防核服裝及其研究進(jìn)展

顧琳燕，高　強(qiáng)，唐　虹

（南通大學(xué)，江蘇南通 226019）

防核服裝及其研究進(jìn)展

顧琳燕，高強(qiáng)，唐虹

（南通大學(xué)，江蘇南通 226019）

隨著核能源的開(kāi)發(fā)和利用的日益增多，核安全問(wèn)題越來(lái)越被人們所重視，因此對(duì)于核防護(hù)服的需求也日益增加。核防護(hù)服主要是對(duì)α射線、β射線、γ射線、X射線和中子等輻射提供屏蔽，本文對(duì)防核服裝的材料及款式結(jié)構(gòu)的國(guó)內(nèi)外研究背景及進(jìn)展進(jìn)行了分析，并探討總結(jié)了各類防核服裝的防護(hù)原理及結(jié)構(gòu)。

核輻射；纖維材料；防護(hù)服；研究進(jìn)展

0 引言

目前在國(guó)防、工農(nóng)業(yè)、科研和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都實(shí)現(xiàn)了核技術(shù)的應(yīng)用，為經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展帶來(lái)福利，但與此同時(shí)也導(dǎo)致了核輻射防護(hù)問(wèn)題的出現(xiàn)［1-3］。核輻射是原子核從一種結(jié)構(gòu)或一種能量狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N結(jié)構(gòu)或另一種能量狀態(tài)過(guò)程中所釋放出來(lái)的微觀粒子流，包括α、β質(zhì)子等帶電粒子及間接致電離輻射包括γ光子、中子等不帶電粒子。X射線和γ射線是性質(zhì)相同的短波長(zhǎng)電磁波，X射線產(chǎn)生于原子核外，而γ射線產(chǎn)生于原子核內(nèi)（見(jiàn)表1）。

表1 核輻射的基本特點(diǎn)

由表1可見(jiàn)各種核輻射對(duì)人們的身體健康帶來(lái)了巨大危害，因此對(duì)防核服裝的開(kāi)發(fā)與研究受到世界各國(guó)家的普遍重視，是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)與難點(diǎn)，對(duì)國(guó)防和民用方面都具有重要的意義［4-5］。國(guó)外在防核服裝方面的開(kāi)發(fā)研究較早，而我國(guó)對(duì)于核防護(hù)服的纖維面料與款式結(jié)構(gòu)的研究還不是很充分，相關(guān)產(chǎn)品依然較少，還有待開(kāi)發(fā)。本文對(duì)防核服裝的防護(hù)原理、服裝材料以及結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析與歸納總結(jié)。

1 核防護(hù)服相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

近來(lái)國(guó)家主席習(xí)近平出席第四屆核安全峰會(huì)并發(fā)表題為《加強(qiáng)國(guó)際核安全體系，推進(jìn)全球核安全治理》的重要講話，圍繞構(gòu)建公平、合作、共贏的國(guó)際核安全體系，推進(jìn)核安全治理的大國(guó)擔(dān)當(dāng)。因此伴隨著核能事業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)于處于核輻射環(huán)境下工作人員的服裝防護(hù)也迫在眉睫，需要嚴(yán)格按照國(guó)家各類標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)實(shí)施，以確保核安全。

國(guó)內(nèi)核輻射防護(hù)服的安全標(biāo)準(zhǔn)以及相應(yīng)的技術(shù)要求如表2所示。

表2 核輻射防護(hù)服安全標(biāo)準(zhǔn)

2 分類防護(hù)

2.1 防α、β射線服裝的研究進(jìn)展

2.1.1 防護(hù)機(jī)理

α射線是高速運(yùn)動(dòng)的帶正電的氦原子核，穿透能力差，在空氣中的射程只有1～2厘米，通常用一張紙或者健康的皮膚就可以擋住。β射線是高速運(yùn)動(dòng)的電子流，射程一般為幾米，貫穿本領(lǐng)比α粒子強(qiáng)，通常用一般的金屬板或一定厚度的有機(jī)玻璃板等就可以較好地阻擋β射線對(duì)人的照射。

2.1.2 防護(hù)材料的研究

β射線與物質(zhì)相互作用方式主要是使物質(zhì)原子電離或激發(fā)、輻射損失，后者會(huì)產(chǎn)生軔致輻射。對(duì)β射線的防護(hù)一般可以采用低原子序數(shù)的材料屏蔽以減少軔致輻射，常用材料有鐵、鋼、鉛、鋁及有機(jī)玻璃等［6］。

