简介

随着科技的飞速发展和进步，人类已经接受了在日益恶劣和不利的环境中工作的挑战。尽管技术在不断发展，但我们仍然需要在炎热或潮湿的环境中工作。此类工作领域的例子包括航空航天、消防、化学战条件、铸造和矿山工作、干旱/沙漠地区工作等。

在这种情况下，工作负荷和高温环境条件下，两个应力发生器同时作用。在这种条件下工作的人，体温会逐渐升高，很难达到热平衡。如果不采取必要的预防措施，在这种不舒适的条件下继续工作可能会导致中暑。

热应变是热应激的结果，当输入到身体的热量超过身体的散热时，就会发生热应激。由此产生的热应力不仅降低了表观热舒适和工作能力，而且还包含了热崩溃的机会。研究发现，人体可耐受的最高热量为150千卡，相当于核心体温为40摄氏度。

工作时暴露在高温下是一种潜在的致命职业危害。对于在炎热和/或潮湿环境中工作的人来说，热应激管理是一个关键而敏感的领域。核心体温调节(T_c)是热应激管理的一个非常重要的方面。从临床角度看，T_c应调节在36.7 0.3C的非常窄的范围内。如果T_c在37摄氏度左右相差超过2摄氏度。当在极端高温环境下工作时，通常采用双向方法来控制核心体温。

首先，工人穿一套热防护服，它可以作为一个屏蔽，防止来自外部热环境的辐射热量。不幸的是，这种类型的防护衣阻碍了工作产生的代谢热的消散。第二种方法是使用降温服装来去除这种代谢热量。防寒服在缓解热不适方面起着重要作用 有在高温环境下工作的经验。它在日常生活中得到了广泛的应用，为在热不舒适地区工作的人员服务，帮助蒸发汗水(宇航员和军人)，或提高运动员的表现。降温服也适用于多发性硬化症(MS)患者。

这种降温服装的工作原理是创造一个更凉爽的小气候，以促进代谢热量的转移，并阻止用户与环境之间的热交换。根据散热服的工作原理大致可分为主动散热服和被动散热服两类。主动冷却服的工作原理是使冷空气或空气循环 液体通过管子在衣服内部流动。传热方式主要是传导和对流。被动冷却服装采用相变材料，如冰袋、聚合物凝胶、石蜡或化学冷冻凝胶或冷却液蒸发。

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作者简介:

作者与印度理工学院纺织技术系，新德里。

汗液蒸发导致的体温下降是一种非常普遍的现象。基于这一原理，研制了以水为蒸发液的蒸发冷却服装。水蒸发潜热大，在30℃时为2430千焦/千克，保证了较大的冷却能力。心电图的概念是在冷却服装中保存储备水，这些水在接受来自身体或外部环境的热量时会蒸发。这将提高散热或减少人体的热量输入，从而降低热应力。

蒸发冷却服

它已证明，随着环境温度的升高，环境热量将有助于蒸发，从而减少冷却的持续时间。低湿度有利于蒸发过程，而空气中水汽浓度高则会抑制蒸发过程。层压板结构的轻重量是它用于冷却服装的一个优点。主要的重量负荷将是水，其体积取决于首选的冷却时间和环境条件。

三层夹层结构(图1)由吸水性核心组成，吸水性核心基本上是一种非织造纤维毡或棉絮，由三种类型的纤维的典型共混物组成:纤维素、交联聚丙烯酸酯共聚物(高吸水性纤维)和聚烯烃粘结纤维。这三种纤维在非织造结构中的首选成分是40%聚丙烯酸酯、30%纤维素和30%聚烯烃。非织造结构的典型基重为120克/米²．纤维素纤维有助于快速吸收和释放水分，立即产生冷却效果。聚丙烯酸酯纤维的吸汗效率不如棉花，但它能吸收和保留大量的水分。聚丙烯酸酯纤维中的强氢键避免了由于重力而从结构中排水，并在一段时间内以稳定的速度释放水蒸气。在施加热量时，热塑性聚烯烃纤维作为其他纤维的粘合剂来稳定非织造结构。

