新復(fù)合薄膜可以將熱指數(shù)或“體感溫度”降低約40%。

▲該研究小組成員包括陳瑞深助理教授(右前)、博士生楊佳辰(右三)以及內(nèi)政科技局的研究人員。

近期，新加坡國(guó)立大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新型超吸濕材料，可以加速防護(hù)服內(nèi)的汗液蒸發(fā)，為醫(yī)護(hù)人員和其他前線工作者等用戶創(chuàng)造更舒適的人體降溫效果。該團(tuán)隊(duì)通過與新加坡內(nèi)政科技局研究人員合作展開的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，證明了此項(xiàng)發(fā)明的有效性。

這項(xiàng)新型吸濕膜具有吸收速度快、吸收能力強(qiáng)、機(jī)械性能優(yōu)良、生物相容性好、無毒等優(yōu)點(diǎn)。這也意味著該材料非常堅(jiān)固耐用，適用于如醫(yī)護(hù)人員穿的防護(hù)服等實(shí)際應(yīng)用。此外，它的價(jià)格低廉，重量輕，同時(shí)也易于制造和重復(fù)使用。

帶領(lǐng)該研究團(tuán)隊(duì)的其中一人，是新加坡國(guó)立大學(xué)設(shè)計(jì)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程系助理教授陳瑞深(Tan Swee Ching)，他解釋道：“在35攝氏度的室溫下，穿上防護(hù)服并工作一小時(shí)的醫(yī)護(hù)人員，通常會(huì)感受到大約64攝氏度的體感溫度，這會(huì)導(dǎo)致他們身體不適和熱應(yīng)變延長(zhǎng)，終可能引發(fā)中暑甚至死亡。而我們的新型復(fù)合吸濕膜可以通過加速皮膚的汗液蒸發(fā)來達(dá)到蒸發(fā)冷卻，從而在防護(hù)服內(nèi)實(shí)現(xiàn)了降溫效果。”

在防護(hù)服內(nèi)貼上一塊新型復(fù)合薄膜——例如貼在防護(hù)服的背面——可以將熱指數(shù)降低約40%，極大降低中暑的可能性。

這項(xiàng)發(fā)明于2022年2月20日發(fā)表在知名納米材料期刊《Small》上。

▲該吸濕膜不僅具有吸濕速度快、吸濕能力強(qiáng)、機(jī)械性能優(yōu)良等特點(diǎn)，還具備價(jià)格低廉、重量輕、易于制造、可重復(fù)使用、生物相容性較好以及無毒的優(yōu)勢(shì)。

這一突破性研究體現(xiàn)出——新加坡國(guó)立大學(xué)和內(nèi)政科技局之間的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)為內(nèi)政部[1]和更廣泛的社區(qū)創(chuàng)造了切實(shí)利益的積極成果。通過結(jié)合新加坡國(guó)立大學(xué)團(tuán)隊(duì)在先進(jìn)水凝膠材料方面的科學(xué)知識(shí)，以及內(nèi)政科技局對(duì)內(nèi)政部需求和工程能力的深刻理解，聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)基于實(shí)際應(yīng)用為前線醫(yī)護(hù)人員設(shè)計(jì)和優(yōu)化新型吸濕材料，以此提升他們的工作表現(xiàn)和生產(chǎn)力。

醫(yī)用防護(hù)服具有優(yōu)良的和防水性能。然而，這種程度的保護(hù)會(huì)阻礙汗液蒸發(fā)產(chǎn)生的水氣排出以及體內(nèi)熱量流失。這也就是為什么像醫(yī)療工作者這樣需要長(zhǎng)時(shí)間穿防護(hù)服的人，特別是在熱帶環(huán)境中，經(jīng)常出現(xiàn)職業(yè)性熱應(yīng)變癥狀。

為了解決這一問題，現(xiàn)有的熱管理解決方案，如帶電風(fēng)扇的風(fēng)冷服裝或攝入冰漿等，都有著體積大、笨重和有效性受限等局限性，所以都很不切實(shí)際。此外，雖然先進(jìn)的紡織品和涂料是很有希望實(shí)現(xiàn)的解決方案，但它們制造難度高，而且生產(chǎn)成本也很昂貴。

