化生放核防護服的研究進展

張亞楠 許君 鄭瑞平 李宜潼 曾強

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

由化學的、生物的、放射性的或核的（Chemical、Biological、Radiological and Nuclear，CBRN）有意或意外爆發而導致危害人類和環境的重大事件被稱為化生放核事件，也即CBRN事件［1］。CBRN防護服屬于面向公共安全領域的個體防護裝備，參與處理CBRN事件的應急救援人員需穿著專業的防護服裝。目前，我國的該類防護服裝功能較為單一，反映了在應急救援防護方面存在較大的隱患。本研究總結了近年來CBRN防護服的研究進展，對其防護性能要求以及防護材料的研究現狀進行了概述，并展望了CBRN防護服的未來發展趨勢。

1 CBRN威脅的類型及防護性能要求

CBRN涵蓋了化學的、生物的、放射的和核的4類威脅因素。

化學威脅主要是指劇毒的化學戰劑或合法但有害的家用或工業化學品，具有在極短時間內大規模殺傷生物的能力。常用的化學戰劑主要有神經性毒劑和糜爛性毒劑［2］，芥子氣、梭曼和維埃克斯是代表性物質，通常以固體、液體和氣體的形式存在［3］。針對化學威脅的防護性能評價主要取決于防護服的滲透、穿透和降解能力。滲透是化學物質在分子水平上經過防護服擴散，通過吸收與人體直接接觸；穿透是化學物質通過屏障材料物理空間的大量流動，當化學物質泄漏時可能會發生穿透，穿過防護服上的接縫、拉鏈、針孔、撕裂和其他瑕疵；對強腐蝕性化學物質（如酸和堿）的耐降解性是決定化學防護服性能的另一個重要參數，降解是指服裝材料的化學結構在化學污染物的影響下發生變化。

生物威脅是由細菌、病毒或其他活的微生物導致，可以在暴露的個體內復制［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散運輸。生物防護性能的評價指標主要有抗合成血穿透性、抗病毒穿透性、阻含細菌液體穿透性、微生物阻隔性、抗靜水壓和環氧乙烷殘留量等［5］。

放射威脅是用非核爆炸的方式散布放射性物質，以其衰變產生的核輻射作為殺傷因素。核威脅則是由核武器或爆炸導致，爆炸主要包括致盲光、強熱（熱輻射）、初始核輻射、沖擊波、熱脈沖引發的火以及破壞造成的二次火。發射高能中子、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，對人體造成的傷害較同劑量的其他射線更大，因此針對外照射的主要防護對象為X射線、γ射線和中子。對于X、γ射線的屏蔽是通過射線通道上的吸收物質與射線相互作用而產生光電效應、康普頓效應和電子對效應，進行能量傳遞，從而完成物質對射線能量的吸收［7］。對于中子的屏蔽實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］。

美國國家職業安全與健康研究所在2003年發布了針對應急救援人員個體防護需求的報告，將CBRN危害物質劃分為7種類型，包括有機氣體、酸性氣體、堿性氣體、氮氧化物、氫化物、醛類和顆粒物（含化學品、放射性物質和生物類）等［10］。當CBRN事件發生時，救援人員所要面對的是突然爆發的公共危機，意味著復雜的環境風險和繁重的工作量，個體防護設備必須配備齊全，具有較高的適用性和質量水平，以便救援人員在執行任務時感到安全和舒適，同時個體防護服作為人體與環境之間的熱質傳遞媒介，具有良好的熱舒適性，有助于減輕人體的熱應力，同時還應符合穿著者的人體工效學要求，具有較好的懸垂性，且質量相對較輕，尤其是在穿著者可能有其他重型設備要攜帶的情況下。

2 CBRN防護材料的發展現狀

纖維材料是生產防護服的原料，基本決定了其防護功能。CBRN防護材料的劃分主要是基于防護機理的差異。目前關于CBRN防護材料的研究主要包括解毒型防護材料、隔絕型防護材料、吸附型防護材料和選擇性透過型防護材料［11］。

2.1 解毒型防護材料

解毒型防護材料通過附著于織物上的解毒劑與危險化學品發生化學反應消減其毒性而實現防護功能。解毒劑可以是液態或固態物質，少數金屬氧化物如MgO和CaO對神經毒劑有一定的降解活性，但是它們在空氣和水中的穩定性較差。此外，金屬-有機框架（Metal-Organic Frameworks，MOFs）材料由于其高比表面積和多孔道結構，可通過與化學戰劑的氧化還原反應以及與水分子結合并參與到其水解反應等途徑，對化學戰劑實現有效解毒［12］。但由于MOFs材料的性質（呈分散粉末狀），無法直接與織物結合，還需與高分子基體材料復合以增加其柔性，例如與納米纖維復合等。目前用于MOFs高分子復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、電化學合成法、機械化學合成法以及超聲法等［13］。不同合成方法制備的復合材料性能各有不同，需要根據防護材料的需求選擇合適的制備方法。

