一次性医用防护服热湿舒适性技术研发情况综述

王歌，徐鑫，王佳仪，魏民芳，陈子坚

（天津中德应用技术大学 能源工程学院，天津 300350）

医用防护服作为常见的防护性服装，可以保护医务工作者、公共卫生人员、清洁人员、志愿者等进入疫情重区、感染区域人群，使他们免遭病毒污染感染，或避免交叉感染，在此次抗击新型冠状病毒肺炎疫情防护工作中起到了至关重要的作用。其中一次性医用防护服作为医务工作者的必需品，在疫情期间起到了阻隔细菌与病毒、有害超细粉尘、酸碱性溶液等作用，同时保证疫区、感染区域等环境的清洁。但是医务工作者的身体不得不长时间处于不通风状态，身体产生的热量不能与外界进行热交换，轻则皮肤被闷出红疹，重则出现头痛、胸闷等症状。2020 年6 月上旬以来，新型冠状病毒肺炎疫情卷土重来，炙热的夏天使得医务工作者的工作更加困难，一些穿着医用防护服的医务工作者出现中暑现象。现阶段一次性医用防护服已经具备了良好的防护阻隔性能，却存在着透湿性、透热性差的缺点[1-2]，给穿着医用防护服工作的医务工作者等人群带来诸多不便与危害。因此，探究改善一次性医用防护服热湿舒适性的相关技术是当务之急。

一、一次性医用防护服对热湿舒适性的要求

同其他有机体一样，人体皮肤每时每刻都要向外界环境散发热量与水分来维持其表面温度的恒定，而服装可以起到阻挡人体皮肤表面水分的散失以及吸收皮肤表面部分汗液的作用。其中“人体自身产生的热量和水分”与“人体散失到外界环境的热量和水分”二者之间的交换平衡决定着人在穿着医用防护服时的舒适度。研究表明，人体感到舒适的衣内环境是：衣内温度为（32±1）摄氏度，衣内相对湿度为（50±10）%[3]。

与研究人员对织物和服装透湿性评价方法不同的是，在实际生产中人们常使用“透湿量”作为评价织物和服装透湿性的重要指标，其中“织物水蒸气传递速率测试”和“蒸发热转移阻抗测试”是检测织物透湿性常见的两种标准测试方法[4]。关于医用防护服材料透湿量的要求，GB19082-2003[5]与GB19082-2009《医用一次性防护服技术要求》[6]均要求不小于2500g/（m2·d），且操作透湿量试验时应根据GB/T 12704-1991 规定的方法进行试验。通过对我国国家标准GB 19082-2009、美国标准NFPA 1999-2018、欧盟标准EN 14126-2003 三者进行比较，可以发现，国外对医用防护服的材料透湿量并未做出明确的要求[7]，如表1 所示。

表1 GB 19082-2009、NFPA 1999-2018、EN 14126-2003 透湿量指标比对表[10]

此外，关于透湿量的试验表明：在相对湿度不变的情况下，透湿量与衣内温度成正比例关系；在温度不变的情况下，透湿量与相对湿度则成反比例关系。

服装舒适程度直接影响使用者的行动，同时也会间接影响使用者的心情与工作效率，因此，服装的舒适性作为人体对服装接受程度的直观反映，成为评价服装性能的重要指标，而热湿舒适性就是评价服装舒适性最重要的指标。安全防护性与热湿舒适性是评判医用防护服性能不可或缺的重要标准[8]，因此在医用防护服安全防护性得以保障的前提下，研究改善现阶段医用防护服热湿舒适性具有十分重要的意义。

二、现阶段一次性医用防护服热湿舒适性较差的原因

根据表2[9]可以发现，我国现行标准GB19082-2009 中对医用防护服透湿量的要求，仅相当于在人体在10℃的环境中水平步行时的出汗量，而现实中医生的工作强度多属中、重度劳动。显而易见，我国现有国家标准对医用防护服热湿舒适性的要求还远远不够，也即热湿舒适性能较差。

表2 不同环境人体出汗量对比表[12]

医用防护服的舒适性受透湿性、透气性、水蒸气穿透性、悬垂性、抗静电性、皮肤刺激性以及设计与制作结构等众多因素的影响，其中透湿性与透气性是尤为关键的两个影响因素。现阶段一次性医用防护服为了保障其性能达到生产要求，在制作工艺上通常采用层压处理或复膜处理，这是导致医用防护服透湿性、透气性差的原因之一。另外，在材料选择上，大多应用透气膜/非织造布复合布，这种材料的透气性较差且不吸水，防护服内部的热量及水汽无法排出，医护人员在工作时体内与外界环境不能很好地进行热交换，导致医用防护服透湿性与透气性差。这会导致医护人员长时间处于闷热、潮湿的环境，容易引起身体上的不适与心理上的烦躁焦虑，甚至产生连锁反应。

