相变材料在医用防护服中的应用前景＊

2022-07-14随明俐

科技与创新 2022年13期

随明俐，刘艺，冯栗，於暘

（上海健康医学院，上海 201318）

1 研究背景

众所周知，全民健康是全民小康的保障，健康是全人类都非常珍贵的财产，也是永远用金钱买不到的。在2022 年的全国两会上，疫情防控、民生保障、全面建成小康社会等是此次会议的热点议题，而本文的研究项目正是受到疫情防控的启发。医用防护服作为不可或缺的医疗物资，在新冠肺炎疫情防控期间，需求量逐渐增加，特别是医用一次性防护服，其无需经历多次穿用、洗涤和消毒，阻隔性和物理机械性能稳定、可预测，有助于降低交叉感染风险。而目前的一次性应用防护服在使用过程中存在透气性差、无法调节温度、夏热冬冷、影响医护人员穿着舒适度的问题。医务工作人员的身体不得不长时间处于封闭状态，身体产生的热量不能与外界进行热交换，轻则皮肤发红疹、瘙痒疼痛，重则出现头痛、胸闷、心慌等症状。因此，改善一次性医用防护服热湿舒适性的相关技术实属刚需。

相变材料是指在某一温度内通过改变材料状态来进行吸收或者释放热量的物质。例如，当材料的温度低于外界温度时，固液相变材料吸收热量，其状态从固态转化为液态；反之，相变材料则通过释放热量而从液态转化为固态。将相变材料集成到纤维或织物上，可以制备出蓄热调温纺织品，这也是此次项目的一个主要研究点。

2 研究方法

2.1 问卷调查

本次调查主要针对社区医院的医护工作者，询问他们对目前一次性医用防护服的舒适度的反馈，回收有效问卷共80 份，其中90%的医护工作者表示目前的一次性医用防护服存在透气性差、闷热等问题，并希望该问题及时得到解决。由此可看出一次性医用防护服改良的必要性和重要性。

2.2 观察法

通过对市面上的相变材料的外观、形态的观察，以及借助辅助工具在一定温度下改变它的状态，观察发生的现象，进一步论证相变材料应用在医用防护服上的可行性。

2.3 文献研究法

借助知网、万方、维普等多个中文期刊数据库进行调查研究，本次的研究数据有一定的科学性和准确性。

3 国内外医用防护服的发展现状及对比

3.1 国外医用防护服的发展现状

在发达国家，从相关资料中发现，在医用类防护服方面的研究成果颇丰。

20 世纪80 年代，美国研发的异质膜、非对称膜、均质膜和复合膜4 种薄膜材料和Gore 织物复合材料，不仅可以有效阻止病毒渗透和传播，而且透气性能良好，被广泛应用于防护服[1]。欧美国家医用防护服多以涤纶、粘胶等纤维为原料，抗拉力高、透气性好，改善了传统防护服因为多次使用灭菌效果不好而引起交叉感染的缺点。美国戈尔公司研制的Crosstech-EMS织物代表了发达国家可重复使用医用防护服材料研究的领先地位[2]。

除了材料性能方面，欧美国家产品涵盖面广，对防护服按照不同防护等级由高到底进行分级，并建立了系统的医用防护服标准体系及认证[3]。

3.2 国内医用防护服的发展现状

近年来，中国一些科研机构和企业已经开发出不少医用防护服，其中大多以非织造布为主要面料。目前常用的防护服面料包含以下几种，具体如表1 所示。

表1 防护服面料类型及优缺点

3.3 国内外医用防护服发展现状对比

相较于发达国家而言，中国医用防护服发展进度较慢。直到2003 年SARS 病毒席卷中国后，医用防护服的发展才受到更多关注。同年，科技工作者利用PTFE 压层复合织物研制出可重复利用透湿型SARS 防护服，但因SARS 过后市场需求降低，研究动力不足，没有得以完善。

疫情前期，医用防护服及其他医疗物资供应短缺，需求激增，但资源却不足，主要原因有储备制度不完善、制造工艺烦琐、自动化率低等。有关部门与企业应当从中借鉴，不断改进，维持创新动力，提升产品竞争力。

4 相变材料的分类及应用

4.1 相变材料的分类

相变材料一般按照相的不同分为4 类，具体如下。

固-液相变材料：当达到相变温度时，物质将由固态转变为液态，并伴随有大的相变潜热，一般体积变化相对较小，只涉及物质状态的变化。

固-固相变材料：相变前后，固-固相变材料主要由于固体晶格结构的变化而吸收或释放热能，因此其材料状态不会发生变化，几乎不会涉及体积的变化。其优点是过冷度小、无毒、无腐蚀、使用寿命长等。

液-气相变材料：当液-气相变材料吸收热量时，将发生从液体到气体的相变过程，体积变形较大。

固-气相变材料：固-气相变材料因为在相变过程中，会吸收或者释放其他能量，其体积变化也比较大。

因此可以看出，稳定以及潜热较大的固液相变材料，是目前最具实用价值的相变储能方式。

根据相变材料的化学成分，可将其分为无机类、有机类和复合类。

无机相变材料主要包括结晶水合盐类和熔融盐类。无机相变材料具有熔解热大、体积蓄能密度大、导热系数大等优点，但是大多具有腐蚀性，通常存在过冷和相分离的缺点[4]。

有机类相变材料主要包括石蜡、脂肪酸及其低共熔物、醇类（乙二醇、多元醇）等。有机相变材料具有不易发生相分离及过冷现象、固体成型好、腐蚀性较小、性能稳定等优点，但缺点是密度小、导热系数低、易挥发、易老化、相变过程中体积变化大。

复合相变材料利用微胶囊技术，将相变物质封闭在球形胶囊中，解决相变材料的泄漏、相分离等问题，改善应用效果，扩大其应用范围[5]。

4.2 相变材料的应用

4.2.1 相变材料在纺织品中的应用

相变智能纺织品利用相变过程中相变材料吸收或释放大量的热量，但能够保持温度恒定的特点，研究环境突然变化时，能自动贮热或放热的相变纺织品所形成的热缓冲作用。其热缓冲作用体现在，当环境突然变化时，纺织品在一定时间内可以保持人体与服装这一微小气候内的温度基本恒定，以满足极端环境条件下人体舒适性的需要。利用这一特性，可以开发高技术功能性纺织品，如高级运动衣、恒温服、保暖服、凉爽服等，或在极端条件下（如冰凉的海水中救生）延长人类生存的时间以等待救援[6]。

4.2.2 相变储能材料在太阳能方面的利用

相变材料应用在各种太阳能系统，如太阳能-地源热泵系统631、空间太阳能发电系统、太阳能热水系统、太阳能热发电系统等。太阳能热发电系统、蓄冷空调系统等各种储能系统在电大调峰中有重要意义。20 世纪70 年代，美国开始研究用于工业余热回收和太阳能发电系统服务的相变能蒸汽锅炉。法国、日本和德国等使用硝酸钾和硝酸钠作为太阳能热发电系统的储能介质。在“十五”期间，中国开创了太阳能高温热利用和发电的历史，在关键技术的研究方面取得一定的成果。