化生放核防護(hù)服的研究進(jìn)展

張亞楠 許君 鄭瑞平 李宜潼 曾強(qiáng)

（1.天津工業(yè)大學(xué)，天津，300387；2.天津市疾病預(yù)防控制中心，天津，300011）

由化學(xué)的、生物的、放射性的或核的（Chemical、Biological、Radiological and Nuclear，CBRN）有意或意外爆發(fā)而導(dǎo)致危害人類和環(huán)境的重大事件被稱為化生放核事件，也即CBRN事件［1］。CBRN防護(hù)服屬于面向公共安全領(lǐng)域的個(gè)體防護(hù)裝備，參與處理CBRN事件的應(yīng)急救援人員需穿著專業(yè)的防護(hù)服裝。目前，我國的該類防護(hù)服裝功能較為單一，反映了在應(yīng)急救援防護(hù)方面存在較大的隱患。本研究總結(jié)了近年來CBRN防護(hù)服的研究進(jìn)展，對(duì)其防護(hù)性能要求以及防護(hù)材料的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了概述，并展望了CBRN防護(hù)服的未來發(fā)展趨勢(shì)。

1 CBRN威脅的類型及防護(hù)性能要求

CBRN涵蓋了化學(xué)的、生物的、放射的和核的4類威脅因素。

化學(xué)威脅主要是指劇毒的化學(xué)戰(zhàn)劑或合法但有害的家用或工業(yè)化學(xué)品，具有在極短時(shí)間內(nèi)大規(guī)模殺傷生物的能力。常用的化學(xué)戰(zhàn)劑主要有神經(jīng)性毒劑和糜爛性毒劑［2］，芥子氣、梭曼和維?？怂故谴硇晕镔|(zhì)，通常以固體、液體和氣體的形式存在［3］。針對(duì)化學(xué)威脅的防護(hù)性能評(píng)價(jià)主要取決于防護(hù)服的滲透、穿透和降解能力。滲透是化學(xué)物質(zhì)在分子水平上經(jīng)過防護(hù)服擴(kuò)散，通過吸收與人體直接接觸；穿透是化學(xué)物質(zhì)通過屏障材料物理空間的大量流動(dòng)，當(dāng)化學(xué)物質(zhì)泄漏時(shí)可能會(huì)發(fā)生穿透，穿過防護(hù)服上的接縫、拉鏈、針孔、撕裂和其他瑕疵；對(duì)強(qiáng)腐蝕性化學(xué)物質(zhì)（如酸和堿）的耐降解性是決定化學(xué)防護(hù)服性能的另一個(gè)重要參數(shù)，降解是指服裝材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)在化學(xué)污染物的影響下發(fā)生變化。

生物威脅是由細(xì)菌、病毒或其他活的微生物導(dǎo)致，可以在暴露的個(gè)體內(nèi)復(fù)制［4］。常見的生物毒素包括炭疽、肉毒毒素、蓖麻毒素和葡萄球菌腸毒素B等，它們制成的生物制劑通常以濕氣溶膠或干粉塵的形式傳遞，可通過霧化或炸彈等爆炸裝置擴(kuò)散運(yùn)輸。生物防護(hù)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有抗合成血穿透性、抗病毒穿透性、阻含細(xì)菌液體穿透性、微生物阻隔性、抗靜水壓和環(huán)氧乙烷殘留量等［5］。

放射威脅是用非核爆炸的方式散布放射性物質(zhì)，以其衰變產(chǎn)生的核輻射作為殺傷因素。核威脅則是由核武器或爆炸導(dǎo)致，爆炸主要包括致盲光、強(qiáng)熱（熱輻射）、初始核輻射、沖擊波、熱脈沖引發(fā)的火以及破壞造成的二次火。發(fā)射高能中子、γ、α或β輻射的放射性同位素是常見的放射性和核威脅類型［6］。由于α射線和β射線帶電荷且穿透能力弱，普通衣物即可抵擋，而中子不帶電荷且穿透能力很強(qiáng)，對(duì)人體造成的傷害較同劑量的其他射線更大，因此針對(duì)外照射的主要防護(hù)對(duì)象為X射線、γ射線和中子。對(duì)于X、γ射線的屏蔽是通過射線通道上的吸收物質(zhì)與射線相互作用而產(chǎn)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)，進(jìn)行能量傳遞，從而完成物質(zhì)對(duì)射線能量的吸收［7］。對(duì)于中子的屏蔽實(shí)際上就是快中子減速、慢中子吸收［8］，中子的衰減速度還受到自身能量、屏蔽材料性能和厚度的影響［9］。

