相變材料在醫用防護服中的應用前景＊

隨明俐，劉 藝，馮 栗，於 暘

（上海健康醫學院，上海 201318）

1 研究背景

眾所周知，全民健康是全民小康的保障，健康是全人類都非常珍貴的財產，也是永遠用金錢買不到的。在2022 年的全國兩會上，疫情防控、民生保障、全面建成小康社會等是此次會議的熱點議題，而本文的研究項目正是受到疫情防控的啟發。醫用防護服作為不可或缺的醫療物資，在新冠肺炎疫情防控期間，需求量逐漸增加，特別是醫用一次性防護服，其無需經歷多次穿用、洗滌和消毒，阻隔性和物理機械性能穩定、可預測，有助于降低交叉感染風險。而目前的一次性應用防護服在使用過程中存在透氣性差、無法調節溫度、夏熱冬冷、影響醫護人員穿著舒適度的問題。醫務工作人員的身體不得不長時間處于封閉狀態，身體產生的熱量不能與外界進行熱交換，輕則皮膚發紅疹、瘙癢疼痛，重則出現頭痛、胸悶、心慌等癥狀。因此，改善一次性醫用防護服熱濕舒適性的相關技術實屬剛需。

相變材料是指在某一溫度內通過改變材料狀態來進行吸收或者釋放熱量的物質。例如，當材料的溫度低于外界溫度時，固液相變材料吸收熱量，其狀態從固態轉化為液態；反之，相變材料則通過釋放熱量而從液態轉化為固態。將相變材料集成到纖維或織物上，可以制備出蓄熱調溫紡織品，這也是此次項目的一個主要研究點。

2 研究方法

2.1 問卷調查

本次調查主要針對社區醫院的醫護工作者，詢問他們對目前一次性醫用防護服的舒適度的反饋，回收有效問卷共80 份，其中90%的醫護工作者表示目前的一次性醫用防護服存在透氣性差、悶熱等問題，并希望該問題及時得到解決。由此可看出一次性醫用防護服改良的必要性和重要性。

2.2 觀察法

通過對市面上的相變材料的外觀、形態的觀察，以及借助輔助工具在一定溫度下改變它的狀態，觀察發生的現象，進一步論證相變材料應用在醫用防護服上的可行性。

2.3 文獻研究法

借助知網、萬方、維普等多個中文期刊數據庫進行調查研究，本次的研究數據有一定的科學性和準確性。

3 國內外醫用防護服的發展現狀及對比

3.1 國外醫用防護服的發展現狀

在發達國家，從相關資料中發現，在醫用類防護服方面的研究成果頗豐。

20 世紀80 年代，美國研發的異質膜、非對稱膜、均質膜和復合膜4 種薄膜材料和Gore 織物復合材料，不僅可以有效阻止病毒滲透和傳播，而且透氣性能良好，被廣泛應用于防護服[1]。歐美國家醫用防護服多以滌綸、粘膠等纖維為原料，抗拉力高、透氣性好，改善了傳統防護服因為多次使用滅菌效果不好而引起交叉感染的缺點。美國戈爾公司研制的Crosstech-EMS織物代表了發達國家可重復使用醫用防護服材料研究的領先地位[2]。

除了材料性能方面，歐美國家產品涵蓋面廣，對防護服按照不同防護等級由高到底進行分級，并建立了系統的醫用防護服標準體系及認證[3]。

3.2 國內醫用防護服的發展現狀

近年來，中國一些科研機構和企業已經開發出不少醫用防護服，其中大多以非織造布為主要面料。目前常用的防護服面料包含以下幾種，具體如表1 所示。

表1 防護服面料類型及優缺點

3.3 國內外醫用防護服發展現狀對比

相較于發達國家而言，中國醫用防護服發展進度較慢。直到2003 年SARS 病毒席卷中國后，醫用防護服的發展才受到更多關注。同年，科技工作者利用PTFE 壓層復合織物研制出可重復利用透濕型SARS 防護服，但因SARS 過后市場需求降低，研究動力不足，沒有得以完善。

疫情前期，醫用防護服及其他醫療物資供應短缺，需求激增，但資源卻不足，主要原因有儲備制度不完善、制造工藝煩瑣、自動化率低等。有關部門與企業應當從中借鑒，不斷改進，維持創新動力，提升產品競爭力。

4 相變材料的分類及應用

4.1 相變材料的分類

相變材料一般按照相的不同分為4 類，具體如下。

固-液相變材料：當達到相變溫度時，物質將由固態轉變為液態，并伴隨有大的相變潛熱，一般體積變化相對較小，只涉及物質狀態的變化。

固-固相變材料：相變前后，固-固相變材料主要由于固體晶格結構的變化而吸收或釋放熱能，因此其材料狀態不會發生變化，幾乎不會涉及體積的變化。其優點是過冷度小、無毒、無腐蝕、使用壽命長等。

液-氣相變材料：當液-氣相變材料吸收熱量時，將發生從液體到氣體的相變過程，體積變形較大。

固-氣相變材料：固-氣相變材料因為在相變過程中，會吸收或者釋放其他能量，其體積變化也比較大。

因此可以看出，穩定以及潛熱較大的固液相變材料，是目前最具實用價值的相變儲能方式。

根據相變材料的化學成分，可將其分為無機類、有機類和復合類。

無機相變材料主要包括結晶水合鹽類和熔融鹽類。無機相變材料具有熔解熱大、體積蓄能密度大、導熱系數大等優點，但是大多具有腐蝕性，通常存在過冷和相分離的缺點[4]。

有機類相變材料主要包括石蠟、脂肪酸及其低共熔物、醇類（乙二醇、多元醇）等。有機相變材料具有不易發生相分離及過冷現象、固體成型好、腐蝕性較小、性能穩定等優點，但缺點是密度小、導熱系數低、易揮發、易老化、相變過程中體積變化大。

