形狀記憶材料在功能防護服中的應用

馬妮妮， 盧業虎,2， 戴宏欽,2

(1. 蘇州大學 紡織與服裝工程學院， 江蘇 蘇州 215006； 2. 蘇州大學 現代絲綢國家工程實驗室， 江蘇 蘇州 215123)

形狀記憶材料(SMM)是一種集感知與驅動于一體的智能材料，具有形狀記憶效應[1]，即在一定條件下,經一定熱塑變形，受到外部刺激可完全恢復到原始形狀。功能紡織品設計中應用較為廣泛的SMM包括形狀記憶合金(SMA)和形狀記憶聚合物(SMP)。SMA的形狀記憶效應可由溫度觸發。1984年，法國CdF-Chimie公司成功開發了世界上第1例SMP—聚降冰片烯；SMP的形狀記憶效應可由熱、光、電、化學感應和其他刺激觸發[2]。 SMM作為一種新型材料被廣泛應用于航空航天、自動控制系統、醫學、能源和智能紡織品等領域。

日常工作中，職業工人和應急救援人員會不同程度地暴露在危及生命的環境中，諸如高溫或嚴寒等極端環境，穿著防護服有利于保護他們在工作中免受惡劣環境的傷害。為更好地保障從業人員的生命安全和提高工作效率，不僅要求防護服具有基本的抗撕裂、耐磨等功能，還要平衡防護性、工效學、儲存熱以及熱應激之間的關系[3]，因此，研發具有動態適應功能的防護服是現代防護服的發展趨勢。將SMM應用于功能防護服設計，由于其具有形狀記憶效應，可根據外部環境變化自發改變服裝結構，從而解決防護服裝的防護性與舒適性間的矛盾。本文對國內外相關文獻進行了綜述，凝練了SMM在防護服中進一步應用的具體方向，并從人體-服裝-環境系統的角度展望了具有形狀記憶材料結構的防護服的研究趨勢。

1 SMM在功能防護服中的應用現狀

1.1 SMM在功能紡織品中的應用

SMA可被加工成顆粒、薄膜[1]、絲[4]、纖維[5]等多種形式，應用于智能紡織品的美學設計、舒適性以及織物定型、抗皺等領域。Stylios等[4]將鎳鈦記憶合金絲編入織物發現，當環境溫度高于合金形變溫度時，織物的形狀會隨合金絲形變而發生變化?；谠撛?，將鎳鈦合金絲用于裙擺的開口處，環境到達一定溫度時裙擺會自動向上卷起[6]，有利于人體散熱的同時增加服裝動態美的效果，這與隨溫度上升袖子會自動卷起的Oricalco襯衣[7]有異曲同工之處。利用超彈性鎳鈦合金絲材料研發的記憶胸罩[6]，不僅能適應胸部的形狀，為人體提供更好的穿著舒適性，而且耐洗性好，可防止胸罩走樣、變形。此外，形狀記憶合金絲已被成功應用于改善棉織物和亞麻織物的抗皺性能[8]。

相比于SMA，SMP的形變量大、易賦形、形變溫度便于調整且價格低廉，因此，在智能紡織品和智能服裝方面更具應用潛力，尤其是形狀記憶聚氨酯(SMPU)[8]。同SMA一樣，SMP混紡紗與常規紗線編織的復合松散型織物，處理后在高溫下可形成壓花效果[4]來增強紡織品的美感。此外，形狀記憶聚合物通過后整理、涂覆、層壓或其他處理，可應用于改善鞋墊[4]、高跟鞋[9]、壓力襪[10]等的舒適感以及面料的透氣性[11-12]、抗皺性[13]、尺寸和造型保形性[10, 14]等方面。例如，應用形狀記憶聚合物的Dermizax?膜[7]，可調節織物透氣性。隨著面料間微氣候溫度升高，膜中聚合物分子之間的開口打開，從而增加織物透濕性，提高蒸發散熱效應；當溫度下降，開口閉合利于織物保暖。Gefen等[9]研發的形狀記憶泡沫枕頭，隨體溫變化可調整其形狀適應頸部和肩膀的輪廓，為人體提供更好的舒適感。

