电离辐射防护用纺织品的研究进展

杨 涛 石 敏 万星辰 姚理荣

（1.南通大学，江苏南通，2260192；

2.安全防护用特种纤维复合材料研发国家地方联合工程研究中心，江苏南通，226019）

1 问题的提出

随着核技术的发展和广泛应用，它在给人们带来便利的同时也产生了很多危害。其中，在医疗、工业探伤、农业育种、核原料开采加工、乏燃料后处理以及核应急等领域都会产生电离辐射；经常接触辐射的人会出现皮肤发红、毛发脱落、眼疾、神经衰弱等症状，因此在人员防护方面的研究是一个十分迫切的需求。目前，国内辐射环境领域从业人员达数百万，过于笨重的个体辐射防护装备会严重影响工作人员的工作效率，所以开发出轻便灵活且防护性能优良的辐射防护用纺织品必不可少。辐射防护用纺织品主要分为对个体的防护和对设备的防护，当前个体防护用纺织品已经成为研究的热点和重点。防核辐射纺织品的研究方向主要有两个。一种是先通过共混和复合纺丝的方法制备防辐射纤维，然后再制成纺织品；另一种是对织物表面进行整理从而获得防辐射性能。本文就以上内容进行简要的综述，并展望了未来辐射防护用纺织品的发展方向。

2 电离辐射及对人体的危害

辐射在本质上可分为电磁辐射和粒子辐射，按能否将物质电离分为电离辐射和非电离辐射，其中电离辐射包括高能电磁辐射（如X 射线、γ 射线）和高能粒子辐射，其余为非电离辐射。

电磁辐射以电磁波的方式传播能量。能量由高到低排列的电磁辐射有γ 射线、X 射线、紫外线、可见光、红外线以及无线电波。粒子辐射以消耗自身的动能传递能量；主要的粒子辐射有α 粒子、β 粒子、质子、电子、π 介子、重离子和中子［1］。

2.1 电离辐射的定义

电离辐射是指在生物物质中使分子或原子发生电离、产生电子对的辐射，包括X 射线、γ 射线、α 粒子、β 粒子、质子、中子和高能电子等。射线仪器和放射性核素是最常见的电离辐射源。

X 射线与γ 射线都是不带电的电磁波辐射，它们是以产生的方式不同而划分的，不是以能量的大小而划分的。通常X 射线是在X 射线管内高速运动的电子与物质相互作用产生的，可以人为控制［2］。X 射线波长短，能量高，穿透力也较强，较难防护。γ 射线、α 粒子、β 粒子是原子核自发衰变能级跃迁退激时放射出的射线。γ 射线是一种比X 射线波长更短、能量更大的电磁波，具有光速，且穿透力很强，在空气中的射程有几百米。α 粒子是高速运动的一个氦原子核，是重带电粒子；其电离能力很强，但穿透力很弱，一张普通的纸就可以挡住，且在空气中的射程仅为几厘米。β 粒子是高速运动的电子，属于轻带电粒子；其电离能力比α 粒子弱，穿透力虽然比α 粒子强，但也很有限，1 MeV 能级的β 粒子仅能穿透几毫米的铝板。

中子是原子核的组成部分，不带电，贯穿能力很强。中子的能量大小差异很大，最大的可达1 GeV，最小的只有几纳电子伏。中子按能量大小可分为：小于1 keV的慢中子、1 keV～100 keV的中能中子和0.1 MeV～10 MeV 的快中子。其中，慢中子中能量为0.025 3 eV 的被称为热中子，能量低于0.005 eV 的其温度低于液氮温度，被称为冷中子。

2.2 射线与物质的相互作用

α 粒子与物质的相互作用是通过不断与原子核外电子碰撞电离而转移能量，且在碰撞过程中几乎不改变方向，直到能量耗尽。β 粒子与物质的相互作用也主要是通过与电子碰撞电离而损失能量，但由于质量较轻，在碰撞的过程中会不断改变方向，因此会运动较长路程。

