生化防護(hù)服的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

劉寶成，趙曉明

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)部，天津 300387)

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生化防護(hù)服的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

劉寶成，趙曉明

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)部，天津 300387)

化學(xué)生物恐怖威脅、重大疫情和突發(fā)性公共事件的日趨嚴(yán)重給個體防護(hù)裝備提出了新的挑戰(zhàn)。綜述了生化防護(hù)服的性能要求，生化防護(hù)服的使用、維護(hù)與培訓(xùn),論述了幾種應(yīng)用于生化防護(hù)服的高性能纖維，并對生化防護(hù)服的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

生化防護(hù)服 防護(hù)性能 高性能纖維 發(fā)展趨勢

0 引言

隨著我國工業(yè)的發(fā)展，人民生活水平的提高，人們在日常工作、生活中難免會面臨某些有毒有害的化學(xué)品在生產(chǎn)、貯存以及運(yùn)輸過程中所造成的泄漏等意外事故，對人民的生命安全構(gòu)成了隱患，特別是對參與有害化學(xué)品生產(chǎn)的勞動的人們構(gòu)成了相當(dāng)大的威脅。而且，在現(xiàn)行的應(yīng)急響應(yīng)體系中，搶險救援的人員可能暴露在高濃度的核心區(qū)域，他們面臨著極大的威脅。因此，對參與處理這類事故的應(yīng)急搶險救援人員需穿著化學(xué)防護(hù)服裝，以防止各種有害化學(xué)品對其人體造成傷害。

當(dāng)前，國際戰(zhàn)略環(huán)境錯綜復(fù)雜，戰(zhàn)爭的非對稱性和作戰(zhàn)手段的多樣性更加明顯。盡管國際相關(guān)組織簽署了禁止使用生物武器的公約，但仍有不少國家致力于生化武器的研制。生化武器釋放的化學(xué)毒劑、生物戰(zhàn)劑，均會對人體產(chǎn)生有害的影響。一些恐怖組織、邪教組織利用生化武器造成的人員傷亡事故時有發(fā)生。然而面對日益嚴(yán)峻的生化武器的威脅，我軍的生化防護(hù)能力發(fā)展迫在眉睫，高性能、多功能生化防護(hù)服的發(fā)展變得尤為重要。

1 生化防護(hù)服的性能要求

1.1 阻燃性能

在消防作業(yè)的時候，消防員往往接觸的是在高溫環(huán)境下進(jìn)行救援工作，我們通常所說的燒傷主要發(fā)生于人們衣著著火的部位，并由此引起的二度和三度燒傷比率也就增加。防護(hù)服的阻燃性能是決定人員在受到爆燃時能否有效搶救和康復(fù)快慢的最主要因素，因此在大多數(shù)的消防用防護(hù)服性能要求中，將阻燃性能作為考核的一個主要指標(biāo)。

1.2 化學(xué)防護(hù)性能[1]

化學(xué)防護(hù)性能是生化防護(hù)服最重要的一個性能指標(biāo)，其防護(hù)性能指的是對各種化學(xué)品的抗穿透性和抗?jié)B透性?？勾┩甘侵阜雷o(hù)材料在使用過程中，減少或避免化學(xué)品從防護(hù)材料透過的現(xiàn)象。而抗穿透性能表示防護(hù)材料可以阻止化學(xué)品的滲透，也可以檢驗液密的完整性程度，通常采用穿透時間來衡量抗穿透性能的好壞。對于高危環(huán)境下的高等級防護(hù)服則需要進(jìn)行防滲透性能試驗，滲透是指化學(xué)物質(zhì)以分子的方式透過防護(hù)材料的現(xiàn)象。其防滲透性能通常以穿透時間和滲透率表示其防滲透性能的大小，抗?jié)B透能力是評價防護(hù)服性能的重要指標(biāo)。

1.3 隔熱性能[2]

