苏大李战雄、NTU魏磊和NUS Tan Swee Ching教授 Small：一种多功能类“三明治”结构的超吸湿MOF制冷服装

2024-03-15 来源：高分子科技

近年来，由于环境的不断恶化，极端天气事件出现越来越频繁(例如全球极端高温天气)，这对人类的正常生活，特别是在特殊环境中工作的人们提出了巨大的挑战。因此，个人防护装备(PPE)在保护消防员、士兵、医护人员等在恶劣环境中工作的人员方面发挥着不可或缺的作用。个人防护装备可以防止病毒(如COVID-19)、火灾以及物理和化学伤害。PPE可以有效降低在恶劣环境下的伤害风险，但同时也会造成人体透湿性的降低，严重限制汗液的蒸发和人体的散热。由于穿着PPE的人员在工作过程中会大量出汗，容易在PPE内部的皮肤表面积累汗液，不易蒸发，增加热应激和不适感。当在高温环境下长时间的工作，最终会导致细菌滋生、肌肉痉挛、电解质紊乱、中暑甚至死亡。拥有一个舒适的热环境不仅是人类正常生活不可缺少的需求，而且对人体健康起着至关重要的作用。而高热、高湿环境会造成工作人员的生理和心理问题，如不舒服感、人体健康风险等，进而对工作积极性、劳动生产率和社会经济产生负面影响。

一般来说，人体散热的途径有四种:辐射、对流、传导和蒸发。因此，许多专注于设计制备具有辐射性能、蒸发性能和导热性能的制冷纺织品用于个人热管理(PTM)的技术已经得到了快速发展。然而，目前大多数制备得到的功能服装主要适用于户外个人热管理或常规人群，而不适用于需要在恶劣环境下穿着防护服工作的特殊工作人群，如士兵、消防员、医护人员等。因此，基于PTM的排汗吸湿制冷服装的开发制备技术鲜有报道。

近日，在此背景下，苏州大学纺织与服装工程学院李战雄教授课题组、新加坡南洋理工大学电气与电子工程魏磊教授课题组和新加坡国立大学材料科学与工程学院Tan Swee Ching教授课题组提出了一个新概念，通过将超吸湿、抗菌和防污性能集成到一个可穿戴制冷服装中，实现长期个人的人体热管理的效果。具体来说，设计了一种由超吸湿性掺钙盐的聚4-苯乙烯磺酸钠膜(Ca-PSS)和超疏水性Zn基MOF织物组成的类“三明治”结构，以实现在高温环境下工作时人体排汗过程的冷却、防污和抗菌能力。Ca-PSS膜能够迅速吸收人体皮肤上产生的汗液，可有效降低人体微环境中的湿度和温度热指数，进而表现出良好的降温效果，从而防止人体脱水中暑，提高防护服内部微环境的热舒适性。值得注意的是，Ca-PSS膜/MOF可穿戴织物的三明治结构具有单向导湿的Janus特征，可以使汗液水汽单向透过织物并保留在内部的Ca-PSS膜的网络中。这样可以防止被吸收的汗液再次回流到皮肤表面。此外，超疏水MOF织物不仅能表现出优异的防污抗菌性能，还能进一步防止吸汗膜直接接触皮肤引起的二次不适。因此，多功能三明治结构超吸湿Ca-PSS/MOF可穿戴设备可以帮助那些需要穿着防护服在高温环境中工作的人员(世界各地的消防员、士兵、医护人员等)，显著降低其防护服内部微环境中的湿度和热指数，达到制冷舒适的效果。最后通过人体穿着制备的T恤和消防服模拟实验证明，所制备的T恤能够通过高效的排汗蒸发制冷缓解人体的热应力，提高舒适性，同时具有优异的抗菌和防污性能。

图1 多功能类“三明治”结构超吸湿Zn基MOF制冷可穿戴服装的应用示意图

本文要点：

(1)作者提出了一种集成Ca-PSS/MOF吸湿制冷用于人体热管理可穿戴服装的新概念，该设备具有多功能类“三明治”的结构设计，并结合了MOF T恤和超吸湿Ca-PSS膜的优点。

(2)设计的类“三明治”结构可将汗液水分从防护服微环境单向输送到Ca-PSS膜内层，同时防止被吸收的汗液再次转移到身体表面，并保留在Ca-PSS膜的网络中，进而提升了Ca-PSS/MOF制冷可穿戴的降温效果。

(3)所制备的Ca-PSS薄膜具有高吸水性、优异的可重复使用性、节能再生和按需可调等特点。此外，MOF可穿戴织物具有优异的自清洁和抗菌性能，可有效防止污染物污染，杀死和抑制人体防护服内细菌或真菌的生长，为人体提供一个健康舒适的微环境。