2.2 隔絕型防護材料

隔絕型防護材料通過對外界的液態、氣態和氣溶膠形式的有害物質實施物理阻斷從而達到防護目的［14］。最常見的是丁基涂層織物，它們通常光滑且質量更輕，但是接觸油性產品會大大降低丁基橡膠材料的保護性，從幾小時到只有幾分鐘。VITCHULI N等人通過改變溶液濃度、靜電紡絲電壓、沉積時間（或面密度）等工藝參數，直接在錦綸棉織物上靜電紡絲錦綸6纖維，開發出了可以阻隔化學和生物戰劑的紡織材料［15］。結果表明，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等人證實了單層石墨烯對氦氣的高阻隔性，并認為石墨烯是最薄的高阻隔材料［16］。隔絕型防護材料具有良好的防護性能，但其透氣性和舒適性較差，不利于人體釋放汗液和熱量，并且某些有毒物質能夠滲透并殘留在橡膠層中，難以洗消，僅適合在嚴重污染區域短期使用。

2.3 吸附型防護材料

吸附型防護材料是將具有很大比表面積的微孔性物質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，從而達到防護目的［17］。活 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的強度較低，與基布復合后的透氣性較差，成本較高［18］。PETRE R等人通過在防護材料表面噴涂不同厚度的丁基橡膠涂層，發現降低碳納米管在材料混合物中的比例會導致保護能力的降低，涂層越厚，保護性越好［19］。RAMASESHAN R等人將靜電紡絲的鈦酸鋅納米纖維用作反應性吸附劑，結果表明，合成的納米纖維具有高比表面積和多孔性，可以吸附化學戰劑，適用于生化面罩和防護服［20］。吸附型防護材料通常透氣性好、質輕，但是在吸附有毒物質后需要立即對其進行解吸處理，避免其性質發生變化而導致防護作用失效。目前該類材料常用于透氣式和半透氣式生化防護服。

2.4 選擇性透過型防護材料

選擇性透過型防護材料通過與空氣和各種形式的可與有毒物質緊密結合的膜聚合物，對外界的液態、氣態和氣溶膠物質實施物理阻斷，但允許水蒸氣分子通過以蒸發汗液。選擇性透過型防護材料根據材料種類可分為功能高分子材料和高分子復合材料。例如聚酯、聚醚酰胺或聚氨酯常在兩層紡織品之間，防止有毒化學物質滲透，但可以透過水蒸氣，從而使防護服更舒適，并有助于保持生理穩定性。高分子復合材料通常是將幾類材料的優秀性能進行組合后得到的，以滿足無機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，有助于調節身體溫度。靜電紡生產的非織造膜對氣溶膠形式潛在的有害化學和生物戰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服的制作中，以實現更加均衡的防護性能和生理舒適性。

3 國內外CBRN防護服產品現狀

3.1 國外

國外的CBRN防護服裝制造商較多，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。這些廠商有獨立的CBRN應急救援防護系列產品。此外，還有專業于設計和制造當前最先進的輕量級C級CBRN防護服和配件的英國OPEC CBRNe公司。這些公司的裝備整體防護等級高、譜系寬，可滿足CBRN應 急 救 援 防 護 的 需 求［22］。針 對CBRN的防護裝備標準也進行了較多的研究，基本形成了CBRN個體防護標準體系。

美國杜邦公司的Tychem 10000 FR全封閉A級防護服是首批以單層結構通過NFPA 1991—2016《危險材料緊急情況和CBRN恐怖主義事件的蒸汽防護套裝標準》認證的有限次使用防護服中的一種。其所采用的杜邦專利耐用型鍍鋁面料是將Nomex和Kevlar混合層壓合到復合阻隔膜上制造而成，獨特的層壓結構讓該防護服具備極強的物理強度以及防切割、防磨損性能，適用于工業化學、有毒物質響應以及軍事應用。

法國圣戈班公司的ONESuit Shield防護服通過了NFPA 1994—2012《應急救援人員應對CBRN恐怖事件的防護服標準》2類認證，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化學/生物制劑的最大保護。所采用的Coretech阻隔材料技術使得該防護服具有卓越的耐用性和靈活性，生命周期是其他防護服的2倍。