综上所述，穿着现有的医用防护服不利于使用者进行长时间、高强度的工作。因此，应在保障医用防护服安全防护性能的前提下，对现有医用防护服的热湿舒适性进行改善和优化。

三、改善一次性医用防护服热湿舒适性的技术情况

1.新颖材料的应用——相变材料

目前，我国已研究并生产出了众多不同特性的医用防护服材料，在实际生产使用中，机织、非织造布、复合材料成为主要的医用防护服材料。具体是：（1）以聚丙烯为原料的纺粘布，这种材料的特点是具有防菌防静电功能，价格较为低廉，一次性使用，但抗水压力不高，对病毒的阻隔效果不强。（2）用闪蒸法一次成型的非织造布，这类材料的特点是具有极好的防水性，可以有效地阻隔颗粒，但是通过这类方法制成的材料不能有效阻隔血液和体液。（3）利用高聚物涂层制成的织物，具有很好的阻隔性，无论是病毒、血液还是化学药品，其阻隔效果都非常好，但其透视性与透气性较差，且只能一次性使用，成本较高。（4）纺粘布-薄膜-纺粘布复合材料，也被称为SFS 复合材料，这种材料是对现有薄膜-纺粘非织造布复合材料的优化与改进，即在上述材料的“薄膜”一侧增加了一层纺粘布，由此生产出SFS 复合材料。改进后的材料借助两侧纺粘布的保护作用，极大地提高了材料中防水透湿膜的膜强力，因此经过改进后的SFS 复合材料具有良好的防水透湿性与阻隔性[10]。（5）聚丙烯纺粘-熔喷-纺粘复合非织造布，也被称为SMS 或SMMS 复合材料[11-12]，具有良好的阻挡病菌入侵性能、较好的强度与韧性，且无毒、抗静水压能力较高、质地和手感好，透气性、过滤性良好，具有较强的耐酸和耐碱力。但其对固体可见颗粒的防护不强，因此其防护效果还不尽如人意，在医用防护领域多作一次性使用。（6）聚乙烯透气膜/非织造布复合布[13-14]，这种材料具有优良的阻隔性能，可以进行消毒处理，材料轻盈，质量一般为60～100g/m2，有较好的强度与抗撕裂性，同时克服了一般高聚物不能透湿的缺点，具有良好的防水透气性，总体来说有较高的性价比。

由上述材料性能的介绍可知，借助增加新颖材料的应用来改善医用防护服将成为医用防护材料领域的重要课题。

在医用防护服生产领域，常常通过应用相变材料将普通衣服改造成医用的防护服。介绍相变材料之前首先要了解“相变原理”。物质是由分子、原子构成的，通常所见的物质有固态、液态、气态三种状态，而物质状态是指一种物质出现不同的相，指的是与其他部分具有明显分界面的均匀部分，如气相和液相往往与气态和液态对应，只有一个，但固相则需要考虑原子的排布，故很多材料具有多个固相，比如石墨和金刚石。相变[15]指的是物理性质转变的过程，即物质从一种相转变为另一种相，这与态的转变不一定完全相同。物质在相变过程中常伴随着吸热反应或放热反应以及体积的变化，所以一些物质在相变过程中可以吸收或释放大量的潜热。相变材料（Phase Change Material，缩写为PCM）指的就是此类物质。在不改变温度的条件下，相变材料改变物质状态并能提供潜热的物质，其具体制冷作用与加热作用可参考图1。

图1 PCM 的制冷作用与加热作用

借助相关技术将相变材料植入纤维，再使用上述特殊材料制作服装，就成为医疗防护生产领域常用的方法。以固-液相变材料在纺织品中的应用为例，相变材料在遇冷时，通过放热反应发生液相到固相的转变；在遇热时，通过吸热反应发生固相到液相的转变。即相变材料的制冷作用和保温作用可以具体解释为：根据外界温度的改变，相变材料可以在一定的温度范围内作出相应的反应，进一步控制服装内部的温度。所以，在寻找改善医用防护服热湿舒适性的技术研究中，研究人员可以借助相变材料的制冷作用，即选取接近人体体温变化范围的合适相变材料，在医用防护服内环境的温度（积聚在防护服内人体无法传递给外界环境的热量）达到相变材料熔点时，相变材料吸收热量产生制冷效果，即可达到改善医用防护服热湿舒适性的目的。

相变材料作为新颖材料其应用潜力很大，有体积小、质量轻、穿戴方便、服装设计简单、成本低、可长期重复使用等优点[16]。值得注意的是，在服装纺织领域使用相变材料时，为了保证使用者在穿戴时的舒适与安全，所选取相变材料的温度变化范围应接近人体表面皮肤温度变化范围，在最大程度上起到防暑降温的作用[17]。改进的医用防护服[18-21]由内外两层防护服构成，内层增加控温衣层，使用的相变材料由PCM 纤维和其他材料混合而成，可根据使用者需求调节温度，进而提高使用者舒适度。当相变材料温度达到极限时，可通过加热降温的方式使其回到相变原点，从而实现多次利用。外层防护服可根据需求进行更换，此系统能有效提升防护物品使用的时间和舒适度。

