综述：用纳米技术工程化消防员热防护服：最前沿综述

《Textiles》：Engineering Firefighters’ Thermal Protective Clothing with Nanotechnology: A State-of-the-Art Review

　　

热防护服（TPC）在保护暴露于高温危险的消防员方面起着重要作用。然而，现有的TPC系统缺乏应对在危险热环境中工作的综合安全需求的能力。诸如透气性差、在不同暴露条件下隔热不稳定以及减轻致癌颗粒物暴露的能力有限等局限性，通常会导致消防员出现热应激、烧伤相关损伤和与癌症相关的健康影响。近年来，纳米技术作为一种可能实现更先进TPC系统的途径而引起了越来越多的关注。纳米材料为工程化纺织系统的热学、水分管理和颗粒过滤属性提供了重要途径，使其与改善TPC性能高度相关。本综述从成分、加工、结构、性质和性能方面分析了当前的纳米技术。研究人员共审查了88项选定研究，并根据用于实现相关TPC功能的纳米系统对其进行了分类。所调查的性能领域包括阻燃性、热管理、水分传输、过滤和附加功能，以评估其在TPC应用中的潜力。纳米技术可以通过多域防护和性能优化扩大TPC的设计空间；然而，研究在很大程度上仍然是碎片化的。本综述整合了各项发现，并指出了设计挑战和局限性，为比较和指导未来的TPC材料设计提供了连贯的基础。

1. 引言
热防护服（TPC）是个人防护装备（PPE）的重要组成部分，作为消防员抵御危险热环境的主要屏障。这些危险可能源自火焰、爆炸、热辐射、蒸汽、热液体、热表面接触和极端寒冷等。在危险环境中，TPC需最小化来自或传向危险源的热传递，降低人体皮肤温度的上升或下降速率，并在整个暴露过程中保持耐用性和不可燃性。然而，统计表明尽管使用了TPC，每年仍有大量损伤发生，其中约8%和50%的损伤分别归因于烧伤和过度劳累相关问题。此外，燃料蒸汽、燃烧副产物和有毒气体等化学威胁因消防员频繁的癌症病例而备受关注。消防员在执行任务时面临快速变化的热负荷、长时间工作及操作重型设备等挑战，这些因素定义了TPC工程的功能需求。然而，这些条件在本质上是相互对立的，例如提高隔热性可能会加重代谢负担，而更轻更透气的材料则可能增加烧伤风险。因此，核心挑战是在最大化保护的同时最小化代谢负担。在此背景下，纳米技术因其极高的比表面积和可忽略不计的增重，能够赋予传统大尺度无法实现的特殊性能，成为提升TPC性能的关键赋能因素。尽管纳米技术在纺织品中的应用研究日益增多，但在TPC改进方面的理解仍存在显著差距。本综述旨在全面评估纳米技术在TPC中的潜在应用，填补纳米技术创新与高效TPC设计之间的空白。

2. 研究方法
本综述遵循系统评价和荟萃分析首选报告条目（PRISMA）指南进行。选择Scopus作为主要数据库，以涵盖材料科学、纺织工程和应用热工程等跨学科领域的同行评议文献。检索策略基于消防员TPC的防护需求和设计功能，并分为四个概念集群：集群A使用术语“Nano*”涵盖纳米材料、纳米结构和纳米加工等；集群B涉及热防护机制，如“thermal insulation”和“heat resistance”等；集群C使用“clothing”、“textile”等术语锚定纺织材料；集群D使用“protective textile”、“personal protective equipment”等限定为防护应用。通过布尔逻辑算符连接这些集群，并限定为英文研究文章。初步检索产生130条记录，经标题、摘要和全文筛选后，排除了缺乏纺织品组件、未结合纳米技术或属于非期刊文章的研究，以及仅用于加热的纺织品。最终纳入本综述的研究共计88篇。

