生化防护服的研究现状及发展趋势

2016-04-16刘宝成赵晓明

纺织科学与工程学报 2016年4期

关键词：防护服高性能生化

刘宝成，赵晓明

(天津工业大学纺织学部，天津 300387)

生化防护服的研究现状及发展趋势

刘宝成，赵晓明

(天津工业大学纺织学部，天津 300387)

化学生物恐怖威胁、重大疫情和突发性公共事件的日趋严重给个体防护装备提出了新的挑战。综述了生化防护服的性能要求，生化防护服的使用、维护与培训,论述了几种应用于生化防护服的高性能纤维，并对生化防护服的发展趋势进行了展望。

生化防护服防护性能高性能纤维发展趋势

0 引言

随着我国工业的发展，人民生活水平的提高，人们在日常工作、生活中难免会面临某些有毒有害的化学品在生产、贮存以及运输过程中所造成的泄漏等意外事故，对人民的生命安全构成了隐患，特别是对参与有害化学品生产的劳动的人们构成了相当大的威胁。而且，在现行的应急响应体系中，抢险救援的人员可能暴露在高浓度的核心区域，他们面临着极大的威胁。因此，对参与处理这类事故的应急抢险救援人员需穿着化学防护服装，以防止各种有害化学品对其人体造成伤害。

当前，国际战略环境错综复杂，战争的非对称性和作战手段的多样性更加明显。尽管国际相关组织签署了禁止使用生物武器的公约，但仍有不少国家致力于生化武器的研制。生化武器释放的化学毒剂、生物战剂，均会对人体产生有害的影响。一些恐怖组织、邪教组织利用生化武器造成的人员伤亡事故时有发生。然而面对日益严峻的生化武器的威胁，我军的生化防护能力发展迫在眉睫，高性能、多功能生化防护服的发展变得尤为重要。

1 生化防护服的性能要求

1.1 阻燃性能

在消防作业的时候，消防员往往接触的是在高温环境下进行救援工作，我们通常所说的烧伤主要发生于人们衣着着火的部位，并由此引起的二度和三度烧伤比率也就增加。防护服的阻燃性能是决定人员在受到爆燃时能否有效抢救和康复快慢的最主要因素，因此在大多数的消防用防护服性能要求中，将阻燃性能作为考核的一个主要指标。

1.2 化学防护性能[1]

化学防护性能是生化防护服最重要的一个性能指标，其防护性能指的是对各种化学品的抗穿透性和抗渗透性。抗穿透是指防护材料在使用过程中，减少或避免化学品从防护材料透过的现象。而抗穿透性能表示防护材料可以阻止化学品的渗透，也可以检验液密的完整性程度，通常采用穿透时间来衡量抗穿透性能的好坏。对于高危环境下的高等级防护服则需要进行防渗透性能试验，渗透是指化学物质以分子的方式透过防护材料的现象。其防渗透性能通常以穿透时间和渗透率表示其防渗透性能的大小，抗渗透能力是评价防护服性能的重要指标。

1.3 隔热性能[2]

隔热性能是指防护服必须具备良好的减缓和阻止热量传递的性能，从而在高温条件下对防护服的使用者进行安全防护。使用具有良好隔热性的防护服，可以为使用者在高温的环境下提供一道保护屏障，使外界热量难以通过服装，从而保证使用者在高温环境下能安全工作，降低不必要的危险。因此，生化防护服良好隔热性是防护服性能的另一个重要指标。

1.4 物理机械性能

防护服在穿着使用的过程中，经常会受到摩擦、挤压、撞击，其防护性能往往会降低。因此，好的防护服应具有耐折曲性能、耐磨性能、抗冲击和抗挤压性能、抗撕破强度、抗刺穿和抗撕裂强度、接缝机械强度，以及一定的尺寸稳定性。

1.5 穿着舒适性能

防护服除具备优异的防护性能的同时，防护服本身的舒适性也会影响到正常功效的发挥，工作效率的充分发挥。高性能防护服的穿着舒适性、穿脱便捷性、合体性等对活动自由度产生影响，进而影响着装者的工效发挥。因此，减轻防护服的重量，增加透气、透湿性能，可显著地改善防护服的穿着舒适性。

