王歌，徐鑫，王佳儀，魏民芳，陳子堅

（天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 能源工程學(xué)院，天津 300350）

醫(yī)用防護(hù)服作為常見的防護(hù)性服裝，可以保護(hù)醫(yī)務(wù)工作者、公共衛(wèi)生人員、清潔人員、志愿者等進(jìn)入疫情重區(qū)、感染區(qū)域人群，使他們免遭病毒污染感染，或避免交叉感染，在此次抗擊新型冠狀病毒肺炎疫情防護(hù)工作中起到了至關(guān)重要的作用。其中一次性醫(yī)用防護(hù)服作為醫(yī)務(wù)工作者的必需品，在疫情期間起到了阻隔細(xì)菌與病毒、有害超細(xì)粉塵、酸堿性溶液等作用，同時保證疫區(qū)、感染區(qū)域等環(huán)境的清潔。但是醫(yī)務(wù)工作者的身體不得不長時間處于不通風(fēng)狀態(tài)，身體產(chǎn)生的熱量不能與外界進(jìn)行熱交換，輕則皮膚被悶出紅疹，重則出現(xiàn)頭痛、胸悶等癥狀。2020 年6 月上旬以來，新型冠狀病毒肺炎疫情卷土重來，炙熱的夏天使得醫(yī)務(wù)工作者的工作更加困難，一些穿著醫(yī)用防護(hù)服的醫(yī)務(wù)工作者出現(xiàn)中暑現(xiàn)象。現(xiàn)階段一次性醫(yī)用防護(hù)服已經(jīng)具備了良好的防護(hù)阻隔性能，卻存在著透濕性、透熱性差的缺點[1-2]，給穿著醫(yī)用防護(hù)服工作的醫(yī)務(wù)工作者等人群帶來諸多不便與危害。因此，探究改善一次性醫(yī)用防護(hù)服熱濕舒適性的相關(guān)技術(shù)是當(dāng)務(wù)之急。

一、一次性醫(yī)用防護(hù)服對熱濕舒適性的要求

同其他有機體一樣，人體皮膚每時每刻都要向外界環(huán)境散發(fā)熱量與水分來維持其表面溫度的恒定，而服裝可以起到阻擋人體皮膚表面水分的散失以及吸收皮膚表面部分汗液的作用。其中“人體自身產(chǎn)生的熱量和水分”與“人體散失到外界環(huán)境的熱量和水分”二者之間的交換平衡決定著人在穿著醫(yī)用防護(hù)服時的舒適度。研究表明，人體感到舒適的衣內(nèi)環(huán)境是：衣內(nèi)溫度為（32±1）攝氏度，衣內(nèi)相對濕度為（50±10）%[3]。

與研究人員對織物和服裝透濕性評價方法不同的是，在實際生產(chǎn)中人們常使用“透濕量”作為評價織物和服裝透濕性的重要指標(biāo)，其中“織物水蒸氣傳遞速率測試”和“蒸發(fā)熱轉(zhuǎn)移阻抗測試”是檢測織物透濕性常見的兩種標(biāo)準(zhǔn)測試方法[4]。關(guān)于醫(yī)用防護(hù)服材料透濕量的要求，GB19082-2003[5]與GB19082-2009《醫(yī)用一次性防護(hù)服技術(shù)要求》[6]均要求不小于2500g/（m2·d），且操作透濕量試驗時應(yīng)根據(jù)GB/T 12704-1991 規(guī)定的方法進(jìn)行試驗。通過對我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB 19082-2009、美國標(biāo)準(zhǔn)NFPA 1999-2018、歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN 14126-2003 三者進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)，國外對醫(yī)用防護(hù)服的材料透濕量并未做出明確的要求[7]，如表1 所示。

表1 GB 19082-2009、NFPA 1999-2018、EN 14126-2003 透濕量指標(biāo)比對表[10]

此外，關(guān)于透濕量的試驗表明：在相對濕度不變的情況下，透濕量與衣內(nèi)溫度成正比例關(guān)系；在溫度不變的情況下，透濕量與相對濕度則成反比例關(guān)系。