4. 讨论
4.1. TPC中的纳米技术类别
通过对所选研究的分析，应用于TPC的纳米技术大致可分为五类。第一类为基于聚合物的纳米纤维和气凝胶纤维系统，包括芳纶、聚酰亚胺（PI）、聚氨酯（PU）和聚丙烯腈（PAN）等，主要通过静电纺丝和湿法纺丝制备，形成具有三维纳米孔网络的纤维膜，以提供阻燃性、热绝缘和过滤功能。无机陶瓷氧化物如二氧化硅（SiO₂）、二氧化锆（ZrO₂）和三氧化二铝（Al₂O₃）也可掺入其中，通过溶胶-凝胶静电纺丝提升高温下的热稳定性和机械灵活性。第二类为无机纳米颗粒表面涂层，通过在纺织品表面沉积SiO₂、氧化锌（ZnO）、二氧化钛（TiO₂）等无机纳米颗粒，赋予其超疏水性、紫外吸收和阻燃性等。第三类为二维纳米材料，包括碳化钛（Ti₃C₂T_x）、氧化石墨烯（GO）等，通过逐层沉积或定向冷冻铸造组装，影响电子迁移、热传递和气体扩散，适用于热电转换和阻隔气体扩散。第四类为金属纳米线和纳米薄膜涂层，常见于银和铝等金属，通过形成导电网格实现红外反射，保护人体免受辐射热暴露。第五类为相变材料（PCM）基纳米系统，通过纳米颗粒或纳米纤维封装实现潜热热缓冲。当前趋势表明，TPC纳米技术正向多功能的混合纳米系统发展，即在同一架构中结合两种或多种纳米技术类别。此外，加工路线对纳米材料应用的影响与纳米材料成分本身同等重要，且第一类和第二类技术由于其多功能性和与纺织基材的兼容性，仍然是该领域的基础平台。

4.2. 性能-表现分析
4.2.1. 阻燃性
阻燃性是TPC最基本的要求。纳米技术通过物理屏障、散热和凝聚相炭化机制在较低添加量下实现防护。第二类无机纳米颗粒涂层（如SiO₂）通过形成热绝缘炭层限制氧气进入并捕获挥发性热解产物，显著提高极限氧指数（LOI）并降低热释放速率。磷-氮基膨胀纳米架构能在较低温度下催化脱水和碳化，减少可燃挥发物的可用性。第一类纳米技术如聚酰亚胺/预氧化PAN（PI/PANOF）纳米纤维系统通过纳米孔隙和燃烧化学促进炭层形成，达到高达55.6%的LOI。过渡金属氧化物纳米颗粒如三氧化二铁（Fe₂O₃）和二氧化锰（MnO₂）可通过催化石墨化稳定炭屏障。此外，水凝胶层压材料通过吸热冷却机制提供热保护。混合系统（如第一类与第二类结合）能通过不同但互补的机制更有效地提高阻燃性。然而，纳米系统面临的主要设计挑战是洗涤耐久性，通常需要引入共价键合以维持性能。

4.2.2. 热与热量管理
热绝缘和热管理决定了持续暴露期间到达穿着者皮肤的热量以及从人体散发的热量。纳米多孔纤维和气凝胶架构通过克努森效应抑制气相热传导，并散射红外辐射。陶瓷基系统如Al₂O₃/ZrO₂/三氧化二镧（La₂O₃）纳米纤维膜实现了低至22.67 mW/mK的热导率。有机气凝胶系统和仿生中空通道膜也通过截留静态空气提供热绝缘。纳米颗粒诱导的空气囊形成是一种更实用的可扩展方法。此外，反射光学涂层和亚波长金属网络能有效反射辐射热。为实现向外散热，光谱工程纳米纤维表面通过介电纳米颗粒共振实现太阳反射和中红外（MIR）发射。相变材料纳米系统作为热力学缓冲层延迟温度上升，而主动热管理则通过结合电池驱动风扇和干冰实现。纳米热管理系统的设计挑战在于性能与可扩展性之间的矛盾，最佳系统通常依赖不适合主流纺织制造的工艺，而可扩展方法的热性能相对较低。

4.2.3. 水分管理
TPC必须促进代谢汗液的向外传输以实现体温调节。纳米技术通过工程化孔结构和表面化学，独立于体积屏障性能修改水分传输。静电纺丝膜的孔结构控制可实现同时防水和透气，如聚醚醚酮（PEEK）/PI膜在保持高耐液性的同时实现了1889至2311 g/m²day的水蒸气传递率（WVTR）。交联机制能稳定孔径，确保持续的透气性。梯度润湿膜通过不对称润湿性产生毛细管压差，驱动液体向外传递。纳米片排列和凝胶系统也可改善水分管理和蒸发冷却。虽然水分传输数据大多集中在第一类及其混合系统，但其WVTR表现均优于传统材料。然而，热-透气性冲突和耐久性是主要设计挑战。高透气系统通常使用亲水结构，难以承受高温暴露。水分管理特征往往比阻燃和隔热性能退化得更快，造成耐久性不平衡。

