劉仕琪

（江蘇省特種安全防護(hù)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，江蘇 泰州 225300）

在當(dāng)前全世界范圍內(nèi)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(jìn)行科學(xué)防控和醫(yī)學(xué)救治以外，還需要防護(hù)服、口罩等防護(hù)用品保障醫(yī)護(hù)人員和救援人員的安全，在醫(yī)護(hù)人員和患者之間創(chuàng)建有效的防護(hù)屏障。因此，需要針對(duì)醫(yī)療防護(hù)服的制備和應(yīng)用性能開(kāi)展系統(tǒng)研究，在減輕醫(yī)護(hù)人員穿著負(fù)擔(dān)的基礎(chǔ)上拓展防護(hù)服的應(yīng)用功能，發(fā)揮良好的防護(hù)效果。

1 研究背景

當(dāng)前市面上銷(xiāo)售的醫(yī)用防護(hù)服普遍存在透視性和透氣性差等問(wèn)題，在醫(yī)護(hù)人員穿戴時(shí)間持續(xù)延長(zhǎng)的條件下，防護(hù)服內(nèi)部環(huán)境因?yàn)闈穸群蜏囟鹊纳仙?，直接影響防護(hù)服的穿著舒適度。醫(yī)療工作者長(zhǎng)時(shí)間在高濕、高溫環(huán)境中工作容易感到不適，影響整體工作效率。因此，設(shè)計(jì)人員需要嚴(yán)格按照防護(hù)服面料相關(guān)設(shè)計(jì)原則開(kāi)展各項(xiàng)工作，除了要滿足標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)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(jié)構(gòu)，其孔隙率超過(guò)熔噴布，面料的透氣性較好。因?yàn)殪o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(dāng)作過(guò)濾材料，是未來(lái)制作醫(yī)用防護(hù)服的理想材料。傳統(tǒng)模式下的單組分靜電紡絲納米纖維面料因?yàn)槿鄙俣喙δ苄?，需要研究人員重點(diǎn)研究如何提升面料的輻射降溫性能。為避免醫(yī)護(hù)人員在穿著防護(hù)服時(shí)出現(xiàn)意外，部分防護(hù)服開(kāi)始集成設(shè)計(jì)各種傳感系統(tǒng)。針對(duì)醫(yī)用防護(hù)服構(gòu)筑智能傳感防護(hù)系統(tǒng)具有重要價(jià)值[1]。

2 醫(yī)用防護(hù)服分析

2.1 醫(yī)用防護(hù)服分類

最開(kāi)始醫(yī)生穿著防護(hù)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(fā)后，人們對(duì)于醫(yī)用防護(hù)服的功能產(chǎn)生了更加深刻的認(rèn)識(shí)。醫(yī)用防護(hù)服作為保障公共安全的重要裝置和應(yīng)急物資，能幫助醫(yī)護(hù)人員降低傳染病的傳染風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)前的醫(yī)用防護(hù)服類型主要涵蓋非織造布類和機(jī)織類。非織造布因生產(chǎn)簡(jiǎn)單、成本低廉以及具有環(huán)保性、良好的疏水性和機(jī)械性能等特征，在醫(yī)用防護(hù)服中得到廣泛應(yīng)用。因?yàn)樾鹿诓《镜膹?qiáng)大傳播能力，在該輪疫情下，醫(yī)用防護(hù)服皆為一次性服裝，使用后能進(jìn)行集中回收利用，并根據(jù)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)直接銷(xiāo)毀，可有效阻隔病毒傳播[2]。

2.2 醫(yī)用防護(hù)服材料

閃蒸法非織造布主要經(jīng)過(guò)閃蒸紡絲獲得聚乙烯非織造布，這種防護(hù)服具有強(qiáng)度較高、透氣性較好、耐穿刺、防護(hù)性能較為穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。覆膜非織造紡織品主要是針對(duì)防滲透氣膜和紡黏布進(jìn)行復(fù)合，主要涵蓋聚四氟乙烯膜、聚氨酯膜以及聚乙烯膜（復(fù)合膜）3種，相關(guān)結(jié)構(gòu)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(shù)中的基礎(chǔ)材料之一，運(yùn)用該材料制作的防護(hù)服所形成的電場(chǎng)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(guò)濾效率，還可以改善防護(hù)服的透氣性，廣泛應(yīng)用于過(guò)濾材料中[3]。