1.2 SMM在熱防護服中的應用

熱防護服有助于在消防隊員或緊急救援人員處于各種災害源，如火焰、輻射熱、高溫蒸汽、熔融物質等[15-16]威脅時提供必要的熱保護，因此，消防服設計不能太過厚重導致著裝者行動不便，或影響散熱而產生熱應激[17]?；谧陨愍毺氐男螤钣洃浶?，SMM可實現面料系統隔熱性能的動態調節[18]。將SMM置于防護服內部，可在消防員需要熱防護功能(溫度需達到SMM形變溫度)時彈起，通過在服裝內部形成較穩定的空氣層減少熱量傳遞，提高服裝的防護性能[17]；常溫時收縮成扁平狀，不影響服裝層間空氣層，利于散熱，以確保最小的熱物理負荷。

早在1999年，Congalton[19]提出使用SMM以實現熱防護服動態自調節功能。分別將形變溫度為45和57 ℃的SMA彈簧放入2層阻燃棉之間，使用錐型量熱儀測量在不同熱流量的條件下，彈簧存在與否時面料系統的熱防護性能。圖1示出SMA彈簧。實驗結果表明，使用SMA彈簧結構可有效地降低面料系統背后的溫度，增加了面料系統的隔熱性能，同時發現形變溫度接近二級燒傷溫度時彈簧(45 ℃)的隔熱效果更明顯。由于當時實驗條件有限，Congalton僅通過改變錐形量熱儀的熱流量模擬火場災害環境具有一定的局限性，所采用的面料系統也不能代表消防服面料系統，因此，其研究結果暫不能預測熱防護服的實際防護效果。

圖1 SMA彈簧示意圖Fig.1 Diagram of SMA springs.(a) Non-actuated state; (b) Actuated state

之后，有學者[20-21]將形狀記憶材料放入消防服面料系統進一步研究其性能。Hendrickson[20]將可形成7 mm空氣層的形狀記憶環(SMR)放入消防服面料系統，采用輻射加熱器(約177 ℃)作為熱源進行實驗發現，SMR產生的空氣層可使皮膚處于較低的溫度范圍內，并可延長30 s以上的救援時間。圖2 為SMR示意圖?；诿媪舷到y的溫度變化，Hendrickson對引入可變空氣層面料系統建立了傳熱模型以預測其防護性能。隨后，White[21]驗證了Hendrickson的模型，并進一步研究了SMR在面料層間的位置以及SMR的形變溫度(50和90 ℃)對面料系統防護性能的影響。結果發現SMR在防水透氣層面料系統外部時隔熱效果更好，證明了SMR在面料中的位置可影響服裝熱防護效果，同時也驗證了形變溫度接近二級燒傷溫度的SMR具有更優越的防護性能，這與Congalton的結論一致。雖然White改進了Hendrickson實驗設計過程中因上下層熱電偶的堆疊造成的面料厚度增加的問題，但是測溫熱電偶仍然被放置在面料中心位置，并不能反映整體的溫度分布和變化。此外，空氣層的厚度對防護性能的影響尚不明確。