隔熱性能是指防護(hù)服必須具備良好的減緩和阻止熱量傳遞的性能，從而在高溫條件下對防護(hù)服的使用者進(jìn)行安全防護(hù)。使用具有良好隔熱性的防護(hù)服，可以為使用者在高溫的環(huán)境下提供一道保護(hù)屏障，使外界熱量難以通過服裝，從而保證使用者在高溫環(huán)境下能安全工作，降低不必要的危險。因此，生化防護(hù)服良好隔熱性是防護(hù)服性能的另一個重要指標(biāo)。

1.4 物理機(jī)械性能

防護(hù)服在穿著使用的過程中，經(jīng)常會受到摩擦、擠壓、撞擊，其防護(hù)性能往往會降低。因此，好的防護(hù)服應(yīng)具有耐折曲性能、耐磨性能、抗沖擊和抗擠壓性能、抗撕破強(qiáng)度、抗刺穿和抗撕裂強(qiáng)度、接縫機(jī)械強(qiáng)度，以及一定的尺寸穩(wěn)定性。

1.5 穿著舒適性能

防護(hù)服除具備優(yōu)異的防護(hù)性能的同時，防護(hù)服本身的舒適性也會影響到正常功效的發(fā)揮，工作效率的充分發(fā)揮。高性能防護(hù)服的穿著舒適性、穿脫便捷性、合體性等對活動自由度產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響著裝者的工效發(fā)揮。因此，減輕防護(hù)服的重量，增加透氣、透濕性能，可顯著地改善防護(hù)服的穿著舒適性。

2 生化防護(hù)服的使用、培訓(xùn)與維護(hù)

2.1 生化防護(hù)服的使用

生化防護(hù)服在使用穿著的過程中,必須和其他的防護(hù)器材一起使用方可發(fā)揮全面的防護(hù)性能。穿著生化防護(hù)服的防護(hù)人員在進(jìn)入火災(zāi)、化工廠爆炸等危險環(huán)境之前應(yīng)檢查好防護(hù)服和附件。在進(jìn)入有害環(huán)境后，有皮膚痙癢、刺痛、惡心等不適癥狀時，應(yīng)立即離開有害環(huán)境。任何防護(hù)服的防護(hù)功能都是有限的，生化防護(hù)服也是如此。生化防護(hù)服并不能抵擋所有的化學(xué)品，但好的生化防護(hù)服能抵擋盡可能多的化學(xué)品。無論是應(yīng)急搶險事故現(xiàn)場的相關(guān)作業(yè)人員，還是現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的軍事人員，在穿著生化防護(hù)服的同時，應(yīng)給予正確的培訓(xùn)[3]。

2.2 生化防護(hù)服的培訓(xùn)

穿著者在進(jìn)行作業(yè)之前，應(yīng)對其防護(hù)服的掌握和使用有足夠的了解，并對其進(jìn)行專業(yè)的考核，這樣才能發(fā)揮防護(hù)服應(yīng)有的功效。無論是工作還是戰(zhàn)爭環(huán)境中的穿著者應(yīng)對其所處的環(huán)境有充分的了解，了解有害化學(xué)品的性質(zhì)、程度，對人體造成哪些傷害，其穿著的服裝的使用目的、功能、方法以及局限性，并對其進(jìn)行日常檢查、穿著前檢查、穿著狀態(tài)檢查以及穿著后的檢查。生化防護(hù)服的適應(yīng)性訓(xùn)練、防護(hù)服的維護(hù)和儲存需常規(guī)的監(jiān)督和考核以便完善和鞏固。培訓(xùn)的能容要不斷的更新，培訓(xùn)應(yīng)由能勝任該工作的專業(yè)人士來執(zhí)行以保持其先進(jìn)性。

2.3 生化防護(hù)服的維護(hù)

對生化防護(hù)服進(jìn)行維護(hù)能夠增加防護(hù)服的使用壽命。防護(hù)服需定期維護(hù)，目的是檢查表面是否有損傷，氣密性是否良好，防護(hù)功能是否有下降。對于防護(hù)服應(yīng)存放在避光、通風(fēng)的地方，避免高溫或低溫、服裝受壓或因不當(dāng)折疊而損壞對其使用壽命造成的不良影響。懸掛存放可以減少洗消后化學(xué)品的殘留，從而保持防護(hù)服處于最佳狀態(tài)。