因此，新加坡國(guó)立大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種實(shí)用策略——利用蒸發(fā)冷卻原理來應(yīng)對(duì)當(dāng)前的挑戰(zhàn)。他們的解決方案包括使用超吸濕復(fù)合膜來控制防護(hù)服微環(huán)境內(nèi)的濕度水平。當(dāng)吸濕復(fù)合膜吸收防護(hù)服內(nèi)的水蒸氣時(shí)，濕度水平將下降，這反過來又加快了皮膚上的汗液蒸發(fā)。終，更多的熱量將通過出汗的方式從人體內(nèi)散發(fā)出去，從而為醫(yī)療工作者等用戶提供熱舒適。

▲通過將這種新型吸濕膜附在防護(hù)服內(nèi)，可以將熱指數(shù)降低約40%，極大降低中暑的可能性。

為了檢驗(yàn)他們的方案有效性，新加坡國(guó)立大學(xué)的團(tuán)隊(duì)與內(nèi)政科技局的研究人員合作進(jìn)行了測(cè)試：他們?cè)谌斯夂蚴覂?nèi)借助一個(gè)有20個(gè)獨(dú)立發(fā)熱區(qū)的“Newton”人體模型，來模擬人體的新陳代謝熱量和汗液排出水平。這一測(cè)試是評(píng)估將復(fù)合薄膜應(yīng)用于全身服裝規(guī)?？尚行缘囊粋€(gè)重要實(shí)驗(yàn)里程碑。

在使用復(fù)合膜的情況下，適度出汗條件下的相對(duì)濕度下降了約40%——出汗1小時(shí)后的相對(duì)濕度由91%降至48.2%，出汗2小時(shí)后的相對(duì)濕度則降至53.2%。研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，在出汗的小時(shí)內(nèi)，熱指數(shù)或體感溫度在35攝氏度的室溫下，從64.6攝氏度顯著下降到40攝氏度。在這一水平上，雖然用戶仍會(huì)感到炎熱，但極大降低了他們發(fā)生中暑、熱痙攣和熱衰竭的可能性。

陳瑞深教授解釋道：“這些實(shí)驗(yàn)表明，我們的吸濕膜能有效降低防護(hù)服內(nèi)的相對(duì)濕度，從而極大降低熱指數(shù)，提升使用者的熱舒適感?！?/p>

在另一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)通過蒸發(fā)冷卻將體溫(或表皮溫度)大大降低了1.5攝氏度。這進(jìn)一步證明，復(fù)合薄膜可以潛在幫助用戶緩解熱壓力，尤其是在他們進(jìn)行劇烈活動(dòng)時(shí)，如醫(yī)療工作者、士兵或消防員等。

同樣值得關(guān)注的是，該復(fù)合膜的再生環(huán)節(jié)也更節(jié)能，因?yàn)樗枰谳^低的溫度下釋放滯留的水分。在50攝氏度下，復(fù)合膜能在10分鐘后釋放80%的水分，40分鐘后達(dá)到95%。而大多數(shù)吸濕材料需要在超過100攝氏度的溫度下，花費(fèi)一個(gè)多小時(shí)才能完成再生。

“根據(jù)該項(xiàng)目的各種研究結(jié)果，我們希望能將吸濕膜運(yùn)用到內(nèi)政部人員的個(gè)人防護(hù)裝備(PPE)及/或個(gè)人防護(hù)服(PPC)中，來改善前線人員的熱舒適感及工作表現(xiàn)?！眱?nèi)政科技局人為因素與專業(yè)模擬中心主任Ying Meng Fai說道。

在受到研究成果的鼓舞下，新加坡國(guó)立大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)正在努力改進(jìn)吸濕材料，使其吸收得更多、更快。該團(tuán)隊(duì)還打算將他們的降溫策略應(yīng)用于其他類型的防護(hù)服，如消防員的防護(hù)服。

除此之外，陳瑞深教授和他的團(tuán)隊(duì)正在尋求將這項(xiàng)技術(shù)商業(yè)化的機(jī)會(huì)。