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武漢紡織大學(xué)《Adv. Funct. Mater.》：受駝峰啟發(fā)的層級結(jié)構(gòu)織物，實(shí)現(xiàn)面料兼?zhèn)錈岱雷o(hù)和熱濕管理

2023-01-19 來源：高分子科技

關(guān)鍵詞：仿生層級復(fù)合結(jié)構(gòu) 單向?qū)窨椢?/a> 熱防護(hù) 熱濕舒適性

防護(hù)服是消防員在極端火災(zāi)環(huán)境中保障生命健康的重要屏障，然而，由于長時(shí)間的高溫環(huán)境以及高強(qiáng)度工作，人體產(chǎn)生的大量汗液將直接影響個(gè)人的健康以及工作效率。目前市面上的商業(yè)防護(hù)面料往往致力于單一的熱防護(hù)性能提升，在熱濕舒適方面缺乏有效調(diào)控。因此，開發(fā)一種既能阻擋外界極端熱的入侵，又能通過汗液調(diào)控緩解人體過熱的防護(hù)服，是亟需解決的難題。

近期，武漢紡織大學(xué)徐衛(wèi)林院士、張騫博士與蘇州大學(xué)方劍教授在期刊《Advanced Functional Materials》（DOI: 10.1002/adfm.202212626）上發(fā)表了題為“Hump-Inspired Hierarchical Fabric for Personal Thermal Protection and Thermal Comfort Management”的論文。該工作受駝峰啟發(fā)，通過層級復(fù)合結(jié)構(gòu)和單向?qū)窨椢镌O(shè)計(jì)，解決了長期以來個(gè)人熱防護(hù)和熱濕舒適管理難以兼容的難題。在自然界中，駝峰是駱駝獨(dú)有的一種近乎完美的保護(hù)屏障，能夠長時(shí)間避免駱駝受沙漠白天極端熱環(huán)境的影響。其中，駝峰內(nèi)部脂肪的隔熱性能抑制外界熱量的輸入，同時(shí)，其周圍分布的汗腺通過調(diào)節(jié)汗液流動(dòng)的方向，避免駱駝進(jìn)一步發(fā)生過熱現(xiàn)象（圖1A）；因此，駝峰中自然形成的內(nèi)部脂肪和汗腺集成功能使得駱駝能夠長期生存在熾熱高溫的沙漠地區(qū)。受駝峰結(jié)構(gòu)啟發(fā)，課題組通過熱軋?zhí)幚砗统暡ê附訉㈥嚵惺礁魺釂卧彤愋托疚ǖ勒显谝黄穑O(shè)計(jì)了一種具有仿駝峰結(jié)構(gòu)的層級織物（HHF）（圖1B）。

圖1. HHF的功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖和工作機(jī)制

與商用防護(hù)面料相比，該HHF的層級結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)賦予了防護(hù)服面外方向超低的導(dǎo)熱性（0.0192 W m^-1 K^-1），實(shí)現(xiàn)極端火災(zāi)環(huán)境中超高的熱防護(hù)性能（圖2A-B）；同時(shí)，HHF中耦合的異型芯吸通道賦予的單向?qū)窆δ軐?shí)現(xiàn)了人體所需的熱濕舒適性（圖3A-C）。模擬皮膚實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該仿生消防織物在極端條件下（~80℃）的底部溫度和相對濕度分別比傳統(tǒng)消防服低~20.6 ℃（圖2D）和~13.6 %（圖3E）。

圖2. HHF的熱防護(hù)性能（CFU-14,CFU-97為商業(yè)化產(chǎn)品）

圖3. HHF的汗液調(diào)控性能

研究人員對HHF進(jìn)行了實(shí)際的防護(hù)和汗液調(diào)控性能測試。將HHF纏繞在假人胳膊上，用丁烷噴槍（火焰溫度1500 ℃）驗(yàn)證其防護(hù)性能（圖4A）。火焰灼燒后的面料依然保持原有顏色和狀態(tài)。實(shí)際人體汗液調(diào)控（圖4B）結(jié)果顯示，在相同條件下，HHF下層的皮膚濕度遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的商業(yè)化防護(hù)面料（圖4C）。這些結(jié)果突出了HHF在極端火災(zāi)中個(gè)人防護(hù)的巨大應(yīng)用潛力。

圖4. HHF的實(shí)際場景測試

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202212626

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（責(zé)任編輯：xu）

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