(4)最引人注目的是，与普通T恤相比，这种类“三明治”结构的Ca-PSS/MOF吸湿制冷服可以显著降低消防员防护服内部的相对湿度和温度，分别从91.0%降至60.0%，从36.5℃降至31.6℃，从而将热指数从65.0℃降至39.5℃，显著提高人体舒适性。降低中暑患热疾病的风险。

(5)这种制备的可穿戴吸湿制冷设备可以广泛的应用于世界各地的消防员，也可以扩展到其它面临严重热不适和热应激的职业，如医护人员、士兵和建筑工人等。

图2 类“三明治”结构的Ca-PSS/MOF吸湿制冷服装的制备流程示意图。a) ZIF-8-CF和b)超吸湿Ca-PSS膜的制备过程。

图3 超疏水ZIF-8-CF织物的润湿性和抗菌性能。a) CF和b)超疏水ZIF-8-CF表面上水滴照片和WCA。c)不同pH值下的液滴在超疏水ZIF-8-CF表面上的状态图(从左至右pH值分别为2、7、13)。d)普通T恤和e)超疏水ZIF-8-CF T恤的防污试验。f)超疏水ZIF-8-CF的水蒸气透过性测试。g-j)大肠杆菌和金黄色葡萄球菌在CF和超疏水ZIF-8-CF表面存在状态的SEM图像。

图4 Ca-PSS膜的形貌和化学结构。a) Ca-PSS溶液和Ca-PSS膜的光学照片。b) PSS、乙醇胺、Ca络合物和Ca-PSS膜的FTIR光谱。c) PSS和Ca-PSS膜的XPS光谱。d) CaCl₂、Ca络合物和Ca-PSS膜的TGA曲线。e) Ca-PSS薄膜的EDS图。f)不同形变状态下Ca-PSS膜的柔韧性展示图。

图5 类“三明治”结构Ca-PSS/MOF可穿戴服装的吸湿制冷性能。a)模特穿着ZIF-8@T恤的照片。b) 类“三明治”结构Ca-PSS/MOF可穿戴服装的示意图。消防队员穿着c)普通T恤或d) Ca-PSS/MOF制冷T恤进行运测试。穿着普通T恤或Ca-PSS/MOF制冷T恤的消防员在跑步和静坐过程中防护服内部的e)温度，f)相对湿度，g)热指数数据图。h)热指数云图。i)与其它功能性纺织品的性能对比的雷达图。

综上所述，作者制备了一种用于特殊情况下人体热管理的多功能类“三明治”结构Ca-PSS/MOF吸湿制冷可穿戴服装。Ca-PSS/MOF吸湿制冷服装集成了MOF织物和超吸湿Ca-PSS膜的优点，同时具有防污、抗菌、吸湿、易加工等特点。新型Ca-PSS/MOF吸湿制冷可穿戴夹层结构，实现了从防护服微环境到Ca-PSS膜内层的单向汗水水分输送功能。反之，汗液向可穿戴设备外侧的输送受到限制，并将其保留在Ca-PSS膜的网络中，使吸收的汗液无法再次转移回皮肤表面而影响Ca-PSS/MOF服装的制冷效果。制备得到的Ca-PSS膜具有高吸湿能力、优异的可重复使用性、节能可再生、可调控等特点。此外，MOF可穿戴设备具有优异的自清洁和抗菌性能，可有效防止污染物污染，抑制工人防护服内细菌或真菌的生长，为人体提供健康舒适的微环境。通过与普通织物对比，Ca-PSS/MOF制冷服可以将消防员防护服内部的相对湿度和温度分别从91.0%和36.5℃显著降低到60.0%和31.6℃，进而将热指数从65.0℃降低到39.5℃。实际应用结果表明，超吸湿Ca-PSS/MOF织物可显著降低人体中暑的可能性，使相应的危害指数由“极度危险”降至“极度谨慎”，制冷效果明显。这种制备的可穿戴吸湿制冷设备可以广泛的应用于世界各地的消防员，也可以扩展到其它需要长时间暴露在炎热环境中工作，面临严重热不适和热应激的职业，如医护人员、士兵和建筑工人等。因此，期望这种具有类“三明治”结构的多功能超吸湿Ca-PSS/MOF制冷可穿戴设备可为个人热管理领域发展提供一条新的途径。

这一成果近期发表在Small上，文章第一作者是苏州大学纺织与服装工程学院李武龙博士（现为新加坡南洋理工大学博士后）。该工作得到了国家自然科学基金（No. 51673137），江苏省研究生科研与实践创新计划项目（No. KYCX20-2665），中国国家留学基金委（CSC, 202106920042）和江苏省高等学校重点学术项目，以及新加坡教育部学术研究基金项目(MOE-T2-A-0005415-01-00, MOE2019-T2-2-127, MOE-T2EP50120-0002)的支持。

论文链接：

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

版权与免责声明：中国聚合物网原创文章。刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：info@polymer.cn，并请注明出处。

（责任编辑：xu）

【大中小】【打印】【关闭】

诚邀关注高分子科技

更多>>最新资讯

更多>>科教新闻