1、引言
我们所说的服装是由三个基本要素构成的：款式好看、色感好和服装面料好，所需材料是最基本的基本要素，也是最重要的部分。服装所需材料是指制作衣服所需的全部材料，可分为纺织面料和针织面料，服装能够用服装面料制作，用来充当衣服的三大基本要素之一。常用服装面料有棉型织物、麻型织物、丝型织物、毛型织物、纯化纤织物等等，在人们的日常闲谈中，总会出现这样一句话“人靠衣服马靠鞍”，衣服对于每一个人来说再熟悉不过了，琳琅满目的衣服让我们产生了选择困难症，即使这样，我们总会选择出一件自己中意的衣服。
图1.不同职业的服装（图片来源于寻图）
但你可曾想过，独特的功能和多种用途的专业服装，如航空航天服装、应急消防服装、化学防护装备、医用隔离衣等等，这些不像一般性的职业装是用什么质地做出来的呢？带着这个好奇心一起来阅读了解。本文从特种服装所采用的面料角度出发，对它们设计所采用的化学材料及作用进行科普，希望能使更多的人了解该方面的知识，解开心中的疑惑。
2、航天服装的材料设计
在面临一系列的功能考验时，航天服的首要问题是要解决压力和温度问题。随着高度的升高，气温和气压都会明显下降，所以航天服的面料设计需要考虑防护失压环境的需求。新型太空服EMU(extravehicular mobility unit）基于阿波罗航天服的发展而来，由压力服和生命维持系统组成。考虑到极端环境要求，压力服采用了多层结构，“星侠”宇航服同样采用国际现役舱外探索装置EMU多层面料的设计以适应太空环境。
图2. “星侠”宇航服的全身照（图片来源于[1]）
为了让宇航服防火、防水、防尘、防油，抗磨损和撕裂，它的外层采用了多种高分子材料，这些材料包括“Nomex”和“Teflon”，它们都是由杜邦公司研发并被广泛应用在航天等领域。“Nomex”系列产品具有耐高温性能、阻燃性、无毒性以及较好的机械性能，而“Teflon”则具有耐高温、允许骤冷骤热、耐高压等特点。为了使图2中表层白色部分呈现出完美的效果，选用了曾经被应用于“阿波罗”宇航服外层的杜邦公司研发的“Teflon”材料。同时，特氟龙不仅仅可用于应用于纺织面料等软性材料，还可以用于各种硬性材质，因此具有很广泛的应用前景。为了使图2中黑色部分能够充分发挥出功能，设计者采用了杜邦公司的“Nomex”材料，这种材料不仅常用于赛车服，还曾被应用于NASA的橙色宇航服上的 “Kelvar”材料有相似的功能，可以充分发挥出其优势[1]。
随着时代的发展，产业的变革不断带来宇航服的重大转变，现如今的宇航服已不再是以防护和功能性为主，而是逐渐转变为集功能性和美观性于一体的服装。不过，在选择面料时，仍需以航天员的各项需求为出发点，最大限度地满足他们的需求，并为其达到最舒适、最卫生的状态。
3、消防防护服的材料设计
人们越来越重视消防员的安全，特别是在应急救援中。为确保其生命安全，热防护服成为了消防员必备的设备之一。那么，热防护服通常由什么材料制成？据GA10——2014《消防员灭火工作服》规定，消防服面料结构应有4层，依次为外层、防水透气层、隔热层和舒适层。一般情况下，外层材料采用单层或双层阻燃面料，以避免火焰燃烧和蔓延，同时也可以防止熔融物滴落，从而保证消防服在火场操作时的完整性和功能性。防水透气层通常由聚四氟乙烯(PTFE)微孔膜复合的阻燃无纺布制成，微孔可以有效地阻止水滴渗入，并允许水蒸气排出，达到了防水透气的效果。隔热层常常采用较厚的防火无纺布制成，主要起到隔绝外部热量传递，延长消防员二度烧伤的时间的作用，以提供更多的安全保障，而舒适层则由防火胶黏剂或防火棉等柔软舒适的织物制成，起到改善消防服穿着体验的作用[2]。
图3. 消防阻燃服装（图片来源于1688）
新型隔热层材料的开发正在进行，空气层结构材料是一种新兴材料，通过在基布上构建凸起结构，支撑上层面料，从而构建具有隔热效果的空气层。在此结构中，静止空气的导热系数非常低且空气层轻质，因此实现了高效轻质化的隔热层。其次，形状记忆合金材料还被应用于防护服，使用多层复合面料，将形状记忆合金材料嵌入其中，以实现在不同温度下的形变，从而改变空气隔热层的厚度, 达到不同的隔热效果[2]。
相变材料可以由固态向熔融态或液态转变来吸收热量，降低环境温度，在消防服隔热层中应用可提高热湿舒适性，减少消防员的热应激反应。为了克服重量和不透气的问题，科学家们广泛地研究和开发了蜂窝多孔结构材料，这种材料采用正六边形的结构来确保优异的力学性能和热稳定性，在减轻织物密度的同时保持气透性。此外，通过居中错位的孔洞设计，能够达到阻隔热流的效果，如下图4b所示。
图4.（a）正六边形蜂窝多孔结构；（ｂ）多层蜂窝斜孔结构（图片来源于[2]）
