化學防護服的研究進展

呂凱敏， 戴宏欽

(蘇州大學 紡織與服裝工程學院， 江蘇 蘇州 215006)

伴隨工業的快速發展，如何在有害環境下保證工作人員的安全問題至關重要，因此各式各樣的化學防護服(以下簡稱防化服)不斷被研發出來[1]。目前防化服的設計體系不夠完善，需對防化服的相關性能進行全面的研究。再者，目前不存在可阻擋所有危險化學物質的防化服存在，所以需要根據相關標準來選擇適合的防化服[2-3]。同時在穿著防化服時，中度到高強度的工作會加快血液流動、增強人體對心血管系統的需求。考慮到防化服的透濕透氣性能差，若此時工作負荷大，對個體施加的生理壓力可能進一步加重。這種情況可能導致人體處在熱應激狀態，如熱抽筋、熱暈厥和中暑等[4]，因此對防化服的熱濕舒適性進行研究具有重要的意義。

考慮到目前的防化服存在著使用環境復雜、舒適性能差等問題，本文首先分析了防化服的相關性能要求，以防化服材料為切入點回顧防化服的發展，總結防護服的設計流程，闡述了防化服的性能評價方法，并結合目前權威的防化服標準并討論標準之間的差異，最后闡述了目前防化服存在問題并指出未來的發展趨勢。

1 防化服的性能要求

1.1 化學防護性能

對有害化學物質的有效防護是對防化服最基本也是最重要的要求，而對于防化服防護性能評價最主要的2個指標就是防穿透性和防滲透性。

穿透性通常以穿透時間進行表征[5]。穿透與很多因素相關，如纖維空隙、防化服表面材料的結構、服裝結構設計、服裝縫合的方式等[6]。滲透透過時間是抗滲透性的指標[7]。目前還沒有能夠完全阻止物質滲透的材料，當前的防化服材料只能做到減緩這個過程[8]。

1.2 舒適性

由于大多數的化學防護服存在重量大、結構不合體、穿脫都需要他人幫助等問題。尤其對于氣密性防化服而言，密閉性的結構以及較差的透濕透氣性能都會減少人體的熱量和汗水的流失，這就可能使得工作人員的身體核心溫度升高，導致進一步的熱應激。再者呼吸器通常與防化服一起使用，以防止空氣傳播的危害。眾所周知，與使用呼吸器相關的吸氣和呼氣會使得呼吸阻力增加，因此，與防化服一起使用呼吸器會降低最大氧氣攝取量和運動耐力[10]，降低人體的舒適感。暴露在極端高溫下的個體可能會經歷生理和認知能力的下降，即使在進行非常輕的工作中也是如此[11]。由此可見防化服較差的舒適性可能對工作人員的身體以及現場操作能力造成災難性影響。

1.3 其他性能

防化服的使用環境大多復雜，這就要求防化服具有一定的阻燃隔熱性能以及良好的耐折曲、抗刺穿等物理力學性能。

2 防化服常用材料

防化服的防護性能由其材料決定，目前主要有非織造布、無支撐橡膠或塑料、微孔膜織物、吸附性織物、涂層織物、復合材料6種類型[12]。這些材料的防護能力和優缺點如表1所示。

表1 防化服常用材料Tab.1 Common materials for chemical protective clothing

2.1 非織造布

目前常用于防化服的紡織品是非織造布，主要是用于面臨相對無害的化學品干微粒和輕微液體噴霧。其中美國杜邦公司研制的Tyvek以及Kleenguard公司的聚丙烯紡粘非織造布都具有良好的防水透氣性能[13]。這類材料雖只能提供最低程度的防護能力，但具有成本低的優勢，常用于透氣式防化服。

2.2 無支撐橡膠或塑料

此類材料可防護液體飛濺以及液體、氣體滲透。在20世紀初期，美國首先研制出具有一定防護性能的丁基橡膠[14]，但是由于其存在舒適性差、重量大、不可長時間使用等問題，常用于隔絕式防化服中。

2.3 微孔膜材料

這類材料通過選擇適當微孔尺寸的材料，可阻隔除小分子氣體以外的其他物質透過，同時水蒸氣可透過，保證了服裝的舒適性[15]。Cui等[16]介紹了一種通過構建多級多孔結構，制備了具有超高防水性和良好透氣性能的電紡纖維膜，同時也具有優異的防風性能。Francesco Fornasier等展現了一種具有5 nm以下孔徑的碳納米管薄膜，其可高效傳導水蒸氣，同時也可阻隔大部分的病毒和毒劑液滴[17]。這類材料由于不能阻礙小分子氣體的透過，小分子的有害氣體可透過服裝對人體造成危害，常用于半透氣式防化服。