服裝舒適程度直接影響使用者的行動，同時也會間接影響使用者的心情與工作效率，因此，服裝的舒適性作為人體對服裝接受程度的直觀反映，成為評價服裝性能的重要指標(biāo)，而熱濕舒適性就是評價服裝舒適性最重要的指標(biāo)。安全防護(hù)性與熱濕舒適性是評判醫(yī)用防護(hù)服性能不可或缺的重要標(biāo)準(zhǔn)[8]，因此在醫(yī)用防護(hù)服安全防護(hù)性得以保障的前提下，研究改善現(xiàn)階段醫(yī)用防護(hù)服熱濕舒適性具有十分重要的意義。

二、現(xiàn)階段一次性醫(yī)用防護(hù)服熱濕舒適性較差的原因

根據(jù)表2[9]可以發(fā)現(xiàn)，我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB19082-2009 中對醫(yī)用防護(hù)服透濕量的要求，僅相當(dāng)于在人體在10℃的環(huán)境中水平步行時的出汗量，而現(xiàn)實中醫(yī)生的工作強度多屬中、重度勞動。顯而易見，我國現(xiàn)有國家標(biāo)準(zhǔn)對醫(yī)用防護(hù)服熱濕舒適性的要求還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，也即熱濕舒適性能較差。

表2 不同環(huán)境人體出汗量對比表[12]

醫(yī)用防護(hù)服的舒適性受透濕性、透氣性、水蒸氣穿透性、懸垂性、抗靜電性、皮膚刺激性以及設(shè)計與制作結(jié)構(gòu)等眾多因素的影響，其中透濕性與透氣性是尤為關(guān)鍵的兩個影響因素?，F(xiàn)階段一次性醫(yī)用防護(hù)服為了保障其性能達(dá)到生產(chǎn)要求，在制作工藝上通常采用層壓處理或復(fù)膜處理，這是導(dǎo)致醫(yī)用防護(hù)服透濕性、透氣性差的原因之一。另外，在材料選擇上，大多應(yīng)用透氣膜/非織造布復(fù)合布，這種材料的透氣性較差且不吸水，防護(hù)服內(nèi)部的熱量及水汽無法排出，醫(yī)護(hù)人員在工作時體內(nèi)與外界環(huán)境不能很好地進(jìn)行熱交換，導(dǎo)致醫(yī)用防護(hù)服透濕性與透氣性差。這會導(dǎo)致醫(yī)護(hù)人員長時間處于悶熱、潮濕的環(huán)境，容易引起身體上的不適與心理上的煩躁焦慮，甚至產(chǎn)生連鎖反應(yīng)。

綜上所述，穿著現(xiàn)有的醫(yī)用防護(hù)服不利于使用者進(jìn)行長時間、高強度的工作。因此，應(yīng)在保障醫(yī)用防護(hù)服安全防護(hù)性能的前提下，對現(xiàn)有醫(yī)用防護(hù)服的熱濕舒適性進(jìn)行改善和優(yōu)化。