2 生化防护服的使用、培训与维护

2.1 生化防护服的使用

生化防护服在使用穿着的过程中,必须和其他的防护器材一起使用方可发挥全面的防护性能。穿着生化防护服的防护人员在进入火灾、化工厂爆炸等危险环境之前应检查好防护服和附件。在进入有害环境后，有皮肤痉痒、刺痛、恶心等不适症状时，应立即离开有害环境。任何防护服的防护功能都是有限的，生化防护服也是如此。生化防护服并不能抵挡所有的化学品，但好的生化防护服能抵挡尽可能多的化学品。无论是应急抢险事故现场的相关作业人员，还是现代战争中的军事人员，在穿着生化防护服的同时，应给予正确的培训[3]。

2.2 生化防护服的培训

穿着者在进行作业之前，应对其防护服的掌握和使用有足够的了解，并对其进行专业的考核，这样才能发挥防护服应有的功效。无论是工作还是战争环境中的穿着者应对其所处的环境有充分的了解，了解有害化学品的性质、程度，对人体造成哪些伤害，其穿着的服装的使用目的、功能、方法以及局限性，并对其进行日常检查、穿着前检查、穿着状态检查以及穿着后的检查。生化防护服的适应性训练、防护服的维护和储存需常规的监督和考核以便完善和巩固。培训的能容要不断的更新，培训应由能胜任该工作的专业人士来执行以保持其先进性。

2.3 生化防护服的维护

对生化防护服进行维护能够增加防护服的使用寿命。防护服需定期维护，目的是检查表面是否有损伤，气密性是否良好，防护功能是否有下降。对于防护服应存放在避光、通风的地方，避免高温或低温、服装受压或因不当折叠而损坏对其使用寿命造成的不良影响。悬挂存放可以减少洗消后化学品的残留，从而保持防护服处于最佳状态。

3 几种用于生化防护服的高性能纤维

生化防护服的生产一般是将各种纤维原料加工成无纺布或机织布,将无纺布或机织布作为生化防护服外层面料的基布，然后基布再经过涂层或者层压复合的方法制成特种薄膜，或加入某些具有特殊功能性物质后纤维具有某种特殊的防护性能[4]。因此，对于纤维原料的选择是非常重要的，从基础上决定了防护服具有哪些防护性能。而生化防护服的使用场合一般环境比较恶劣，有害性化学品对人体的损害巨大。选取高性能纤维对于生化防护服的生产至关重要。高性能纤维凭借优异的物理机械性能、高韧性、较好的热稳定性、化学性能，在防护服市场占据主导地位，具有防止危险发生的超强能力。

3.1 芳香聚酰胺纤维

芳香族聚酰胺纤维由美国杜邦公司研制成功，纤维具有优良的化学稳定性、热稳定性、吸能性、高强度、高拉伸模量、耐磨、耐冲击、尺寸稳定性等优异的力学和动态性能。其良好的耐化学腐蚀性、耐高温性、低密度、低膨胀、低导热、耐冲击、耐磨性等突出的热性能以及良好的介电性能，在高温过滤材料、防弹材料、电绝缘纸、航空航天领域应用广泛，并被称其为“全能纤维”[5]。芳香聚酰胺纤维是耐高温、耐疲劳的合成纤维，在航空航天领域一般用作大型飞机的二次结构材料，如机翼、整流罩体表面；在军事领域，一般可用作防弹衣、防弹板、防弹头盔。芳纶的无纺布与聚乙烯薄膜制成的防弹背心，在防弹性能和耐热性能上要优于具有超高相对分子质量的聚乙烯纤维。在运动器材上，可用于制作拳击手套、登山球靴，也可用于制作球拍、滑雪板、高尔夫球棍。在纺织领域，用于制作高温过滤材料、消防战斗服、防弹服。美国军方防弹服的防护层采用芳纶织物，使防弹背心的防弹效果非常好[6]。

