化学防护服的研究进展

吕凯敏， 戴宏钦

(苏州大学 纺织与服装工程学院， 江苏 苏州 215006)

伴随工业的快速发展，如何在有害环境下保证工作人员的安全问题至关重要，因此各式各样的化学防护服(以下简称防化服)不断被研发出来[1]。目前防化服的设计体系不够完善，需对防化服的相关性能进行全面的研究。再者，目前不存在可阻挡所有危险化学物质的防化服存在，所以需要根据相关标准来选择适合的防化服[2-3]。同时在穿着防化服时，中度到高强度的工作会加快血液流动、增强人体对心血管系统的需求。考虑到防化服的透湿透气性能差，若此时工作负荷大，对个体施加的生理压力可能进一步加重。这种情况可能导致人体处在热应激状态，如热抽筋、热晕厥和中暑等[4]，因此对防化服的热湿舒适性进行研究具有重要的意义。

考虑到目前的防化服存在着使用环境复杂、舒适性能差等问题，本文首先分析了防化服的相关性能要求，以防化服材料为切入点回顾防化服的发展，总结防护服的设计流程，阐述了防化服的性能评价方法，并结合目前权威的防化服标准并讨论标准之间的差异，最后阐述了目前防化服存在问题并指出未来的发展趋势。

1 防化服的性能要求

1.1 化学防护性能

对有害化学物质的有效防护是对防化服最基本也是最重要的要求，而对于防化服防护性能评价最主要的2个指标就是防穿透性和防渗透性。

穿透性通常以穿透时间进行表征[5]。穿透与很多因素相关，如纤维空隙、防化服表面材料的结构、服装结构设计、服装缝合的方式等[6]。渗透透过时间是抗渗透性的指标[7]。目前还没有能够完全阻止物质渗透的材料，当前的防化服材料只能做到减缓这个过程[8]。

1.2 舒适性

由于大多数的化学防护服存在重量大、结构不合体、穿脱都需要他人帮助等问题。尤其对于气密性防化服而言，密闭性的结构以及较差的透湿透气性能都会减少人体的热量和汗水的流失，这就可能使得工作人员的身体核心温度升高，导致进一步的热应激。再者呼吸器通常与防化服一起使用，以防止空气传播的危害。众所周知，与使用呼吸器相关的吸气和呼气会使得呼吸阻力增加，因此，与防化服一起使用呼吸器会降低最大氧气摄取量和运动耐力[10]，降低人体的舒适感。暴露在极端高温下的个体可能会经历生理和认知能力的下降，即使在进行非常轻的工作中也是如此[11]。由此可见防化服较差的舒适性可能对工作人员的身体以及现场操作能力造成灾难性影响。

1.3 其他性能

防化服的使用环境大多复杂，这就要求防化服具有一定的阻燃隔热性能以及良好的耐折曲、抗刺穿等物理力学性能。

2 防化服常用材料

防化服的防护性能由其材料决定，目前主要有非织造布、无支撑橡胶或塑料、微孔膜织物、吸附性织物、涂层织物、复合材料6种类型[12]。这些材料的防护能力和优缺点如表1所示。

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

2.1 非织造布

目前常用于防化服的纺织品是非织造布，主要是用于面临相对无害的化学品干微粒和轻微液体喷雾。其中美国杜邦公司研制的Tyvek以及Kleenguard公司的聚丙烯纺粘非织造布都具有良好的防水透气性能[13]。这类材料虽只能提供最低程度的防护能力，但具有成本低的优势，常用于透气式防化服。

2.2 无支撑橡胶或塑料

此类材料可防护液体飞溅以及液体、气体渗透。在20世纪初期，美国首先研制出具有一定防护性能的丁基橡胶[14]，但是由于其存在舒适性差、重量大、不可长时间使用等问题，常用于隔绝式防化服中。

2.3 微孔膜材料

这类材料通过选择适当微孔尺寸的材料，可阻隔除小分子气体以外的其他物质透过，同时水蒸气可透过，保证了服装的舒适性[15]。Cui等[16]介绍了一种通过构建多级多孔结构，制备了具有超高防水性和良好透气性能的电纺纤维膜，同时也具有优异的防风性能。Francesco Fornasier等展现了一种具有5 nm以下孔径的碳纳米管薄膜，其可高效传导水蒸气，同时也可阻隔大部分的病毒和毒剂液滴[17]。这类材料由于不能阻碍小分子气体的透过，小分子的有害气体可透过服装对人体造成危害，常用于半透气式防化服。