X 射线、γ 射线与物质的相互作用只与它们本身的能量有关，与其他无关；主要作用方式为康普顿效应、电子对效应、光电效应。中子由于不带电，所以与物质的相互作用主要是与原子核相互作用，与核外电子不发生作用。

中子与物质的相互作用可分为慢化和吸收。使中子慢化的主要方式为弹性散射和非弹性散射，吸收中子的方式主要有中子俘获、核裂变、核反应等相互作用［3］。

2.3 电离辐射对人体的危害

辐射具有无色无味、穿透力强等特点，是继空气、水、噪声污染之后的第四大环境污染。不同剂量的电离辐射在人体的不同部位会在不同的时间造成不同的危害。

辐射按照射方式分为内照射和外照射，外照射又可分为局部照射和全身照射。人体各部位对辐射的敏感程度从大到小依次为腹部、胸部、头部、四肢。大剂量的全身照射会引发急性放射病，胸腹部位的照射也会引发急性放射病。急性放射病可分为白细胞损坏的骨髓型急性放射病、频繁呕吐腹泻的肠性急性放射病以及中枢神经系统紊乱最后致死的脑型急性放射病。

按照发病的早晚可分为早期效应和迟发效应。在受到辐射几个星期内出现的病症为早期效应，如急性皮肤损伤、急性放射病等。在数月后出现病症的为迟发效应，如辐射致白血病、致癌、白内障、辐射遗传及慢性辐射病。慢性放射病的主要表现为造血组织损伤，可分为局部损害和全身损害，局部损害主要有皮肤发红、毛发脱落、视力衰退、白内障等。全身损害主要有内分泌失调、神经系统紊乱引发的一系列病症，如神经衰弱、白血病、贫血、消化呼吸系统病变等［4］。目前，根据辐射来源及危害，纺织品主要防护X射线、γ 射线及热中子。

2.4 国内外电离辐射执行的标准

近年来，辐射技术得到越来越多的应用。为了更好地利用辐射，同时避免我们的健康和环境受到威胁，制定一个辐射执行标准控制电离辐射带来的危害是必不可少的。我国的电离辐射执行标准经过了四代更替，现已与国际标准接轨，反映了我国辐射防护技术的快速发展。

2.4.1 相同之处

在辐射防护原则上，我国标准和国际标准是一致的，即实践的正当性、剂量限制、辐射安全与防护的最优化。

实践的正当性指该辐射实践所带来的利益大于它所付出的代价。这里的代价是指对操作人员和大众健康的危害以及经济利益的损失。这里的经济利益包括该实践所有的花费、对环境的影响以及资源的消耗。正当性还要考虑替代实践的利益代价比，如果后者更好，则该实践也是缺乏正当性的。

剂量限制是指个人受到照射的剂量不超过规定的剂量限值，以保证个人不会受到健康损害。其目的是为了降低随机危险事件发生的概率，使之达到可以接受的程度，减少社会的压力。

辐射与安全的最优化是指付出最小的代价、收获最大的利益，它是整个体系的核心和灵魂，也是实现防护安全的指导原则。在考虑到所有外在因素后，照射的大小、被照射的人群和可能性要达到最低值［5］。

2.4.2 不同之处

我国的辐射防护标准是根据我国的实际国情和经验在国际标准的基础上制定的，在结构方面做出了比较大的调整，其主要差别是更加明确地强调了对审查和营销管理方面的要求，并明确规定了豁免条件，增加了对潜在危险方面原则上的限制约束和放射残留继续照射使用的剂量约束要求，吸取了我国在环境中排放辐射物的经验，适当补充了对放射性废物管理的原则，并重新给出了放射性核素的毒性分组［6］。

3 电离辐射防护纺织品的研究进展

个体用电离辐射防护纺织品设计上注重三个重要要素：轻巧的柔性设计、增强屏蔽性能的设计以及符合人体工学的设计。具有轻便灵活设计和较好屏蔽性能的纺织品可有效提高辐射工作场所人员的工作效率。

