耐用透气的ZnO/石墨烯涂层织物，用于防毒防护服等

摘要：本文，米尼奥大学Tânia Ferreira等研究人员在《J. Mater. Chem. B》期刊发表名为“Durable and breathable ZnO/graphene-coated fabrics for enhanced BQR protecti

1成果简介

本文，米尼奥大学Tânia Ferreira等研究人员在《J. Mater. Chem. B》期刊发表名为“Durable and breathable ZnO/graphene-coated fabrics for enhanced BQR protection”的论文，研究开发了一种新型策略，利用聚氨酯基涂层对织物进行内外功能化处理，以实现对化学、生物、放射性和核（CBRN）威胁的主动防护。具体而言，外层涂层具有防水和防油功能，而内层涂层则具备CBRN防护功能。内层涂层通过不同浓度的氧化锌纳米颗粒（ZnO）和/或石墨烯纳米片（Gf）进行功能化处理，并采用刀涂法精心涂布于军用级迷彩织物表面。由此形成了一种新型双层系统，由双涂层织物与内衬针织织物组合而成。随后对其结构、力学、热学性能以及透气性和 moisture 管理能力进行了评估。

涂覆织物的初步化学防护评估包括对化学渗透阻力和疏水性的评价（针对30%（体积比）H₂SO₄和10%（质量比）NaOH；ISO 6530），对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌活性（ISO 22196），以及使用噬菌体MS2作为SARS-CoV-2病毒的替代物进行的抗病毒活性测试（ISO 18184）。功能化织物的性能按照北约标准AEP-38对化学和生物战剂进行了评估，并测试了其对高电压X射线辐射的防护能力。最后，还测试了织物的衰减性能，分析其对参考平面密封源产生的α辐射（如Am-241）和β辐射（如C-14、Sr-90/Y-90、CI-36和Cs-137）的响应。综上所述，所生产的涂层织物与特定衬里相结合，遵循一种能够开发出既活跃又舒适的防护服装的原理，适用于军事和民用应用。据我们所知，这是首次提出可扩展、有前景且成本效益高的解决方案，同时提供BQR防护。

2图文导读

图1、 Schematic illustration of double-layered structure of functionalized fabric, together with details of the internal coating conditions tested.

图2、Water location at both (inner and outer) sides of lining fabric 2 min after being placed on top of it. Moisture management tester (MMT) outputs, extracted to (a) L1; and (b) L2 lining fabrics.

图3、Repellent coating characterization. (a) Representative microscopic images taken to the camouflage fabric, before (above) and after (below) applying an outer coating. Scale bar represents 500 µm. (b) Acid and base repellence for camouflage fabric and camouflage fabric + outer coating (acidic solution 30% (v/v) H2SO4 and basic solution 10% (w/v) NaOH). (c) Contact angle measurements obtained for camouflage fabric for water solutions (distilled water, DW and isopropanol/DW mixtures); and for oil solutions (n-hexadecane, n-tetradecane, n-decane). Statistical significance, *p p p n-decane, in contact with the camouflage fabric) using the Friedman test for multiple comparisons.

图4、(a) Number of holes and hole area estimated through digital analysis of surface micrographs from conditions with the best performances in aerosol and liquid filtration tests; (b) SEM imaging of camouflage fabric inner side, paste A, paste A with ZnO NPs, paste A with ZnO NPs + Gf, Paste PEPU, Paste PEPU with ZnO NPs, as well as Paste PEPU paste with ZnO NPs + Gf; and (c) EDX (energy-dispersive X-ray spectroscopy) images for the aforementioned samples, along with its mass concentration within each tested sample (wt%).

图5、Antibacterial and antiviral activity of textile functionalized with ZnO alone and in combination with Gf of selected samples, against Staphylococcus aureus ATCC 6538, Escherichia coli CECT 434, and MS2 bacteriophage. No statistical significance was found. Note: it is important to explain that the Y-axis scale is in logarithmic base 10 to represent the logarithmic reduction in cell concentration (CFU for bacteria and PFU for phages).

图6、Surface morphology micrographs obtained from paste A + ZnO + Gf and its control (paste A), before and after irradiation with an electron beam (30 kV, 2 min).

3小结

通过在纺织品上涂覆各种涂层（具体为使用不同粘合剂的糊状物和泡沫，包括聚乙烯、聚醚基聚氨酯以及糊状物A）进行功能化处理后，发现其对所测试的微生物（金黄色葡萄球菌和大肠杆菌）的抗菌效果并无显著差异。此外，单独使用氧化锌（ZnO）或与石墨烯结合使用，并未提升抗菌性能，其效果与各种粘合剂组合观察到的效果相当。所有测试条件均表现出卓越的抗菌活性，证实其适用于需要病原体抵抗力的应用场景。

在空气和水蒸气透过性方面，糊剂与泡沫之间存在显著差异。糊剂在颗粒过滤方面表现出显著更高的效率，而泡沫在此方面则大多不足。这凸显了在功能性纺织品应用中，当增强渗透性和过滤性能至关重要时，选择糊状涂层的重要性。

化学抗性测试显示，糊状涂层在阻止模拟气体（具体为DMMP和CEES）渗透方面优于泡沫涂层。糊状涂层优异的屏障性能强调了其在为纺织基材提供化学保护中的关键作用，这从研究结果中得以体现。

迷彩织物的外部涂层展现出卓越的疏水特性，能有效抵御酸性和碱性化学物质。此外，所有糊状配方均表现出优异的耐磨性，有助于在实际使用条件下提升防护纺织品的耐用性和使用寿命。研究提出了可扩展、有前景且成本效益高的解决方案，可同时提供BQR防护。

未来研究应探索整合多样化内层涂层结构以满足防护服多方面需求的可能性。具体而言，研究泡沫与浆料的组合可能带来整体性能的提升。此外，使用实际作战剂进行测试对于验证这些功能化纺织品在真实场景中的实际应用和有效性至关重要。

文献：