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蘇大李戰雄、NTU魏磊和NUS Tan Swee Ching教授 Small：一種多功能類“三明治”結構的超吸濕MOF制冷服裝

2024-03-15 來源：高分子科技

近年來，由于環境的不斷惡化，極端天氣事件出現越來越頻繁(例如全球極端高溫天氣)，這對人類的正常生活，特別是在特殊環境中工作的人們提出了巨大的挑戰。因此，個人防護裝備(PPE)在保護消防員、士兵、醫護人員等在惡劣環境中工作的人員方面發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內部的皮膚表面積累汗液，不易蒸發，增加熱應激和不適感。當在高溫環境下長時間的工作，最終會導致細菌滋生、肌肉痙攣、電解質紊亂、中暑甚至死亡。擁有一個舒適的熱環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、勞動生產率和社會經濟產生負面影響。

一般來說，人體散熱的途徑有四種:輻射、對流、傳導和蒸發。因此，許多專注于設計制備具有輻射性能、蒸發性能和導熱性能的制冷紡織品用于個人熱管理(PTM)的技術已經得到了快速發展。然而，目前大多數制備得到的功能服裝主要適用于戶外個人熱管理或常規人群，而不適用于需要在惡劣環境下穿著防護服工作的特殊工作人群，如士兵、消防員、醫護人員等。因此，基于PTM的排汗吸濕制冷服裝的開發制備技術鮮有報道。

近日，在此背景下，蘇州大學紡織與服裝工程學院李戰雄教授課題組、新加坡南洋理工大學電氣與電子工程魏磊教授課題組和新加坡國立大學材料科學與工程學院Tan Swee Ching教授課題組提出了一個新概念，通過將超吸濕、抗菌和防污性能集成到一個可穿戴制冷服裝中，實現長期個人的人體熱管理的效果。具體來說，設計了一種由超吸濕性摻鈣鹽的聚4-苯乙烯磺酸鈉膜(Ca-PSS)和超疏水性Zn基MOF織物組成的類“三明治”結構，以實現在高溫環境下工作時人體排汗過程的冷卻、防污和抗菌能力。Ca-PSS膜能夠迅速吸收人體皮膚上產生的汗液，可有效降低人體微環境中的濕度和溫度熱指數，進而表現出良好的降溫效果，從而防止人體脫水中暑，提高防護服內部微環境的熱舒適性。值得注意的是，Ca-PSS膜/MOF可穿戴織物的三明治結構具有單向導濕的Janus特征，可以使汗液水汽單向透過織物并保留在內部的Ca-PSS膜的網絡中。這樣可以防止被吸收的汗液再次回流到皮膚表面。此外，超疏水MOF織物不僅能表現出優異的防污抗菌性能，還能進一步防止吸汗膜直接接觸皮膚引起的二次不適。因此，多功能三明治結構超吸濕Ca-PSS/MOF可穿戴設備可以幫助那些需要穿著防護服在高溫環境中工作的人員(世界各地的消防員、士兵、醫護人員等)，顯著降低其防護服內部微環境中的濕度和熱指數，達到制冷舒適的效果。最后通過人體穿著制備的T恤和消防服模擬實驗證明，所制備的T恤能夠通過高效的排汗蒸發制冷緩解人體的熱應力，提高舒適性，同時具有優異的抗菌和防污性能。

圖1 多功能類“三明治”結構超吸濕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”的結構設計，并結合了MOF T恤和超吸濕Ca-PSS膜的優點。

(2)設計的類“三明治”結構可將汗液水分從防護服微環境單向輸送到Ca-PSS膜內層，同時防止被吸收的汗液再次轉移到身體表面，并保留在Ca-PSS膜的網絡中，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、優異的可重復使用性、節能再生和按需可調等特點。此外，MOF可穿戴織物具有優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細菌或真菌的生長，為人體提供一個健康舒適的微環境。

(4)最引人注目的是，與普通T恤相比，這種類“三明治”結構的Ca-PSS/MOF吸濕制冷服可以顯著降低消防員防護服內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。

(5)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，也可以擴展到其它面臨嚴重熱不適和熱應激的職業，如醫護人員、士兵和建筑工人等。

圖2 類“三明治”結構的Ca-PSS/MOF吸濕制冷服裝的制備流程示意圖。a) ZIF-8-CF和b)超吸濕Ca-PSS膜的制備過程。

圖3 超疏水ZIF-8-CF織物的潤濕性和抗菌性能。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表面上的狀態圖(從左至右pH值分別為2、7、13)。d)普通T恤和e)超疏水ZIF-8-CF T恤的防污試驗。f)超疏水ZIF-8-CF的水蒸氣透過性測試。g-j)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌在CF和超疏水ZIF-8-CF表面存在狀態的SEM圖像。

圖4 Ca-PSS膜的形貌和化學結構。a) Ca-PSS溶液和Ca-PSS膜的光學照片。b) PSS、乙醇胺、Ca絡合物和Ca-PSS膜的FTIR光譜。c) PSS和Ca-PSS膜的XPS光譜。d) CaCl₂、Ca絡合物和Ca-PSS膜的TGA曲線。e) Ca-PSS薄膜的EDS圖。f)不同形變狀態下Ca-PSS膜的柔韌性展示圖。

圖5 類“三明治”結構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”結構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部的e)溫度，f)相對濕度，g)熱指數數據圖。h)熱指數云圖。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”結構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構，實現了從防護服微環境到Ca-PSS膜內層的單向汗水水分輸送功能。反之，汗液向可穿戴設備外側的輸送受到限制，并將其保留在Ca-PSS膜的網絡中，使吸收的汗液無法再次轉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、優異的可重復使用性、節能可再生、可調控等特點。此外，MOF可穿戴設備具有優異的自清潔和抗菌性能，可有效防止污染物污染，抑制工人防護服內細菌或真菌的生長，為人體提供健康舒適的微環境。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℃，進而將熱指數從65.0℃降低到39.5℃。實際應用結果表明，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境中工作，面臨嚴重熱不適和熱應激的職業，如醫護人員、士兵和建筑工人等。因此，期望這種具有類“三明治”結構的多功能超吸濕Ca-PSS/MOF制冷可穿戴設備可為個人熱管理領域發展提供一條新的途徑。

這一成果近期發表在Small上，文章第一作者是蘇州大學紡織與服裝工程學院李武龍博士（現為新加坡南洋理工大學博士后）。該工作得到了國家自然科學基金（No. 51673137），江蘇省研究生科研與實踐創新計劃項目（No. KYCX20-2665），中國國家留學基金委（CSC, 202106920042）和江蘇省高等學校重點學術項目，以及新加坡教育部學術研究基金項目(MOE-T2-A-0005415-01-00, MOE2019-T2-2-127, MOE-T2EP50120-0002)的支持。

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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（責任編輯：xu）

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