2.4 吸附性材料

吸附性材料是將具有阻礙化學有害物質作用的吸附劑浸漬在織物的表面制備而成[18]，可抵擋氣體和蒸汽的滲透。朱夢玲等以滌綸為原料，經針刺法加固成工業煙塵過濾氈，再經PTFE乳液包覆后處理，對于氣溶膠和較小尺寸微粒有較好的阻隔能力[19]。Duan xinhui等在棉基活性炭纖維中運用微波輔助活化，制備出來的活性炭纖維具有良好的吸附能力，特別是液相吸附[20]。Mukesh成功地建立了利用納米技術將殼聚糖聚合在非織造布上，將活性炭球粘合復合織物或活性炭織物與納米纖維網相結合，在允許水蒸氣以及氣體透過的同時可提供更高水平的化學保護[21]。

雖然以此材料制備的防化服防護性能好，且已在全球銷售[22]，但是存在價格昂貴、材料用量大、使用范圍小、無選擇吸附，二次污染等問題，目前常用于透氣式防化服。

2.5 涂層織物

涂層織物的涂層厚度是影響其防護性能的關鍵，優異的涂層織物可防護液體飛濺，液體、氣體滲透，常用于隔絕式防化服。杜邦公司生產了一種中間為非織造布，兩側為聚合物涂層的面料，在保證防護性能的同時，減輕了服裝的質量[23]。涂層已被證明是一種有效的紡織品表面功能化方法，但目前的涂層織物的耐久性比較差[24]。

2.6 復合材料

此類材料通常是將上述幾類材料的優秀性能進行組合后得到的，用于對液體飛濺，液體、氣體或蒸汽滲透的防護。比如說將微孔膜與吸附性材料結合，在對液體化學品阻隔的同時，吸附大分子量的化學氣體。文獻[25]中制備的聚四氟乙烯復合膜具有透濕舒適性和變形舒適性。文獻[26]利用鋯基金屬有機骨架材料與聚丙烯織物復合，得到了具有優異防護性能的防護面料。

3 防化服的設計與性能評價

3.1 防化服的設計

參照GB 24539—2009《防護服裝 化學防護服通用技術要求》以及其他相關標準，防化服應具有安全、適用、美觀和舒適的基本性能。結合防護服的設計原則[27]，引入人體工效學的設計思想，將人-防化服-環境視為思維整體，系統分析使用對象和場合，進行防化服的設計。

在設計防化服時，將人-防化服-環境看做一個整體進行探討，對于人而言，主要是從服裝人體工效學的角度進行分析，考慮年齡、形體、運動狀態等因素；對于防化服則需將其看做人與環境之間的保護層，考慮防化服的防護性能以及舒適性能；而對于環境，則通過分析環境中一切可能的潛在傷害因素，幫助我們確認。

3.2 防化服的性能評價

防化服的性能評價主要包含防護性能以及舒適性2個方面。目前成熟的評價體系是五級分析系統，如圖1所示?？梢詣澐譃榭陀^評價、人體穿著實驗以及現場實驗3個層次[28]。

圖1 防護服性能評價五級分析系統Fig.1 Five-level analysis system for performance evaluation of protective clothing

3.2.1 客觀實驗

客觀實驗主要包含一級服裝材料性能評價和二級防化服性能評價。服裝材料性能評價，包括服裝材料熱濕性能、力學性能及防不同形態化學物質的性能。利用平板儀等器材測試服裝材料的熱濕性能；根據GB 24539—2009《防護服裝 化學防護服通用技術要求》測試面料的防化學物質滲透性能[29]。防化服性能評價主要涉及舒適性和安全性2個方面，舒適性主要利用暖體出汗假人評價服裝的熱濕性能；根據GB 24539—2009《防護服裝 化學防護服通用技術要求》測試防化服的防氣態和液體化學物質的滲透性能[29]。

3.2.2 穿著實驗

穿著實驗是在受控的氣候艙里，進行穿著服裝的人體實驗，可得出人體的生理數據和主觀感覺，評價服裝的舒適性和耐受時間等指標[30]。George Havenith等在實驗室里對服裝整體的熱防護性進行測試與評價，獲得測試指標[31]。

3.2.3 現場實驗

現場實驗分為控制一定條件的模擬現場實驗和真實現場實驗。根據測試要求盡可能的模擬現場環境，得到較為真實的使用狀況，全面綜合評價服裝性能。

五級分析系統各等級并不是簡單的遞進，是需要進行科學的反復交替實驗，以期得到客觀準確的實驗結果。

4 化學防護服的相關標準

國外化學防護服的第一批標準是20世紀80年代中期到后期出現的，自那時以來，大多數標準都是每5年更新一次。最普遍的標準主要包含國際標準組織(ISO)、歐洲高級標準委員會(ETC)或各種美國標準組織(例如：ASTM、NFPA)[32]。

