近年來,由于環(huán)境的不斷惡化,極端天氣事件出現(xiàn)越來越頻繁(例如全球極端高溫天氣),這對人類的正常生活,特別是在特殊環(huán)境中工作的人們提出了巨大的挑戰(zhàn)。因此,個人防護裝備(PPE)在保護消防員、士兵、醫(yī)護人員等在惡劣環(huán)境中工作的人員方面發(fā)揮著不可或缺的作用。個人防護裝備可以防止病毒(如COVID-19)、火災以及物理和化學傷害。PPE可以有效降低在惡劣環(huán)境下的傷害風險,但同時也會造成人體透濕性的降低,嚴重限制汗液的蒸發(fā)和人體的散熱。由于穿著PPE的人員在工作過程中會大量出汗,容易在PPE內(nèi)部的皮膚表面積累汗液,不易蒸發(fā),增加熱應激和不適感。當在高溫環(huán)境下長時間的工作,最終會導致細菌滋生、肌肉痙攣、電解質(zhì)紊亂、中暑甚至死亡。擁有一個舒適的熱環(huán)境不僅是人類正常生活不可缺少的需求,而且對人體健康起著至關重要的作用。而高熱、高濕環(huán)境會造成工作人員的生理和心理問題,如不舒服感、人體健康風險等,進而對工作積極性、勞動生產(chǎn)率和社會經(jīng)濟產(chǎn)生負面影響。
一般來說,人體散熱的途徑有四種:輻射、對流、傳導和蒸發(fā)。因此,許多專注于設計制備具有輻射性能、蒸發(fā)性能和導熱性能的制冷紡織品用于個人熱管理(PTM)的技術已經(jīng)得到了快速發(fā)展。然而,目前大多數(shù)制備得到的功能服裝主要適用于戶外個人熱管理或常規(guī)人群,而不適用于需要在惡劣環(huán)境下穿著防護服工作的特殊工作人群,如士兵、消防員、醫(yī)護人員等。因此,基于PTM的排汗吸濕制冷服裝的開發(fā)制備技術鮮有報道。
圖1 多功能類“三明治”結(jié)構(gòu)超吸濕Zn基MOF制冷可穿戴服裝的應用示意圖
本文要點:
(1)作者提出了一種集成Ca-PSS/MOF吸濕制冷用于人體熱管理可穿戴服裝的新概念,該設備具有多功能類“三明治”的結(jié)構(gòu)設計,并結(jié)合了MOF T恤和超吸濕Ca-PSS膜的優(yōu)點。
(2)設計的類“三明治”結(jié)構(gòu)可將汗液水分從防護服微環(huán)境單向輸送到Ca-PSS膜內(nèi)層,同時防止被吸收的汗液再次轉(zhuǎn)移到身體表面,并保留在Ca-PSS膜的網(wǎng)絡中,進而提升了Ca-PSS/MOF制冷可穿戴的降溫效果。
(3)所制備的Ca-PSS薄膜具有高吸水性、優(yōu)異的可重復使用性、節(jié)能再生和按需可調(diào)等特點。此外,MOF可穿戴織物具有優(yōu)異的自清潔和抗菌性能,可有效防止污染物污染,殺死和抑制人體防護服內(nèi)細菌或真菌的生長,為人體提供一個健康舒適的微環(huán)境。
(4)最引人注目的是,與普通T恤相比,這種類“三明治”結(jié)構(gòu)的Ca-PSS/MOF吸濕制冷服可以顯著降低消防員防護服內(nèi)部的相對濕度和溫度,分別從91.0%降至60.0%,從36.5℃降至31.6℃,從而將熱指數(shù)從65.0℃降至39.5℃,顯著提高人體舒適性。降低中暑患熱疾病的風險。
圖5 類“三明治”結(jié)構(gòu)Ca-PSS/MOF可穿戴服裝的吸濕制冷性能。a)模特穿著ZIF-8@T恤的照片。b) 類“三明治”結(jié)構(gòu)Ca-PSS/MOF可穿戴服裝的示意圖。消防隊員穿著c)普通T恤或d) Ca-PSS/MOF制冷T恤進行運測試。穿著普通T恤或Ca-PSS/MOF制冷T恤的消防員在跑步和靜坐過程中防護服內(nèi)部的e)溫度,f)相對濕度,g)熱指數(shù)數(shù)據(jù)圖。h)熱指數(shù)云圖。i)與其它功能性紡織品的性能對比的雷達圖。
綜上所述,作者制備了一種用于特殊情況下人體熱管理的多功能類“三明治”結(jié)構(gòu)Ca-PSS/MOF吸濕制冷可穿戴服裝。Ca-PSS/MOF吸濕制冷服裝集成了MOF織物和超吸濕Ca-PSS膜的優(yōu)點,同時具有防污、抗菌、吸濕、易加工等特點。新型Ca-PSS/MOF吸濕制冷可穿戴夾層結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了從防護服微環(huán)境到Ca-PSS膜內(nèi)層的單向汗水水分輸送功能。反之,汗液向可穿戴設備外側(cè)的輸送受到限制,并將其保留在Ca-PSS膜的網(wǎng)絡中,使吸收的汗液無法再次轉(zhuǎn)移回皮膚表面而影響Ca-PSS/MOF服裝的制冷效果。制備得到的Ca-PSS膜具有高吸濕能力、優(yōu)異的可重復使用性、節(jié)能可再生、可調(diào)控等特點。此外,MOF可穿戴設備具有優(yōu)異的自清潔和抗菌性能,可有效防止污染物污染,抑制工人防護服內(nèi)細菌或真菌的生長,為人體提供健康舒適的微環(huán)境。通過與普通織物對比,Ca-PSS/MOF制冷服可以將消防員防護服內(nèi)部的相對濕度和溫度分別從91.0%和36.5℃顯著降低到60.0%和31.6℃,進而將熱指數(shù)從65.0℃降低到39.5℃。實際應用結(jié)果表明,超吸濕Ca-PSS/MOF織物可顯著降低人體中暑的可能性,使相應的危害指數(shù)由“極度危險”降至“極度謹慎”,制冷效果明顯。這種制備的可穿戴吸濕制冷設備可以廣泛的應用于世界各地的消防員,也可以擴展到其它需要長時間暴露在炎熱環(huán)境中工作,面臨嚴重熱不適和熱應激的職業(yè),如醫(yī)護人員、士兵和建筑工人等。因此,期望這種具有類“三明治”結(jié)構(gòu)的多功能超吸濕Ca-PSS/MOF制冷可穿戴設備可為個人熱管理領域發(fā)展提供一條新的途徑。
論文鏈接:
Wulong Li, Yaoxin Zhang, Shuai Guo, Zhen Yu, Jialiang Kang, Zhanxiong Li*, Lei Wei*, Swee Ching Tan*, Multifunctional Sandwich-Structured Super-Hygroscopic Zinc-Based MOF-Overlayed Cooling Wearables for Special Personal Thermal Management, Small, 2024, 2311272.
https://doi.org/10.1002/smll.202311272
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