3 幾種用于生化防護(hù)服的高性能纖維

生化防護(hù)服的生產(chǎn)一般是將各種纖維原料加工成無紡布或機(jī)織布,將無紡布或機(jī)織布作為生化防護(hù)服外層面料的基布，然后基布再經(jīng)過涂層或者層壓復(fù)合的方法制成特種薄膜，或加入某些具有特殊功能性物質(zhì)后纖維具有某種特殊的防護(hù)性能[4]。因此，對于纖維原料的選擇是非常重要的，從基礎(chǔ)上決定了防護(hù)服具有哪些防護(hù)性能。而生化防護(hù)服的使用場合一般環(huán)境比較惡劣，有害性化學(xué)品對人體的損害巨大。選取高性能纖維對于生化防護(hù)服的生產(chǎn)至關(guān)重要。高性能纖維憑借優(yōu)異的物理機(jī)械性能、高韌性、較好的熱穩(wěn)定性、化學(xué)性能，在防護(hù)服市場占據(jù)主導(dǎo)地位，具有防止危險發(fā)生的超強(qiáng)能力。

3.1 芳香聚酰胺纖維

芳香族聚酰胺纖維由美國杜邦公司研制成功，纖維具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、吸能性、高強(qiáng)度、高拉伸模量、耐磨、耐沖擊、尺寸穩(wěn)定性等優(yōu)異的力學(xué)和動態(tài)性能。其良好的耐化學(xué)腐蝕性、耐高溫性、低密度、低膨脹、低導(dǎo)熱、耐沖擊、耐磨性等突出的熱性能以及良好的介電性能，在高溫過濾材料、防彈材料、電絕緣紙、航空航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，并被稱其為“全能纖維”[5]。芳香聚酰胺纖維是耐高溫、耐疲勞的合成纖維，在航空航天領(lǐng)域一般用作大型飛機(jī)的二次結(jié)構(gòu)材料，如機(jī)翼、整流罩體表面；在軍事領(lǐng)域，一般可用作防彈衣、防彈板、防彈頭盔。芳綸的無紡布與聚乙烯薄膜制成的防彈背心，在防彈性能和耐熱性能上要優(yōu)于具有超高相對分子質(zhì)量的聚乙烯纖維。在運(yùn)動器材上，可用于制作拳擊手套、登山球靴，也可用于制作球拍、滑雪板、高爾夫球棍。在紡織領(lǐng)域，用于制作高溫過濾材料、消防戰(zhàn)斗服、防彈服。美國軍方防彈服的防護(hù)層采用芳綸織物，使防彈背心的防彈效果非常好[6]。

3.2 聚苯并咪唑纖維(PBI)纖維

PBI是一種溶致性液晶雜環(huán)聚合物，具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、耐磨、優(yōu)良的耐熱、耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿、穿著舒適等優(yōu)良性能，已應(yīng)用于宇航、航空等國防尖端技術(shù)領(lǐng)域，對碳酸、鹽酸、硝酸都有很好的耐受性，具有較高的回潮率。PBI在高溫火焰中長時間暴露，形狀完好，手感柔軟。在500℃高溫下，不熔化，很少冒煙，失重很少。PBI纖維優(yōu)良的耐高溫性能，優(yōu)異的阻燃性能使其在防護(hù)服、耐高溫過濾網(wǎng)、飛行器的內(nèi)飾以及玻璃鋼鐵行業(yè)的工作服中得到廣泛的應(yīng)用。PBI纖維良好的耐化學(xué)品特性，可以制成工業(yè)濾布和織物，用于高溫或帶有腐蝕性的物料的傳輸，也可用作過濾空氣和工業(yè)產(chǎn)品[7]。

