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(zāi)以及物理和化學(xué)傷害。PPE可以有效降低在惡劣環(huán)境下的傷害風(fēng)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(yīng)激和不適感。當(dāng)在高溫環(huán)境下長時間的工作，最終會導(dǎo)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(guān)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(fēng)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(dǎo)和蒸發(fā)。因此，許多專注于設(shè)計制備具有輻射性能、蒸發(fā)性能和導(dǎo)熱性能的制冷紡織品用于個人熱管理(PTM)的技術(shù)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(shù)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(yīng)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(shè)備具有多功能類“三明治”的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并結(jié)合了MOF T恤和超吸濕Ca-PSS膜的優(yōu)點。
(2)設(shè)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(luò)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(fù)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(fēng)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(shè)備外側(cè)的輸送受到限制，并將其保留在Ca-PSS膜的網(wǎng)絡(luò)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(fù)使用性、節(jié)能可再生、可調(diào)控等特點。此外，MOF可穿戴設(shè)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(yīng)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(yīng)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(shè)備可以廣泛的應(yīng)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?zé)岵贿m和熱應(yīng)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(shè)備可為個人熱管理領(lǐng)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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