周 珣，吳洪兵，鄔佩瑤

(南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院，南京 211100)

結(jié)合正壓防護(hù)服的研究現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種供氣型正壓醫(yī)用防護(hù)服，改善目前普遍使用的一次性醫(yī)用防護(hù)服生理舒適性差、防護(hù)服與口罩、護(hù)目鏡分離、有效作業(yè)時(shí)間短等問題，來為疫情防控一線人員提供更安全的病毒防護(hù)及更舒適貼心的穿著體驗(yàn)。

1 正壓防護(hù)服的研究現(xiàn)狀

正壓防護(hù)服是指具有供氣系統(tǒng)并能保持防護(hù)服內(nèi)部氣體壓力高于外界環(huán)境氣體壓力的防護(hù)服，是目前防護(hù)等級(jí)最高的個(gè)體防護(hù)裝備之一，主要應(yīng)用于重大傳染病救治人員的個(gè)體防護(hù)和4 級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室科研人員。正壓防護(hù)服按供氣方式分為壓縮空氣供氣式和動(dòng)力送風(fēng)供氣式兩種。

壓縮空氣供氣式主要采用空氣壓縮機(jī)將空氣壓入壓力容器，通過空氣過濾器、穩(wěn)壓閥、油氣分離等設(shè)備處理后得到具有穩(wěn)定壓力的潔凈空氣，再通過軟管供給防護(hù)服。然而，無論采用長(zhǎng)軟管連接集中供氣的方式還是自帶壓縮氣瓶的方式，穿著者都會(huì)受軟管長(zhǎng)度、壓縮氣瓶容量限制活動(dòng)范圍和工作時(shí)長(zhǎng)的困擾。其優(yōu)點(diǎn)是防護(hù)等級(jí)較高，一般用于4級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室。

動(dòng)力送風(fēng)式正壓防護(hù)服采用由風(fēng)機(jī)、電池、空氣過濾器和控制模塊構(gòu)成的小型便攜式動(dòng)力送風(fēng)系統(tǒng)，給防護(hù)服提供干凈新鮮的空氣并形成正壓環(huán)境，確保穿著者的安全。動(dòng)力送風(fēng)式正壓防護(hù)服不會(huì)受到軟管長(zhǎng)度和氣源位置的限制，因此穿著者活動(dòng)范圍不受限制，可廣泛用于戶外作業(yè)，如微生物采樣、廢棄物處理、環(huán)境消毒等。

正壓防護(hù)服可以有效排出濕熱空氣，舒適性更好，這取決于正壓防護(hù)服內(nèi)部穩(wěn)定的正壓環(huán)境。正因?yàn)榉雷o(hù)服內(nèi)外有壓差，需要防護(hù)服面料整體具備較好的液密性和氣密性。服裝成形時(shí)為確保密閉性，一般采用高頻熱合方式進(jìn)行縫合，同時(shí)使用超長(zhǎng)的柔性氣密拉鏈配備卡環(huán)型防護(hù)手套和防護(hù)靴。

正壓醫(yī)用防護(hù)服研發(fā)難度大，檢測(cè)成本高，國際上研發(fā)正壓生物防護(hù)服的廠家并不多。目前，國外正壓防護(hù)服研究中采用了一些新技術(shù)，包括防護(hù)服整體設(shè)計(jì)中采用了計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)和虛擬技術(shù)。正壓防護(hù)服內(nèi)流場(chǎng)和熱交換模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)中采用了流體力學(xué)。防護(hù)服的性能測(cè)試過程中采用了動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)。國內(nèi)外對(duì)正壓防護(hù)服的關(guān)鍵部件，如柔性氣密拉鏈、單向排氣閥、恒壓無污染自動(dòng)閉鎖切換式送氣接頭、輕型化小型化動(dòng)力送風(fēng)系統(tǒng)及正壓防護(hù)服工作狀態(tài)監(jiān)控等進(jìn)行了深入研究。目前，在正壓防護(hù)服關(guān)鍵技術(shù)研究水平和產(chǎn)品開發(fā)能力上，歐美發(fā)達(dá)國家仍處于領(lǐng)先地位。

國內(nèi)對(duì)正壓醫(yī)用防護(hù)服的研發(fā)和應(yīng)用處于初級(jí)階段。2021年1月，北京方圣時(shí)尚科技集團(tuán)與中國航天科工集團(tuán)206所水凈化技術(shù)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合研發(fā)的新一代P2+電動(dòng)送風(fēng)正壓防護(hù)服填補(bǔ)了國內(nèi)行業(yè)空白，并在航天中心醫(yī)院進(jìn)行了試穿，目前僅在部分城市少數(shù)抗疫區(qū)有試用，因成本較高，試用數(shù)量較少。