3 輻射降溫納米纖維材料和具體應(yīng)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(fā)，處于0.4~1.7 μm太陽(yáng)光波長(zhǎng)下具備較強(qiáng)的反射率，處于2.5~1.6 μm中紅外波長(zhǎng)內(nèi)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(guān)生物材料對(duì)應(yīng)的納米結(jié)構(gòu)對(duì)研發(fā)輻射降溫材料具有良好的啟發(fā)作用。二氧化硅顆粒呈隨機(jī)分布狀態(tài)，主要表現(xiàn)為50 μm厚聚甲基戊烯膜，這種材料因二氧化硅顆粒自身強(qiáng)大的聲子-極化子共振效應(yīng)，基于大氣窗口易形成較高的發(fā)射強(qiáng)度。除此之外，二氧化硅微粒子于可見(jiàn)光方位呈現(xiàn)出透明狀態(tài)，能避免太陽(yáng)直射導(dǎo)致溫度上升。二氧化硅顆粒直徑單純對(duì)超材料光學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響。

3.2 傳感材料

力敏傳感器可以對(duì)測(cè)試服裝相關(guān)承壓分布和大小程度進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)，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(qiáng)的抗干擾能力、快速反應(yīng)和制作簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)在商業(yè)傳感器領(lǐng)域被廣泛應(yīng)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(yīng)用于運(yùn)動(dòng)評(píng)估、醫(yī)療監(jiān)測(cè)、電子皮膚等領(lǐng)域。傳感材料的選擇會(huì)直接影響柔性力敏傳感器整體傳感性能，而有效的導(dǎo)電傳感材料可以進(jìn)一步延長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間并提高靈敏度，優(yōu)化設(shè)備元件綜合性能[4]。

3.3 織物應(yīng)用

新型冠狀病毒肺炎疫情的全面暴發(fā)對(duì)全球各地產(chǎn)生不良影響，在我國(guó)火車(chē)站、機(jī)場(chǎng)等核心交通樞紐場(chǎng)所可以經(jīng)?？吹酱┐麽t(yī)用防護(hù)服的工作者。傳統(tǒng)防護(hù)服由于舒適性較差，容易損害醫(yī)護(hù)人員的身體健康。因此，合理改善防護(hù)性能和透氣性，可以進(jìn)一步提升防護(hù)服的舒適度。靜電紡絲材料作為一種方便快捷、連續(xù)、高效的納米纖維，運(yùn)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(yīng)用于過(guò)濾材料領(lǐng)域。盡管納米纖維應(yīng)用功能相對(duì)單一，但通過(guò)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(yīng)用于防護(hù)服制作中能針對(duì)人體實(shí)施有效的熱管理。

4 輻射降溫納米纖維醫(yī)用防護(hù)服面料

4.1 防護(hù)服面料形態(tài)

輻射降溫納米纖維防護(hù)服面料SEM圖如圖1所示。采用輻射降溫納米纖維制作的醫(yī)用防護(hù)服面料表層存在一定孔隙，因此，需進(jìn)一步提升防護(hù)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(hù)服表面主要為無(wú)紡布層，中間是靜電紡絲過(guò)濾層，具有良好的輻射降溫功能。該材料的防護(hù)性能符合國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提高了面料的孔隙率，能進(jìn)一步優(yōu)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(hù)服面料SEM圖

4.2 防護(hù)服面料的防護(hù)性能

防護(hù)服面料整體機(jī)械性能較好且較為牢固，不會(huì)輕易被撕扯斷開(kāi)，因此，對(duì)面料實(shí)施抗撕裂檢測(cè)十分必要。輻射降溫納米纖維材料適用于醫(yī)用防護(hù)服的制作。材料性能檢測(cè)中的液體反應(yīng)主要通過(guò)接觸角顯示，液體和服飾材料對(duì)應(yīng)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(hù)作用。按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，醫(yī)用防護(hù)服在實(shí)際應(yīng)用中的相關(guān)空氣顆粒過(guò)濾效率應(yīng)超過(guò)70.000%，輻射降溫納米纖維面料的過(guò)濾效率則達(dá)到88.378%，與傳統(tǒng)商用防護(hù)服相比，整體過(guò)濾效率超過(guò)14.400%，主要是因?yàn)殪o電紡絲納米纖維材料內(nèi)涵蓋大量靜電荷，形成某種靜電吸附效應(yīng)。此外，靜電紡絲多孔結(jié)構(gòu)有助于有效過(guò)濾顆粒物。