2.4 吸附性材料

吸附性材料是将具有阻碍化学有害物质作用的吸附剂浸渍在织物的表面制备而成[18]，可抵挡气体和蒸汽的渗透。朱梦玲等以涤纶为原料，经针刺法加固成工业烟尘过滤毡，再经PTFE乳液包覆后处理，对于气溶胶和较小尺寸微粒有较好的阻隔能力[19]。Duan xinhui等在棉基活性炭纤维中运用微波辅助活化，制备出来的活性炭纤维具有良好的吸附能力，特别是液相吸附[20]。Mukesh成功地建立了利用纳米技术将壳聚糖聚合在非织造布上，将活性炭球粘合复合织物或活性炭织物与纳米纤维网相结合，在允许水蒸气以及气体透过的同时可提供更高水平的化学保护[21]。

虽然以此材料制备的防化服防护性能好，且已在全球销售[22]，但是存在价格昂贵、材料用量大、使用范围小、无选择吸附，二次污染等问题，目前常用于透气式防化服。

2.5 涂层织物

涂层织物的涂层厚度是影响其防护性能的关键，优异的涂层织物可防护液体飞溅，液体、气体渗透，常用于隔绝式防化服。杜邦公司生产了一种中间为非织造布，两侧为聚合物涂层的面料，在保证防护性能的同时，减轻了服装的质量[23]。涂层已被证明是一种有效的纺织品表面功能化方法，但目前的涂层织物的耐久性比较差[24]。

2.6 复合材料

此类材料通常是将上述几类材料的优秀性能进行组合后得到的，用于对液体飞溅，液体、气体或蒸汽渗透的防护。比如说将微孔膜与吸附性材料结合，在对液体化学品阻隔的同时，吸附大分子量的化学气体。文献[25]中制备的聚四氟乙烯复合膜具有透湿舒适性和变形舒适性。文献[26]利用锆基金属有机骨架材料与聚丙烯织物复合，得到了具有优异防护性能的防护面料。

3 防化服的设计与性能评价

3.1 防化服的设计

参照GB 24539—2009《防护服装 化学防护服通用技术要求》以及其他相关标准，防化服应具有安全、适用、美观和舒适的基本性能。结合防护服的设计原则[27]，引入人体工效学的设计思想，将人-防化服-环境视为思维整体，系统分析使用对象和场合，进行防化服的设计。

在设计防化服时，将人-防化服-环境看做一个整体进行探讨，对于人而言，主要是从服装人体工效学的角度进行分析，考虑年龄、形体、运动状态等因素；对于防化服则需将其看做人与环境之间的保护层，考虑防化服的防护性能以及舒适性能；而对于环境，则通过分析环境中一切可能的潜在伤害因素，帮助我们确认。

3.2 防化服的性能评价

防化服的性能评价主要包含防护性能以及舒适性2个方面。目前成熟的评价体系是五级分析系统，如图1所示。可以划分为客观评价、人体穿着实验以及现场实验3个层次[28]。

图1 防护服性能评价五级分析系统Fig.1 Five-level analysis system for performance evaluation of protective clothing

3.2.1 客观实验

客观实验主要包含一级服装材料性能评价和二级防化服性能评价。服装材料性能评价，包括服装材料热湿性能、力学性能及防不同形态化学物质的性能。利用平板仪等器材测试服装材料的热湿性能；根据GB 24539—2009《防护服装 化学防护服通用技术要求》测试面料的防化学物质渗透性能[29]。防化服性能评价主要涉及舒适性和安全性2个方面，舒适性主要利用暖体出汗假人评价服装的热湿性能；根据GB 24539—2009《防护服装 化学防护服通用技术要求》测试防化服的防气态和液体化学物质的渗透性能[29]。

3.2.2 穿着实验

穿着实验是在受控的气候舱里，进行穿着服装的人体实验，可得出人体的生理数据和主观感觉，评价服装的舒适性和耐受时间等指标[30]。George Havenith等在实验室里对服装整体的热防护性进行测试与评价，获得测试指标[31]。

3.2.3 现场实验

现场实验分为控制一定条件的模拟现场实验和真实现场实验。根据测试要求尽可能的模拟现场环境，得到较为真实的使用状况，全面综合评价服装性能。

五级分析系统各等级并不是简单的递进，是需要进行科学的反复交替实验，以期得到客观准确的实验结果。

4 化学防护服的相关标准

国外化学防护服的第一批标准是20世纪80年代中期到后期出现的，自那时以来，大多数标准都是每5年更新一次。最普遍的标准主要包含国际标准组织(ISO)、欧洲高级标准委员会(ETC)或各种美国标准组织(例如：ASTM、NFPA)[32]。

