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形状记忆材料在功能防护服中的应用

发布时间:2021-04-17 11:22
形状记忆材料(SMM)是一种集感知与驱动于一体的智能材料,具有形状记忆效应[1],即在一定条件下,经一定热塑变形,受到外部刺激可完全恢复到原始形状。功能纺织品设计中应用较为广泛的SMM包括形状记忆合金(SMA)和形状记忆聚合物(SMP)。SMA的形状记忆效应可由温度触发。1984年,法国CdF-Chimie公司成功开发了世界上第1例SMP—聚降冰片烯;SMP的形状记忆效应可由热、光、电、化学感应和其他刺激触发[2]。 SMM作为一种新型材料被广泛应用于航空航天、自动控制系统、医学、能源和智能纺织品等领域。
日常工作中,职业工人和应急救援人员会不同程度地暴露在危及生命的环境中,诸如高温或严寒等极端环境,穿着防护服有利于保护他们在工作中免受恶劣环境的伤害。为更好地保障从业人员的生命安全和提高工作效率,不仅要求防护服具有基本的抗撕裂、耐磨等功能,还要平衡防护性、工效学、储存热以及热应激之间的关系[3],因此,研发具有动态适应功能的防护服是现代防护服的发展趋势。将SMM应用于功能防护服设计,由于其具有形状记忆效应,可根据外部环境变化自发改变服装结构,从而解决防护服装的防护性与舒适性间的矛盾。本文对国内外相关文献进行了综述,凝练了SMM在防护服中进一步应用的具体方向,并从人体-服装-环境系统的角度展望了具有形状记忆材料结构的防护服的研究趋势。
 
1 SMM在功能防护服中的应用现状
1.1 SMM在功能纺织品中的应用
SMA可被加工成颗粒、薄膜[1]、丝[4]、纤维[5]等多种形式,应用于智能纺织品的美学设计、舒适性以及织物定型、抗皱等领域。Stylios等[4]将镍钛记忆合金丝编入织物发现,当环境温度高于合金形变温度时,织物的形状会随合金丝形变而发生变化。基于该原理,将镍钛合金丝用于裙摆的开口处,环境到达一定温度时裙摆会自动向上卷起[6],有利于人体散热的同时增加服装动态美的效果,这与随温度上升袖子会自动卷起的Oricalco衬衣[7]有异曲同工之处。利用超弹性镍钛合金丝材料研发的记忆胸罩[6],不仅能适应胸部的形状,为人体提供更好的穿着舒适性,而且耐洗性好,可防止胸罩走样、变形。此外,形状记忆合金丝已被成功应用于改善棉织物和亚麻织物的抗皱性能[8]。
相比于SMA,SMP的形变量大、易赋形、形变温度便于调整且价格低廉,因此,在智能纺织品和智能服装方面更具应用潜力,尤其是形状记忆聚氨酯(SMPU)[8]。同SMA一样,SMP混纺纱与常规纱线编织的复合松散型织物,处理后在高温下可形成压花效果[4]来增强纺织品的美感。此外,形状记忆聚合物通过后整理、涂覆、层压或其他处理,可应用于改善鞋垫[4]、高跟鞋[9]、压力袜[10]等的舒适感以及面料的透气性[11-12]、抗皱性[13]、尺寸和造型保形性[10, 14]等方面。例如,应用形状记忆聚合物的Dermizax?膜[7],可调节织物透气性。随着面料间微气候温度升高,膜中聚合物分子之间的开口打开,从而增加织物透湿性,提高蒸发散热效应;当温度下降,开口闭合利于织物保暖。Gefen等[9]研发的形状记忆泡沫枕头,随体温变化可调整其形状适应颈部和肩膀的轮廓,为人体提供更好的舒适感。
 