三、改善一次性醫(yī)用防護(hù)服熱濕舒適性的技術(shù)情況

1.新穎材料的應(yīng)用——相變材料

目前，我國已研究并生產(chǎn)出了眾多不同特性的醫(yī)用防護(hù)服材料，在實際生產(chǎn)使用中，機織、非織造布、復(fù)合材料成為主要的醫(yī)用防護(hù)服材料。具體是：（1）以聚丙烯為原料的紡粘布，這種材料的特點是具有防菌防靜電功能，價格較為低廉，一次性使用，但抗水壓力不高，對病毒的阻隔效果不強。（2）用閃蒸法一次成型的非織造布，這類材料的特點是具有極好的防水性，可以有效地阻隔顆粒，但是通過這類方法制成的材料不能有效阻隔血液和體液。（3）利用高聚物涂層制成的織物，具有很好的阻隔性，無論是病毒、血液還是化學(xué)藥品，其阻隔效果都非常好，但其透視性與透氣性較差，且只能一次性使用，成本較高。（4）紡粘布-薄膜-紡粘布復(fù)合材料，也被稱為SFS 復(fù)合材料，這種材料是對現(xiàn)有薄膜-紡粘非織造布復(fù)合材料的優(yōu)化與改進(jìn)，即在上述材料的“薄膜”一側(cè)增加了一層紡粘布，由此生產(chǎn)出SFS 復(fù)合材料。改進(jìn)后的材料借助兩側(cè)紡粘布的保護(hù)作用，極大地提高了材料中防水透濕膜的膜強力，因此經(jīng)過改進(jìn)后的SFS 復(fù)合材料具有良好的防水透濕性與阻隔性[10]。（5）聚丙烯紡粘-熔噴-紡粘復(fù)合非織造布，也被稱為SMS 或SMMS 復(fù)合材料[11-12]，具有良好的阻擋病菌入侵性能、較好的強度與韌性，且無毒、抗靜水壓能力較高、質(zhì)地和手感好，透氣性、過濾性良好，具有較強的耐酸和耐堿力。但其對固體可見顆粒的防護(hù)不強，因此其防護(hù)效果還不盡如人意，在醫(yī)用防護(hù)領(lǐng)域多作一次性使用。（6）聚乙烯透氣膜/非織造布復(fù)合布[13-14]，這種材料具有優(yōu)良的阻隔性能，可以進(jìn)行消毒處理，材料輕盈，質(zhì)量一般為60～100g/m2，有較好的強度與抗撕裂性，同時克服了一般高聚物不能透濕的缺點，具有良好的防水透氣性，總體來說有較高的性價比。

由上述材料性能的介紹可知，借助增加新穎材料的應(yīng)用來改善醫(yī)用防護(hù)服將成為醫(yī)用防護(hù)材料領(lǐng)域的重要課題。

在醫(yī)用防護(hù)服生產(chǎn)領(lǐng)域，常常通過應(yīng)用相變材料將普通衣服改造成醫(yī)用的防護(hù)服。介紹相變材料之前首先要了解“相變原理”。物質(zhì)是由分子、原子構(gòu)成的，通常所見的物質(zhì)有固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)三種狀態(tài)，而物質(zhì)狀態(tài)是指一種物質(zhì)出現(xiàn)不同的相，指的是與其他部分具有明顯分界面的均勻部分，如氣相和液相往往與氣態(tài)和液態(tài)對應(yīng)，只有一個，但固相則需要考慮原子的排布，故很多材料具有多個固相，比如石墨和金剛石。相變[15]指的是物理性質(zhì)轉(zhuǎn)變的過程，即物質(zhì)從一種相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相，這與態(tài)的轉(zhuǎn)變不一定完全相同。物質(zhì)在相變過程中常伴隨著吸熱反應(yīng)或放熱反應(yīng)以及體積的變化，所以一些物質(zhì)在相變過程中可以吸收或釋放大量的潛熱。相變材料（Phase Change Material，縮寫為PCM）指的就是此類物質(zhì)。在不改變溫度的條件下，相變材料改變物質(zhì)狀態(tài)并能提供潛熱的物質(zhì)，其具體制冷作用與加熱作用可參考圖1。

圖1 PCM 的制冷作用與加熱作用

借助相關(guān)技術(shù)將相變材料植入纖維，再使用上述特殊材料制作服裝，就成為醫(yī)療防護(hù)生產(chǎn)領(lǐng)域常用的方法。以固-液相變材料在紡織品中的應(yīng)用為例，相變材料在遇冷時，通過放熱反應(yīng)發(fā)生液相到固相的轉(zhuǎn)變；在遇熱時，通過吸熱反應(yīng)發(fā)生固相到液相的轉(zhuǎn)變。即相變材料的制冷作用和保溫作用可以具體解釋為：根據(jù)外界溫度的改變，相變材料可以在一定的溫度范圍內(nèi)作出相應(yīng)的反應(yīng)，進(jìn)一步控制服裝內(nèi)部的溫度。所以，在尋找改善醫(yī)用防護(hù)服熱濕舒適性的技術(shù)研究中，研究人員可以借助相變材料的制冷作用，即選取接近人體體溫變化范圍的合適相變材料，在醫(yī)用防護(hù)服內(nèi)環(huán)境的溫度（積聚在防護(hù)服內(nèi)人體無法傳遞給外界環(huán)境的熱量）達(dá)到相變材料熔點時，相變材料吸收熱量產(chǎn)生制冷效果，即可達(dá)到改善醫(yī)用防護(hù)服熱濕舒適性的目的。

