“战衣在手，天下我有”——揭秘冬奥健儿的“超能战衣”
2022/5/7 7:30:00 中科院之声
要想成为英雄，一件超级战衣必不可少。漫威超级英雄钢铁侠就有几十套装甲，并且随着斯塔克的不断改造，逐步实现更精细的外观和更强大的功能。
钢铁侠盔甲(图片来自网络)
冬奥会的“超级英雄”则是肩负着国家荣誉使命的运动员们。冬奥赛场严苛极端，如何同时保证奥运健儿们的安全与舒适成为至关重要的问题。2022年北京冬奥会中我国运动员的战衣本着“快、护、暖、美”的设计宗旨，深入贯彻“科技冬奥”的理念，向全世界展示了中国速度、中国风度和中国温度。
冬奥滑雪项目(图片来源：微博@央视新闻)
对抗极端条件，运动员需要“多方位保护罩”
覆盖全身表面的皮肤是人体最大的器官。皮肤系统可以通过分泌汗液和产生水蒸气来调节体温，但在严寒、酷热等极端环境下难以维持人体舒适。此时就需要借助服装来阻挡外界刺激并维持皮肤表面“微环境”的稳定。
冬季奥运会的极端气候与极端运动对运动服的设计提出了双重考验：
高山滑雪项目的比赛每秒风速可达32m，运动员比赛时的最高时速可达248km/h，还可能伴随降雪天气。
冬奥各项目都属于极端运动，运动员在训练比赛时很容易摔倒，由于倒地的加速度大，瞬间的压力会使积雪融化，浸湿衣服。
运动员剧烈运动之后必然会出汗，在寒冷环境下如果不能保证汗水迅速透过衣物蒸发出去，当减速或者停止运动时，汗水在体表积累会导致人体热量流失，严重时甚至会出现失温症状。
如此一来，在运动服的设计上既要考虑保暖防水，又要兼顾透气和耐冲击性。
到底什么样的材料可以同时满足以上诸多需求呢？
防水透湿织物被人们亲切地称为“可呼吸织物”，能保护人体免受风、水以及其他有害物质的侵入，对人体提供很好的防护作用。
织物防水透湿效果示意图(图片来自网络)
防水透湿织物的诞生与发展
正如英雄战衣需要不断升级，防水透湿织物也在不断发展。
初步发展：
我国最早的“雨衣”可追溯到周代的“蓑衣”。
古代的蓑衣(图片来自网络)
国外关于防水织物的记载最早可追溯到15世纪末。具有代表性的是二战时期英国的Ventile雨布，作为英国空军防寒抗浸服使用。
英国空军的Ventile面料(图片来自网络)
突破性阶段：
二十世纪中期，随着高分子聚合物的发展，防水透湿织物大多采用聚氨酯类涂层剂，但透湿性无法满足要求。后续问世的细旦纤维制得的高密织物虽然柔软，但防水性能较差。拜耳(Bayer)实验室于1962年自主研制出透湿性优良的亲水性聚氨酯，初步实现防水透湿双重功能。
全面发展：
1969年，美国人Gore开发出了具有微孔结构的聚四氟乙烯(PTFE)防水透湿膜，并用层压复合方法将其与纺织面料结合，首次制备了具有良好防水透湿功能的复合服装面料，命名为Gore-Tex，开启了防护服装面料设计的新时代。相比PTFE，聚氨酯材料弹性优良易复合，在1980年代后期，以聚氨酯材料为代表的亲水性薄膜得到迅猛发展。
“亲疏有别”：两种防水透湿功能层
防水透湿织物兼具耐水渗透性和湿气透过性两种功能，看似相互矛盾，实际上却可以通过改变材料表面润湿性和孔径来实现二者的协同调控。
层压防水透湿织物的核心功能层是功能性防水透湿膜，按不同机理可分为两大类：亲水型无孔膜和疏水型微孔膜。
“铜墙铁壁，天衣无缝”——亲水型无孔膜
亲水型无孔膜以亲水性高分子聚合物为原料，以熔融挤出法为主要制备方法，膜表面和内部不存在孔道结构，液态水完全无法渗透。由于无孔结构不存在孔道堵塞的情况，可长久透湿。