3.2 聚苯并咪唑纤维(PBI)纤维

PBI是一种溶致性液晶杂环聚合物，具有优异的热稳定性、耐磨、优良的耐热、耐强酸强碱、穿着舒适等优良性能，已应用于宇航、航空等国防尖端技术领域，对碳酸、盐酸、硝酸都有很好的耐受性，具有较高的回潮率。PBI在高温火焰中长时间暴露，形状完好，手感柔软。在500℃高温下，不熔化，很少冒烟，失重很少。PBI纤维优良的耐高温性能，优异的阻燃性能使其在防护服、耐高温过滤网、飞行器的内饰以及玻璃钢铁行业的工作服中得到广泛的应用。PBI纤维良好的耐化学品特性，可以制成工业滤布和织物，用于高温或带有腐蚀性的物料的传输，也可用作过滤空气和工业产品[7]。

3.3 聚对苯基并双噁唑(PBO)纤维

PBO纤维由美国陶氏化学和日本东洋纺公司研发,是一种高性能的芳香族杂环聚合物，被誉为21世纪超级高性能纤维，其强度优于碳纤维和Kevlar纤维。PBO纤维是一种非常理想的纺织材料，具有十分优异的物理机械性能、化学性能、耐磨性、耐冲击性、耐阻燃性能，在有机纤维中其耐热性能是最高的。在耐热垫材及高温滤材上，制造的高温过滤袋及过滤毡，均具有优异的耐磨性[8]。PBO纤维制作的消防作战服，阻燃性能良好，在火焰中不燃烧，不收缩。在增强材料及高性能帆布上，PBO纤维可用于制作轮胎、密封垫片、绳索、缆绳等高拉力材料。此外，在防护服及体育用品、防弹抗冲击材料、航空宇宙及军事领域，PBO纤维均有广泛的应用。

3.4 聚苯硫醚(PPS)纤维

PPS纤维是一种含有芳香环的高分子化合物。其具有优良的机械性能、耐化学腐蚀性、优良的电绝缘性能，耐高温性，在熔纺纤维中PPS纤维的耐热性是最好的，被认为是理想的过滤材料，在其生产上也被认为是最经济的材料[9]。其突出的耐化学稳定性在极其恶劣的条件下仍能保持其原有的性能，在200℃下不溶于任何化学溶剂，只有在强氧化剂(如浓硝酸、浓硫酸和铬酸)条件下才能使纤维发生剧烈的降解。PPS纤维主要用于具有一些特殊功能的过滤材料，如火力发电厂、燃煤锅炉、垃圾焚烧炉所使用的高温过滤织物，以及防雾霾材料、耐辐射性材料等。此外，PPS纤维也可用作宇航业、核动力站和汽车工业配套装备所需的各种织物，如涂层织物、防辐射织物、飞机座椅软垫、汽车内装饰面料、防辐射军用帐篷、导弹外壳、隐形材料等[10]。

3.5 聚四氟乙烯(PTFE)纤维

PTFE纤维是迄今为止最耐腐蚀的纤维，其摩擦系数低，具有非粘性和吸水性。PTFE纤维在紫外线及氧的环境中非常稳定,不燃、不吸潮，具有优异的耐候性。PTFE大分子间引力非常小，其摩擦系数是目前发现最低的自润滑材料，有一定的耐老化及抗辐射性能[11]。在防护服领域，PTFE纤维主要作为特种薄膜与防化服外层面料的基布进行层压复合，提高了防化服的防护性能[12]。此外PTFE纤维在化工、纺织、石油、医疗、机械等领域也得到了广泛应用，如航天服、消防服、高温过滤材料等。聚四氟乙烯纤维本身没有任何毒性，但是在200℃以上使用时，有少量有毒气体氟化氢释出，因此在高温下使用时应注意采取相应措施。黄斌香等人发明了一种高强度的耐酸碱、耐高低温的纯PTFE梯度覆膜过滤材料，具有过滤效率高、过滤速度大、使用寿命长等特性[13]。美国W.L Gore TMTenara&Associates以高强膨化PTFE纤维为骨架，制成的氟聚合物膜结构材料，具有极好的耐紫外线幅射、耐高低温、优异的自清洁性能[14]。