2.1.3 防護(hù)服款式與結(jié)構(gòu)

由于α射線穿透能力差，用普通的衣服均可以防護(hù)。β射線穿不透皮膚角質(zhì)層，單純的防β粒子是不用穿防護(hù)服的，所以α、β射線的防護(hù)較為容易，可用常規(guī)的勞保服裝予以防護(hù)［7］。

2.2 防γ、X射線服裝的研究進(jìn)展

2.2.1 防護(hù)機(jī)理

γ射線是波長(zhǎng)較短的高能電磁波，具有很強(qiáng)的穿透能力，在空氣中的射程通常為幾百米。X射線與γ射線一樣有較強(qiáng)的穿透能力，要想有效地阻擋γ、X射線，需要在射線源與人之間放置能有效吸收γ線與X線的屏蔽織物，一般將防輻射材料制備成可以抗γ、X射線的安全服裝面料，從而減弱或消除對(duì)人體的危害。

2.2.2 防護(hù)材料的研究

2.2.2.1國(guó)外研究進(jìn)展

國(guó)外將聚丙烯腈運(yùn)用于防X射線纖維的開(kāi)發(fā)及運(yùn)用中，對(duì)聚丙烯腈接枝，然后用硫化鈉處理接枝共聚材料，最終用醋酸鉛溶液處理被改性的織物，這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于鉛消耗量低、耐洗滌，使用一到兩層織物就能夠明顯減弱X射線輻射，然而該方法工藝太復(fù)雜。日本由交換容量為3.lmmol/g的纖維吸附鉛、鐵等鹽，加工成具有射線屏蔽功能的非織造布，可防護(hù)的80kv透視用X射線的鉛當(dāng)量為0.7mmPb。隨后日本采用硫酸鋇加入到粘膠溶液中紡絲的方法，研制出了強(qiáng)度為0.99g/d、伸度為26%的纖維，其400g/cm2織物對(duì)6kv、2mA陰極X射線源的減弱達(dá)到了97%。該纖維加工成織物后制成防護(hù)服，用于長(zhǎng)期接觸X射線工作人員的防護(hù)，有著良好的防護(hù)效果［8］。

2.2.2.2國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

我國(guó)在織物表面噴涂含硫酸鋇的防輻射組合物，半干燥、壓結(jié)、烘干和焙烘制成了防輻射布，對(duì)低能γ射線有一定的防護(hù)效果。之后用氧化镥、鎢、聚乙烯為主要原料，運(yùn)用偶聯(lián)劑處理制備出新型梯度防核輻射材料，拉伸性良好，對(duì)γ射線與β射線有很好的屏蔽效果。

國(guó)內(nèi)最初防X射線服為鉛膠材質(zhì)，但服用性能較差與鉛氧化物的毒性問(wèn)題有待改善。我國(guó)自行研制了由聚丙烯和固體屏蔽劑復(fù)合材料制成的防X射線纖維，該纖維的力學(xué)性能能滿足紡織加工的要求，對(duì)中、低能量的X射線有較高的屏蔽率［9］。把丙烯酸釓和天然橡膠以機(jī)械的方式以過(guò)氧化物交聯(lián)成型制成復(fù)合材料，隨著丙烯酸釓添加量的提升，復(fù)合材料防X射線輻射性能提高［10］。由于活性炭纖維對(duì)化學(xué)物質(zhì)及輻射具有高效的吸附性，利用其微孔的狹窄分布對(duì)放射性氣體有較高的吸附熱以及氧化還原性能，采用共聚物涂層的方法，制成核防護(hù)服，也使汗氣能通過(guò)服裝散發(fā)出去，提高舒適性能［11］。

防γ、X射線材料的研發(fā)趨于高分子化，采用金屬元素的化合物作為γ、X射線的屏蔽劑來(lái)替代鉛，利用納米技術(shù)來(lái)細(xì)化屏蔽劑，涂噴成膜于織物表面，或者通過(guò)熔融紡絲滲透到織物縫隙中，有效起到對(duì)γ、X線的防護(hù)作用［12］。

2.2.3 防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)、款式與結(jié)構(gòu)

2.2.3.1 防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)GB16757-1997 《X射線防護(hù)服》標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，X射線防護(hù)服適用于鉛橡膠、鉛塑料和其他復(fù)合材料制作的供接觸X射線人員穿用的防護(hù)服。