4.2.4. 颗粒与化学过滤
燃烧产生的颗粒物、有毒气体等对消防员构成严重威胁。纳米技术通过控制膜的孔几何形状捕获颗粒，不依赖静电能，因此在潮湿条件下性能稳定且可重复使用。第一类电纺纳米纤维膜通过小于目标颗粒直径的孔结构实现高达99.8%的PM_0.3过滤效率。多峰纤维直径分布的分层纳米纤维架构通过布朗扩散和惯性碰撞提升过滤效率。化学屏障功能则通过亚微米级孔径抵抗低表面张力化学品的毛细管驱动渗透，聚氨酯（PU）纳米纤维网等系统显著降低了液体渗透。交联纳米架构即使在机械变形下也能保持屏障性能。系统的主要设计挑战是平衡孔径并确保耐久性，因为磨损和洗涤易改变孔尺寸，从而影响过滤性能。

4.2.5. 附加功能
纳米技术可为TPC增加主动功能，如自供电火灾传感、能量收集、电磁屏蔽和抗紫外线功能。自供电传感通过纳米材料在温度梯度下产生可测量电压实现，如碳化钛/聚苯胺（PANI）/聚乙二醇（PEG）系统在火焰暴露下产生热电输出。摩擦电和摩擦伏特效应机制可将运动转化为电能。电磁屏蔽通过金属-有机框架（MOF）衍生架构或碳纳米管（CNT）渗滤网络吸收和衰减电磁能量。半导体纳米颗粒（如ZnO、TiO₂）通过带隙吸收提供紫外保护，且不影响热管理和透气性。这些功能的设计挑战在于集成耐久性，实验室级性能在长期部署中仍存在多维耐久性差距。

4.2.6. 机械与洗涤耐久性
TPC的实际应用要求纳米技术在机械磨损和洗涤后仍能保持性能。共价键合方法通过在纳米颗粒涂层与纤维表面形成化学键合提高洗涤耐久性，如溶胶-凝胶系统和三维网络在多次洗涤后仍保持表面功能。分层嵌入纳米结构通过深度的功能冗余提高耐磨性，即使表层磨损，下层仍能发挥作用。纳米纤维网络中的交联可提高在循环拉伸下的机械疲劳耐久性。晶界工程能增强陶瓷基纳米纤维膜在多氧化物系统中的耐久性。不同类别的系统采用不同策略解决耐久性问题，但单一域的耐久性与可扩展系统内的集成多维性能之间仍存在差距。

4.2.7. 总结
纳米技术在解决传统TPC当前性能差距方面显示出巨大潜力。纳米级架构可在阻燃性、热管理、水分管理、颗粒过滤及附加功能方面实现传统大尺度修改无法实现的优势。然而，纳米技术的有效采用取决于其制造可扩展性，这仍是实验室发现转化为可部署TPC系统的一致限制因素。

5. 纳米赋能TPC的设计方向
未来的TPC开发中，多功能集成架构是关键方向。具体而言，第二类无机纳米颗粒涂层在高可扩展性阻燃方面具有优势；第一类陶瓷气凝胶/纳米纤维系统适用于极端温度隔热；第一类PI和PAI纳米纤维膜可实现高温下的防水和透气，其WVTR值达到1889至2920 g/m²day；第三类二维纳米片系统可实现自供电危险检测；第五类相变材料纳米系统用于瞬态热缓冲。这些设计方向面临可扩展性、成本和环境合规性三大共同挑战。

6. 局限性
实验室级发现转化为TPC应用的主要局限在于可扩展性，工业级宽幅生产易导致纳米材料性能不一致。成本-性能平衡也是难题，高性能纳米材料的高成本限制了其大规模应用。环境合规性日益重要，卤代阻燃剂和全氟烷基物质受到限制，传统加工溶剂面临监管压力，推动向可持续纳米材料和水性或低挥发性有机化合物（VOC）溶剂系统转变。此外，纳米材料在产品全生命周期中的健康风险，如吸入和皮肤接触，仍需系统评估和制定特定法规。

7. 结论
纳米技术以传统纺织工程难以复制的方式扩展了TPC的设计空间，实现了同时多域防护、更受控的隔热与透气性权衡以及主动火灾传感的集成。纳米纤维防护层通过结合高透气性和对超细有毒气溶胶的过滤，减少热应力和皮肤暴露，特别适用于需要同时优化热舒适度、轻量化和防护的应用场景。然而，现有研究多以孤立方式进行，本综述整合了这些发现，为比较和指导未来的TPC材料设计提供了连贯的基础。