气凝胶材料有着天然的轻质特点，并且拥有纳米孔洞结构，这种材料可以很好地适应热防护服装对隔热性能的需求。从目前的发展趋势来看，防护服隔热层面料的研究正在向新型材料的应用和创新方向发展，通过利用不同材料和结构的组合来不断提高消防防护服的实用性。
图5. 气凝胶保温隔热材料（图片来源于八方资源网）
4、化学防护服的材料设计
化学防护服的主要目的是保护人体皮肤免受物理化学、热、机械、生物和辐射等内在危害，保持周围绝对安全、舒适的气候。化学防护服按防御屏障的基本工作原理可分为隔离式防护服和透气式防护服。一方面，隔离防护服采取使用气密性防毒薄膜材料制成，能够隔离人体皮肤接触外面的毒物，防止毒剂、生物战剂、放射性尘埃等有害物质与皮肤接触，军用隔离防护服所需质料为丁基橡胶和卤化丁基橡胶。
图6. 我国自主研制的第一款重型防护服（图片来源于[3]）
我们国家山西新华化工有限公司拥有完全自主知识产权的重型隔离防护服，这也是我们国家第一款具有完全自主知识产权的重型防护服装，如上图6所示，可使用棉纺所需的新型高分子材料和橡胶材料借助复合表面涂层生产，与自给式正压呼吸器搭在一起，视野辽阔，具备优良品质的耐化学腐蚀能力、机械性能和抗燃烧性能[3]。
透气防护服是一种能使流动的空气和空气中的水汽通过，能有效阻挡毒剂尘粒和神经毒剂蒸汽的个人防护套装。透气防护服采取使用活性炭吸附被认为是吸附层的关键原材料，活性炭基防护服是世界上许多国家开发的主流产品，活性炭具备复杂的微孔结构，其内金属表面可用于吸附或化学反应。棉纺所需材料结合活性炭后，能够使穿着者进一步免受化学神经毒剂的伤害，并让体内的水蒸气直接借助服装材料传递，保持穿着的舒适性。目前吸附活性炭一般制备成球形、纤维状和布状（如图7所示），普遍作用于各种透气防护服中[4]。
图7. 不同形式的活性炭（图片来源于 [4]）
此外，以氟橡胶、橡塑复合材料为代表的隔离防御屏障所需材料的防护性能良好，但舒适性和安全性相对较差，没有办法长时间穿戴。以活性炭吸附为代表的吸附材料目前在美国等各个发达国家的开发已经比较成熟，但所需材料本身并不适合吸附较大的毒剂粉尘颗粒，效果不是很好，使用寿命短，没有选择性吸附等问题制约了活性炭的前途。科技发展随着时间的推移不断优化和完善，出现了一批轻便、多功能、整体的新型高效防御材料，它涵盖了选择性透过膜材料、纳米材料和生物酶材料等[5]。
5、医用防护服的材料设计
2020年初新型冠状病毒肺炎疫情的爆发，医用一次性防护服等防疫物资需求猛增，医用一次性防护服长期供应紧张，造成相当巨大的资源浪费，垃圾无害化处理难度大。一次性防护服多选用高密度聚乙烯防水透气膜加工成复合无纺布，其操作步骤是聚乙烯透气膜在LDPE/LLDPE树脂材料媒介中与50％左右的特种碳酸钙完成共混，经扯出成膜后定向拉伸一定放大倍率而结成无纺布。由于聚乙烯树脂为热塑性柔韧性材料，可在一定前提下需要拉伸和结晶，拉伸后时高分子聚合物与碳酸钙粒状之间产生界面抽离，碳酸钙粒状四周就产生了相互联系的弯弯曲曲的微孔或通道，正是这些微孔和通道创造了透明膜的干爽的功能，促使沟通了薄膜两个面的坏境[6]。
图8. 一次性防护服（图片来源于京东）
循环使用型防护衣，基本上作为医生和护士的平常时职业装和手术服等。基本选用旧式织布、高密织物、涂层织物及层压织物等原料做成。由于层压棉织物是将一般织物与一层特有薄膜通过层压工序复合在一起制得，因抵御性能及透湿透汽性能较好视为行业里主流选择。比较高端的层压织物面料是聚四氟乙烯超级防水透湿混纺面料，该布料是以聚四氟乙烯为基本原料，经过膨化拉伸后渐渐形成一种具有微孔性的透明膜，将此薄膜用不同制作工艺覆合在纺织物和面材上，就成新式滤材。由于该膜孔径小，很均匀，空隙率大，在保持空气流通的同时，也可以滤掉例如病菌在内的尘埃粒子，已达到净化且通风的手段，广受行业的喜爱[6]。
图9. 可重复使用手术衣（图片来源于京东）
如用聚四氟乙烯复合膜作为隔离层研制出的医用级多功能型隔离服，具有耐久的防潮、拒水、抑菌、防静电、难燃、透湿等性能，对血流、病毒在自然条件和压力前提下都具备不错的阻隔性。
6、结语
关注我们
服装材料的更替变化使大众的衣服愈发的时尚，穿着舒适度也在进一步提高，让人们有更多的选择，科学在进步，时代也跟着科学的步伐。在一些特殊服装领域，新材料的研发与应用使得人类的安全得到有效的保障，功能也从当初单一演变为多元化，让更多的人群可以享受社会进步带来的优势。近些年，我国在材料方面取得的进步与发展有目共睹，但与国外发达国家比起来还存在一定的差距。因此，利用新材料、新技术研发新型的特殊服装更替之前服装材质的不足是一个亟待解决的问题，具有重要的社会价值与现实意义。
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