2.2.3.2 分體式

按照防護(hù)服款式品種分，一般分體式包括上衣、短裙和褲子（如圖1）。

2.2.3.3連體式

連體式一般包括圍裙式與大褂式，有單面與雙面區(qū)分，單面防護(hù)服下擺采用前長(zhǎng)后短的設(shè)計(jì)，穿用后可方便行走和活動(dòng)（如圖2）。雙面防護(hù)服則后衣片與前衣片一樣長(zhǎng)短，其余與單面式差別不大，并且配有性腺防護(hù)器，用于鞏固加強(qiáng)防護(hù)。

2.2.3.4配件

防護(hù)圍領(lǐng)，主要是對(duì)甲狀腺的防護(hù)，甲狀腺是對(duì)X射線照射反應(yīng)最靈敏的部位，需要對(duì)其進(jìn)行加強(qiáng)防護(hù)。

性腺防護(hù)器，主要考慮到人的性腺對(duì)射線最敏感，所以將釘有尼龍搭扣的布帶或松緊固定于腰間，也可采用皮帶固定。

護(hù)腳套，主要為了彌補(bǔ)連體式與分體式服裝無(wú)法對(duì)其腳部的屏蔽防護(hù)。（如圖3）

2.3 防中子輻射服裝的研究進(jìn)展

2.3.1 防護(hù)機(jī)理

中子是由中性粒子組成的粒子流，穿透能力強(qiáng)，由防中子輻射纖維制成的防護(hù)服，其防護(hù)原理就是將快中子減速和將慢中子吸收，所以通常在紡絲過(guò)程中添加防中子輻射纖維或無(wú)紡布或以后整理的方式涂覆在織物上，得到性能優(yōu)良的中低能中子屏蔽材料，再通過(guò)合理的服裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，達(dá)到良好的中子防護(hù)效果。

2.3.2 防護(hù)材料的研究

2.3.2.1 國(guó)外研究進(jìn)展

日本在上世紀(jì)80年代推出了能夠防中子射線且具有皮芯結(jié)構(gòu)的纖維，在芯部加入了溴化鋰或碳化硼的聚合物粉末，皮層則是純高聚物，將紡出的纖維進(jìn)行濕熱拉伸處理，獲得針織物及非織造布，由于纖維中鋰或硼化合物的含量高達(dá)纖維重量的30%，因而具有較好的防護(hù)中子輻射效果，可加工成機(jī)織物和非織造布，織物厚度為12.6mm，中子屏蔽率為40%。

2.3.2.2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

我國(guó)采用了重金屬化合物、硼化合物與聚丙烯等共混后熔紡制成了皮芯型防中子纖維，纖維中的碳化硼含量可達(dá)35%， 纖維強(qiáng)度可達(dá)23-27CN/tex，斷裂伸長(zhǎng)達(dá)20%-40%，可加工成針織物、機(jī)織物和非織造布。之后以聚乙烯醇和碳化硼為主要原料采用濕法紡絲工藝制備出一種防中子輻射纖維［13］。也可通過(guò)在聚丙烯中加入一定量的碳化硼及助紡劑，織成纖維狀的屏蔽布和屏蔽衣等防護(hù)用具，加入的碳化硼的含量在40%時(shí)防護(hù)性能最佳。

總體來(lái)看，防中子輻射纖維一般是一種聚合物基復(fù)合材料，其基體材料一般選用聚丙烯或者聚乙烯等高聚物，然后通過(guò)適當(dāng)?shù)募庸すに?，加入一定量的吸收中子射線的碳化硼或重金屬化合物混合熔融紡絲制成，可制成各種具有防護(hù)性能的織物布料，如無(wú)紡布或機(jī)織布等，用于制作防護(hù)服裝［14］。

2.3.3防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)、款式與結(jié)構(gòu)

2.3.3.1防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

防中子輻射織物是一種對(duì)中子流具有突出抗輻射性能的特種復(fù)合織物，因此需要滿足勞動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn) LD86—1996《100KeV 以下輻射防護(hù)服》的要求，同時(shí)符合GBl6757-1997、GBZ/T147-2002以及GB13460-92的標(biāo)準(zhǔn)。

2.3.3.2局部防護(hù)

防中子輻射服裝的局部防護(hù)有馬甲式與圍裙式（如圖4），馬甲式將人體軀干、性腺及頭部加以有效防護(hù)，兩臂活動(dòng)自如，不妨礙穿用人員的彎腰和下蹲。馬甲式360°背心還可穿于大部分的防護(hù)服內(nèi)，配有可卸除式甲狀腺圍領(lǐng)，胸部γ射線與X射線防護(hù)加倍，為人體重要器官提供屏蔽保護(hù)。圍裙式可在輻射劑量較低時(shí)穿著使用，大大降低成本，腰身可調(diào)節(jié)，進(jìn)一步提高穿用的靈活性。