相變材料作為新穎材料其應(yīng)用潛力很大，有體積小、質(zhì)量輕、穿戴方便、服裝設(shè)計簡單、成本低、可長期重復(fù)使用等優(yōu)點[16]。值得注意的是，在服裝紡織領(lǐng)域使用相變材料時，為了保證使用者在穿戴時的舒適與安全，所選取相變材料的溫度變化范圍應(yīng)接近人體表面皮膚溫度變化范圍，在最大程度上起到防暑降溫的作用[17]。改進(jìn)的醫(yī)用防護(hù)服[18-21]由內(nèi)外兩層防護(hù)服構(gòu)成，內(nèi)層增加控溫衣層，使用的相變材料由PCM 纖維和其他材料混合而成，可根據(jù)使用者需求調(diào)節(jié)溫度，進(jìn)而提高使用者舒適度。當(dāng)相變材料溫度達(dá)到極限時，可通過加熱降溫的方式使其回到相變原點，從而實現(xiàn)多次利用。外層防護(hù)服可根據(jù)需求進(jìn)行更換，此系統(tǒng)能有效提升防護(hù)物品使用的時間和舒適度。

2.增設(shè)衣內(nèi)氣體環(huán)境單向流動系統(tǒng)

在專利“一種具有降溫功能的安全通風(fēng)醫(yī)用防護(hù)服”[22]中，發(fā)明者在醫(yī)用防護(hù)服內(nèi)部設(shè)計并安裝了通風(fēng)裝置，并在該裝置上增設(shè)降溫結(jié)構(gòu)、連接過濾結(jié)構(gòu)（過濾裝置中的濾芯設(shè)置為可更換的），同時通風(fēng)裝置連接輸氣導(dǎo)管，以便于外界環(huán)境進(jìn)行氣體交換。為了避免各個裝置結(jié)構(gòu)受外界環(huán)境的污染，發(fā)明者將各裝置固定在醫(yī)用防護(hù)服內(nèi)部。為了方便更換某些元件的替換，減少資源浪費，此發(fā)明專利中的所有結(jié)構(gòu)都是可拆卸的，所以只需要進(jìn)行簡單拆卸與消毒處理便可實現(xiàn)循環(huán)利用?？傮w來說，該發(fā)明專利提高了醫(yī)用防護(hù)服的熱濕舒適性，同時實現(xiàn)了資源的循環(huán)利用，但在實際使用中可能會帶來不便，增加使用者的負(fù)重。

在專利“一種多功能醫(yī)用防護(hù)服”[23]中，發(fā)明者根據(jù)“無葉風(fēng)扇”原理進(jìn)行了以下操作：在醫(yī)用防護(hù)服內(nèi)部即人體腰部處連接增設(shè)了渦輪結(jié)構(gòu)，渦輪產(chǎn)生的氣流流經(jīng)弧形管道，繼而從環(huán)形切口處噴出，借助噴出的氣流，醫(yī)用防護(hù)服內(nèi)在氣流噴出的位置形成了負(fù)壓區(qū)，產(chǎn)生較高的風(fēng)速（遠(yuǎn)高于人體自身風(fēng)速）。同時借助驅(qū)動馬達(dá)產(chǎn)生的動力帶動弧形管道上的凸輪，而凸輪驅(qū)動又帶動端部的按摩球，該過程可以緩解使用者腰部疲勞。雖然渦輪與驅(qū)動馬達(dá)的存在會增大醫(yī)用防護(hù)服內(nèi)空間，但由于二者均是采用輕質(zhì)材料制成的，所以不會對使用者造成太大的影響。該發(fā)明實用性強、結(jié)構(gòu)巧妙、安全性高。