美國國家職業(yè)安全與健康研究所在2003年發(fā)布了針對(duì)應(yīng)急救援人員個(gè)體防護(hù)需求的報(bào)告，將CBRN危害物質(zhì)劃分為7種類型，包括有機(jī)氣體、酸性氣體、堿性氣體、氮氧化物、氫化物、醛類和顆粒物（含化學(xué)品、放射性物質(zhì)和生物類）等［10］。當(dāng)CBRN事件發(fā)生時(shí)，救援人員所要面對(duì)的是突然爆發(fā)的公共危機(jī)，意味著復(fù)雜的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和繁重的工作量，個(gè)體防護(hù)設(shè)備必須配備齊全，具有較高的適用性和質(zhì)量水平，以便救援人員在執(zhí)行任務(wù)時(shí)感到安全和舒適，同時(shí)個(gè)體防護(hù)服作為人體與環(huán)境之間的熱質(zhì)傳遞媒介，具有良好的熱舒適性，有助于減輕人體的熱應(yīng)力，同時(shí)還應(yīng)符合穿著者的人體工效學(xué)要求，具有較好的懸垂性，且質(zhì)量相對(duì)較輕，尤其是在穿著者可能有其他重型設(shè)備要攜帶的情況下。

2 CBRN防護(hù)材料的發(fā)展現(xiàn)狀

纖維材料是生產(chǎn)防護(hù)服的原料，基本決定了其防護(hù)功能。CBRN防護(hù)材料的劃分主要是基于防護(hù)機(jī)理的差異。目前關(guān)于CBRN防護(hù)材料的研究主要包括解毒型防護(hù)材料、隔絕型防護(hù)材料、吸附型防護(hù)材料和選擇性透過型防護(hù)材料［11］。

2.1 解毒型防護(hù)材料

解毒型防護(hù)材料通過附著于織物上的解毒劑與危險(xiǎn)化學(xué)品發(fā)生化學(xué)反應(yīng)消減其毒性而實(shí)現(xiàn)防護(hù)功能。解毒劑可以是液態(tài)或固態(tài)物質(zhì)，少數(shù)金屬氧化物如MgO和CaO對(duì)神經(jīng)毒劑有一定的降解活性，但是它們?cè)诳諝夂退械姆€(wěn)定性較差。此外，金屬-有機(jī)框架（Metal-Organic Frameworks，MOFs）材料由于其高比表面積和多孔道結(jié)構(gòu)，可通過與化學(xué)戰(zhàn)劑的氧化還原反應(yīng)以及與水分子結(jié)合并參與到其水解反應(yīng)等途徑，對(duì)化學(xué)戰(zhàn)劑實(shí)現(xiàn)有效解毒［12］。但由于MOFs材料的性質(zhì)（呈分散粉末狀），無法直接與織物結(jié)合，還需與高分子基體材料復(fù)合以增加其柔性，例如與納米纖維復(fù)合等。目前用于MOFs高分子復(fù)合材料的制備方法有MOFs粉末-聚合物混合溶液的靜電紡絲法、水（溶劑）熱法、原子層沉積法、微波輔助法、電化學(xué)合成法、機(jī)械化學(xué)合成法以及超聲法等［13］。不同合成方法制備的復(fù)合材料性能各有不同，需要根據(jù)防護(hù)材料的需求選擇合適的制備方法。

2.2 隔絕型防護(hù)材料

隔絕型防護(hù)材料通過對(duì)外界的液態(tài)、氣態(tài)和氣溶膠形式的有害物質(zhì)實(shí)施物理阻斷從而達(dá)到防護(hù)目的［14］。最常見的是丁基涂層織物，它們通常光滑且質(zhì)量更輕，但是接觸油性產(chǎn)品會(huì)大大降低丁基橡膠材料的保護(hù)性，從幾小時(shí)到只有幾分鐘。VITCHULI N等人通過改變?nèi)芤簼舛?、靜電紡絲電壓、沉積時(shí)間（或面密度）等工藝參數(shù)，直接在錦綸棉織物上靜電紡絲錦綸6纖維，開發(fā)出了可以阻隔化學(xué)和生物戰(zhàn)劑的紡織材料［15］。結(jié)果表明，在織物上沉積靜電紡錦綸6纖維層，過濾效率可提高250%以上。BUNCH J S等人證實(shí)了單層石墨烯對(duì)氦氣的高阻隔性，并認(rèn)為石墨烯是最薄的高阻隔材料［16］。隔絕型防護(hù)材料具有良好的防護(hù)性能，但其透氣性和舒適性較差，不利于人體釋放汗液和熱量，并且某些有毒物質(zhì)能夠滲透并殘留在橡膠層中，難以洗消，僅適合在嚴(yán)重污染區(qū)域短期使用。