2.增设衣内气体环境单向流动系统

在专利“一种具有降温功能的安全通风医用防护服”[22]中，发明者在医用防护服内部设计并安装了通风装置，并在该装置上增设降温结构、连接过滤结构（过滤装置中的滤芯设置为可更换的），同时通风装置连接输气导管，以便于外界环境进行气体交换。为了避免各个装置结构受外界环境的污染，发明者将各装置固定在医用防护服内部。为了方便更换某些元件的替换，减少资源浪费，此发明专利中的所有结构都是可拆卸的，所以只需要进行简单拆卸与消毒处理便可实现循环利用。总体来说，该发明专利提高了医用防护服的热湿舒适性，同时实现了资源的循环利用，但在实际使用中可能会带来不便，增加使用者的负重。

在专利“一种多功能医用防护服”[23]中，发明者根据“无叶风扇”原理进行了以下操作：在医用防护服内部即人体腰部处连接增设了涡轮结构，涡轮产生的气流流经弧形管道，继而从环形切口处喷出，借助喷出的气流，医用防护服内在气流喷出的位置形成了负压区，产生较高的风速（远高于人体自身风速）。同时借助驱动马达产生的动力带动弧形管道上的凸轮，而凸轮驱动又带动端部的按摩球，该过程可以缓解使用者腰部疲劳。虽然涡轮与驱动马达的存在会增大医用防护服内空间，但由于二者均是采用轻质材料制成的，所以不会对使用者造成太大的影响。该发明实用性强、结构巧妙、安全性高。

综上所述，设置制冷装置，可以实现防护服内温度的降低，是改善医用防护服热湿舒适性、提高人员穿戴舒适度的可行方法。因此，在改善医用防护服舒适性时，可以在防护服背部安装有可拆卸的小型移动电源，空气泵连接是由SMS 无纺布和聚丙烯材料构成的空气过滤管，从颈部进气臀部排气，整体实现医用防护服内空气的循环。以上通风系统与空气过滤管均安装在医用防护服内部，降低防护设备被污染的可能性，同时将空气过滤管中的滤芯设置为可更换的，所有硬件均是通过可拆卸连接的方式安装在医用防护服上，可消毒后再利用，如此避免了资源的浪费。另外，在脚底安装有压力泵[24]，可在无电源支持下通过内外压力差实现气体的排放。

3.合理的服装设计与结构

参考人体各部位出汗分布[25-26]情况（如下表3），显而易见，人体出汗量较大的部位有胸部、大腿、腹部、头部、腰部，所以可以在医用防护服对应位置增设相变材料，以此改善医用防护服的热湿舒适性，也即在改进医用防护服的服装设计与结构时，应将上述身体部位所对应的医用防护服位置作为研究重点。

表3 人体各部位出汗量相对值表（%）

将医用防护服头部改为透明密闭性设计，使得使用者不再依赖口罩和护目镜，降低身体负压感，增强使用者面部防护性，提升整体舒适度和透气性。目前，在现有改善医用防护服的发明专利中也出现了对防护服头部的研究改善。发明专利“一种具有透气性能的医用防护服设备”中[27]公开了一种具有透气性能的医用防护服设备，具体分为头罩、防护服主体、吸气阀和压板，发明者在防护服主体的顶端固定有头罩，并且在头罩靠近面部的位置处设置有开口，安装有头套收缩绳，且头套收缩绳上设有调节扣，通过设置三片式头罩，头罩与防护服主体之间为胶条型接缝连接，三片式设计使得头罩与脸面贴合更紧密，而胶条型接缝连接设计能够阻挡病毒或液态物质由接缝处进入防护服内，防护效果更好。发明专利“全封闭式一次性医用防护服及其应用方法”[28]中公开了一种全封闭式一次性医用防护服及其应用方法，具体为该连体式结构的防护衣增设头罩，即其在与面部相配合的一侧设置有透明面罩。其中，防护衣与头罩以可拆卸的方式连接成一体结构，头罩通过内部设置支撑件，在空间上呈立体结构，支撑件采用玻璃纤维棒。该发明专利直接在头罩上设置面罩，密封性能更好，且配合头罩与防护服的可拆卸连接，使得穿戴流程更加简单，同时在头罩内部设置支撑件使得穿戴人员头不承重，头罩内部空间大，头部活动灵活，不影响穿戴人员对身体的支配度。

改进防护服内部结构与空间，在背部内侧增加拉链式口袋设计，方便空气泵使用时的存放以及循环使用时的换取，同时有助于医护工作者借力携带空气泵。增设有口袋的独立背心方便相变材料的存放与换取，增加空气过滤管的固定结构，以免给使用者带来不便。