4.3 防護(hù)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(guò)進(jìn)一步增加氧化硅顆粒，經(jīng)過(guò)綜合制作形成的輻射降溫納米纖維不會(huì)對(duì)防護(hù)服面料的柔軟度造成不良影響。通過(guò)織物的透氣性能準(zhǔn)確判斷氣體透過(guò)織物的程度，而孔隙的數(shù)量和大小會(huì)直接影響織物的透氣性。采用輻射降溫納米纖維制作的醫(yī)用防護(hù)服整體透氣率超過(guò)一般商用防護(hù)服約45.000%。透濕率是判斷水分通過(guò)織物的難易程度，對(duì)防護(hù)人員順利蒸發(fā)汗液具有重要意義?？椢锏耐笣衤屎屠w維孔隙有關(guān)，同時(shí)還會(huì)影響織物的親水性。研究發(fā)現(xiàn)，輻射降溫納米纖維平均透濕率達(dá)到240.658 g/（m2·h），遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)一般商用防護(hù)服，因?yàn)檩椛浣禍丶{米纖維屬于一種疏水性材料，能避免水蒸氣擴(kuò)散導(dǎo)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(wǎng)絡(luò)，所以能支持環(huán)境中的水分和空氣順利從服裝內(nèi)擴(kuò)散至外部環(huán)境，在種種因素影響下，有效改善了防護(hù)服面料的透濕性?？椢餆嶙柚导慈梭w所形成熱量在織物中的通過(guò)能力，數(shù)值越高，熱量越不會(huì)輕易傳輸至外界。因此，防護(hù)服的熱阻值越小，越方便人體將多余熱量擴(kuò)散至服裝外，而采用輻射降溫納米纖維制備的防護(hù)服整體熱阻值較低，有助于醫(yī)護(hù)人員散發(fā)熱量。

4.4 輻射降溫面料的應(yīng)用

針對(duì)采用輻射降溫納米纖維制作的防護(hù)服進(jìn)行天空輻射降溫測(cè)試發(fā)現(xiàn)，一般商用防護(hù)服的肩部、邊角等部位的溫度和環(huán)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(hù)服在較大光強(qiáng)度的條件下，面料底層和頂部溫差是2.5 ℃，面料底層和環(huán)境溫度間的溫差是7.0 ℃。隨著時(shí)間不斷延長(zhǎng)，在光照強(qiáng)度減弱的條件下，面料表面和內(nèi)部的溫度狀態(tài)與環(huán)境溫度間的差異減小。因?yàn)槎趸栉⑶蛟诖髿馔该鞔翱?~13 μm擁有強(qiáng)烈共振吸收功能，在陽(yáng)光輻射強(qiáng)度增加以及環(huán)境升溫條件下，輻射降溫納米纖維可以把熱量利用隨機(jī)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(fā)揮出防護(hù)服的降溫效應(yīng)。在太陽(yáng)光強(qiáng)度接近0的條件下，二氧化硅微球表層聲子-極化子共振進(jìn)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(hù)服面料存在大量孔隙，醫(yī)護(hù)人員穿著防護(hù)服時(shí)可以通過(guò)面料的孔隙發(fā)散熱量，與環(huán)境空氣進(jìn)行順暢循環(huán)，合理改善著裝舒適度。

5 輻射降溫納米纖維醫(yī)用防護(hù)服傳感系統(tǒng)集成

5.1 傳感器設(shè)計(jì)

基于輻射降溫功能，針對(duì)防護(hù)服面料上的傳感系統(tǒng)進(jìn)行集成互聯(lián)，得到多功能醫(yī)用防護(hù)服樣品，在靜電紡面料中創(chuàng)新性集成各種可穿戴傳感系統(tǒng)，并對(duì)醫(yī)務(wù)人員的個(gè)人健康狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在醫(yī)療應(yīng)急和大健康領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。在傳感器設(shè)計(jì)和型號(hào)方面，各個(gè)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(yīng)用。如果一個(gè)人的身體比較健康，其對(duì)應(yīng)血氧飽和度會(huì)超過(guò)95.000%；如果一個(gè)人生病或感覺(jué)疲勞，其血氧飽和度會(huì)下降。血氧飽和度作為一種關(guān)鍵生理參數(shù)，能體現(xiàn)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(chǔ)指標(biāo)。比如新冠病毒會(huì)導(dǎo)致人體內(nèi)血氧飽和度快速降低，可通過(guò)血氧飽和度檢測(cè)用傳感裝置對(duì)目標(biāo)人員的血氧飽和度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，預(yù)防因血氧飽和度不足所引發(fā)的各種意外。

