生化防護(hù)服的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

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(shì)

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(gè)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(duì)生化防護(hù)服的發(fā)展趨勢(shì)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(shì)

0 引言

隨著我國(guó)工業(yè)的發(fā)展，人民生活水平的提高，人們?cè)谌粘９ぷ鳌⑸钪须y免會(huì)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(guò)程中所造成的泄漏等意外事故，對(duì)人民的生命安全構(gòu)成了隱患，特別是對(duì)參與有害化學(xué)品生產(chǎn)的勞動(dòng)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(xiǎn)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(duì)參與處理這類事故的應(yīng)急搶險(xiǎn)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(duì)其人體造成傷害。

當(dāng)前，國(guó)際戰(zhàn)略環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，戰(zhàn)爭(zhēng)的非對(duì)稱性和作戰(zhàn)手段的多樣性更加明顯。盡管國(guó)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(guó)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(huì)對(duì)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(shí)有發(fā)生。然而面對(duì)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(shí)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(shuō)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(shí)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(gè)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(gè)性能指標(biāo)，其防護(hù)性能指的是對(duì)各種化學(xué)品的抗穿透性和抗?jié)B透性。抗穿透是指防護(hù)材料在使用過(guò)程中，減少或避免化學(xué)品從防護(hù)材料透過(guò)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(yàn)液密的完整性程度，通常采用穿透時(shí)間來(lái)衡量抗穿透性能的好壞。對(duì)于高危環(huán)境下的高等級(jí)防護(hù)服則需要進(jìn)行防滲透性能試驗(yàn)，滲透是指化學(xué)物質(zhì)以分子的方式透過(guò)防護(hù)材料的現(xiàn)象。其防滲透性能通常以穿透時(shí)間和滲透率表示其防滲透性能的大小，抗?jié)B透能力是評(píng)價(jià)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(duì)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(guò)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(xiǎn)。因此，生化防護(hù)服良好隔熱性是防護(hù)服性能的另一個(gè)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(guò)程中，經(jīng)常會(huì)受到摩擦、擠壓、撞擊，其防護(hù)性能往往會(huì)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(shí)，防護(hù)服本身的舒適性也會(huì)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(duì)活動(dòng)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(guò)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(xiǎn)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(shí)，應(yīng)立即離開(kāi)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(wú)論是應(yīng)急搶險(xiǎn)事故現(xiàn)場(chǎng)的相關(guān)作業(yè)人員，還是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中的軍事人員，在穿著生化防護(hù)服的同時(shí)，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(duì)其防護(hù)服的掌握和使用有足夠的了解，并對(duì)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(wú)論是工作還是戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境中的穿著者應(yīng)對(duì)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(duì)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(duì)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(chǔ)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(lái)執(zhí)行以保持其先進(jìn)性。

2.3 生化防護(hù)服的維護(hù)

對(duì)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(duì)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(duì)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(wú)紡布或機(jī)織布,將無(wú)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(guò)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(duì)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(chǎng)合一般環(huán)境比較惡劣，有害性化學(xué)品對(duì)人體的損害巨大。選取高性能纖維對(duì)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(chǎng)占據(jù)主導(dǎo)地位，具有防止危險(xiǎn)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(guó)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(dòng)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(guò)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(wú)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(duì)分子質(zhì)量的聚乙烯纖維。在運(yùn)動(dòng)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(guò)濾材料、消防戰(zhàn)斗服、防彈服。美國(guó)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(guó)防尖端技術(shù)領(lǐng)域，對(duì)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(zhǎng)時(shí)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(guò)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(guò)濾空氣和工業(yè)產(chǎn)品[7]。

3.3 聚對(duì)苯基并雙噁唑(PBO)纖維

PBO纖維由美國(guó)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(jí)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(guò)濾袋及過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(dòng)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(rùn)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(guò)濾材料等。聚四氟乙烯纖維本身沒(méi)有任何毒性，但是在200℃以上使用時(shí)，有少量有毒氣體氟化氫釋出，因此在高溫下使用時(shí)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(guò)濾材料，具有過(guò)濾效率高、過(guò)濾速度大、使用壽命長(zhǎng)等特性[13]。美國(guó)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(shì)

當(dāng)前，國(guó)際戰(zhàn)略環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，戰(zhàn)爭(zhēng)的非對(duì)稱性和作戰(zhàn)手段的多樣性更加明顯，部隊(duì)面臨生化等非常規(guī)武器的嚴(yán)重威脅。近幾年來(lái)所發(fā)生的較大規(guī)模的局部戰(zhàn)爭(zhēng),幾乎都使用了核生化武器。盡管國(guó)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(guó)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(shì)。

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(kāi)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(duì)人體造成傷害。它是由高壓電場(chǎng)，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(wú)紡膜。我國(guó)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(zhēng)必然是高技術(shù)的戰(zhàn)爭(zhēng)。面對(duì)瞬息萬(wàn)變的戰(zhàn)爭(zhēng)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(shì)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(guò)新型智能材料、智能軟件對(duì)生化防護(hù)服實(shí)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(guó)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(shí)，其形狀發(fā)生改變，有利于水蒸氣的傳輸；在溫度很低時(shí)，其孔會(huì)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(chǎng)極化材料是一種液晶材料，通過(guò)電場(chǎng)重新將分子定向排列，從而允許更多的水蒸氣通過(guò)，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(lái)高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)、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(lái)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)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