2.3 吸附型防護(hù)材料

吸附型防護(hù)材料是將具有很大比表面積的微孔性物質(zhì)浸漬在織物的表面或其他載體中制備而成，可抵擋毒氣、毒液的滲透，從而達(dá)到防護(hù)目的［17］?；?性 炭 纖 維（Activated Carbon Fiber，ACF）是常用的吸附材料，具有較好的吸附去除效率、較大的微孔體積和比表面積，但ACF的強(qiáng)度較低，與基布復(fù)合后的透氣性較差，成本較高［18］。PETRE R等人通過在防護(hù)材料表面噴涂不同厚度的丁基橡膠涂層，發(fā)現(xiàn)降低碳納米管在材料混合物中的比例會(huì)導(dǎo)致保護(hù)能力的降低，涂層越厚，保護(hù)性越好［19］。RAMASESHAN R等人將靜電紡絲的鈦酸鋅納米纖維用作反應(yīng)性吸附劑，結(jié)果表明，合成的納米纖維具有高比表面積和多孔性，可以吸附化學(xué)戰(zhàn)劑，適用于生化面罩和防護(hù)服［20］。吸附型防護(hù)材料通常透氣性好、質(zhì)輕，但是在吸附有毒物質(zhì)后需要立即對(duì)其進(jìn)行解吸處理，避免其性質(zhì)發(fā)生變化而導(dǎo)致防護(hù)作用失效。目前該類材料常用于透氣式和半透氣式生化防護(hù)服。

2.4 選擇性透過型防護(hù)材料

選擇性透過型防護(hù)材料通過與空氣和各種形式的可與有毒物質(zhì)緊密結(jié)合的膜聚合物，對(duì)外界的液態(tài)、氣態(tài)和氣溶膠物質(zhì)實(shí)施物理阻斷，但允許水蒸氣分子通過以蒸發(fā)汗液。選擇性透過型防護(hù)材料根據(jù)材料種類可分為功能高分子材料和高分子復(fù)合材料。例如聚酯、聚醚酰胺或聚氨酯常在兩層紡織品之間，防止有毒化學(xué)物質(zhì)滲透，但可以透過水蒸氣，從而使防護(hù)服更舒適，并有助于保持生理穩(wěn)定性。高分子復(fù)合材料通常是將幾類材料的優(yōu)秀性能進(jìn)行組合后得到的，以滿足無機(jī)材料所具有的各種功能特性及聚合物材料的易于加工性和良好的力學(xué)性能［21］。目前，更多的研究中使用靜電紡絲法制備選擇性滲透膜，此類膜能夠傳輸水蒸氣，有助于調(diào)節(jié)身體溫度。靜電紡生產(chǎn)的非織造膜對(duì)氣溶膠形式潛在的有害化學(xué)和生物戰(zhàn)劑具有良好的抵抗力以及高過濾效率和良好的透氣性。將其用于選擇透過式防護(hù)服的制作中，以實(shí)現(xiàn)更加均衡的防護(hù)性能和生理舒適性。

3 國內(nèi)外CBRN防護(hù)服產(chǎn)品現(xiàn)狀

3.1 國外

國外的CBRN防護(hù)服裝制造商較多，如美國的杜邦公司、開普勒公司、雷克蘭公司、布勞爾公司、獅子公司，法國的圣戈班公司等。這些廠商有獨(dú)立的CBRN應(yīng)急救援防護(hù)系列產(chǎn)品。此外，還有專業(yè)于設(shè)計(jì)和制造當(dāng)前最先進(jìn)的輕量級(jí)C級(jí)CBRN防護(hù)服和配件的英國OPEC CBRNe公司。這些公司的裝備整體防護(hù)等級(jí)高、譜系寬，可滿足CBRN應(yīng) 急 救 援 防 護(hù) 的 需 求［22］。針 對(duì)CBRN的防護(hù)裝備標(biāo)準(zhǔn)也進(jìn)行了較多的研究，基本形成了CBRN個(gè)體防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)體系。