復合相變材料利用微膠囊技術，將相變物質封閉在球形膠囊中，解決相變材料的泄漏、相分離等問題，改善應用效果，擴大其應用范圍[5]。

4.2 相變材料的應用

4.2.1 相變材料在紡織品中的應用

相變智能紡織品利用相變過程中相變材料吸收或釋放大量的熱量，但能夠保持溫度恒定的特點，研究環境突然變化時，能自動貯熱或放熱的相變紡織品所形成的熱緩沖作用。其熱緩沖作用體現在，當環境突然變化時，紡織品在一定時間內可以保持人體與服裝這一微小氣候內的溫度基本恒定，以滿足極端環境條件下人體舒適性的需要。利用這一特性，可以開發高技術功能性紡織品，如高級運動衣、恒溫服、保暖服、涼爽服等，或在極端條件下（如冰涼的海水中救生）延長人類生存的時間以等待救援[6]。

4.2.2 相變儲能材料在太陽能方面的利用

相變材料應用在各種太陽能系統，如太陽能-地源熱泵系統631、空間太陽能發電系統、太陽能熱水系統、太陽能熱發電系統等。太陽能熱發電系統、蓄冷空調系統等各種儲能系統在電大調峰中有重要意義。20 世紀70 年代，美國開始研究用于工業余熱回收和太陽能發電系統服務的相變能蒸汽鍋爐。法國、日本和德國等使用硝酸鉀和硝酸鈉作為太陽能熱發電系統的儲能介質。在“十五”期間，中國開創了太陽能高溫熱利用和發電的歷史，在關鍵技術的研究方面取得一定的成果。

5 相變紡織材料的制備方法及增強熱性能的方法

5.1 相變紡織材料的制備方法[7]

5.1.1 紡絲法

該方法是將相變材料微膠囊添加到紡絲熔體當中，生產出含有相變材料微膠囊的纖維，然后再與其他纖維混紡。

5.1.2 相變材料微膠囊法

該方法是將相變材料放于特制的微膠囊之中，然后再將微膠囊混合在紡織材料的表面。這樣可以使相變材料更平均地融入紡織材料，增大面料的熱傳導面積。

5.1.3 中空纖維填充法

先將纖維的內徑進行處理，并且要在相變材料中添加表面活性劑，使其表面性能得到增強，能夠順利進入到中空纖維中。然后將已經填充了相變材料的纖維放置于相變材料溶液中，一段時間后取出并進行干燥，再將兩頭進行封閉，防止相變材料泄漏，保證保溫時間。

5.2 3 種增強相變復合材料熱性能的方法[8]

5.2.1 插入固定的金屬結構

在相變材料中插入或添加具有特定結構的金屬，是提高熱性能的有效方法。

5.2.2 添加金屬納米顆粒

金屬及金屬氧化物的導熱性比普通相變材料大得多，可以使用金屬納米顆粒來增強相變材料的熱性能。

5.2.3 微膠囊化技術

微膠囊化是采用適當的外殼材料包覆相變材料。該技術不僅可以使固-液相變材料在發生相變時保持穩定的形態，而且可以為相變材料提供足夠的保護，使其免受周圍物質的作用和干擾。

6 相變材料應用的問題

在紡織領域，在紡織品表面或者纖維內添加相變材料可以調節溫度。這類材料能夠根據外界環境的變化在一定的溫度范圍內自由調節紡織品的溫度，比一般常規織物更舒適。然而，盡管含相變材料的一次性醫用防護服能有效地改善人體與服裝間的微小氣候，但由于當前技術發展的限制，仍然存在以下問題。

相變材料的溫度難控制。相變材料必須在人體舒適范圍內，例如，室內溫度冬季為18～22 ℃，夏季為22～26 ℃，而相變材料的相變溫度應在此范圍內，如何做到精準控制溫度，還有待研究[9]。

調溫時間短。調溫纖維中的相變材料一般用量較少，調溫紡織品的調溫時間也較短，如果需要延長調溫紡織品的調溫時間，則需要提高相變材料的性能或增加相變材料的用量。所以產品所能調節的時間以及溫度還有待加強[10]。

相變材料種類選擇影響調溫效果。相變材料種類繁多，相變方式各異。每種相變材料都有不同的相變潛熱和相變溫度范圍[11]。

相變材料可能會影響醫用防護服的防護性能。部分相變材料都具有腐蝕性，而我們對醫用防護服的防護性、阻隔性要求較高。因此，如何應用相變材料既能提高一次性醫用防護服的熱濕舒適性，又能不破壞其防護功能，這個問題值得研究。

7 結語與展望

相變材料作為一種新型材料優勢明顯，從20 世紀70 年代末以來，中國開始研究相變材料，到今天已經取得了巨大的進步。但是，應該看到，與發達國家相比，差距仍然存在。相變材料的研究越來越廣泛，一些相變材料也已經商業化，但對相變材料的穩定性和可靠性的研究一直沒有取得突破。

20 世紀90 年代初，中國開始了蓄熱調溫紡織品的研究工作，但大多數調溫紡織品存在調溫范圍小、保溫時間短、生產成本高等問題。一次性醫用防護服本身制作工藝復雜，質量要求高，如何在制作過程中恰當引入相變材料，提高一次性醫用防護服熱濕舒適性，從而進一步提高其應用價值，是該領域未來發展方向之一。

此外，還需規范相變材料穩定性的檢測方法與標準，制定更符合實際應用情況的調溫紡織品的評價方法。