防生化防护服结构优化研究-中国口岸科学技术-2020年10期

防生化防护服结构优化研究

作者：宋大贺1 王耀1 马骏2 姜义霖2 初光邸2 颜怀玉1 于恒智3

宋大贺¹ 王耀¹ 马骏² 姜义霖² 初光邸² 颜怀玉¹ 于恒智³

摘要防生化防护服是医疗以及从事生物化学研究人员所必需的防护装置，也是工作人员与有毒有害物质隔离的有效措施。但是，目前大多数防生化防护服都使用正压原理，使得工作人员操作的灵活性下降，并且穿脱困难不易掌握；同时，在工作中还存在着面罩结雾、服内温度高等问题，不仅舒适性差，而且严重影响工作人员的工作效率。本研究基于防护服以上弊端，在保证防护服防护性能的前提下，通过引入新设计理念、优化防护服结构，从提升防护服舒适性、灵活性方面着手，对防护服进行科学合理的优化改良，对医疗服务及生物化学相关行业发展具有十分重要的推动作用。

关键词 防护服；结构优化；灵活性；舒适性

A Study on the Structural Optimization of Chemical and

Biological Protective Clothing

SONG Da-He¹ WANG Yao¹ MA Jun² JIANG Yi-Lin²

CHU Guang-Di² YAN Huai-Yu¹ YU Heng-Zhi³

Abstract Biochemical protective clothing is a necessary protective device for medical and biochemical researchers, and it is also an effective measure to isolate toxic and hazardous substances from operators. However, at present, the positive pressure principle used in most biochemical protective clothing reduces the wearer's operational flexibility and increases te difficulty of wearing and taking off. There are also problems such as mask fogging during work and high temperature in the clothing. It not only offers a low level of comfort, but also seriously affects the work efficiency of workers wearing the clothing. Based on these shortcomings of protective clothing, this study aims to add new design concepts and optimize the structure of protective clothing while maintaining its protective performance. Scientific and reasonable optimization and improvement of protective clothing so as to improve both its comfort and flexibility will greatly promote the development of protective clothing.

Keywords protective clothing；structural optimization; flexibility; comfort

近些年来，SARS病毒、MERS病毒、埃博拉病毒及新型冠状病毒，在全球范围内频繁暴发，不但给人类的生命健康带来了巨大的威胁，而且严重阻碍了人类社会的政治、经济、文化等方面的发展。特别是新型冠状病毒疫情的暴发，已经造成数千万人感染、上百万人死亡，给人类文明的发展蒙上了一层阴霾。面对这种复杂多变的防疫环境，作为防疫一线的海关工作人员，在日常工作中充满了不可预料的危险。因此一套可靠的防护装备，特别是能够提高工作人员舒适性的防护装备，对提高防疫人员的工作效率及工作安全性有着十分重要的意义。

1 防生化防护服的研究现状

防生化防护服是在产生生化泄漏条件下，保护工作人员在疫区或接触生化源时的基本防护装备。一套好的防护服对一线工作人员无论是物理隔离还是心理因素都是极为重要的保护屏障。因此，国内外对防护服技术发展都高度重视，并投入了大量人力、物力和财力进行研发，尤其是欧美发达国家目前仍掌握着较先进的高等级防护服技术，并且生产出了具有高度防护性能的防护服产品。例如：美国杜邦公司的系列防护服、法国巴固的防护服、瑞典的防护服等。

近年来，随着我国工业水平的不断提升，在防护服设计标准和优化方面也进行了大量研究工作。我国加强了与国际标准化组织（ISO）、欧洲标准化委员会（CEN）合作并成立了相应的标准化技术委员会，主要包括“SAC/TC 112 个体防护装备”“ISO/TC 94/SC 13 防护服装”“CEN/TC 162 包括手、臂防护和救生衣的防护服装”技术委员会等^[1]，推动了我国防护服设计的标准化。另外，我国也有多名研究学者分别对防护服材料、舒适性和安全性进行了深入研究。