美國杜邦公司的Tychem 10000 FR全封閉A級(jí)防護(hù)服是首批以單層結(jié)構(gòu)通過NFPA 1991—2016《危險(xiǎn)材料緊急情況和CBRN恐怖主義事件的蒸汽防護(hù)套裝標(biāo)準(zhǔn)》認(rèn)證的有限次使用防護(hù)服中的一種。其所采用的杜邦專利耐用型鍍鋁面料是將Nomex和Kevlar混合層壓合到復(fù)合阻隔膜上制造而成，獨(dú)特的層壓結(jié)構(gòu)讓該防護(hù)服具備極強(qiáng)的物理強(qiáng)度以及防切割、防磨損性能，適用于工業(yè)化學(xué)、有毒物質(zhì)響應(yīng)以及軍事應(yīng)用。

法國圣戈班公司的ONESuit Shield防護(hù)服通過了NFPA 1994—2012《應(yīng)急救援人員應(yīng)對(duì)CBRN恐怖事件的防護(hù)服標(biāo)準(zhǔn)》2類認(rèn)證，其面罩接口提供蒸汽密封配置，在CBRN救援飛濺暴露期間提供面對(duì)化學(xué)/生物制劑的最大保護(hù)。所采用的Coretech阻隔材料技術(shù)使得該防護(hù)服具有卓越的耐用性和靈活性，生命周期是其他防護(hù)服的2倍。

美國獅子公司的應(yīng)急響應(yīng)服ERS采用GORE CHEMPAK選擇性滲透面料，有效防護(hù)暖區(qū)低于直接致害濃度水平的有毒化工原料、有毒工業(yè)材料和生化武器制劑的傷害，通過NFPA 1994—2012 3類認(rèn)證。選擇性滲透膜具有透氣性，可與多種CBRN呼吸器和面罩配合使用，設(shè)計(jì)靈活便于穿脫。

美國布勞爾公司BRN-94防護(hù)服采用GORE CROSSTECH面料制成，具有高透氣性，在長時(shí)間緊急救援期間能夠降低救援人員的熱應(yīng)力。通過NFPA 1994—2012 4類認(rèn)證，以防輻射和生物威脅。BRN-94是為應(yīng)對(duì)埃博拉病毒而研發(fā)的，設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)的防護(hù)手套、靴子、防液體拉鏈以及帶有氯丁基表面密封的面屏，可與批準(zhǔn)的APR/PAPR口罩一起使用。

3.2 國內(nèi)

國內(nèi)從事防護(hù)服研發(fā)及生產(chǎn)的企業(yè)主要有撫順澳豐安全防護(hù)裝備有限公司、北京邦維高科特種紡織品有限責(zé)任公司、青島美康防火科技股份有限公司等。產(chǎn)品多執(zhí)行我國的軍用標(biāo)準(zhǔn)，主要針對(duì)核化生威脅下的軍事斗爭任務(wù)，對(duì)傳統(tǒng)的毒劑、放射性灰塵以及氣溶膠進(jìn)行有效防護(hù)，包括GJB 2063—1994《隔絕式防毒衣通用規(guī)范》、GJB 1971—1994《FFY03型防毒衣規(guī)范》和GJB 1750—1993《含炭透氣防毒服通用規(guī)范》。

北京邦維高科特種紡織品有限責(zé)任公司研發(fā)有適用于核化生環(huán)境下的個(gè)體和集體防護(hù)材料及制品，包括防毒服、防毒面具、防毒帳篷、防毒斗篷等。其生產(chǎn)的透氣防毒服面料采用專利技術(shù)，由一種含有吸附材料的阻燃纖維制成，阻燃、耐久防水防油、吸附性能好，適用于在戰(zhàn)場(chǎng)、化學(xué)武器銷毀作業(yè)、生化戰(zhàn)劑清理作業(yè)、城市恐怖襲擊以及搶險(xiǎn)救援時(shí)穿著使用。

無錫中博天際核生化應(yīng)急裝備科技有限公司的“格斗者”核生化沾染防護(hù)服采用多層復(fù)合膜結(jié)構(gòu)，帶有連體手套和連體腳套，與專用面具適配后可做到全身密閉，有效防護(hù)核氣溶膠、放射性粉塵、軍事毒劑、生物介質(zhì)和200多種有機(jī)或無機(jī)有害化學(xué)品。配套的核輻射應(yīng)急背心采用不含鉛的高性能柔性屏蔽材料制作，質(zhì)量較傳統(tǒng)鉛橡膠降低49%左右。

