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智能阻隔膜用于生化防护服:自感知、自响应、自清洁、自修复!

http://www.textile.hc360.com2017年12月06日10:02 来源:纺织导报T|T

生化防护服通常需要应对非常复杂的危险环境,在特殊情况下需要装备液密性或气密性防护服,对各种有毒有害的液态、气态、烟态、固态化学物质、生物毒剂、军事毒气和核污染起到全面的防护作用。此类防护服在保证防护性能的同时必定牺牲舒适性,因此,未来生化防护服的研究,如何实现更好的防护性能与减轻重量和热应激、提高防护服的舒适性同等重要。



智能阻隔膜材料可以使生化防护服表面具有对有毒有害物质的自感知(“传感器”功能)、自响应(“执行器”功能)、自适应能力,在保证防护性能的同时达到根据外部环境调节防护服透气、透湿性能,或起到自消毒或自清洁等作用,可以大大提高生化防护服的防护性能和舒适性。



具有“传感器”功能的阻隔膜材料

现有研究发现的可以感知化学和生物刺激(包括化学性质、pH值、离子强度、反应热、水分、表面张力、生物表面功能性等)的智能材料包括导电聚合物、热敏气凝胶、铬材料、活性吸附剂和变形材料等。其中,导电聚合物是一种极具应用潜力的生化智能防护传感器材料,如聚合物掺杂聚吡咯、聚噻吩和聚苯胺(PANI)可用作检测易挥发和液体化学物质的传感器,其原理是:当这些掺杂特殊物质的导电聚合物暴露于具有氧化/还原作用的物质中时会发生“掺杂-脱掺杂”反应,进而通过监测导电聚合物的电阻率来检测是否存在有害物质。


以MoO3为基体嵌入聚苯胺的薄膜能够检测到浓度低至25mg/kg的甲醛和乙醛


另外,酶也可用于检测有机磷酸盐类化学物质。Agentase公司开发的一种传感器,结合了乙酰胆碱、乙酰胆碱酯酶、尿素、尿素酶和pH值敏感染料,同时,该产品还可快速对温度变化做出反应。


具有“执行器”功能的阻隔膜材料

形状记忆高分子材料具有保持临时形状的能力,且在受到适当的外界刺激时能够恢复初始形状,具有密度低、可恢复形变量大、易加工成形、形变温度可调等诸多优点,作为具有“执行器”功能的自响应阻隔膜材料应用前景广泛。目前,相关研究主要集中在热致形状记忆高分子材料。如形状记忆聚氨酯,利用其热活化性能可起到低温时(<Tg)低透气性的保暖作用和高温时(>Tg)高透气性的散热作用,从而充分改善织物的穿着舒适性。形状记忆聚氨酯还被观察到具有湿度敏感效应,这意味着也可以通过湿度变化调节形状记忆聚氨酯阻隔膜的透气性。


形状记忆聚氨酯材料的湿度和温度刺激形状变化


目前,商业化的形状记忆聚氨酯材料包括日本三菱重工(SMP Technologies)开发的基于形状记忆聚氨酯热敏透气膜,以及芬兰Ahlstrom(奥斯龙)公司开发的基于形状记忆聚氨酯的膜材料(由温度敏感、透气的整体薄膜夹在两层超细纤维纺粘聚丙烯非织造布之间制成)等。

除此之外,通过接枝离子凝胶制备的电制动纳米多孔聚合物膜在生化防护服上也显示出巨大的应用潜力,在施加和取消电场的作用下,由于位于纳米孔内的离子凝胶膨胀和收缩,从而可根据需要调节孔径,提高透气性。


接枝离子凝胶涤纶纳米孔膜的阻隔原理


自适应阻隔膜及其在生化防护服上的应用

自适应智能材料能够响应外部刺激为穿着者提供即时保护,如具有自清洁功能或自修复功能,能够及时清洁表面的有害化学,或修复防护服表面的缺损防止有害物质的侵入,实现更加智能的防护。


LLNL研制的具有碳纳米管导湿孔的膜材料


美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)2016年研制了一种称为“第二层皮肤”的膜材料,这种材料具有整齐排列的尺寸小于5nm的碳纳米管导湿孔,透气性比GORE-TEX膜材料更好。同时,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。为了防止尺寸更小的有害化学物质的侵入,研究人员正在采用化学响应型官能团对碳纳米管膜进行表面修饰,从而实现对有害化学物质的选择性阻隔。同时,研究人员还在进行另一种有趣的“自清洁”防御方法的研究,即当与有害化学物质反应后,表层膜材料自动脱落,以达到自清洁目的。据悉,这项研究由美国国防威胁降低局(Defense Threat Reduction Agency,DTRA)资助,将于2018年初进行初步评估,有望用于其未来的生化防护服系统。


责任编辑:许月华

Tel:010-61723967

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