國內關于防化服的標準開展比較晚，在2009年由防化研究所等5家單位起草了我國真正意義上的防化服標準體系，主要如表2所示。

表2 國內關于防化服的相關標準Tab.2 Relevant standards of chemical wear in China

目前國內外關于化學防護服的標準較為全面，涵蓋了防護服的分類、檢測方法以及性能要求等。使得標準具有系統性以及可操作性，但還是存在著問題：1)國內外標準的實驗測試條件與現實使用環境間存在著差異，使得測試結果并不能完全準確地評估防化服現實的使用狀況，同時，測試內容的繁瑣，使得市場運用程度較低，難以規范市場體系。2)國內外標準中的性能要求差異較大，需對性能進行合理簡易的規定，在節約成本的同時，保證防護性。3)在標準制定過程中需要根據防化服的發展增強指標體系的完整性，與國際各國相關組織探討交流，增強標準的時效性和國際認同性。

5 防化服現存問題及發展趨勢

5.1 防化服現存問題

目前對于防化服主要有幾方面的問題：1)防護性能：目前還不存在可抵御所有危險品的防化服，但環境的多變復雜，需要我們不斷地提高防化服的防護性能[33]；2)舒適性能差：現今對于防護性能與舒適性能之間的矛盾已經有所改善，但仍然存在人體熱聚集等問題；因此改善舒適性刻不容緩[34]；3)適用范圍模糊且局限性大：目前的防化服適用范圍單一，用戶不能得到危險的預警信號[35]。

5.2 防化服的發展趨勢

從目前防化服的研究現狀以及存在的問題可以總結出未來防化服的發展趨勢，主要有安全化、細致化、多功能化、目的化、舒適化、智能化[36]。

5.2.1 安全化與細致化

工作人員在執行任務時，并不知道自我可承受的極限。如果可建立起穿著時間、服裝質量、運動狀態等因素與人體疲勞度之間的關系模型，對其進行預測，可大大提高人員的安全性。同時目前對于防化服的測試主要以男性測試者為主[37]，但防化服不應該僅僅適用于男性，對于女性穿著防化服的相關研究也必不可少的。

5.2.2 多功能化

事故現場環境的復雜性，要求防化服具有多功能性。多重危險防護雖是完美的解決方案，但并不適用于現實狀況。選擇工作服時，安全始終是第一要務。要評估工作場所的最佳防護服選擇，首先要徹底評估所有潛在危險，并咨詢適用的安全標準。因此，還應考慮其他因素，如舒適度、長期成本效益和風格偏好等因素。

5.2.3 舒適化

化學防護服在保證良好防護能力的同時，必然會導致舒適性能差。為了解決防化服的舒適性問題，減少這些危險環境造成的健康風險。除了對材料制備出新的選擇性滲透材料，以及利用微氣候冷卻技術來加強人體與環境之間的熱交換。還應當在結構方面根據人體三維尺寸設計，確保穿著的舒適性以及穿脫方便[38]。同時，目前的防化服舒適性研究主要是解決人體過熱，但是當人員處在極端冷環境時，前期必要的保暖也是必須的[37]?？紤]到穿脫方便，考慮采用主動式保暖為人體提供舒適性。

5.2.4 智能化

服裝的智能化是當今防化服研究領域的一大熱點。如能將沾染的毒劑及時自分解的自清潔材料；在織物上復合人體生命體征監測單元；考慮到目前防化服的防護時間有限，利用光或電信號等來對化學有害物質的滲透進行指示預警，也可對周圍環境的變化做出反應；同時在服裝劃破后利用可自行修復的材料保證防化服的防護性。再者對于防化服的性能測試已經較為成熟，但是考慮到防化服測試過程中的危險性和實驗的可靠性，利用計算機技術模擬防化服的性能評測是發展趨勢[39]。

6 結束語

目前對于防化服的研究已經取得了一定的研究成果，但是仍然有很多問題需要進行更深一步的探討。本文先總結了防化服的相關性能要求，然后從6種防化服材料中考察其防護性能的差異，并回顧了防化服的發展，總結防化服的設計流程；根據現行的國內外標準歸納了防化服的性能評價方法，通過總結現存問題提出未來的研究方向。目前關于防化服的研究多在織物的制備以及舒適性改善方面，但是目前仍然存在著防化服質量重、舒適性能差等問題，仍有許多的性能等待著探索。其次對于防化服的性能評測技術、防化服的防護性能的預測模型等方面的研究還需加強，如減小實驗測試環境與真實使用環境之間的差異。此外我國也需要進一步統一和完善防化服的相關標準，保證工作人員在穿著防化服后可安全有效地進行工作。