上海賀氏實(shí)業(yè)有限公司的HES-NBC軍用級(jí)迷彩核生化防護(hù)服屬于透氣吸附型防毒服，符合GJB 1750—1993。其外層是經(jīng)過防水防油處理的阻燃棉布，內(nèi)層是特制絨布噴有活性炭炭漿，但是含炭絨布是我國上一代透氣防毒服用材料，防護(hù)可靠性較低，且存在生理舒適性差、掉炭等問題，目前綜合性能較好的此類材料是摻炭纖維織物［23］。

4 CBRN防護(hù)服研發(fā)趨勢(shì)

多功能復(fù)合化。隨著未來戰(zhàn)爭以及戰(zhàn)略方向的轉(zhuǎn)變，結(jié)合我國緊急救援事件的特性，要求開發(fā)出更加多功能、高性能的防護(hù)裝備。因此，開展高新技術(shù)防護(hù)面料的研究與開發(fā)，在多層防護(hù)面料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、多種纖維混配的研究以及新型節(jié)能環(huán)保后整理工藝方面取得技術(shù)突破，有利于實(shí)現(xiàn)防護(hù)服功能的快速提升。

舒適化。防護(hù)服在保證其防護(hù)效果的同時(shí)更加追求舒適性。基于防護(hù)因素的人機(jī)工效設(shè)計(jì)，依據(jù)服裝應(yīng)用環(huán)境與作業(yè)特點(diǎn)，通過人機(jī)工效學(xué)設(shè)計(jì)以及配套服裝或者模塊，提高服裝實(shí)用性。諸如層數(shù)和每層織物的厚度、服裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)、身體尺寸和衣服之間的相對(duì)舒適性也影響著身體各部位的運(yùn)動(dòng)舒適性。

智能化。隨著無人智能裝備的高速發(fā)展，在高危、惡劣、復(fù)雜作業(yè)環(huán)境中大量無人裝備已經(jīng)取代人類開展救援行動(dòng)，這既提高了機(jī)動(dòng)性，又在一定程度上降低了傷亡率。此外，智能可穿戴電子紡織品技術(shù)可以與防護(hù)服相結(jié)合，在救援人員執(zhí)行任務(wù)時(shí)，能夠持續(xù)監(jiān)測(cè)救援人員以及受困群眾的生理狀況，對(duì)保護(hù)生命安全具有關(guān)鍵性作用。

綠色化。將基于綠色制造的可重用技術(shù)結(jié)合到防護(hù)服的生產(chǎn)過程中，提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短研發(fā)周期。開發(fā)基于環(huán)境友好的可持續(xù)型防護(hù)服，使其可以洗滌和重復(fù)使用，以獲得更好的洗消性能，防消一體化，向更可持續(xù)的防護(hù)服研發(fā)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)變。

5 結(jié)語

我國目前在公共安全領(lǐng)域CBRN防護(hù)方面的發(fā)展不均衡，綜合性研究較少，各類救援防護(hù)服在專業(yè)性能上重復(fù)交叉，且標(biāo)準(zhǔn)體系不完善，現(xiàn)有的國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)指標(biāo)難以抵御多種威脅的災(zāi)害環(huán)境；與國外知名個(gè)體防護(hù)裝備廠商相比，國內(nèi)多數(shù)企業(yè)處于跟跑階段，防護(hù)裝備系統(tǒng)性及配套性較差，穿著舒適性難以保證。我國應(yīng)加強(qiáng)對(duì)防護(hù)服裝重點(diǎn)領(lǐng)域和關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新研究，建立并完善現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)體系，逐步帶動(dòng)應(yīng)急防護(hù)領(lǐng)域技術(shù)和新產(chǎn)品的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵個(gè)體防護(hù)裝備國產(chǎn)化，提升我國在災(zāi)害環(huán)境下的應(yīng)急救援防護(hù)能力，為維護(hù)國家利益和國民安全提供科技支撐。未來需要進(jìn)一步加強(qiáng)校企合作，促進(jìn)先進(jìn)技術(shù)的利用轉(zhuǎn)化以及市場(chǎng)與科學(xué)研究的緊密結(jié)合，提高我國在公共安全領(lǐng)域的裝備水平，不斷增強(qiáng)應(yīng)對(duì)CBRN威脅的能力。