2 供氣型正壓醫(yī)用防護(hù)服的結(jié)構(gòu)研究和設(shè)計(jì)

2.1 防護(hù)服面料

材料是正壓防護(hù)服的基礎(chǔ)，防護(hù)服是否安全直接取決于面料的性能，防護(hù)服面料必須確保醫(yī)護(hù)人員在相應(yīng)等級(jí)的感染風(fēng)險(xiǎn)下具有絕對(duì)的防護(hù)安全性，同時(shí)又要盡可能地提供較長(zhǎng)時(shí)間的穿著舒適性。正壓防護(hù)服內(nèi)外有壓力差，面料要求氣密性強(qiáng)、防水、耐酸堿、耐腐蝕、耐磨擦、機(jī)械強(qiáng)度高、質(zhì)地柔軟且重量輕等。目前，正壓防護(hù)服透明頭罩部分一般采用 0.3 mm 厚的高透明性聚酯型聚氨酯膜制成，以保證穿著者有充足的視野，其余面料大都以織物基布復(fù)合高分子涂層為主。常用的是聚氨酯抗菌復(fù)合面料，將聚酯型聚氨酯熱壓在機(jī)織布上，對(duì)照GB 24539-2009標(biāo)準(zhǔn)對(duì)復(fù)合面料進(jìn)行斷裂強(qiáng)力、撕破強(qiáng)力、接縫斷裂強(qiáng)力、抗穿刺強(qiáng)力等物理參數(shù)測(cè)試表明，該復(fù)合面料適用于正壓防護(hù)服的制造。

2.2 防護(hù)服整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用連體式防護(hù)服，由透明頭罩、防護(hù)服主體、防護(hù)手套及防護(hù)靴連成一體，一側(cè)有通過高頻熱合方式固定在防護(hù)服主體上的氣密拉鏈，更加方便穿脫。

防護(hù)服增加了可視姓名牌插，可以插入工作人員姓名，便于身份辨識(shí)。為了使防護(hù)服內(nèi)部保持恒定正壓，防護(hù)服內(nèi)部增加了單向排氣閥，同時(shí)也可以排出穿著者的熱量和水蒸氣，提高舒適度。防護(hù)靴和防護(hù)手套通過氣密連接環(huán)兩側(cè)密封圈勒緊及封膠的方式固定在防護(hù)服主體上，便于防護(hù)手套和防護(hù)靴可以更換的同時(shí)也可以提高手和腳的靈活度。供氣型正壓防護(hù)服正面和背面分別如圖1、圖2所示。防護(hù)服背面設(shè)有向外凸出的送風(fēng)系統(tǒng)背包，用于裝戴送風(fēng)系統(tǒng)。背包外側(cè)上有1個(gè)開口，用于安裝空氣過濾器。防護(hù)服主體內(nèi)部設(shè)有送風(fēng)管腔連接送風(fēng)軟管，將氣流引至頭部透明罩頂部。

圖1 供氣型正壓防護(hù)服正面Fig.1 Front face of air-fed pressurized protective clothing

圖2 供氣型正壓防護(hù)服背面Fig.2 Back of air-fed pressurized pressure protective clothing

2.3 供氣系統(tǒng)

供氣系統(tǒng)是供氣型正壓防護(hù)服的核心組成部分，采用小型便攜式電動(dòng)送風(fēng)系統(tǒng)，包括送風(fēng)系統(tǒng)主體、空氣過濾器，送風(fēng)軟管接口等?？諝膺^濾器通過標(biāo)準(zhǔn)螺紋口固定在送風(fēng)系統(tǒng)主體上。小型電動(dòng)送風(fēng)系統(tǒng)外部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部工作原理框架分別如圖3、4所示。

圖3 小型電動(dòng)送風(fēng)系統(tǒng)外結(jié)構(gòu)圖Fig.3 External structure diagram of small electric air supply system

圖4 小型電動(dòng)送風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)部工作原理框架Fig.4 Internal working principle frame of small electric air supply system

送風(fēng)機(jī)主體由小型渦流風(fēng)機(jī)、鋰電池和控制模塊組成，渦流風(fēng)機(jī)將經(jīng)過過濾器的凈化空氣通過送風(fēng)軟管接口連接送風(fēng)軟管送給防護(hù)服的送風(fēng)管腔，進(jìn)入透明頭罩頂部。凈化空氣進(jìn)入防護(hù)服內(nèi)部形成正壓，通過腿部單向排氣閥使防護(hù)服內(nèi)部壓力達(dá)到恒定，防護(hù)服處于正常使用狀態(tài)。送風(fēng)系統(tǒng)主體側(cè)面有液晶顯示和按鍵，通過按鍵開啟和關(guān)閉送風(fēng)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)送風(fēng)量的大小，液晶顯示實(shí)時(shí)顯示電池電量，低電量報(bào)警。

