先进保温材料在寒区卫生装备器材中的应用研究

丁 晟，杨 焜，侯可心，张彦军，李 钒，马 军

（军事科学院系统工程研究院卫勤保障技术研究所，天津 300161）

0 引言

我军现役卫生装备器材主要按照通用装备、通用模式的思路进行卫勤保障体系建设，但按照这一方式构建的卫勤保障装备器材与高寒地区特殊环境实战化保障需求还存在一定差距。高寒环境比大部分通用装备作业环境设计要求更为恶劣，现役囊式急救装备中配备的输注药液等易受低温影响发生冻结，实施伤员救治任务的卫生帐篷也存在篷内温度控制能力不足的问题。为提升寒区卫生装备器材的低温环境适应性，新材料特别是先进保温材料的应用，是影响装备器材整体保温性能和保障能力的关键。

3M新雪丽高效暖绒（以下简称“雪丽棉”）1978年由美国3M公司[1-2]为美国海军陆战队的保暖服装而设计研发，随后注册商标ThinsulateTM（新雪丽TM）[3]。该材料具有显著轻薄、保暖的性能特点，被誉为世界上最好的薄型保暖材料之一，目前多用于外衣、手套和其他防寒用品等。雪丽棉由超细纤维通过非织造技术制作而成，其中3M公司研发的超细纤维在相同的空间内填充的量更多，从而能够更有效地反射人体热辐射，表现出优异的保温性能；而非织造技术可以使纤维间留存的空气更多，从而使得更多的热量保留下来。对比传统的保温材料，例如羽绒和其他高度松软的保温材料，雪丽棉保暖性能大大增强，在同等厚度下，其保暖性能是羽绒的1.5倍，是高蓬松度保暖材料的2倍。同时，由于其极低的吸水量（只占自身质量的1%），在潮湿环境中仍然能够表现出保暖性能[4-5]。Cam Brensinger等研发了一种3层结构的保温隔热帐篷，其中外层和内层采用防水透湿的面料，中间隔热层采用雪丽棉保温隔热材料，该帐篷具有良好的保温性能，体现了雪丽棉在帐篷等装备研发中的良好前景[6]。

二氧化硅气凝胶（以下简称“气凝胶”）是一种非晶态材料，具有非常高的孔隙率和比表面积以及很低的导热系数，然而由于其较差的机械强度应用有限[7-9]。近年来，许多学者为了得到机械性能更优异的保温材料，研究中常将气凝胶与聚合物或纤维等复合来改善机械性能，最终得到聚合物增强的无机气凝胶和纤维增强气凝胶等新型柔性材料[10-12]。Bonab等[13]用多元醇和二异氰酸酯混合气凝胶的方法制备了聚氨酯/气凝胶纳米复合材料，研究显示，复合材料抗压性能得到了提高，且力学性能得到了明显改善。Nguyen等[14]以甲基三甲氧基硅烷和二（三甲基丙基硅氧烷）氨为原料、三-异氰酸酯为交联剂制备了聚合物增强的气凝胶，测试显示，该柔性气凝胶材料兼具良好的抗压性能和柔韧性，在压缩至25%后仍可恢复至原状。这些新型柔性保温隔热材料具有良好的保温性能和机械性能，作为帐篷夹芯隔热材料具有很好的应用前景。

叠加态材料是一种由环保的功能性高分子材料与基材组成的新兴绝热复合材料，具备优异的保温隔热、透气吸湿、轻薄速干、抗菌环保等性能，使它在户外装备隔热，如帐篷隔热等方面的应用具有显著优势。叠加态材料通过了欧盟205种有害物质的高度关注物质（substances of very high concern，SVHC）检测并实现了量产，现在已经商业化并正式应用于实际生活。

雪丽棉、气凝胶和叠加态材料均为目前市场上相对先进的柔性保温材料，在服装、家纺、户外用品中已得到了初步应用，展现了在寒区卫生装备器材中应用的可能性。但是，目前尚缺乏3种材料在接近高寒战场环境下的保温性能和环境适应性的具体数据，也缺乏模拟条件下的实物样品验证，无法进行保温性能优劣的横向比较。因此，本研究通过对雪丽棉、气凝胶和叠加态材料等先进保温材料基材、相应装备器材样品（保温包、帐篷）开展系列保温性能测试研究，获得材料和样品的低温环境应用性能数据，初步探索先进保温材料在寒区卫生装备器材中的应用潜能，以为下一步相关装备器材的改进升级提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 实验材料与仪器