2 防生化防护服结构优化的重要意义

目前国内外防护服，尤其密闭式高等级防护服，基本解决了隔离内外环境、避免工作人员受到环境污染方面的威胁，但由于这些防护服基本都采用了正压（服内压力高于外部环境压力）原理，导致防护服尽管结构是软的，但在承压后会处于膨胀伸长状态。此时，穿着者活动时由于关节（肩、肘，腕）部分实际上形成充气梁结构，形成弯曲阻力，产生活动阻力，使操作工效下降、工作效率降低。另外，防护服密闭不透气导致服内温度高、空气不流动，造成舒适性差、面窗易结雾、视觉不好等问题，增加了工作人员受沾染的可能性，因此优化防护服的结构对提升工作人员的安全性和工作效率有着十分重要的意义。

3 增强防生化防护服灵活性的设计方案

3.1防生化防护服灵活性差的原因

重型、高性能防护服一般皆采用正压防护，即防护服内压力高于外部环境，该方案能够有效避免外界污染物进入服内，从而起到保护工作人员不受污染的作用。但是当服装处于正压状态时，服装将承压膨胀，从而导致工作人员操作不便、灵活性下降和工作效率降低。尤其当服装膨胀后，手套脱指，甚至无法完成正常作业。研究人员调查发现，目前防护服，尤其是重型防护服臃肿、笨拙，操作不方便，及不舒适等是困扰工作人员的普遍问题。通过分析研究，造成上述问题的主要原因是加压膨胀后的防护服严重限制了人体的活动自由造成的。一般而言，人体上肢有6个自由度（肩部2个，臂部和肘部各1个，腕部2个），为此，要解决防生化防护服灵活性差、穿戴者的操作能力弱等问题，就要保障人体自由度。

3.2 灵活关节的设计

借鉴航天服的设计原理，根据人体力学的自由度、运动学和力学分析，要完全达到服装与人体活动性的匹配，需保证防护服上肢至少6个基本自由度：即肩部2个(内收/外展、肩周旋转)，肘部2个（旋转、弯曲），腕部2个(弯曲、旋转)。人体是通过利用肌肉群的综合作用来实现这些自由度的。但这些作用机制技术复杂、制造困难，而且造价很高，很难应用在服装系统上。借鉴航天服的关节活动技术，我们将人体的活动性通过自由度的保证来实现，肩、肘、腕的旋转通过旋转气密轴承实现^[2]（见图1）。气密轴承利用线密封原理保证旋转运动时的密封性；而肩部、肘腕、部弯曲通过专门设计的弯曲关节增加其灵活性^[3]。弯曲关节的核心原理是保证弯曲前的关节单轴受力状态，即在中性位置时，关节只在径向受力，横向力由受力肘(带)承受，在实际操作中，当关节弯曲时，外部波纹展开，内部波纹压缩，从而实现活动的低阻力。因此，可通过增加弯曲和旋转机构保障关节活动的自由度。对于正压防护服而言，肩、肘的弯曲是活动性限制最大的区域。通过进一步从成本控制、制造复杂度、使用效果这些实用因素出发，深入分析适应人体这些活动性的要求，在防护服设计中科学地加入灵活关节的设计，可有效提高穿戴者行动的灵活性。

图1 弯曲关节结构图

Fig.1 Bending joint structure

3.3 适体调节结构/机构的设计

分析和实际使用反馈表明：影响操作的主要因素是上肢的关节对位、关节弯曲阻力，以及手套与操作者手型的匹配性。为此，要保证操作功效良好，应当首先保证防护服适体，最有效的实现方式是量体裁衣，但对于实际使用过程中工作人员的不确定性及经常变动，这一方法显然是不经济且难以实现的。为此，该方案中服装与人是一对多的方式，即一套服装可根据穿着者的体型(主要是肢体)适度调节的技术方案，在诸关节位置利用受力带长度的结构，使调节肢体与服装关节对位，达到了预期效果。人体的手部尺寸差异很大，因此为了更好地保证操作的灵活性，设计者为工作人员提供适体的手套，需在后续研发中进一步研究可快速密封断接更换的结构。

3.4 高效的穿脱结构设计

目前，绝大多数高性能防护服均采用气密拉链实现穿脱（工作人员进出服装），该结构看似简单，但实际上密封好的拉链难以拉合，操作不便，而且可靠性不强，其制作难度大，造价高昂，对整体防护服结构设计影响较大，且主要技术均掌握在国外少数厂家手中，形成技术壁垒，对我国实现自主研制防护服造成了障碍。本研究致力于穿脱结构的研究，目的是实现新的快速便捷可靠的穿脱结构、机构设计和制造，并通过研制工程样机进行了穿脱快速性、密封性、安全性试验。