圖2 SMR示意圖Fig.2 Schematic of SMR. (a) Non-actuated state; (b) Actuated state

僅進行面料實驗并不能對實際救援過程中消防服的熱防護性能進行準確評價，因此，Yates[22]在Hendrickson的基礎上，進行真人著裝實驗，將SMR置于消防服的肩部、上臂外的隔熱口袋，由受試者穿著消防服在燃燒室內進行防護性能實驗。結果證明，SMR裝置可明顯降低消防服內局部的熱流量，減小溫度上升速率，降低燒傷的風險，但是Yates的實驗存在以下不足：一是考慮到真人燃燒實驗的危險性，受試者跪在消防區內以盡可能減小在熱環境中的暴露面積，不能模擬真實火場情況；二是溫度傳感器僅被放在受試者棉襯衣的左、右口袋，采集的數據不能完全反映整個服裝內部的溫度變化；三是SMR的數量較少，僅放在消防服肩部和上臂部位，且未考慮SMR在服裝內分布情況以及層間位置的影響；因此，研究仍不能全面準確地評價SMM對消防服防護性能的影響。

國內關于SMM的熱防護研究起步較晚。陳艷等[23]將彈起高度為20 mm的形狀記憶彈簧放在玄武巖織物外層和芳砜綸面料進行組合，得到的面料系統的熱防護性能與防火隔熱性能均優于傳統消防服面料。鄭慧琴[24]在含有形狀記憶彈簧裝置的面料系統中加入氣凝膠和不銹鋼箔，面料系統的防火隔熱性能更為優異，但是將不銹鋼箔和氣凝膠嵌入防護服內部，造成消防員不作業時衣服厚重且行動不便，同時其透氣性也較差，影響消防員救援行動。

上述研究均未系統地考慮SMM的分布情況對面料系統防護性能的影響。盧業虎等[25-26]選擇典型的防護外層、防水透氣層和隔熱層組成3層消防服面料系統，將大約可形成32 mm的SMA彈簧放入防水透氣層和隔熱層之間，構筑了智能阻燃面料系統。圖3示出形狀記憶彈簧排列方式。在400 ℃高溫接觸條件下研究彈簧不同排列方式的試樣的防護性能，發現形狀記憶彈簧的排列方式對防水透氣層與隔熱層間的空氣層分布有直接的影響，從而影響其防護性能。

圖3 形狀記憶彈簧排列方式Fig.3 Arrangements of shape memory alloy springs. (a) No spring; (b) A spring placed in middle; (c) Two springs placed diagonally; (d) Two springs placed in parallel; (e) Three springs placed diagonally; (f) Three springs placed in equilateral triangles

考慮到災害熱源種類對面料系統的防護性能具有明顯影響[27]，盧業虎等[28]進一步比較了高溫接觸與12 kW/m2熱輻射2種熱源條件下，具有不同排列方式的SMA彈簧裝置其織物系統的隔熱性能。發現在2種熱源條件下，面料系統呈現出不同的隔熱性能，且不同排列方式的彈簧對面料的隔熱性能具有不同的作用。此外，王帥等[29]分析了熱輻射條件下SMA彈簧在面料層間產生的空氣層的形狀和厚度，并闡明SMA彈簧的作用機制。

然而，在現有熱防護服的研究中，都是通過隔熱層背面的溫度去預測、評價面料或服裝系統的防護性能，而沒有涉及熱流量指標，也缺乏對整個面料系統表面溫度的綜合性表征。

1.3 SMM在防寒服中的應用

服裝的防寒性能取決于服裝的熱阻，現有文獻對使用SMM提高防寒服防護效果的研究甚少。Yoo等[30]將彈起高度為10和15 mm的鎳鈦記憶彈簧分別置入夾克面料系統的滌綸襯里和防水透氣層之間，使用人體-服裝-環境(HCE)模擬器測試面料系統從熱環境瞬變到冷環境時的溫度變化。結果表明，鎳鈦彈簧形成的空氣層可為人體進入溫度驟降環境提供一定的緩沖效果，在一定范圍內緩沖效果隨彈簧高度的增加而增加。Yoo進一步將10 mm高的鎳鈦彈簧放于夾克背部進行真人著裝實驗，但是除了在轉變點(熱環境到冷環境)處，受試者的熱感覺和皮膚平均溫度沒有顯示出顯著的差異，即在該研究中SMA彈簧的防寒效果并不明顯。其原因可能是Yoo使用了防寒效果相對較弱的10 mm高度的彈簧，而且服裝外層面料可能對彈簧彈起高度產生一定的阻礙作用，導致最終形成的有效空氣層厚度較??；另外，彈簧的放置位置和個數也影響服裝的防寒保暖性能。Yoo的實驗為SMM在防寒服的應用提供了可能性，使SMM在防寒服研究方面有例可循。