1.2 SMM在热防护服中的应用
热防护服有助于在消防队员或紧急救援人员处于各种灾害源,如火焰、辐射热、高温蒸汽、熔融物质等[15-16]威胁时提供必要的热保护,因此,消防服设计不能太过厚重导致着装者行动不便,或影响散热而产生热应激[17]。基于自身独特的形状记忆效应,SMM可实现面料系统隔热性能的动态调节[18]。将SMM置于防护服内部,可在消防员需要热防护功能(温度需达到SMM形变温度)时弹起,通过在服装内部形成较稳定的空气层减少热量传递,提高服装的防护性能[17];常温时收缩成扁平状,不影响服装层间空气层,利于散热,以确保最小的热物理负荷。
早在1999年,Congalton[19]提出使用SMM以实现热防护服动态自调节功能。分别将形变温度为45和57 ℃的SMA弹簧放入2层阻燃棉之间,使用锥型量热仪测量在不同热流量的条件下,弹簧存在与否时面料系统的热防护性能。图1示出SMA弹簧。实验结果表明,使用SMA弹簧结构可有效地降低面料系统背后的温度,增加了面料系统的隔热性能,同时发现形变温度接近二级烧伤温度时弹簧(45 ℃)的隔热效果更明显。由于当时实验条件有限,Congalton仅通过改变锥形量热仪的热流量模拟火场灾害环境具有一定的局限性,所采用的面料系统也不能代表消防服面料系统,因此,其研究结果暂不能预测热防护服的实际防护效果。
之后,有学者[20-21]将形状记忆材料放入消防服面料系统进一步研究其性能。Hendrickson[20]将可形成7 mm空气层的形状记忆环(SMR)放入消防服面料系统,采用辐射加热器(约177 ℃)作为热源进行实验发现,SMR产生的空气层可使皮肤处于较低的温度范围内,并可延长30 s以上的救援时间。图2 为SMR示意图。基于面料系统的温度变化,Hendrickson对引入可变空气层面料系统建立了传热模型以预测其防护性能。随后,White[21]验证了Hendrickson的模型,并进一步研究了SMR在面料层间的位置以及SMR的形变温度(50和90 ℃)对面料系统防护性能的影响。结果发现SMR在防水透气层面料系统外部时隔热效果更好,证明了SMR在面料中的位置可影响服装热防护效果,同时也验证了形变温度接近二级烧伤温度的SMR具有更优越的防护性能,这与Congalton的结论一致。虽然White改进了Hendrickson实验设计过程中因上下层热电偶的堆叠造成的面料厚度增加的问题,但是测温热电偶仍然被放置在面料中心位置,并不能反映整体的温度分布和变化。此外,空气层的厚度对防护性能的影响尚不明确。
仅进行面料实验并不能对实际救援过程中消防服的热防护性能进行准确评价,因此,Yates[22]在Hendrickson的基础上,进行真人着装实验,将SMR置于消防服的肩部、上臂外的隔热口袋,由受试者穿着消防服在燃烧室内进行防护性能实验。结果证明,SMR装置可明显降低消防服内局部的热流量,减小温度上升速率,降低烧伤的风险,但是Yates的实验存在以下不足:一是考虑到真人燃烧实验的危险性,受试者跪在消防区内以尽可能减小在热环境中的暴露面积,不能模拟真实火场情况;二是温度传感器仅被放在受试者棉衬衣的左、右口袋,采集的数据不能完全反映整个服装内部的温度变化;三是SMR的数量较少,仅放在消防服肩部和上臂部位,且未考虑SMR在服装内分布情况以及层间位置的影响;因此,研究仍不能全面准确地评价SMM对消防服防护性能的影响。
国内关于SMM的热防护研究起步较晚。陈艳等[23]将弹起高度为20 mm的形状记忆弹簧放在玄武岩织物外层和芳砜纶面料进行组合,得到的面料系统的热防护性能与防火隔热性能均优于传统消防服面料。郑慧琴[24]在含有形状记忆弹簧装置的面料系统中加入气凝胶和不锈钢箔,面料系统的防火隔热性能更为优异,但是将不锈钢箔和气凝胶嵌入防护服内部,造成消防员不作业时衣服厚重且行动不便,同时其透气性也较差,影响消防员救援行动。
上述研究均未系统地考虑SMM的分布情况对面料系统防护性能的影响。卢业虎等[25-26]选择典型的防护外层、防水透气层和隔热层组成3层消防服面料系统,将大约可形成32 mm的SMA弹簧放入防水透气层和隔热层之间,构筑了智能阻燃面料系统。图3示出形状记忆弹簧排列方式。在400 ℃高温接触条件下研究弹簧不同排列方式的试样的防护性能,发现形状记忆弹簧的排列方式对防水透气层与隔热层间的空气层分布有直接的影响,从而影响其防护性能。
考虑到灾害热源种类对面料系统的防护性能具有明显影响[27],卢业虎等[28]进一步比较了高温接触与12 kW/m2热辐射2种热源条件下,具有不同排列方式的SMA弹簧装置其织物系统的隔热性能。发现在2种热源条件下,面料系统呈现出不同的隔热性能,且不同排列方式的弹簧对面料的隔热性能具有不同的作用。此外,王帅等[29]分析了热辐射条件下SMA弹簧在面料层间产生的空气层的形状和厚度,并阐明SMA弹簧的作用机制。
然而,在现有热防护服的研究中,都是通过隔热层背面的温度去预测、评价面料或服装系统的防护性能,而没有涉及热流量指标,也缺乏对整个面料系统表面温度的综合性表征。
 