通过综合分析比较，本研究采用了腰部断接、快捷密封结构（见图2）实现快速穿脱。腰部上环与防护服上衣密封联接，下环与裤子衣体密封联接，穿衣时先穿上衣、裤子，在腰部通过压紧快捷锁定机构密封锁定，然后通过背包背负装置将供氧装置联接好，最后将背负装置放置妥帖后将背包密封。该结构比传统的拉链结构更可靠、更经济，且明显的优势是便于实现外部机构辅助穿脱，从而实现疫区工作人员安全快捷地穿脱防护服。

图2 腰部穿脱结构

Fig.2 Waist pull-through structure

4 增强防生化防护服舒适性的设计方案

4.1 防生化防护服舒适性差的原因

防护服内部空气流动性差，人体代谢产生的热量和汗水无法顺利排出，因此汗水集中在人体的手部、面部、腋下等汗腺发达的部位，给工作人员带来不适。并且汗水经常凝结在面屏，遮挡工作人员的视线，使工作效率降低，并且增加工作中的风险。所以，亟须改善防护服的舒适性来减少不利因素的影响。

4.2 分配式通风系统设计

为保障防护服具有良好的热舒适性，为防护服设计适合人体生理需要的通风系统非常必要，为此我们尝试在防护服上设置具有头部和四肢的通风分流分配系统，能够进一步提高防护服的舒适性能。防护服内的热量主要来自人体代谢，及时去除和分散这些热量是解决热舒适性的根本手段。

研究结果采用如下技术方案： a.内部设置通风帽，顶置轴流通风机，通过导流使通风气流沿面部、颈部向下整体流动；b.相变材料冷却背心，相变温度13℃～15℃，通过相变材料蓄冷能力，先将相变材料置于低温（10℃以下）环境进行冷却。使用时逐步释放冷量抵消人体产热，从而实现服内降温，提高人体热舒适性。相变冷却背心采用可分离插袋式结构，使用前一天或者至少4小时前将冷却袋放置于冰箱或其他温度低于10℃的冷藏箱内预冷。使用前将冷却好的冷却袋插进背心口袋内，工作人员穿防护服前先穿好相变冷却背心，保证穿着者2小时内的舒适冷却，且冷却袋可反复使用，可循环寿命在500次以上。

4.3 防护服提升视觉设计

在一些危险环境下，防护服是最重要的屏障，从头部至脚底均需进行严格的防护，但目前的防护装置存在很多弊端，例如：头部面窗结雾，主要是由于服装密封后人体呼吸及排汗造成的高湿度及呼吸区的高湿度，在内外部温度降低至露点以下时，产生的面窗表面水汽冷凝形成的毛玻璃效应。针对该原理，本研究通过改进防护服供氧通风气流布局，在面窗上部通过向侧下方的微孔吹向面窗，形成口鼻区与面窗之间的气帘层，隔离高湿空气吹向面窗表面，从而保障防护服具有足够的视野和视觉清晰度。简而言之，就是通过合理通风布局及长效防雾剂实现防结雾目的（如图3所示），并且头部采用360度全透明设计，极大地提高了工作人员的视角，提高安全性。

图3 防生化防护服结构图

Fig.3 Sructrue of anti-biochemical protective clthing

5 展望

随着新冠肺炎疫情在全球范围的蔓延，防护服作为重要的防护装备，尤其是在检疫现场工作人员，需要长时间穿戴防护服进行检疫工作，不仅对其防护性能有了更高要求，同时，对其舒适性与便捷性也提出了更多要求。本研究的防护服肩肘部以及腰部灵活性的设计，极大地增加了穿戴者的舒适性，防护服的正压设计也对穿戴者起到很好的防护作用。同时该防生化防护服还可应用在生物、化学等有毒有害环境中，具有广阔的应用前景。目前在国际领域，以欧美为代表的发达国家对生化防护服进行不断地研究，新材料、新技术也不断被应用^[4]。而我国由于相关基础学科的研究水平与世界先进水平存在一定差距，以致于我国的防护服研究相对比较落后，相关单位在选择防生化防护服时依然只能选择国外进口品牌^[5]。因此，自主研发优质的防护服有十分重要的意义。