内部的防潮层是一种编织织物，可以保护穿着者不受潮，并提供一个柔软的、悬垂的表面，以便在穿着者和衣服之间进行良好的热传递。里面的面料天生就能防水和风。外层是一种织物，允许水蒸气自由通过，并限制水的通过。内层和外层织物的适当支数和厚度可提供所需的性能。没有涂层或表面处理使用预期的结果。服装组件在使用前需要在水中浸泡1-2分钟，以便将冷却液保留在高吸水性聚合物的吸汗芯中。然后需要冲洗多余的水，冷却背心就可以使用了。

这种降温服装的最大优点是轻便、灵活，因此便于携带。但是这种衣服不适合潮湿的环境，因为蒸发冷却的效果与环境相对湿度成反比。这项技术的另一个限制是冷却发生在服装的外表面，而不是更接近皮肤的内表面。如果蒸发速率较低，则可能起到隔热体的作用，增加热不适感。

高吸水纤维(SAFs)

高吸水性聚合物(SAP)是一种亲水网络，可以在水溶液中吸收和保留大量的水。市场上最常见的SAP是部分中和的轻交联聚丙烯酸，由于其最佳的性能和成本比。水分子通过氢键的形成被锁在水凝胶中。聚合物链之间的交联形成三维结构，防止无限膨胀，即溶解。目前，大多数sap都是由丙烯酸(AA)、其盐和丙烯酰胺(AM)通过溶液或反悬浮聚合技术制成的。

高吸水纤维(SAF)由Technical Absorbents Ltd.生产，基本上是钠盐交联聚丙烯酸酯。制造SAF的原料是丙烯酸(AA)、丙烯酸甲酯(MA)和特殊的丙烯酸/甲基丙烯酸单体(SMMA)，其中丙烯酸被部分中和为丙烯酸钠盐(AA Na)。SAFs通常不被认为是主要的结构成分，原因有二:(1)它在干燥状态下的强度不如同旦纤维的其他纤维;(2)纤维吸收后结构转变为凝胶形式。SAFs可以与其他纤维和非织造布混纺，可以通过任何干式铺设技术进行加工，然后通过针刺或热粘合或化学粘合进行粘合。为了获得最佳性能，SAFs应在45% RH ~ 75% RH的条件下进行处理。

实验研究

为了设计三层蒸发冷却织物组件，内层(更接近皮肤)由一些市售的防水透气织物制成。采用ASTM F186812标准在防汗热板上测定内层织物的耐蒸发性能。该织物的抗蒸发值为12.329 Pa.m²/ W。外层织物由150/96旦尼尔复合长丝编织而成，经纱密度和纬纱密度不同，以达到不同的透气性值。在织造前，150/96旦尼尔多丝纱以316捻度/米的捻度进行捻合，以避免织造过程中出现长丝问题。外层织物的透气性按照ASTM D737 04(2012)标准在Textest FX 3300仪器上测量。

针孔织物的三层组装含有37.5%的SAF和剩余的聚酯，基础重量为210克/米²实验中采用了吸附剂芯。

为研究不同SAF含量、吸波芯基重和厚度对热熔粘结非织造结构防护性能的影响，采用如下设计矩阵，如表1所示。为制备热粘无纺布结构，将20%的低熔点聚酯纤维与普通聚酯纤维和SAF混纺。在DILO针冲床上制作了不同基重的交叉搭接网。然后将交叉搭接的腹板在压缩造型机中进行热粘接，温度为130℃，时间为20分钟，得到最终结构。为了达到不同的厚度，在顶部和底部加热板之间使用了不同厚度的金属框架。

表1:设计吸收芯的设计矩阵。

采用9旦尼尔高吸水纤维，短纤维长度为52毫米。采用平缝机将外层、吸湿芯层和内层缝在一起制成三层蒸发冷却织物。缝纫线采用270/2旦尼尔，针脚密度保持在3针/厘米。样品尺寸为18 cm12cm。三层蒸发冷却织物组件的结构如图2所示。

织物组件暴露在辐射热源的热流中。达到45℃(皮肤疼痛阈值温度)的时间被认为是保护性能的评价标准。

加水对防护性能的影响

为了研究加水对样品性能的影响，在1.0 kW/m的条件下进行了试验²在三种情况下:没有任何织物装配、有干织物装配和有湿织物装配。吸波芯为210 g/m的针刺无纺布²基重，含37.5% SAF。本研究使用的外层是一种市售的平织涤纶织物，其线密度为3071支/米和3145支/米。干织物样品重量为14.76 g，在水中浸泡15分钟后吸水94.9 g。在图3中，样品背面或内层的温度随时间绘制。