2 研究方向

盡管SMM以多種形式被廣泛應用在智能紡織品中，但是在提高防護服整體防護性能方面的研究仍較缺乏。不論是高溫火場，還是極寒環境均威脅到從業人員的生命安全和任務執行，具有動態結構SMM的防護服可大大降低著裝者受傷的風險。實驗室研究很難模擬實際環境，尤其是僅僅進行面料實驗遠遠不夠。

未來這種具有環境響應型結構的防護服的研究趨勢主要有：1)空氣層厚度?，F有關于熱防護服的研究中均沒有系統地考慮空氣層厚度對防護效果的影響。隔熱效果的關鍵在于空氣層的尺寸。增加空氣層厚度會增大服裝熱阻[31-32]，從而提高防護服的隔熱效果。但是空氣層厚度過大，一方面使服裝過于寬松，影響著裝者的動作靈活性；另一方面可能會產生空氣對流，增加散熱，從而影響其隔熱效果[31-33]，因此，尋找最佳SMM的高度有利于提高防護服的整體性能；2)熱源。熱源種類對面料系統的熱防護性能具有明顯影響，所以在設計消防服時應充分考慮災害環境，尤其是對消防員威脅最大的高溫火焰，因此，在高溫火焰環境中，對于面料系統的隔熱性能的評價不可或缺。此外，著裝者還可能會遇到高溫液體、高壓蒸汽等災害，必須全面、系統地表征在多災害環境下SMM對防護服裝綜合性能的影響；3)服裝。相比于面料系統實驗，三維的防護服裝測試在冷熱防護領域仍很缺乏。服裝的防護性能不僅與面料有關，也與服裝的結構、合體性等設計因素和組合穿著方式等密切相關。由于真人著裝實驗存在一定危險性，可借助燃燒假人測試系統進行客觀全面地評估防護服裝整體的熱防護性能。此外，需要考慮不同的人體動作姿態對于服裝的防護性能測試結果的影響；4)SMM的數量與分布。SMM在面料系統中的排列分布和數量會影響其防護效果，因此，在服裝系統中，結合人體在極端環境中不同部位的暴露情況、運動特征、生理學特征等，需要進一步探索SMM分布的影響；5)生理舒適性。防護服的熱濕舒適性和動作舒適性(服裝壓)影響職業工人、應急救援人員的心理壓力和工作效率，因此，對SMM防護服進行生理舒適性和動作舒適性測評，探究對著裝者的熱負荷和動作靈活性等的影響情況，也是未來防護服的研究方向之一。

3 結束語

隨著高性能新型纖維材料的不斷研發，針對防護服的防護性能、舒適性以及工效性的整體優化設計越來越受到人們重視。研制環境響應型智能防護服不僅可提高職業工人和應急救援人員的工作效率，緩解其生理壓力，更能減少人員財產和生命風險。目前國內外關于應用SMM來提高防護服性能的研究仍舊匱乏，且大都集中在二維面料水平上。不僅形狀記憶材料的高度以及在防護服的分布、數量等需要進一步研究，對防護服的防護性能進行準確、全面地評價也是亟待解決的問題。此外，應用形狀記憶材料的防護服在緩解熱應激方面的優勢需要更多的研究去驗證。

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參考文獻：

[1] G?K M O, BILIR M Z, GüRCüM B H. Shape-memory applications in textile design [J]. Procedia-Social and Behavioral Sciences, 2015, 195: 2160-2169.