4 生化防护服的发展趋势

当前，国际战略环境错综复杂，战争的非对称性和作战手段的多样性更加明显，部队面临生化等非常规武器的严重威胁。近几年来所发生的较大规模的局部战争,几乎都使用了核生化武器。尽管国际相关组织签署了禁止使用生化武器的公约，但仍有不少国家致力于生化武器的研制。随着科学技术的革新,新材料、新技术的不断发展，生化防护服呈现高性能、多功能、智能化、轻量化、舒适性的发展趋势。

4.1 高性能

随着研究的深入，加工工艺和加工材料不断地更新和完善，一些高性能纤维材料不断涌现。具有透湿量大、穿着舒适、质量轻等特点的聚四氟乙烯孔膜层压织物，可以有效的防护毒气、毒液的侵袭，为生化防护服的发展开辟了新的路径[15]。电子纺丝纳米纤维具有透湿透气性能，可以阻止气溶胶微粒侵入防护服对人体造成伤害。它是由高压电场，定向喷射精细纳米纤维，克服熔融聚合物的表面张力，所形成的无纺膜。我国中科院江雷教授研制了一种疏水疏油的超双疏纳米界面功能材料，根据“二元协同纳米界面结构材料”理论成功得到表面双疏纺织品。

4.2 多功能化

随着科学技术的发展，军事水平的提高，21世纪的战争必然是高技术的战争。面对瞬息万变的战争环境和各种突发状况，防护服向综合防护的转变势在必行，充分利用现代科学技术，如纳米技术、电子技术、生物技术，使防护服集多种防护功能于一体[16]。利用新型的高性能纤维材料，使技术与材料相结合，从而赋予防护服更多的防护功能。

4.3 智能化

通过新型智能材料、智能软件对生化防护服实现智能化，以改善生化防护服的防护性能和生理性能。美国研究出了几种新型的智能织物：Diaplex形状记忆聚合物材料，其分子的形状随温度的改变而改变。在达到玻璃化温度时，其形状发生改变，有利于水蒸气的传输；在温度很低时，其孔会自行关闭[17]。Outlast蓄热调温织物，一种可根据环境和体表，自行吸收和放出热能，从而保持体表和环境之间的微气候温度，改善服装的舒适性。电场极化材料是一种液晶材料，通过电场重新将分子定向排列，从而允许更多的水蒸气通过，限制化学蒸气和气溶胶的渗透[[18]。

4.4 轻量化、舒适化

目前，为满足未来高技术战争、生化恐怖袭击和突发事故的需要，生化防护服穿着的舒适性越来越受到人们的重视。降低防护材料的质量、减小织物的厚度、提高防护材料的透气和透湿性能，是现行的生化防护服研制的重点。

[1] 霍瑞亭，顾振亚.化学防护服材料及其应用[J].产业用纺织品，2006(8):1-5.

[2] 马倩，王可. 化学防护服及新材料应用[J]. 纺织科技进展，2013(4): 10-12.

[3] 何晴芳.化学防护服的选择使用维护[J].劳动保护，2015(3)：97-99.

[4] 严岩，朱福和，王伟.高性能纤维复合材料的研究及应用[J].合成技术及应用，2015(4)：44-48.

[5] 王芳，秦其峰.芳纶技术的发展及应用[J].合成技术及应用，2013(1)：21-27.

[6] 袁江亮. 高性能芳纶防护织物的研究与开发[D]. 上海：东华大学, 2010.

[7] 赵永旗. 聚苯并咪唑(PBI)织物性能及在消防服上的应用[D]. 西安：西安工程大学, 2015.

[8] 杜艳欣. PBO纤维的国内外研究状况及应用前景[J]. 现代纺织技术，2007(3): 53-57.

[9] 张抗震.聚苯硫醚(PPS)用于防化服外层面料的产品开发 [D].上海:东华大学，2011.

[10]王桦，覃俊，陈丽萍. 聚苯硫醚纤维及其应用[J]. 合成纤维，2012, 41(3): 7-12.