3.3 聚對苯基并雙噁唑(PBO)纖維

PBO纖維由美國陶氏化學(xué)和日本東洋紡公司研發(fā),是一種高性能的芳香族雜環(huán)聚合物，被譽(yù)為21世紀(jì)超級高性能纖維，其強(qiáng)度優(yōu)于碳纖維和Kevlar纖維。PBO纖維是一種非常理想的紡織材料，具有十分優(yōu)異的物理機(jī)械性能、化學(xué)性能、耐磨性、耐沖擊性、耐阻燃性能，在有機(jī)纖維中其耐熱性能是最高的。在耐熱墊材及高溫濾材上，制造的高溫過濾袋及過濾氈，均具有優(yōu)異的耐磨性[8]。PBO纖維制作的消防作戰(zhàn)服，阻燃性能良好，在火焰中不燃燒，不收縮。在增強(qiáng)材料及高性能帆布上，PBO纖維可用于制作輪胎、密封墊片、繩索、纜繩等高拉力材料。此外，在防護(hù)服及體育用品、防彈抗沖擊材料、航空宇宙及軍事領(lǐng)域，PBO纖維均有廣泛的應(yīng)用。

3.4 聚苯硫醚(PPS)纖維

PPS纖維是一種含有芳香環(huán)的高分子化合物。其具有優(yōu)良的機(jī)械性能、耐化學(xué)腐蝕性、優(yōu)良的電絕緣性能，耐高溫性，在熔紡纖維中PPS纖維的耐熱性是最好的，被認(rèn)為是理想的過濾材料，在其生產(chǎn)上也被認(rèn)為是最經(jīng)濟(jì)的材料[9]。其突出的耐化學(xué)穩(wěn)定性在極其惡劣的條件下仍能保持其原有的性能，在200℃下不溶于任何化學(xué)溶劑，只有在強(qiáng)氧化劑(如濃硝酸、濃硫酸和鉻酸)條件下才能使纖維發(fā)生劇烈的降解。PPS纖維主要用于具有一些特殊功能的過濾材料，如火力發(fā)電廠、燃煤鍋爐、垃圾焚燒爐所使用的高溫過濾織物，以及防霧霾材料、耐輻射性材料等。此外，PPS纖維也可用作宇航業(yè)、核動力站和汽車工業(yè)配套裝備所需的各種織物，如涂層織物、防輻射織物、飛機(jī)座椅軟墊、汽車內(nèi)裝飾面料、防輻射軍用帳篷、導(dǎo)彈外殼、隱形材料等[10]。

3.5 聚四氟乙烯(PTFE)纖維

PTFE纖維是迄今為止最耐腐蝕的纖維，其摩擦系數(shù)低，具有非粘性和吸水性。PTFE纖維在紫外線及氧的環(huán)境中非常穩(wěn)定,不燃、不吸潮，具有優(yōu)異的耐候性。PTFE大分子間引力非常小，其摩擦系數(shù)是目前發(fā)現(xiàn)最低的自潤滑材料，有一定的耐老化及抗輻射性能[11]。在防護(hù)服領(lǐng)域，PTFE纖維主要作為特種薄膜與防化服外層面料的基布進(jìn)行層壓復(fù)合，提高了防化服的防護(hù)性能[12]。此外PTFE纖維在化工、紡織、石油、醫(yī)療、機(jī)械等領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用，如航天服、消防服、高溫過濾材料等。聚四氟乙烯纖維本身沒有任何毒性，但是在200℃以上使用時，有少量有毒氣體氟化氫釋出，因此在高溫下使用時應(yīng)注意采取相應(yīng)措施。黃斌香等人發(fā)明了一種高強(qiáng)度的耐酸堿、耐高低溫的純PTFE梯度覆膜過濾材料，具有過濾效率高、過濾速度大、使用壽命長等特性[13]。美國W.L Gore TMTenara&Associates以高強(qiáng)膨化PTFE纖維為骨架，制成的氟聚合物膜結(jié)構(gòu)材料，具有極好的耐紫外線幅射、耐高低溫、優(yōu)異的自清潔性能[14]。

