武汉纺织大学《Adv. Funct. Mater.》：受驼峰启发的层级结构织物，实现面料兼备热防护和热湿管理

2023-01-19 来源：高分子科技

防护服是消防员在极端火灾环境中保障生命健康的重要屏障，然而，由于长时间的高温环境以及高强度工作，人体产生的大量汗液将直接影响个人的健康以及工作效率。目前市面上的商业防护面料往往致力于单一的热防护性能提升，在热湿舒适方面缺乏有效调控。因此，开发一种既能阻挡外界极端热的入侵，又能通过汗液调控缓解人体过热的防护服，是亟需解决的难题。

近期，武汉纺织大学徐卫林院士、张骞博士与苏州大学方剑教授在期刊《Advanced Functional Materials》（DOI: 10.1002/adfm.202212626）上发表了题为“Hump-Inspired Hierarchical Fabric for Personal Thermal Protection and Thermal Comfort Management”的论文。该工作受驼峰启发，通过层级复合结构和单向导湿织物设计，解决了长期以来个人热防护和热湿舒适管理难以兼容的难题。在自然界中，驼峰是骆驼独有的一种近乎完美的保护屏障，能够长时间避免骆驼受沙漠白天极端热环境的影响。其中，驼峰内部脂肪的隔热性能抑制外界热量的输入，同时，其周围分布的汗腺通过调节汗液流动的方向，避免骆驼进一步发生过热现象（图1A）；因此，驼峰中自然形成的内部脂肪和汗腺集成功能使得骆驼能够长期生存在炽热高温的沙漠地区。受驼峰结构启发，课题组通过热轧处理和超声波焊接将阵列式隔热单元和异型芯吸通道整合在一起，设计了一种具有仿驼峰结构的层级织物（HHF）（图1B）。

图1. HHF的功能结构设计示意图和工作机制

与商用防护面料相比，该HHF的层级结构设计赋予了防护服面外方向超低的导热性（0.0192 W m^-1 K^-1），实现极端火灾环境中超高的热防护性能（图2A-B）；同时，HHF中耦合的异型芯吸通道赋予的单向导湿功能实现了人体所需的热湿舒适性（图3A-C）。模拟皮肤实验结果表明，该仿生消防织物在极端条件下（~80℃）的底部温度和相对湿度分别比传统消防服低~20.6 ℃（图2D）和~13.6 %（图3E）。

图2. HHF的热防护性能（CFU-14,CFU-97为商业化产品）

图3. HHF的汗液调控性能

研究人员对HHF进行了实际的防护和汗液调控性能测试。将HHF缠绕在假人胳膊上，用丁烷喷枪（火焰温度1500 ℃）验证其防护性能（图4A）。火焰灼烧后的面料依然保持原有颜色和状态。实际人体汗液调控（图4B）结果显示，在相同条件下，HHF下层的皮肤湿度远低于传统的商业化防护面料（图4C）。这些结果突出了HHF在极端火灾中个人防护的巨大应用潜力。

图4. HHF的实际场景测试

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202212626

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（责任编辑：xu）

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