国内关于防化服的标准开展比较晚，在2009年由防化研究所等5家单位起草了我国真正意义上的防化服标准体系，主要如表2所示。

表2 国内关于防化服的相关标准Tab.2 Relevant standards of chemical wear in China

目前国内外关于化学防护服的标准较为全面，涵盖了防护服的分类、检测方法以及性能要求等。使得标准具有系统性以及可操作性，但还是存在着问题：1)国内外标准的实验测试条件与现实使用环境间存在着差异，使得测试结果并不能完全准确地评估防化服现实的使用状况，同时，测试内容的繁琐，使得市场运用程度较低，难以规范市场体系。2)国内外标准中的性能要求差异较大，需对性能进行合理简易的规定，在节约成本的同时，保证防护性。3)在标准制定过程中需要根据防化服的发展增强指标体系的完整性，与国际各国相关组织探讨交流，增强标准的时效性和国际认同性。

5 防化服现存问题及发展趋势

5.1 防化服现存问题

目前对于防化服主要有几方面的问题：1)防护性能：目前还不存在可抵御所有危险品的防化服，但环境的多变复杂，需要我们不断地提高防化服的防护性能[33]；2)舒适性能差：现今对于防护性能与舒适性能之间的矛盾已经有所改善，但仍然存在人体热聚集等问题；因此改善舒适性刻不容缓[34]；3)适用范围模糊且局限性大：目前的防化服适用范围单一，用户不能得到危险的预警信号[35]。

5.2 防化服的发展趋势

从目前防化服的研究现状以及存在的问题可以总结出未来防化服的发展趋势，主要有安全化、细致化、多功能化、目的化、舒适化、智能化[36]。

5.2.1 安全化与细致化

工作人员在执行任务时，并不知道自我可承受的极限。如果可建立起穿着时间、服装质量、运动状态等因素与人体疲劳度之间的关系模型，对其进行预测，可大大提高人员的安全性。同时目前对于防化服的测试主要以男性测试者为主[37]，但防化服不应该仅仅适用于男性，对于女性穿着防化服的相关研究也必不可少的。

5.2.2 多功能化

事故现场环境的复杂性，要求防化服具有多功能性。多重危险防护虽是完美的解决方案，但并不适用于现实状况。选择工作服时，安全始终是第一要务。要评估工作场所的最佳防护服选择，首先要彻底评估所有潜在危险，并咨询适用的安全标准。因此，还应考虑其他因素，如舒适度、长期成本效益和风格偏好等因素。

5.2.3 舒适化

化学防护服在保证良好防护能力的同时，必然会导致舒适性能差。为了解决防化服的舒适性问题，减少这些危险环境造成的健康风险。除了对材料制备出新的选择性渗透材料，以及利用微气候冷却技术来加强人体与环境之间的热交换。还应当在结构方面根据人体三维尺寸设计，确保穿着的舒适性以及穿脱方便[38]。同时，目前的防化服舒适性研究主要是解决人体过热，但是当人员处在极端冷环境时，前期必要的保暖也是必须的[37]。考虑到穿脱方便，考虑采用主动式保暖为人体提供舒适性。

5.2.4 智能化

服装的智能化是当今防化服研究领域的一大热点。如能将沾染的毒剂及时自分解的自清洁材料；在织物上复合人体生命体征监测单元；考虑到目前防化服的防护时间有限，利用光或电信号等来对化学有害物质的渗透进行指示预警，也可对周围环境的变化做出反应；同时在服装划破后利用可自行修复的材料保证防化服的防护性。再者对于防化服的性能测试已经较为成熟，但是考虑到防化服测试过程中的危险性和实验的可靠性，利用计算机技术模拟防化服的性能评测是发展趋势[39]。

6 结束语

目前对于防化服的研究已经取得了一定的研究成果，但是仍然有很多问题需要进行更深一步的探讨。本文先总结了防化服的相关性能要求，然后从6种防化服材料中考察其防护性能的差异，并回顾了防化服的发展，总结防化服的设计流程；根据现行的国内外标准归纳了防化服的性能评价方法，通过总结现存问题提出未来的研究方向。目前关于防化服的研究多在织物的制备以及舒适性改善方面，但是目前仍然存在着防化服质量重、舒适性能差等问题，仍有许多的性能等待着探索。其次对于防化服的性能评测技术、防化服的防护性能的预测模型等方面的研究还需加强，如减小实验测试环境与真实使用环境之间的差异。此外我国也需要进一步统一和完善防化服的相关标准，保证工作人员在穿着防化服后可安全有效地进行工作。