體內(nèi)溫濕度是判斷穿著者舒適度的基礎(chǔ)參數(shù)，因此，需要設(shè)置溫濕度傳感設(shè)備，選擇DH11溫濕度傳感器，為節(jié)約空間，可以在電路板內(nèi)進(jìn)行集成設(shè)計(jì)。在疫情背景下，人員移動(dòng)軌跡較復(fù)雜，而掌握人員行動(dòng)路徑能為工作人員后續(xù)研究流行病學(xué)和進(jìn)行防疫篩查提供有效參考。各個(gè)傳感器之間的相關(guān)數(shù)據(jù)信息主要是利用單片機(jī)進(jìn)行編譯并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳送至手機(jī)應(yīng)用內(nèi)[5]。

5.2 保護(hù)殼設(shè)計(jì)

假如各個(gè)電路板和傳感器全部暴露于外部，容易影響醫(yī)用防護(hù)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(hù)殼，可以直接運(yùn)用成本低廉、快捷簡(jiǎn)便的3D打印法，對(duì)保護(hù)殼進(jìn)行打印，將定位傳感器、電路板以及聚合物電池分別設(shè)置在3個(gè)保護(hù)殼內(nèi)，在有效保護(hù)基礎(chǔ)元件的同時(shí)，改善防護(hù)服的舒適度和美觀度，并在保護(hù)殼側(cè)邊設(shè)置槽孔，方便引出導(dǎo)線。此外，合理設(shè)置插槽結(jié)構(gòu)，可以優(yōu)化界面聯(lián)系，提升界面貼合緊密度，不會(huì)輕易發(fā)生脫落現(xiàn)象，有助于后續(xù)直接開(kāi)啟和提取傳感裝置，可利用魔術(shù)貼直接固定防護(hù)服和外部保護(hù)殼，支持各個(gè)元件發(fā)揮良好的可拆卸功能[6]。

5.3 互聯(lián)防護(hù)系統(tǒng)

柔性互聯(lián)集成系統(tǒng)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(hù)殼內(nèi)，借助手機(jī)應(yīng)用可以查看相關(guān)人員的地理位置、體表溫濕度以及血氧濃度。在防護(hù)服內(nèi)側(cè)對(duì)應(yīng)手腕部位設(shè)置血氧傳感器，并利用防護(hù)服中的封裝導(dǎo)線連接單片機(jī)，在皮膚上按壓傳感器能對(duì)人體內(nèi)的血氧濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。要想準(zhǔn)確評(píng)估人體舒適度，可以利用溫濕度傳感器檢測(cè)體表溫濕度。除此之外，當(dāng)因人員移動(dòng)導(dǎo)致位置發(fā)生變化時(shí)，相關(guān)經(jīng)緯度也會(huì)發(fā)生一定變化，該系統(tǒng)能在危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)快速定位，保障人員安全。柔性互聯(lián)系統(tǒng)的有效應(yīng)用有助于監(jiān)測(cè)防護(hù)人員的整體健康狀態(tài)。智能防護(hù)服主要由4個(gè)部分構(gòu)成，分別是藍(lán)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(gè)智能系統(tǒng)提供基礎(chǔ)電力支持。單片機(jī)這一裝置能在接收傳感器所檢測(cè)信號(hào)后實(shí)施轉(zhuǎn)化編譯，將其變成數(shù)字信號(hào)，并利用WiFi和藍(lán)牙進(jìn)行無(wú)線傳輸，順利發(fā)送相關(guān)信號(hào)。用戶可以直接通過(guò)手機(jī)實(shí)時(shí)查看各種應(yīng)用程序，能有效監(jiān)測(cè)并保障醫(yī)務(wù)人員的舒適度和健康安全，在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)以及智能醫(yī)療等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

6 結(jié)語(yǔ)

靜電紡絲法是運(yùn)用輻射降溫二氧化硅/聚偏氟乙烯納米纖維制作防護(hù)服面料，有助于優(yōu)化防護(hù)服性能，同時(shí)在輻射降溫納米纖維防護(hù)服面料中全面集成設(shè)置定位、溫濕度測(cè)量裝置、血氧傳感裝置，構(gòu)建多功能防護(hù)系統(tǒng)，能推動(dòng)醫(yī)療應(yīng)急領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展，提升醫(yī)療防護(hù)水平。