[2] 肖建華. 形狀記憶聚合物 [J]. 工程塑料應用, 2005, 33(1): 64-67.

XIAO Jianhua. Shape memory polymer [J]. Engineering Plastics Application, 2005, 33(1): 64-67.

[3] 李俊, 管文靜, 韋鴻發. 功能防護服裝的性能評價及其應用與發展[J]. 中國個體防護裝備, 2005(6): 22-25.

LI Jun, GUAN Wenjing, WEI Hongfa. Application and development of performance estimation of functional protective clothing [J]. China Personal Protective Equipment, 2005(6): 22-25.

[4] STYLIOS G K, WAN T. Shape memory training for smart fabrics [J]. Transactions of the Institute of Measurement & Control, 2007, 29(3/4): 321-336.

[5] VASILE S, CIESIELSKA-WROBELI L, LANGENHOVE L V. Wrinkle recovery of flax fabrics with embedded superelastic shape memory alloys wires [J]. Fibres & Textiles in Eastern Europe, 2012, 20(4): 56-61.

[6] BERZOWSKA J, COELHO M. KUKKIA and Vilkas: kinetic electronic garments [C]// KAI K. 9th IEEE International Symposium on Wearable Computers Wearable Computers (ISWC 2005). Osaka: IEEE International Conference on Communications, 2005: 82-85.

[7] 肖恩忠. 形狀記憶合金的應用現狀與發展趨勢 [J]. 工具技術, 2005,12: 10-13.

XIAO Enzhong. Application actuality and development trend of shape memory alloy [J]. Tool Engineering, 2005, 12: 10-13.

[8] MONDAL S, HU J, YANG Z, et al. Shape memory polyurethane for smart garment [J]. Research Journal of Textile and Apparel, 2002, 6(2): 75-83.

[9] GEFEN A, MEGIDO-RAVID M, ITZCHAK Y, et al. Analysis of muscular fatigue and foot stability during high-heeled gait [J]. Gait & Posture, 2002, 15(1): 56-63.

[10] HU J, MENG H, LI G, et al. A review of stimuli-responsive polymers for smart textile applications [J]. Smart Materials and Structures, 2012, 21(5): 53001-53023.

[11] TOBUSHI H, HOSHIO K, HAYASHI S, et al. Shape memory composite of SMA and SMP and its pro-perty [J]. Key Engineering Materials, 2007, 340: 1187-1192.

[12] MONDAL S, HU J L. Studies of shape memory property on thermoplastic segmented polyurethanes: influence of PEG 3400 [J]. Journal of Elastomers & Plastics, 2007, 39(1): 81-91.

[13] LI Y, CHUNG S, CHAN L, et al. Characterization of shape memory fabrics [J]. Textile Asia, 2004, 35: 32-37.

[14] HU J, CHUN S, LI Y. Characterization about the shape memory behaviour of woven fabrics [J]. Transactions of the Institute of Measurement & Control, 2007, 29(3/4): 301-319.

[15] SONG G W, LU Y H. Flame Resistant Textiles for Structural and Proximity Fire Fighting [M]. London: Woodhead Publishing, 2013: 520-548.

[16] SONG G W, LU Y H, Gholamreza F. 4-Clothing for Protection Against Hot-liquid Splash and Steam Ha-zards [M]. London: Woodhead Publishing, 2014: 90-111.

[17] SONG G W. Clothing air gap layers and thermal protective performance in single layer garment [J]. Journal of Industrial Textiles, 2007, 36(3): 193-205.

[18] MICHALAK M, KRUCINSKA I. A smart fabric with increased insulating properties [J]. Textile Research Journal, 2016, 86(1): 97-111.

[19] UDAYRA J, TALUKDAR P, DAS A, et al. Heat and mass transfer through thermal protective clothing: a review [J]. International Journal of Thermal Sciences, 2016, 106: 32-56.