由于辐射环境的复杂，电离辐射防护服需要具有较强的环境适应性。防护服一般采用面层、芯层、里层三层结构。防护服除了分层外，根据特殊环境需求，还需要采用不同的款式，常用的款式有围裙、马甲、性腺防护、全身防护。目前在电离辐射防护服研制方面，国外处于领先地位，国内研究处于跟跑状态。表1 为国外一些公司代表性产品技术路线特点及性能指标。

表1 国外代表性产品技术路线特点及性能指标

3.1 X 射线、γ 射线防护纺织品

X 射线防护服主要是由两部分组成，一部分是用来吸收屏蔽X 射线的屏蔽材料，如铅、钡、钨、铋、稀土等重金属元素的单质及其化合物；另一部分是用来提高服用性能、保护防护材料和人体的覆盖材料，如橡胶、天然纤维、聚酯、尼龙等合成树脂纤维织成的布料［7］。按是否含有铅元素可分为有铅防护服和无铅防护服。

20 世纪80 年代，前苏联将腈纶浸渍到醋酸铅中制得了防X 射线防护服。日本一家公司将硫酸钡添加到粘胶纤维中制成服装，其具有良好的防X 射线辐射性能。美国一家公司对聚乙烯和聚氯乙烯进行改性，成功制备出了一种对X 射线、γ 射线都有很好防护性能的织物［8］。天津纺织工学院将铅和钡等重金属及氧化物与聚丙烯混合，经熔融纺丝制成一种防X 射线纤维，纤维经纺纱和织造成为织物，该织物也具有良好的防X 射线辐射性能［9］。2008 年，山东的高明远公开了一种X 射线防护服，该防护服由最外层的织物层、X 射线吸收衰减层、织物层、热红外辐射高反射黏合而成；其中X 射线吸收层是由多波段电磁屏蔽织物缝合而成；该防护服具有结实耐穿、携带方便等优点［10］。2011 年，殷艳霞等人发明了一种由两层相同的面料反向缝制而成的X 射线防护服；该面料由织物层、黏胶剂层、铅粉层组成；织物层是由合金铅金属丝与植物纤维制成［11］。2013 年，张洪业等人发明了一种用支架支撑的防护服，底部装有滑轮，结构简单，装配方便，可适用于不同体形，其优点是可减轻防护服的质量且不影响行动，同时能全面隔离X 射线［12］。2014年，东华大学的郑羿通过微胶囊技术将铅盐分别包覆在乙基聚乙烯醇和乙基纤维素中，以细菌纤维素为基体制备了一种微胶囊/细菌纤维素复合膜；该复合膜具有优良的X 射线屏蔽性能和力学性能，是适合作为X 射线防护服的一种柔性材料［13］。2017 年，MUHAMMAD TUFAIL 等人利用纳米钨粉与聚合物树脂为原料设计了一款符合人体工学的轻便灵活的辐射防护服［14］。赵杨等研究发现，以吡啶作为溶剂，采用溶剂热法对钨酸铋进行表面处理后，其对105.310 keV 的γ射线屏蔽率达到了54.17%［15］。MAGHRABI H设计了一款医疗患者诊断用X 射线防护服，选用锦纶羊毛混纺织物作为基布，在基布上涂覆氧化铋作为X 射线屏蔽层，采用3D 人体扫描技术设计了一款主要为女性量身订做的X 射线防护服；该防护服具有优良的耐磨性、舒适性、灵活性以及防辐射性能［16］。2018 年，章毅以硫酸钡为添加剂，以NaSCN 为溶剂，通过湿法纺丝工艺制备出防X 辐射聚丙烯腈纤维［17］。2019 年，楼鹏飞等将稀土氧化物熔喷到非织造布上，经层压、静置、固化得到一种防辐射性能良好的复合材料，该复合材料的铅当量达到了0.38 mmPb［18］。