实验材料包括雪丽棉（肃宁县中原纺织有限责任公司）、气凝胶（浙江泰普森实业集团有限公司）、叠加态（北京叠加态技术有限公司）、棉纱布和迷彩布。

实验仪器包括扫描电子显微镜（日本HITACHI，8220）、无线温度记录仪（HOBO，MX2203）、导热系数仪（西安夏溪，TC3100）、阳光模拟灯（上海慕晶光电，HMI1200）、组合式老化试验箱（北京宏睿精科，LC-80）。

1.2 保温材料的物理性能表征

1.2.1 扫描电子显微镜分析

首先对雪丽棉、气凝胶和叠加态3种保温材料样品进行喷金，随后使用扫描电子显微镜在5 kV的加速电压下获得不同样品的扫描电子显微镜图像，并观察其微观形貌结构。

1.2.2 厚度和面密度测试

采用游标卡尺对雪丽棉、气凝胶和叠加态3种保温材料的厚度进行测量，测量次数≥3。

测量相同面积雪丽棉、气凝胶和叠加态3种保温材料的质量，测量次数≥3，根据以下公式计算面密度：面密度=

1.2.3 导热系数测试

采用瞬态热线法测试雪丽棉、气凝胶、叠加态和迷彩布4种保温材料的导热系数。测试时准备相同的2块样品，置于导热系数仪的传感器的上下表面，把传感器夹在中间；同时为了让传感器和样品表面接触良好，需压上500 g的砝码进行固定，并在设定低温-30℃和高温46℃的环境条件下进行测试。

1.2.4 太阳光模拟照射实验

在太阳光源照射一定的时间下，通过比较材料背光面温度上升情况来判断材料保温隔热性能。使用阳光模拟灯模拟自然条件下的太阳光照射，设定光强为800 W/m2，并使用无线温度记录仪测试雪丽棉、气凝胶、叠加态和棉纱布4种保温材料背光面下方的温升情况。

1.3 保温包性能测试

1.3.1 保温包制备

在保温包制备过程中，通过在包体中加入隔热材料作为保温内层，以阻隔包内、包外之间温度的传递，减缓包内温度下降的速度。图1为气凝胶内囊保温包和叠加态内囊保温包实物图，形状为长方体，中间通过拉链进行闭合。

图1 保温包实物图

1.3.2 保温包保温性能测试

将用气凝胶和叠加态2种保温材料制成的保温包在室温条件下放入设定环境温度分别为-40、-30、-20℃的组合式老化试验箱，测试不同温度环境下保温包及空白对照的温度变化情况。

1.4 帐篷性能测试

1.4.1 帐篷制备

帐篷采用充气拱形气柱作为支撑构架，充气后形成具有一定刚度的拱，能够承受一定的载荷，帐篷外层为常用迷彩防水布料，内层为保温材料制成的内帐。图2为帐篷实物图。

图2 帐篷实物图

1.4.2 帐篷保温性能测试

将雪丽棉、气凝胶和叠加态3种保温材料用作帐篷的内帐，将帐篷放置于室外自然环境中，使用无线温度记录仪测试帐篷内部的温度变化及室外环境温度变化情况。

1.5 统计学方法

采用SPSS 18.0统计学软件进行数据分析，所有测试数据都用均数±标准差（±s）表示，采用单因素方差分析比较多组间的差异，采用t检验比较2组间的差异，P＜0.05表示差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 保温材料的物理性能表征结果

2.1.1 扫描电子显微镜测试结果

3种保温材料基材的实物图如图3所示，皆为柔性保温材料，质地柔软，相应的微观扫描电子显微镜图像如图4所示。叠加态基材由多组分材料叠加而成，主要为功能性高分子材料与基材；气凝胶基材主要形貌结构为片层状结构；雪丽棉基材主要由超细纤维组成，中间存有较大空间，因而表现得最为蓬松。

图3 保温材料基材实物图

图4 保温材料基材扫描电子显微镜图像

2.1.2 厚度和面密度测试结果

保温材料厚度测试结果见表1，雪丽棉基材在自然状态下最厚，内部更为蓬松，而气凝胶基材和叠加态基材则更薄。面密度测试结果见表2，3种保温材料的面密度排序为：雪丽棉基材＞气凝胶基材＞叠加态基材。对比雪丽棉基材，气凝胶基材和叠加态基材在相同面积下更轻，体现出气凝胶基材和叠加态基材轻薄的特性。