1.3 SMM在防寒服中的应用
服装的防寒性能取决于服装的热阻,现有文献对使用SMM提高防寒服防护效果的研究甚少。Yoo等[30]将弹起高度为10和15 mm的镍钛记忆弹簧分别置入夹克面料系统的涤纶衬里和防水透气层之间,使用人体-服装-环境(HCE)模拟器测试面料系统从热环境瞬变到冷环境时的温度变化。结果表明,镍钛弹簧形成的空气层可为人体进入温度骤降环境提供一定的缓冲效果,在一定范围内缓冲效果随弹簧高度的增加而增加。Yoo进一步将10 mm高的镍钛弹簧放于夹克背部进行真人着装实验,但是除了在转变点(热环境到冷环境)处,受试者的热感觉和皮肤平均温度没有显示出显着的差异,即在该研究中SMA弹簧的防寒效果并不明显。其原因可能是Yoo使用了防寒效果相对较弱的10 mm高度的弹簧,而且服装外层面料可能对弹簧弹起高度产生一定的阻碍作用,导致最终形成的有效空气层厚度较小;另外,弹簧的放置位置和个数也影响服装的防寒保暖性能。Yoo的实验为SMM在防寒服的应用提供了可能性,使SMM在防寒服研究方面有例可循。
 
2 研究方向
尽管SMM以多种形式被广泛应用在智能纺织品中,但是在提高防护服整体防护性能方面的研究仍较缺乏。不论是高温火场,还是极寒环境均威胁到从业人员的生命安全和任务执行,具有动态结构SMM的防护服可大大降低着装者受伤的风险。实验室研究很难模拟实际环境,尤其是仅仅进行面料实验远远不够。
未来这种具有环境响应型结构的防护服的研究趋势主要有:1)空气层厚度。现有关于热防护服的研究中均没有系统地考虑空气层厚度对防护效果的影响。隔热效果的关键在于空气层的尺寸。增加空气层厚度会增大服装热阻[31-32],从而提高防护服的隔热效果。但是空气层厚度过大,一方面使服装过于宽松,影响着装者的动作灵活性;另一方面可能会产生空气对流,增加散热,从而影响其隔热效果[31-33],因此,寻找最佳SMM的高度有利于提高防护服的整体性能;2)热源。热源种类对面料系统的热防护性能具有明显影响,所以在设计消防服时应充分考虑灾害环境,尤其是对消防员威胁最大的高温火焰,因此,在高温火焰环境中,对于面料系统的隔热性能的评价不可或缺。此外,着装者还可能会遇到高温液体、高压蒸汽等灾害,必须全面、系统地表征在多灾害环境下SMM对防护服装综合性能的影响;3)服装。相比于面料系统实验,三维的防护服装测试在冷热防护领域仍很缺乏。服装的防护性能不仅与面料有关,也与服装的结构、合体性等设计因素和组合穿着方式等密切相关。由于真人着装实验存在一定危险性,可借助燃烧假人测试系统进行客观全面地评估防护服装整体的热防护性能。此外,需要考虑不同的人体动作姿态对于服装的防护性能测试结果的影响;4)SMM的数量与分布。SMM在面料系统中的排列分布和数量会影响其防护效果,因此,在服装系统中,结合人体在极端环境中不同部位的暴露情况、运动特征、生理学特征等,需要进一步探索SMM分布的影响;5)生理舒适性。防护服的热湿舒适性和动作舒适性(服装压)影响职业工人、应急救援人员的心理压力和工作效率,因此,对SMM防护服进行生理舒适性和动作舒适性测评,探究对着装者的热负荷和动作灵活性等的影响情况,也是未来防护服的研究方向之一。
 
3 结束语
随着高性能新型纤维材料的不断研发,针对防护服的防护性能、舒适性以及工效性的整体优化设计越来越受到人们重视。研制环境响应型智能防护服不仅可提高职业工人和应急救援人员的工作效率,缓解其生理压力,更能减少人员财产和生命风险。目前国内外关于应用SMM来提高防护服性能的研究仍旧匮乏,且大都集中在二维面料水平上。不仅形状记忆材料的高度以及在防护服的分布、数量等需要进一步研究,对防护服的防护性能进行准确、全面地评价也是亟待解决的问题。此外,应用形状记忆材料的防护服在缓解热应激方面的优势需要江苏快3的研究去验证。