一般情況下，防核輻射服裝面料一般采用梯度多層纖維結(jié)構(gòu)（如圖5），內(nèi)層為棉質(zhì)的舒適型面料，將鉛橡膠改性復(fù)合材料與合成樹(shù)脂無(wú)紡布復(fù)合而成中間層的基材，外面的屏蔽層則由減緩劑與中子吸收劑組成的致密涂層。

2.3.3.3全身防護(hù)

全身性防護(hù)服分為分體式與連體式，分體式分為上衣與長(zhǎng)褲，穿脫方便；連體式是全密閉性防護(hù)。分體式與連體式的基本組成有防護(hù)面具、防護(hù)帽、防護(hù)服、防護(hù)手套和防護(hù)靴等，都是全身性防護(hù)，確保全身各部位的輻射防護(hù)，能防護(hù)核氣溶膠和放射性塵埃，同時(shí)具有防γ、X、β、α射線和酸堿化學(xué)物質(zhì)的綜合能力。

目前連體帶帽式的核防護(hù)服有美國(guó)的Demron全密閉式核輻射防護(hù)服，該防護(hù)服能有效抵抗核生化等危害，屬于二級(jí)全身性核生化防護(hù)服。連體式防護(hù)服采用專業(yè)的人性化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如圖6）和多層材料制作，使人體穿著起來(lái)更加舒適方便。國(guó)內(nèi)外所研發(fā)設(shè)計(jì)的核防護(hù)服多采用復(fù)合多層纖維材料結(jié)構(gòu)，內(nèi)含高密度化纖和天然纖維機(jī)織物以及活性炭非織造布和發(fā)泡材料，能有效地防護(hù)核輻射帶來(lái)的危害。國(guó)產(chǎn)核防護(hù)服一般采用鉛橡膠材質(zhì)居多，內(nèi)層采用棉質(zhì)布料，外層采用滌棉材質(zhì)的涂層牛津布；國(guó)外核防護(hù)服采用改性聚乙烯（PE）和聚氯乙烯（PVC）的新技術(shù)，聚合物襯層采用金屬鉭纖維制成屏蔽材料，鉭在物質(zhì)衰減系數(shù)、對(duì)抗γ、X線和β放射物都與鉛相當(dāng)，可以有效地對(duì)核輻射進(jìn)行吸收。

3 研究方向與目標(biāo)

當(dāng)前中子輻射防護(hù)服基本上大多是針對(duì)中低能中子防護(hù)的，在對(duì)熱快中子的防護(hù)以及劑量比較大的中子流的防護(hù)效率還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因此未來(lái)針對(duì)熱快中子的防護(hù)是一個(gè)重要研究方向；合理的功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是防核輻射材料實(shí)現(xiàn)功能和適應(yīng)環(huán)境的必要途徑，因此未來(lái)研究應(yīng)當(dāng)把新型防核輻射材料與功能服裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)閱讀國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，總結(jié)了不同核防護(hù)纖維材料及方法，并討論了核防護(hù)服原理、應(yīng)用特性以及款式結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)、單一的屏蔽纖維材料已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化的使用要求，一直在探索尋找一種具有良好綜合性能的復(fù)合防核纖維材料，并將其紡制成織物，應(yīng)用于核防護(hù)服領(lǐng)域。

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Anti-nuclear Clothing And Its Research Progress

GU Lin-yan ，GAO Qiang ，TANG Hong
（NanTong University，Jiangsu Nantong 226019，China）

With the development and increasing application of nuclear energy， people attach more and more attention to the nuclear safety. Therefore， the demand on anti-nuclear clothing is also increasing. The anti-nuclear clothing mainly provides shield for α-ray， β-ray， γ-ray， X-ray， neutron and other radiations. This paper analyzes the research background and progress of the materials and design structure of the anti-nuclear clothing in domestic and overseas， and then the paper discusses and summarizes the protective principle and structure of all kinds of anti-nuclear clothing.

nuclear radiation；fiber material；protective garment；research progress

TS941.7

A

投稿日期：2015-04-30

顧琳燕（1992-），江蘇南通人，南通大學(xué)碩士研究生，研究方向：功能性服裝。

高 強(qiáng)，Email：1145374197@qq.com。