疫情背景下供气型正压医用防护服的研究与设计

周 珣，吴洪兵，邬佩瑶

(南京工业大学浦江学院，南京 211100)

结合正压防护服的研究现状，设计了一种供气型正压医用防护服，改善目前普遍使用的一次性医用防护服生理舒适性差、防护服与口罩、护目镜分离、有效作业时间短等问题，来为疫情防控一线人员提供更安全的病毒防护及更舒适贴心的穿着体验。

1 正压防护服的研究现状

正压防护服是指具有供气系统并能保持防护服内部气体压力高于外界环境气体压力的防护服，是目前防护等级最高的个体防护装备之一，主要应用于重大传染病救治人员的个体防护和4 级生物安全实验室科研人员。正压防护服按供气方式分为压缩空气供气式和动力送风供气式两种。

压缩空气供气式主要采用空气压缩机将空气压入压力容器，通过空气过滤器、稳压阀、油气分离等设备处理后得到具有稳定压力的洁净空气，再通过软管供给防护服。然而，无论采用长软管连接集中供气的方式还是自带压缩气瓶的方式，穿着者都会受软管长度、压缩气瓶容量限制活动范围和工作时长的困扰。其优点是防护等级较高，一般用于4级生物安全实验室。

动力送风式正压防护服采用由风机、电池、空气过滤器和控制模块构成的小型便携式动力送风系统，给防护服提供干净新鲜的空气并形成正压环境，确保穿着者的安全。动力送风式正压防护服不会受到软管长度和气源位置的限制，因此穿着者活动范围不受限制，可广泛用于户外作业，如微生物采样、废弃物处理、环境消毒等。

正压防护服可以有效排出湿热空气，舒适性更好，这取决于正压防护服内部稳定的正压环境。正因为防护服内外有压差，需要防护服面料整体具备较好的液密性和气密性。服装成形时为确保密闭性，一般采用高频热合方式进行缝合，同时使用超长的柔性气密拉链配备卡环型防护手套和防护靴。

正压医用防护服研发难度大，检测成本高，国际上研发正压生物防护服的厂家并不多。目前，国外正压防护服研究中采用了一些新技术，包括防护服整体设计中采用了计算机模拟技术和虚拟技术。正压防护服内流场和热交换模拟优化设计中采用了流体力学。防护服的性能测试过程中采用了动态测试技术。国内外对正压防护服的关键部件，如柔性气密拉链、单向排气阀、恒压无污染自动闭锁切换式送气接头、轻型化小型化动力送风系统及正压防护服工作状态监控等进行了深入研究。目前，在正压防护服关键技术研究水平和产品开发能力上，欧美发达国家仍处于领先地位。

国内对正压医用防护服的研发和应用处于初级阶段。2021年1月，北京方圣时尚科技集团与中国航天科工集团206所水净化技术团队联合研发的新一代P2+电动送风正压防护服填补了国内行业空白，并在航天中心医院进行了试穿，目前仅在部分城市少数抗疫区有试用，因成本较高，试用数量较少。

2 供气型正压医用防护服的结构研究和设计

2.1 防护服面料

材料是正压防护服的基础，防护服是否安全直接取决于面料的性能，防护服面料必须确保医护人员在相应等级的感染风险下具有绝对的防护安全性，同时又要尽可能地提供较长时间的穿着舒适性。正压防护服内外有压力差，面料要求气密性强、防水、耐酸碱、耐腐蚀、耐磨擦、机械强度高、质地柔软且重量轻等。目前，正压防护服透明头罩部分一般采用 0.3 mm 厚的高透明性聚酯型聚氨酯膜制成，以保证穿着者有充足的视野，其余面料大都以织物基布复合高分子涂层为主。常用的是聚氨酯抗菌复合面料，将聚酯型聚氨酯热压在机织布上，对照GB 24539-2009标准对复合面料进行断裂强力、撕破强力、接缝断裂强力、抗穿刺强力等物理参数测试表明，该复合面料适用于正压防护服的制造。

2.2 防护服整体结构设计

采用连体式防护服，由透明头罩、防护服主体、防护手套及防护靴连成一体，一侧有通过高频热合方式固定在防护服主体上的气密拉链，更加方便穿脱。

防护服增加了可视姓名牌插，可以插入工作人员姓名，便于身份辨识。为了使防护服内部保持恒定正压，防护服内部增加了单向排气阀，同时也可以排出穿着者的热量和水蒸气，提高舒适度。防护靴和防护手套通过气密连接环两侧密封圈勒紧及封胶的方式固定在防护服主体上，便于防护手套和防护靴可以更换的同时也可以提高手和脚的灵活度。供气型正压防护服正面和背面分别如图1、图2所示。防护服背面设有向外凸出的送风系统背包，用于装戴送风系统。背包外侧上有1个开口，用于安装空气过滤器。防护服主体内部设有送风管腔连接送风软管，将气流引至头部透明罩顶部。