图3:1.0 kW/m时的时间与温度曲线图²有干织物、湿织物和无织物

从图3中可以观察到，在任何给定的时间段内，没有任何织物的测试温度升高最高。测试时间1小时后，传感器温度达到94C，为无任何织物的测试状态。织物样品的干隔热防止了一定量的热量到达传感器。因此，在相同的时间后，干样品背面的温度为57℃，湿样品背面的温度为48℃。虽然水的加入增加了样品的热导率，但多余水分的蒸发现象在热源和传感器之间起到缓冲作用，从而防止更多的热量到达传感器。因此，在湿织物的情况下，样品背面的温度升高比干燥织物的温度升高要小。加水有助于提高织物组合的性能。

对于湿织物，温度在实验1小时后几乎稳定，而对于干织物，温度继续升高。其原因是用于蒸发的传入热量的总量。因此，很少或没有热量到达传感器，温度保持在48.0.5 c几乎稳定。一旦样品完全干燥，温度再次开始升高。在初始阶段，一些热量到达传感器，其余的用于蒸发。这个阶段的蒸发速度也很慢。因此，在实验初始阶段观察到温度上升。

针冲结构与热粘接结构的比较

对针刺结构和含20% SAF的热粘结结构(基重为200克/米)进行了比较研究²厚度4毫米。在DILO打针机上制作打针结构，打针密度保持60/cm²．图4显示了1.0 kW/m时的结果²热通量。热粘接结构的性能优于针刺结构。热粘接结构达到45℃所需的时间为3.22小时，针刺结构为2.28小时。原因可能是在针刺结构中存在由针造成的孔。当试样处于潮湿状态时，我们可以认为孔洞是水道。因此有助于更快的热传导和增加蒸发的速度，导致针刺结构的性能较差。

SAF含量对防护性能的影响

为研究SAF含量对防护性能的影响，采用基重为200 g/m的热粘结非织造布²厚度6毫米。非织造布中SAF含量分别为10%、20%和30%。加水量为400%。测试在1.0 kW/m的功率下进行²．图5显示了增加SAF含量的效果。随着SAF含量的增加，水分被SAF吸收的几率增加。传入的热量必须首先破坏SAF和水分子之间的氢键，然后使水蒸发。因此，需要比正常蒸发更多的能量。因此，到达传感器的热量减少，达到45摄氏度所需的时间增加。

吸波芯基重对防护性能的影响

为研究吸附剂芯基重对防护性能的影响，采用SAF含量为30%、厚度为6mm的热粘结非织造布。使用的基本重量为100g /m、150 g/m和200 g/m²．加水量为400%。测试在1.0 kW/m的功率下进行²．图6显示了增加基权值的效果。随着基重的增加，加水量也随之增加，从而产生更好的性能。

吸波芯厚度对防护性能的影响

为研究吸波芯厚度对防护性能的影响，采用SAF含量为20%、基重为200 g/m的热粘结非织造布²．吸收芯的厚度从4毫米到8毫米不等。加水量为400%。测试在1.0 kW/m的功率下进行²．图7显示了厚度变化的效果。

随着厚度的减小，结构变得更加致密。可以考虑增加纤维之间的接触点，使毛孔更加痛苦。致密结构的蒸发速度相对于开放结构的蒸发速度较慢。缓慢蒸发将提供持久的性能。较低厚度导致较致密的织物比低密度较厚的织物表现出更好的性能。

结论

含有高吸水性纤维的无纺布可用于增加耐热保护时间。评价了以非织造布为吸波芯的复合材料的防护性能。设计了若干三层蒸发冷却织物组件，研究了各参数对其性能的影响。由于蒸发冷却，加水的样品比干样品具有更好的性能。添加水量过高或过低都不能提供令人满意的性能。当加水量为干重的4倍时，性能最佳。外层结构过于紧密或过于开放也不利于冷却过程达到令人满意的水平。增加吸附剂芯的SAF含量和基重对吸附剂芯的防护性能有积极影响，而增加吸附剂芯的厚度则会降低吸附剂芯的防护性能。蒸发冷却服装可以根据最终用户的要求设计使用不同量的SAF和不同的基础重量。使用较低的基重和较高的SAF含量与较高的基重和较低的SAF含量相比，可以达到相同的性能水平，但产品的成本将增加。

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