[20] HENDRICKSON B W. The impact of a variable air gap on the thermal performance of firefighter protective clothing [D]. Maryland: University of Maryland, 2011: 40-65.

[21] WHITE J P. An experimental analysis of firefighter protective clothing: the influences of moisture and a thermally activated expanding air-gap [D]. Maryland: University of Maryland, 2012: 42-110.

[22] YATES D A. Design and evaluation of a thermally responsive firefighter turnout coat [D]. Maryland: University of Maryland, 2012: 10-36.

[23] 陳艷, 林蘭天, 任乾乾. 采用形狀記憶合金的瞬時隔熱組合面料的研究 [J]. 上海紡織科技, 2012, 40(2): 43-46.

CHEN Yan, LIN Lantian, REN Qianqian. Investigation on the instant fireproof composite fabric made of shape memory alloy [J]. Shanghai Textile Science & Technology, 2012, 40(2): 43-46.

[24] 鄭慧琴. 應用形狀記憶合金的防火隔熱組合面料研究[D]. 上海: 上海工程技術大學, 2011: 35-59.

ZHENG Huiqin. Research of fireproof and heat-insulation composite fabrics with shape memory alloy [D]. Shanghai: Shanghai University of Engineering Science, 2011:35-59.

[25] MA N N, WANG L J, LU Y H, et al. Thermal protection of fireproof fabrics with shape memory alloy springs under hot surface contact [C]// LI Y, XU W L. 10th Textile Bioengineering and Informatics Symposium. Wuhan: Textile Bioengineering and Informatics Symposium, 2017: 752-758.

[26] 王麗君, 盧業虎, 王帥, 等. 高溫接觸條件下形狀記憶合金阻燃面料的隔熱性能研究 [J]. 絲綢, 2017, 54(5): 13-19.

WANG Lijun, LU Yehu, WANG Shuai, et al. The thermal protection of fireproof fabrics with shape memory alloy springs under hot surface contact [J]. Journal of Silk, 2017, 54(5): 13-19.

[27] MANDAL S, SONG G, ACKERMAN M, et al. Characterization of textile fabrics under various thermal exposures [J]. Textile Research Journal, 2013, 83(10): 1005-1019.

[28] 王帥, 盧業虎, 王麗君, 等. 熱災害環境對形狀記憶消防服面料防護性能的影響 [J]. 東華大學學報(自然科學版), 2017, 43(6): 1-7.

WANG Shuai, LU Yehu, WANG Lijun, et al. Effect of thermal hazards on the thermal protection of fabrics used in firefighters′ protective clothing incorporated with shape memory alloy [J]. Journal of Donghua Univer-sity (Natural Sciences Edition), 2017, 43(6): 1-7.

[29] 王帥, 盧業虎, 王麗君, 等. 低輻射環境下形狀記憶合金對防火面料隔熱性能的影響 [J]. 紡織學報, 2017, 38(8): 120-126.

WANG Shuai, LU Yehu, WANG Lijun, et al. Effect of shape memory alloy on thermal protection of flame resistant fabrics under low radiation [J]. Journal of Textile Research, 2017, 38(8): 120-126.

[30] YOO S, YEO J, HWANG S, et al. Application of a NiTi alloy two-way shape memory helical coil for a versatile insulating jacket [J]. Materials Science & Engineering A, 2008, 481/482(1): 662-667.

[31] TORVI D A, DALE J D, FAULKNER B. Influence of air gaps on bench-top test results of flame resistant fabrics [J]. Journal of Fire Protection Engineering, 1999, 10(1): 1-12.

[32] ZHU F, MA S, ZHANG W. Study of skin model and geometry effects on thermal performance of thermal protective fabrics [J]. Heat and Mass Transfer, 2008, 45(1): 99-105.

[33] CHEN Y S, FAN J, QIAN X, et al. Effect of garment fit on thermal insulation and evaporative resistance [J]. Textile Research Journal, 2004, 74(8):742-748.