图1 供气型正压防护服正面Fig.1 Front face of air-fed pressurized protective clothing

图2 供气型正压防护服背面Fig.2 Back of air-fed pressurized pressure protective clothing

2.3 供气系统

供气系统是供气型正压防护服的核心组成部分，采用小型便携式电动送风系统，包括送风系统主体、空气过滤器，送风软管接口等。空气过滤器通过标准螺纹口固定在送风系统主体上。小型电动送风系统外部结构和内部工作原理框架分别如图3、4所示。

图3 小型电动送风系统外结构图Fig.3 External structure diagram of small electric air supply system

图4 小型电动送风系统内部工作原理框架Fig.4 Internal working principle frame of small electric air supply system

送风机主体由小型涡流风机、锂电池和控制模块组成，涡流风机将经过过滤器的净化空气通过送风软管接口连接送风软管送给防护服的送风管腔，进入透明头罩顶部。净化空气进入防护服内部形成正压，通过腿部单向排气阀使防护服内部压力达到恒定，防护服处于正常使用状态。送风系统主体侧面有液晶显示和按键，通过按键开启和关闭送风系统，调节送风量的大小，液晶显示实时显示电池电量，低电量报警。

为了节约成本，采用供气系统与医用防护服主体独立设计，医用防护服主体是一次性消耗品，供气系统可以在使用后进行酒精喷洒、擦拭消毒，防止交叉感染，消毒后可重复使用，空气过滤器和送风软管也可以定期更换。

送风量直接决定穿着者呼吸需求和防护服内部形成安全正压，风量越大，散热散湿较好，但风量太大会产生噪音，影响穿着者听力，目前国内外对正压防护服送风量还没有明确的规定，经查阅相关技术资料和相关行业标准，综合因素考虑，风量暂选在75～180 L/min，风量可以调节。目前，市场上空气过滤器可以实现高效过滤，油性及非油性颗粒过滤效率大于99.99%，满足防护服病毒防护需求。

2.4 单向排气阀

为了使防护服不断有净化空气进来并处于恒压状态，在防护服的腿部设有单向排气阀。当防护服处于正压状态，排气阀在内外压力差的作用下打开，气流经过固定垫片和引流罩对外排出，如果正压防护服内部压力小于外部气压产生负压时，排气阀片则自动闭合隔绝外部空气进入防护服，确保防护服正常使用时能更加安全，不受外部环境污染，引流罩可以防止外环境污染物的喷溅。

3 存在的问题

目前供气型正压医用防护服的研究与应用仍处于初级阶段，尚有许多问题需要解决，主要包括以下几个方面：

一是正压防护服与人体工程学。人体工程学又称人类工效学，人体工程学在服装方面主要研究人体在穿着服装过程中的舒适、健康和安全问题。国内外标准并没有明确规定正压防护服内的正压取值范围，因此需要在安全的前提下确定最符合人体工程学的正压取值范围。送风量与人体工程学之间的关系需要进一步确定。国内外对正压防护服送风量并无明确规定，正压防护装备人体工程学对送风量这一重要参数的研究不多，并未形成共识。因此需要通过研究各种送风量条件下人体各生理参数的变化规律，探索最合适的送风量范围。

二是正压防护服内的微环境监控。正压防护服内的压力、温度、湿度、噪音、二氧化碳和氧浓度、气流形成等重要参数关系到穿着者的安全与身心健康，穿着过程对穿着者的呼吸、听觉、视力等都会产生较大的干扰和影响，对这些参数有必要进行实时监控，但也会增加相应的生产成本。

三是研制与检测标准。无论是国外还是国内没有完全针对正压医用防护服的研制和检测标准。正压医用防护服的研制需要参考的标准种类较多，增加了研制困难度和复杂度。

4 结语

医用防护服的需求一直备受关注。要对医用防护服结构设计和性能进行优化，在保证病毒防护性能的基础上不断提升穿着者的舒适度和智能化。本研究供气系统设计较为简单，智能化程度有待提高。将来，供气系统可以根据正压防护服内部微环境的温湿度实时信号自动调节并稳定防护服内部压力，进一步提高舒适度，可在穿着者手腕处增加数据显示和按键功能，使操作更便利。