綜上所述，設(shè)置制冷裝置，可以實現(xiàn)防護(hù)服內(nèi)溫度的降低，是改善醫(yī)用防護(hù)服熱濕舒適性、提高人員穿戴舒適度的可行方法。因此，在改善醫(yī)用防護(hù)服舒適性時，可以在防護(hù)服背部安裝有可拆卸的小型移動電源，空氣泵連接是由SMS 無紡布和聚丙烯材料構(gòu)成的空氣過濾管，從頸部進(jìn)氣臀部排氣，整體實現(xiàn)醫(yī)用防護(hù)服內(nèi)空氣的循環(huán)。以上通風(fēng)系統(tǒng)與空氣過濾管均安裝在醫(yī)用防護(hù)服內(nèi)部，降低防護(hù)設(shè)備被污染的可能性，同時將空氣過濾管中的濾芯設(shè)置為可更換的，所有硬件均是通過可拆卸連接的方式安裝在醫(yī)用防護(hù)服上，可消毒后再利用，如此避免了資源的浪費。另外，在腳底安裝有壓力泵[24]，可在無電源支持下通過內(nèi)外壓力差實現(xiàn)氣體的排放。

3.合理的服裝設(shè)計與結(jié)構(gòu)

參考人體各部位出汗分布[25-26]情況（如下表3），顯而易見，人體出汗量較大的部位有胸部、大腿、腹部、頭部、腰部，所以可以在醫(yī)用防護(hù)服對應(yīng)位置增設(shè)相變材料，以此改善醫(yī)用防護(hù)服的熱濕舒適性，也即在改進(jìn)醫(yī)用防護(hù)服的服裝設(shè)計與結(jié)構(gòu)時，應(yīng)將上述身體部位所對應(yīng)的醫(yī)用防護(hù)服位置作為研究重點。

表3 人體各部位出汗量相對值表（%）

將醫(yī)用防護(hù)服頭部改為透明密閉性設(shè)計，使得使用者不再依賴口罩和護(hù)目鏡，降低身體負(fù)壓感，增強使用者面部防護(hù)性，提升整體舒適度和透氣性。目前，在現(xiàn)有改善醫(yī)用防護(hù)服的發(fā)明專利中也出現(xiàn)了對防護(hù)服頭部的研究改善。發(fā)明專利“一種具有透氣性能的醫(yī)用防護(hù)服設(shè)備”中[27]公開了一種具有透氣性能的醫(yī)用防護(hù)服設(shè)備，具體分為頭罩、防護(hù)服主體、吸氣閥和壓板，發(fā)明者在防護(hù)服主體的頂端固定有頭罩，并且在頭罩靠近面部的位置處設(shè)置有開口，安裝有頭套收縮繩，且頭套收縮繩上設(shè)有調(diào)節(jié)扣，通過設(shè)置三片式頭罩，頭罩與防護(hù)服主體之間為膠條型接縫連接，三片式設(shè)計使得頭罩與臉面貼合更緊密，而膠條型接縫連接設(shè)計能夠阻擋病毒或液態(tài)物質(zhì)由接縫處進(jìn)入防護(hù)服內(nèi)，防護(hù)效果更好。發(fā)明專利“全封閉式一次性醫(yī)用防護(hù)服及其應(yīng)用方法”[28]中公開了一種全封閉式一次性醫(yī)用防護(hù)服及其應(yīng)用方法，具體為該連體式結(jié)構(gòu)的防護(hù)衣增設(shè)頭罩，即其在與面部相配合的一側(cè)設(shè)置有透明面罩。其中，防護(hù)衣與頭罩以可拆卸的方式連接成一體結(jié)構(gòu)，頭罩通過內(nèi)部設(shè)置支撐件，在空間上呈立體結(jié)構(gòu)，支撐件采用玻璃纖維棒。該發(fā)明專利直接在頭罩上設(shè)置面罩，密封性能更好，且配合頭罩與防護(hù)服的可拆卸連接，使得穿戴流程更加簡單，同時在頭罩內(nèi)部設(shè)置支撐件使得穿戴人員頭不承重，頭罩內(nèi)部空間大，頭部活動靈活，不影響穿戴人員對身體的支配度。

改進(jìn)防護(hù)服內(nèi)部結(jié)構(gòu)與空間，在背部內(nèi)側(cè)增加拉鏈?zhǔn)娇诖O(shè)計，方便空氣泵使用時的存放以及循環(huán)使用時的換取，同時有助于醫(yī)護(hù)工作者借力攜帶空氣泵。增設(shè)有口袋的獨立背心方便相變材料的存放與換取，增加空氣過濾管的固定結(jié)構(gòu)，以免給使用者帶來不便。