表1 保温材料厚度测试结果单位：mm

表2 保温材料面密度测试结果单位：g/m2

2.1.3 导热系数测试结果

通过瞬态热线法测试的保温材料在低温-30℃和高温46℃环境条件下的导热系数见表3、4。从表3、4可知，在低温-30℃和高温46℃环境条件下，材料的导热系数排序为：气凝胶基材＜雪丽棉基材＜叠加态基材＜迷彩布。因此，无论在高温还是低温条件下，气凝胶基材的保温性能最好，雪丽棉基材和叠加态基材的保温性能次之，迷彩布的保温性能最弱，即保温性能排序为：气凝胶基材>雪丽棉基材>叠加态基材＞迷彩布。

表3 保温材料在-30℃测试条件下的导热系数单位：W·（m·K）

表4 保温材料在46℃测试条件下的导热系数单位：W（/m·K）

2.1.4 太阳光模拟照射实验结果

不同保温材料在模拟太阳光源照射下背光面下方的温升情况见表5。棉纱布背光面下方的温升最大，叠加态基材次之，雪丽棉基材和气凝胶基材相对更小，因此实测的保温隔热性能气凝胶基材和雪丽棉基材相对更强，叠加态基材次之，棉纱布最弱。

表5 保温材料在模拟太阳光源照射下背光面下方的温升情况单位：℃

2.2 保温包在不同环境温度下的内部温度变化

保温包在-40、-30及-20℃环境温度下的内部温度变化情况见表6~8。结果显示，在不同环境温度下，气凝胶内囊保温包保温性能均优于叠加态内囊保温包，而随着环境温度的降低，二者保温时间均会缩短。

表6 保温包在-40℃环境温度下从室温[（20±2.0）℃]下降到0℃所需时间单位：s

表7 保温包在-30℃环境温度下从室温[（20±2.0）℃]下降到0℃所需时间单位：s

表8 保温包在-20℃环境温度下从室温[（20±2.0）℃]下降到0℃所需时间单位：s

2.3 帐篷在自然环境下的内外温度变化

从图5可知，室温发生降温变化时，对比叠加态内帐帐篷，气凝胶内帐帐篷和雪丽棉内帐帐篷能够保持内部温度下降幅度较小，具有更好的保温性能。而雪丽棉内帐帐篷保温效果略优，可能与帐篷制备工艺有关，雪丽棉内帐帐篷使用的雪丽棉基材要厚于气凝胶内帐帐篷。考虑到帐篷所需的轻便性，综合材料面密度进行分析，结果如图6所示。换算为相同面密度情况下，帐篷保温材料保温性能强弱排序为：气凝胶＞叠加态＞雪丽棉，因此，在实现相同的保温效果时，使用气凝胶材料会较为轻薄。

图5 气凝胶内帐帐篷、雪丽棉内帐帐篷和叠加态内帐帐篷温度变化测试曲线

图6 帐篷保温材料保温性能分析

3 结语

基于在高寒地区的勤务应用需求，为了有效完成高寒地区部队训战任务的后勤保障任务，本文针对我军现役背囊和帐篷等卫生装备器材常存在的保温性能弱、低温耐受性不佳等问题和短板，对雪丽棉、叠加态和气凝胶3种新型柔性保温隔热材料开展了初步的性能评估论证研究，对材料的保温性能进行了应用探索论证。

本文首先评测了雪丽棉基材、气凝胶基材、叠加态基材的保温性能，实验结果显示，气凝胶基材的保温性能最好，雪丽棉基材的保温性能次之，叠加态基材的保温性能稍弱；其次测评了将气凝胶基材和叠加态基材作为保温包内囊时的保温包的保温性能，发现气凝胶内囊保温包保温性能更佳；最后将3种材料制作为帐篷的内囊并进行帐篷保温性能测试，发现雪丽棉内帐帐篷保温性能最佳，气凝胶内帐帐篷保温性能略次之，叠加态内帐帐篷保温性能最弱。由于3种保温材料具有良好的保温性能，在高寒地区卫生装备器材研制改进上将具有很好的应用前景，而其中气凝胶材料可作为最优选。但保温包和帐篷的保温性能也受到外表面涂层、结构设计等因素影响[15]，未来的研发改进还需综合考虑成本、质量、制备工艺和实际应用需求等因素，需要多方面、多学科进一步研究探索。