為了節(jié)約成本，采用供氣系統(tǒng)與醫(yī)用防護(hù)服主體獨(dú)立設(shè)計(jì)，醫(yī)用防護(hù)服主體是一次性消耗品，供氣系統(tǒng)可以在使用后進(jìn)行酒精噴灑、擦拭消毒，防止交叉感染，消毒后可重復(fù)使用，空氣過濾器和送風(fēng)軟管也可以定期更換。

送風(fēng)量直接決定穿著者呼吸需求和防護(hù)服內(nèi)部形成安全正壓，風(fēng)量越大，散熱散濕較好，但風(fēng)量太大會(huì)產(chǎn)生噪音，影響穿著者聽力，目前國內(nèi)外對(duì)正壓防護(hù)服送風(fēng)量還沒有明確的規(guī)定，經(jīng)查閱相關(guān)技術(shù)資料和相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，綜合因素考慮，風(fēng)量暫選在75～180 L/min，風(fēng)量可以調(diào)節(jié)。目前，市場(chǎng)上空氣過濾器可以實(shí)現(xiàn)高效過濾，油性及非油性顆粒過濾效率大于99.99%，滿足防護(hù)服病毒防護(hù)需求。

2.4 單向排氣閥

為了使防護(hù)服不斷有凈化空氣進(jìn)來并處于恒壓狀態(tài)，在防護(hù)服的腿部設(shè)有單向排氣閥。當(dāng)防護(hù)服處于正壓狀態(tài)，排氣閥在內(nèi)外壓力差的作用下打開，氣流經(jīng)過固定墊片和引流罩對(duì)外排出，如果正壓防護(hù)服內(nèi)部壓力小于外部氣壓產(chǎn)生負(fù)壓時(shí)，排氣閥片則自動(dòng)閉合隔絕外部空氣進(jìn)入防護(hù)服，確保防護(hù)服正常使用時(shí)能更加安全，不受外部環(huán)境污染，引流罩可以防止外環(huán)境污染物的噴濺。

3 存在的問題

目前供氣型正壓醫(yī)用防護(hù)服的研究與應(yīng)用仍處于初級(jí)階段，尚有許多問題需要解決，主要包括以下幾個(gè)方面：

一是正壓防護(hù)服與人體工程學(xué)。人體工程學(xué)又稱人類工效學(xué)，人體工程學(xué)在服裝方面主要研究人體在穿著服裝過程中的舒適、健康和安全問題。國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)并沒有明確規(guī)定正壓防護(hù)服內(nèi)的正壓取值范圍，因此需要在安全的前提下確定最符合人體工程學(xué)的正壓取值范圍。送風(fēng)量與人體工程學(xué)之間的關(guān)系需要進(jìn)一步確定。國內(nèi)外對(duì)正壓防護(hù)服送風(fēng)量并無明確規(guī)定，正壓防護(hù)裝備人體工程學(xué)對(duì)送風(fēng)量這一重要參數(shù)的研究不多，并未形成共識(shí)。因此需要通過研究各種送風(fēng)量條件下人體各生理參數(shù)的變化規(guī)律，探索最合適的送風(fēng)量范圍。

二是正壓防護(hù)服內(nèi)的微環(huán)境監(jiān)控。正壓防護(hù)服內(nèi)的壓力、溫度、濕度、噪音、二氧化碳和氧濃度、氣流形成等重要參數(shù)關(guān)系到穿著者的安全與身心健康，穿著過程對(duì)穿著者的呼吸、聽覺、視力等都會(huì)產(chǎn)生較大的干擾和影響，對(duì)這些參數(shù)有必要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，但也會(huì)增加相應(yīng)的生產(chǎn)成本。

三是研制與檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。無論是國外還是國內(nèi)沒有完全針對(duì)正壓醫(yī)用防護(hù)服的研制和檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。正壓醫(yī)用防護(hù)服的研制需要參考的標(biāo)準(zhǔn)種類較多，增加了研制困難度和復(fù)雜度。

4 結(jié)語

醫(yī)用防護(hù)服的需求一直備受關(guān)注。要對(duì)醫(yī)用防護(hù)服結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能進(jìn)行優(yōu)化，在保證病毒防護(hù)性能的基礎(chǔ)上不斷提升穿著者的舒適度和智能化。本研究供氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，智能化程度有待提高。將來，供氣系統(tǒng)可以根據(jù)正壓防護(hù)服內(nèi)部微環(huán)境的溫濕度實(shí)時(shí)信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)并穩(wěn)定防護(hù)服內(nèi)部壓力，進(jìn)一步提高舒適度，可在穿著者手腕處增加數(shù)據(jù)顯示和按鍵功能，使操作更便利。