生化防護(hù)服通常需要應(yīng)對(duì)非常復(fù)雜的危險(xiǎn)環(huán)境,在特殊情況下需要裝備液密性或氣密性防護(hù)服,對(duì)各種有毒有害的液態(tài)、氣態(tài)、煙態(tài)、固態(tài)化學(xué)物質(zhì)、生物毒劑、軍事毒氣和核污染起到全面的防護(hù)作用。此類防護(hù)服在保證防護(hù)性能的同時(shí)必定犧牲舒適性,因此,未來(lái)生化防護(hù)服的研究,如何實(shí)現(xiàn)更好的防護(hù)性能與減輕重量和熱應(yīng)激、提高防護(hù)服的舒適性同等重要。
智能阻隔膜材料可以使生化防護(hù)服表面具有對(duì)有毒有害物質(zhì)的自感知(“傳感器”功能)、自響應(yīng)(“執(zhí)行器”功能)、自適應(yīng)能力,在保證防護(hù)性能的同時(shí)達(dá)到根據(jù)外部環(huán)境調(diào)節(jié)防護(hù)服透氣、透濕性能,或起到自消毒或自清潔等作用,可以大大提高生化防護(hù)服的防護(hù)性能和舒適性。
具有“傳感器”功能的阻隔膜材料
現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)的可以感知化學(xué)和生物刺激(包括化學(xué)性質(zhì)、pH值、離子強(qiáng)度、反應(yīng)熱、水分、表面張力、生物表面功能性等)的智能材料包括導(dǎo)電聚合物、熱敏氣凝膠、鉻材料、活性吸附劑和變形材料等。其中,導(dǎo)電聚合物是一種極具應(yīng)用潛力的生化智能防護(hù)傳感器材料,如聚合物摻雜聚吡咯、聚噻吩和聚苯胺(PANI)可用作檢測(cè)易揮發(fā)和液體化學(xué)物質(zhì)的傳感器,其原理是:當(dāng)這些摻雜特殊物質(zhì)的導(dǎo)電聚合物暴露于具有氧化/還原作用的物質(zhì)中時(shí)會(huì)發(fā)生“摻雜-脫摻雜”反應(yīng),進(jìn)而通過(guò)監(jiān)測(cè)導(dǎo)電聚合物的電阻率來(lái)檢測(cè)是否存在有害物質(zhì)。
以MoO3為基體嵌入聚苯胺的薄膜能夠檢測(cè)到濃度低至25mg/kg的甲醛和乙醛
另外,酶也可用于檢測(cè)有機(jī)磷酸鹽類化學(xué)物質(zhì)。Agentase公司開(kāi)發(fā)的一種傳感器,結(jié)合了乙酰膽堿、乙酰膽堿酯酶、尿素、尿素酶和pH值敏感染料,同時(shí),該產(chǎn)品還可快速對(duì)溫度變化做出反應(yīng)。
具有“執(zhí)行器”功能的阻隔膜材料
形狀記憶高分子材料具有保持臨時(shí)形狀的能力,且在受到適當(dāng)?shù)耐饨绱碳r(shí)能夠恢復(fù)初始形狀,具有密度低、可恢復(fù)形變量大、易加工成形、形變溫度可調(diào)等諸多優(yōu)點(diǎn),作為具有“執(zhí)行器”功能的自響應(yīng)阻隔膜材料應(yīng)用前景廣泛。目前,相關(guān)研究主要集中在熱致形狀記憶高分子材料。如形狀記憶聚氨酯,利用其熱活化性能可起到低溫時(shí)(<Tg)低透氣性的保暖作用和高溫時(shí)(>Tg)高透氣性的散熱作用,從而充分改善織物的穿著舒適性。形狀記憶聚氨酯還被觀察到具有濕度敏感效應(yīng),這意味著也可以通過(guò)濕度變化調(diào)節(jié)形狀記憶聚氨酯阻隔膜的透氣性。
形狀記憶聚氨酯材料的濕度和溫度刺激形狀變化
目前,商業(yè)化的形狀記憶聚氨酯材料包括日本三菱重工(SMP Technologies)開(kāi)發(fā)的基于形狀記憶聚氨酯熱敏透氣膜,以及芬蘭Ahlstrom(奧斯龍)公司開(kāi)發(fā)的基于形狀記憶聚氨酯的膜材料(由溫度敏感、透氣的整體薄膜夾在兩層超細(xì)纖維紡粘聚丙烯非織造布之間制成)等。
除此之外,通過(guò)接枝離子凝膠制備的電制動(dòng)納米多孔聚合物膜在生化防護(hù)服上也顯示出巨大的應(yīng)用潛力,在施加和取消電場(chǎng)的作用下,由于位于納米孔內(nèi)的離子凝膠膨脹和收縮,從而可根據(jù)需要調(diào)節(jié)孔徑,提高透氣性。
接枝離子凝膠滌綸納米孔膜的阻隔原理
自適應(yīng)阻隔膜及其在生化防護(hù)服上的應(yīng)用
自適應(yīng)智能材料能夠響應(yīng)外部刺激為穿著者提供即時(shí)保護(hù),如具有自清潔功能或自修復(fù)功能,能夠及時(shí)清潔表面的有害化學(xué),或修復(fù)防護(hù)服表面的缺損防止有害物質(zhì)的侵入,實(shí)現(xiàn)更加智能的防護(hù)。
LLNL研制的具有碳納米管導(dǎo)濕孔的膜材料
美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)2016年研制了一種稱為“第二層皮膚”的膜材料,這種材料具有整齊排列的尺寸小于5nm的碳納米管導(dǎo)濕孔,透氣性比GORE-TEX膜材料更好。同時(shí),由于生物病毒的尺寸通常大于10nm,因此具有很好的防御生物病毒侵入的阻隔性。為了防止尺寸更小的有害化學(xué)物質(zhì)的侵入,研究人員正在采用化學(xué)響應(yīng)型官能團(tuán)對(duì)碳納米管膜進(jìn)行表面修飾,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)有害化學(xué)物質(zhì)的選擇性阻隔。同時(shí),研究人員還在進(jìn)行另一種有趣的“自清潔”防御方法的研究,即當(dāng)與有害化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)后,表層膜材料自動(dòng)脫落,以達(dá)到自清潔目的。據(jù)悉,這項(xiàng)研究由美國(guó)國(guó)防威脅降低局(Defense Threat Reduction Agency,DTRA)資助,將于2018年初進(jìn)行初步評(píng)估,有望用于其未來(lái)的生化防護(hù)服系統(tǒng)。
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