內涵蓋大量靜電荷，形成某種靜電吸附效應。此外，靜電紡絲多孔結構有助于有效過濾顆粒物。

4.3 防護服面料的舒適性

在柔軟度方面，隨著織物剛度降低，面料的柔軟度提高。通過進一步增加氧化硅顆粒，經過綜合制作形成的輻射降溫納米纖維不會對防護服面料的柔軟度造成不良影響。通過織物的透氣性能準確判斷氣體透過織物的程度，而孔隙的數量和大小會直接影響織物的透氣性。采用輻射降溫納米纖維制作的醫用防護服整體透氣率超過一般商用防護服約45.000%。透濕率是判斷水分通過織物的難易程度，對防護人員順利蒸發汗液具有重要意義。織物的透濕率和纖維孔隙有關，同時還會影響織物的親水性。研究發現，輻射降溫納米纖維平均透濕率達到240.658 g/（m2·h），遠遠超過一般商用防護服，因為輻射降溫納米纖維屬于一種疏水性材料，能避免水蒸氣擴散導致纖維吸收水分。除此之外，輻射降溫納米纖維材料屬于一種纖維形式的多孔網絡，所以能支持環境中的水分和空氣順利從服裝內擴散至外部環境，在種種因素影響下，有效改善了防護服面料的透濕性。織物熱阻值即人體所形成熱量在織物中的通過能力，數值越高，熱量越不會輕易傳輸至外界。因此，防護服的熱阻值越小，越方便人體將多余熱量擴散至服裝外，而采用輻射降溫納米纖維制備的防護服整體熱阻值較低，有助于醫護人員散發熱量。

4.4 輻射降溫面料的應用

針對采用輻射降溫納米纖維制作的防護服進行天空輻射降溫測試發現，一般商用防護服的肩部、邊角等部位的溫度和環境溫度幾乎一致，不存在明顯降溫效果。采用輻射降溫納米纖維制作的防護服在較大光強度的條件下，面料底層和頂部溫差是2.5 ℃，面料底層和環境溫度間的溫差是7.0 ℃。隨著時間不斷延長，在光照強度減弱的條件下，面料表面和內部的溫度狀態與環境溫度間的差異減小。因為二氧化硅微球在大氣透明窗口8~13 μm擁有強烈共振吸收功能，在陽光輻射強度增加以及環境升溫條件下，輻射降溫納米纖維可以把熱量利用隨機分散的二氧化硅表層聲子-極化子共振傳輸至外部空氣中，發揮出防護服的降溫效應。在太陽光強度接近0的條件下，二氧化硅微球表層聲子-極化子共振進一步減弱，降溫效果不明顯。采用輻射降溫納米纖維制作的防護服面料存在大量孔隙，醫護人員穿著防護服時可以通過面料的孔隙發散熱量，與環境空氣進行順暢循環，合理改善著裝舒適度。

5 輻射降溫納米纖維醫用防護服傳感系統集成

5.1 傳感器設計

基于輻射降溫功能，針對防護服面料上的傳感系統進行集成互聯，得到多功能醫用防護服樣品，在靜電紡面料中創新性集成各種可穿戴傳感系統，并對醫務人員的個人健康狀況進行實時監測，在醫療應急和大健康領域發揮著重要作用。在傳感器設計和型號方面，各個傳感器和電路板之間以拔插連接為主，安裝拆卸較為便捷，能二次應用。如果一個人的身體比較健康，其對應血氧飽和度會超過95.000%；如果一個人生病或感覺疲勞，其血氧飽和度會下降。血氧飽和度作為一種關鍵生理參數，能體現出肺部氧合以及血紅蛋白的攜氧能力，也是判斷人體血液攜氧水平的基礎指標。比如新冠病毒會導致人體內血氧飽和度快速降低，可通過血氧飽和度檢測用傳感裝置對目標人員的血氧飽和度進行實時監控，預防因血氧飽和度不足所引發的各種意外。

體內溫濕度是判斷穿著者舒適度的基礎參數，因此，需要設置溫濕度傳感設備，選擇DH11溫濕度傳感器，為節約空間，可以在電路板內進行集成設計。在疫情背景下，人員移動軌跡較復雜，而掌握人員行動路徑能為工作人員后續研究流行病學和進行防疫篩查提供有效參考。各個傳感器之間的相關數據信息主要是利用單片機進行編譯并轉化為數字信號傳送至手機應用內[5]。

5.2 保護殼設計

假如各個電路板和傳感器全部暴露于外部，容易影響醫用防護服的穿著舒適度，還有可能損傷電路板，因此，需要合理配置保護殼，可以直接運用成本低廉、快捷簡便的3D打印法，對保護殼進行打印，將定位傳感器、電路板以及聚合物電池分別設置在3個保護殼內，在有效保護基礎元件的同時，改善防護服的舒適度和美觀度，并在保護殼側邊設置槽孔，方便引出導線。此外，合理設置插槽結構，可以優化界面聯系，提升界面貼合緊密度，不會輕易發生脫落現象，有助于后續直接開啟和提取傳感裝置，可利用魔術貼直接固定防護服和外部保護殼，支持各個元件發揮良好的可拆卸功能[6]。

5.3 互聯防護系統

柔性互聯集成系統主要包括定位傳感器、溫濕度傳感器以及血氧傳感器等部件。傳感器件分布于3D打印保護殼內，借助手機應用可以查看相關人員的地理位置、體表溫濕度以及血氧濃度。在防護服內側對應手腕部位設置血氧傳感器，并利用防護服中的封裝導線連接單片機，在皮膚上按壓傳感器能對人體內的血氧濃度進行實時檢測。要想準確評估人體舒適度，可以利用溫濕度傳感器檢測體表溫濕度。除此之外，當因人員移動導致位置發生變化時，相關經緯度也會發生一定變化，該系統能在危險發生時快速定位，保障人員安全。柔性互聯系統的有效應用有助于監測防護人員的整體健康狀態。智能防護服主要由4個部分構成，分別是藍牙、定位傳感器、血氧傳感器以及溫濕度傳感器。電池能為整個智能系統提供基礎電力支持。單片機這一裝置能在接收傳感器所檢測信號后實施轉化編譯，將其變成數字信號，并利用WiFi和藍牙進行無線傳輸，順利發送相關信號。用戶可以直接通過手機實時查看各種應用程序，能有效監測并保障醫務人員的舒適度和健康安全，在物聯網、大數據以及智能醫療等領域發揮重要作用。

6 結語

靜電紡絲法是運用輻射降溫二氧化硅/聚偏氟乙烯納米纖維制作防護服面料，有助于優化防護服性能，同時在輻射降溫納米纖維防護服面料中全面集成設置定位、溫濕度測量裝置、血氧傳感裝置，構建多功能防護系統，能推動醫療應急領域進一步發展，提升醫療防護水平。