美國獅子公司的應急響應服ERS采用GORE CHEMPAK選擇性滲透面料，有效防護暖區低于直接致害濃度水平的有毒化工原料、有毒工業材料和生化武器制劑的傷害，通過NFPA 1994—2012 3類認證。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，設計靈活便于穿脫。

美國布勞爾公司BRN-94防護服采用GORE CROSSTECH面料制成，具有高透氣性，在長時間緊急救援期間能夠降低救援人員的熱應力。通過NFPA 1994—2012 4類認證，以防輻射和生物威脅。BRN-94是為應對埃博拉病毒而研發的，設計包括系統的防護手套、靴子、防液體拉鏈以及帶有氯丁基表面密封的面屏，可與批準的APR/PAPR口罩一起使用。

3.2 國內

國內從事防護服研發及生產的企業主要有撫順澳豐安全防護裝備有限公司、北京邦維高科特種紡織品有限責任公司、青島美康防火科技股份有限公司等。產品多執行我國的軍用標準，主要針對核化生威脅下的軍事斗爭任務，對傳統的毒劑、放射性灰塵以及氣溶膠進行有效防護，包括GJB 2063—1994《隔絕式防毒衣通用規范》、GJB 1971—1994《FFY03型防毒衣規范》和GJB 1750—1993《含炭透氣防毒服通用規范》。

北京邦維高科特種紡織品有限責任公司研發有適用于核化生環境下的個體和集體防護材料及制品，包括防毒服、防毒面具、防毒帳篷、防毒斗篷等。其生產的透氣防毒服面料采用專利技術，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，適用于在戰場、化學武器銷毀作業、生化戰劑清理作業、城市恐怖襲擊以及搶險救援時穿著使用。

無錫中博天際核生化應急裝備科技有限公司的“格斗者”核生化沾染防護服采用多層復合膜結構，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，有效防護核氣溶膠、放射性粉塵、軍事毒劑、生物介質和200多種有機或無機有害化學品。配套的核輻射應急背心采用不含鉛的高性能柔性屏蔽材料制作，質量較傳統鉛橡膠降低49%左右。

上海賀氏實業有限公司的HES-NBC軍用級迷彩核生化防護服屬于透氣吸附型防毒服，符合GJB 1750—1993。其外層是經過防水防油處理的阻燃棉布，內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防護服研發趨勢

多功能復合化。隨著未來戰爭以及戰略方向的轉變，結合我國緊急救援事件的特性，要求開發出更加多功能、高性能的防護裝備。因此，開展高新技術防護面料的研究與開發，在多層防護面料結構設計、多種纖維混配的研究以及新型節能環保后整理工藝方面取得技術突破，有利于實現防護服功能的快速提升。

舒適化。防護服在保證其防護效果的同時更加追求舒適性。基于防護因素的人機工效設計，依據服裝應用環境與作業特點，通過人機工效學設計以及配套服裝或者模塊，提高服裝實用性。諸如層數和每層織物的厚度、服裝系統設計、身體尺寸和衣服之間的相對舒適性也影響著身體各部位的運動舒適性。

智能化。隨著無人智能裝備的高速發展，在高危、惡劣、復雜作業環境中大量無人裝備已經取代人類開展救援行動，這既提高了機動性，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可以與防護服相結合，在救援人員執行任務時，能夠持續監測救援人員以及受困群眾的生理狀況，對保護生命安全具有關鍵性作用。

綠色化。將基于綠色制造的可重用技術結合到防護服的生產過程中，提高產品質量，縮短研發周期。開發基于環境友好的可持續型防護服，使其可以洗滌和重復使用，以獲得更好的洗消性能，防消一體化，向更可持續的防護服研發和循環經濟轉變。

5 結語

我國目前在公共安全領域CBRN防護方面的發展不均衡，綜合性研究較少，各類救援防護服在專業性能上重復交叉，且標準體系不完善，現有的國家標準技術指標難以抵御多種威脅的災害環境；與國外知名個體防護裝備廠商相比，國內多數企業處于跟跑階段，防護裝備系統性及配套性較差，穿著舒適性難以保證。我國應加強對防護服裝重點領域和關鍵技術的創新研究，建立并完善現有的標準體系，逐步帶動應急防護領域技術和新產品的研發，實現關鍵個體防護裝備國產化，提升我國在災害環境下的應急救援防護能力，為維護國家利益和國民安全提供科技支撐。未來需要進一步加強校企合作，促進先進技術的利用轉化以及市場與科學研究的緊密結合，提高我國在公共安全領域的裝備水平，不斷增強應對CBRN威脅的能力。