4 生化防護(hù)服的發(fā)展趨勢

當(dāng)前，國際戰(zhàn)略環(huán)境錯綜復(fù)雜，戰(zhàn)爭的非對稱性和作戰(zhàn)手段的多樣性更加明顯，部隊面臨生化等非常規(guī)武器的嚴(yán)重威脅。近幾年來所發(fā)生的較大規(guī)模的局部戰(zhàn)爭,幾乎都使用了核生化武器。盡管國際相關(guān)組織簽署了禁止使用生化武器的公約，但仍有不少國家致力于生化武器的研制。隨著科學(xué)技術(shù)的革新,新材料、新技術(shù)的不斷發(fā)展，生化防護(hù)服呈現(xiàn)高性能、多功能、智能化、輕量化、舒適性的發(fā)展趨勢。

4.1 高性能

隨著研究的深入，加工工藝和加工材料不斷地更新和完善，一些高性能纖維材料不斷涌現(xiàn)。具有透濕量大、穿著舒適、質(zhì)量輕等特點(diǎn)的聚四氟乙烯孔膜層壓織物，可以有效的防護(hù)毒氣、毒液的侵襲，為生化防護(hù)服的發(fā)展開辟了新的路徑[15]。電子紡絲納米纖維具有透濕透氣性能，可以阻止氣溶膠微粒侵入防護(hù)服對人體造成傷害。它是由高壓電場，定向噴射精細(xì)納米纖維，克服熔融聚合物的表面張力，所形成的無紡膜。我國中科院江雷教授研制了一種疏水疏油的超雙疏納米界面功能材料，根據(jù)“二元協(xié)同納米界面結(jié)構(gòu)材料”理論成功得到表面雙疏紡織品。

4.2 多功能化

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，軍事水平的提高，21世紀(jì)的戰(zhàn)爭必然是高技術(shù)的戰(zhàn)爭。面對瞬息萬變的戰(zhàn)爭環(huán)境和各種突發(fā)狀況，防護(hù)服向綜合防護(hù)的轉(zhuǎn)變勢在必行，充分利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，如納米技術(shù)、電子技術(shù)、生物技術(shù)，使防護(hù)服集多種防護(hù)功能于一體[16]。利用新型的高性能纖維材料，使技術(shù)與材料相結(jié)合，從而賦予防護(hù)服更多的防護(hù)功能。

4.3 智能化

通過新型智能材料、智能軟件對生化防護(hù)服實現(xiàn)智能化，以改善生化防護(hù)服的防護(hù)性能和生理性能。美國研究出了幾種新型的智能織物：Diaplex形狀記憶聚合物材料，其分子的形狀隨溫度的改變而改變。在達(dá)到玻璃化溫度時，其形狀發(fā)生改變，有利于水蒸氣的傳輸；在溫度很低時，其孔會自行關(guān)閉[17]。Outlast蓄熱調(diào)溫織物，一種可根據(jù)環(huán)境和體表，自行吸收和放出熱能，從而保持體表和環(huán)境之間的微氣候溫度，改善服裝的舒適性。電場極化材料是一種液晶材料，通過電場重新將分子定向排列，從而允許更多的水蒸氣通過，限制化學(xué)蒸氣和氣溶膠的滲透[[18]。

4.4 輕量化、舒適化

目前，為滿足未來高技術(shù)戰(zhàn)爭、生化恐怖襲擊和突發(fā)事故的需要，生化防護(hù)服穿著的舒適性越來越受到人們的重視。降低防護(hù)材料的質(zhì)量、減小織物的厚度、提高防護(hù)材料的透氣和透濕性能，是現(xiàn)行的生化防護(hù)服研制的重點(diǎn)。

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2016-03-30

國家自然科學(xué)基金項目(51206122)

劉寶成(1989-)，男，碩士研究生，研究方向：生化防護(hù)服的制備及其性能。

趙曉明(1963-)男，博士，天津市特聘教授，博士生導(dǎo)師。

TS941

A

1008-5580(2016)04-0216-04