但亲水基团所能捕获的水分子较少且无法快速传导，制成面料后需要紧贴在皮肤上与汗液直接接触，才能达到良好的透湿效果，所以舒适性大打折扣。同时，与水长时间接触后，薄膜会被彻底浸润导致严重变形，从而影响薄膜的耐水渗透性，也影响服装的平整性和美观性。
亲水型无孔膜的防水透湿原理
(图片来源：李洋.静电纺纤维基防水透湿膜的结构设计及其在防护服装领域的应用研究)
“重垣叠锁，选择透过”——疏水型微孔膜
疏水型微孔膜以疏水性高分子聚合物为基本原料，以相分离或机械拉伸为主要制备方法，内部呈不规则网状/海绵状结构。膜内部有大量细小连通的微米级孔道，可以为水蒸气传递提供通道，制作的面料相比亲水膜更加透气舒适，而且其内部通道的孔径远小于水分子粒径，所以具备防水性。
但传统机械拉伸法制备的微孔膜是二维孔道，运动过程中外界的冷风可以直接穿透，且孔径分布不均匀，致使膜抗冲击能力很低，所以原始疏水性微孔膜不能保障运动服的保暖耐冲击性能。Gore-Tex等聚四氟乙烯面料在生产过程中必须使用持久性有机物作为原料，不环保且弹性差。
疏水型微孔膜的防水透湿原理(图片来源：同上图)
那么，有没有兼具防水和透气的面料？纺织行业认为，基于环保聚合物、通过纳米纺丝工艺加工而成的纳米纤维膜材料会是防水透湿织物真正的未来。
“真正的未来”——新一代纳米纤维复合面料
如果说人体是一座城堡，皮肤算做内墙，那么衣服就是更牢固的外墙，基于纳米纺丝的新型复合面料则可称为刷脸通行的“防盗门”。这个“防盗门”更加智能，拦住了“水先生”和“风女士”，只放“蒸气一家子”通过。
纳米纺丝的基本原理是将聚合物溶液或熔体在强电场中拉伸成直径只有头发丝1/200的超细纤维，这些纤维相互叠加形成每平方厘米上亿个三维纳米孔的多孔膜，孔隙率最高可达85%，孔径大小和均匀性都比传统微孔膜更加易于调控。最后将纳米纤维功能层与保暖纺织面料层压结合，就生产出了新型复合面料。
静电纺丝法制备纳米纤维膜(图片来自网络)
纳米纤维防水透气膜具有以下三大优势：
自然风通过时会产生一定的阻力且不能垂直透过，从而延缓寒风侵入人体，有效解决了原始疏水膜不保暖的弊端。
孔隙率可达85%以上，透气性极好，剧烈运动时产生的汗液会以蒸气形式快速通过膜内孔道直接排出，从而有效减少皮肤表面汗液的凝结。
静水压高、耐冲击性强。运动员高速运动时，阻隔雨雪向内部渗透，摔倒时能起到有效防护作用。
机械拉伸微孔膜(左)与静电纺纳米纤维膜(右)对比图(图片来自网络)
新型纳米纤维膜成功助力冬奥
中国科学院过程工程研究所曹宏斌团队在学术界率先提出基于溶解热力学过程调控的稀溶剂焊接技术，并对大规模电纺丝生产设备和工艺开展技术攻关，开发出了具有自主知识产权的大宽幅、高均匀性静电纺丝机及高速纺丝溶液。
用上述技术纺织的聚氨酯纳米纤维膜可以和弹性面料复合，更加舒适柔软，集弹性环保、轻薄耐磨、防水透气于一体，全面实现多重防护。这种新型纳米纤维膜面料已成功用于2022年北京冬奥会国家高山滑雪队等13个国家队的运动员赛场保暖服，科技助力冬奥。
新型纳米纤维防水透湿膜在冬奥会防寒保暖服上的成功应用只是崭露头角。未来，随着纳米纤维膜的规模化生产技术更加完善，在其他防水透湿场景中也将被更广泛地应用，如用于消防、工业、航空、野战等特殊防护领域；手术隔离服、防水创伤敷料等医疗卫生领域；精密电子、食品包装、海水淡化、气液分离等其他多个领域。纳米纤维膜的性能会进一步向高耐磨、自清洁、智能化、多功能兼容等方向发展，让我们一起拭目以待……
来源：中国科学院过程工程研究所
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