3.2 中子防护纺织品

中子防护一般是由中子的慢化和吸收两部分组成。中子的慢化采用氢含量较高的物质，如聚乙烯、聚丙烯等；中子的吸收多采用含硼、锂及稀土元素等物质，如氧化硼、碳化硼、氟化锂、溴化锂等。中子防护服主要是由防中子辐射纤维制成，防中子辐射纤维主要是由含氢量较高的聚合物和中子吸收剂混纺而成。

20 世纪80 年代，国外成功研制出将硼、锂及其化合物与聚酯、聚乙烯等高分子材料混纺成防中子辐射纤维。日本东丽公司于1983 年采用复合纺丝的方法制备出了以氧化硼中子吸收物质与聚乙烯树脂熔融混合作为芯层，纯高聚物为皮层的皮芯结构防中子复合纤维，将其制成的防护服对热中子屏蔽率可达到40%。1985 年，天津工业大学也成功开发出了一种皮芯复合结构的防中子复合纤维；该纤维将碳化硼和聚丙烯进行共混，具有良好的力学性能，其制得的非织造布对热中子有较强的防护性能，对中能中子也有一定的防护效果［19］。2013 年，HUANG Yiping 等人通过对碳纤维表面进行丙酮树脂超声预处理，研制出了一种碳纤维增强碳化硼三明治形中子屏蔽复合材料，具有强度高、质量轻、防中子性能好等优点［20］。2013 年，北京君安泰防护科技有限公司发明了一种采用碳化硼作为中子吸收剂，以PP为基材，通过熔喷纺丝制备的中子防护服；该防护服包括身体防护服、防护帽、防护颈板以及防护镜［21］。2014 年，北京航空航天大学在PET 与PBT 中引入有机硼氢笼形结构，制备了一种含多硼多氢的聚酯纤维，其具有良好的防中子辐射性能和力学性能，可制成轻质高效的中子防护服［22］。2014 年，马晓军在碳化硼粉末表面包覆了一层低熔点的镍合金，通过亚音速火焰喷涂工艺，制备出热中子屏蔽效果良好的屏蔽涂层［23］。2017 年，南京航空航天大学公布了一种柔性氧化石墨烯水凝胶中子辐射屏蔽材料，其由聚乙烯醇和丙烯酸交联而成的聚合物、氧化石墨烯、硼酸和引发剂硫酸铵与交联剂N，N 亚甲基双丙烯酰胺组成。该材料制备工艺简单，且具有良好的机械性能、柔性、高弹性、中子屏蔽性，可用来制作中子防护服［24］。

4 展望

目前国内个体电离辐射防护用纺织品材料仍以含铅橡胶、铅衣、含铅涂层面料等为主，而无铅、质轻、高效新型防护服相关研发和产品仍较欠缺。结合国内外研究现状及发展需求，认为其今后应从以下几个方面加强研究。

（1）电离辐射中X 射线和低能γ 射线是纺织品所需要防护的重点，针对接触X 射线和γ 辐射源人员，其防护策略相似，即采用大原子序数重金属进行有效屏蔽。其中的关键是微纳米化重金属粉末的制备及改性，以便在以聚合物基材纺丝、涂层、压延等制备中实现高添加量和均匀分散性。

（2）当前针对电离辐射防护，国内外研究或产品的主要功能为对X 射线、γ 射线或中子单一防护，在γ 射线/中子一体防护材料研究方面报道较少，相关产品尚未见到。但在涉及核材料加工、使用、后处理以及核应急等诸多场景，相关人员同时面临中子和γ 射线双重辐照，因此γ 射线/中子一体防护材料研制显得尤为重要和迫切。

（3）不同材料性质存在差异，对不同能量射线的防护存在弱区，采用金属合金材料、金属粉末共混以及多层结构材料将是实现较宽能量射线较好防护的有效手段。

（4）鉴于纺织品自身结构与性能，目前主要是对人员接触到的X 射线、低能γ 射线和热中子进行防护，对中高能γ 射线和能量较高穿透力强的中子的防护效果较差。为实现特殊高能辐射环境中人员的有效防护，未来本体和人体一体化防护将是一个新的研究方向。