【科技之声】纳米技术在生化防护服中的应用及研究进展

       0 前言

       两次世界大战中，生化武器发挥的作用和造成的危害一直未被忘却。21 世纪，国际战略环境复杂多变，全球极端组织利用生化试剂或毒剂事件从未 间断；有毒物品意外爆炸或泄漏的生化事件也时有发生；各类传播性极强的自然疫情如 SARA 病毒、埃博拉病毒的爆发等均促使各国重视生化防护服的 研发。 纳米技术作为全球最热门的研究领域之一，自问世以来被广泛应用于各个产业，已然成为社会发 展的支柱技术。经纳米技术改造或创造的材料通常 表现出异于常规材料的特殊生物活性,力学、光学、热力学、磁学以及催化性能。这些独特性能为纳米材料应用于生化防护服中奠定了基础。

      1 生化防护服 

      1.1 生化防护服的发展 

      人类利用生化武器的事例早在远古时代就有迹可循。距今 3515 年前，小亚细亚的赫梯人就曾利用瘟疫的传染性，将病人派到敌国。一战期间，德军 率先利用呼吸防护面具也无法有效防御的黄十字毒 剂弹成功袭击伊泊尔附近的弗兰德战场 [1]。20 世纪 20 年代，美国率先用氯化石蜡将 CC2【对称的二双 ( 氯 -2,4,6 三氯苯 ) 脲】和其它氯化亚胺类的消毒剂 浸渍在普通军服上，利用织物上浸渍的化学活性剂 与毒剂发生化学反应生成无毒物质 [2]。60 年代人类 研究出大规模生产含炭透气防毒服服装技术，其吸附机理属于物理吸附过程。随后人类又对该类防护 服采取一系列改进，直到 80 年代出现纤维状活性炭 防毒服，性能才有了全面提高，其透气散热性能较好，综合性能优良，特别是耐洗牢度和穿着牢度，服用期限从 28 天延长到半年以上 [3-4]。

      1.2 生化防护服分类 

       生化防护服一般由防护材料、服装、独特的装 备品三个部分组成，相互协调，共同作用才能发挥最大的防护效果。按照防护原理可将生化防护服分成四大类。 

       1.2.1 隔绝式生化防护服

        液体、气体和气溶胶都不能透过的防护服称之 为隔绝式防护服，因而具有优良的生化毒剂防护性能。隔绝式防护服完全不透气极易因缺乏透气性和 “热聚集”而易引起“热疲劳”[5]，严重影响穿着舒适性，所以需配备既重又大且价格昂贵的微气候调温装置，才能长时间穿着，但其良好的重复性和防护性特点，对有毒气体和蒸汽均可起到防护作用，适用于接触高浓度有害物质和在污染严重区域内的作业人员。 

        1.2.2 半透气式生化防护服 

        能透过水汽、小分子化学毒气等小分子气体，但不能透过大分子气体、气溶胶以及液体的防护服 称之为半透气式防护服 [6]。该类防护服可防护生物， 但无法阻挡有毒的化学蒸汽，须添加活性炭等吸附材料才能吸附有毒化学气体。半透气式防护服通常由微孔材料制成，若微孔尺寸合适，既可透过水蒸 气赋予防护服良好的舒适性能，有效减缓防护服因“热聚集”引起的“热疲劳”，又能阻隔液体、气溶胶起到防护作用。 

         1.2.3 选择性透气式生化防护服 

         只透过水汽分子而其他气态、液态以及气溶胶态物质均不能透过的防护服称为选择性透气式防护 服。选择性透气式防护服通常由选择性渗透膜材料制成。其防护机理是依靠选择渗透型材料的选择性溶解 / 扩散原理透过水汽分子 [7]。功能上既具备半透气式防护服良好的透湿性能，又具备隔绝式生化防护服阻隔有毒液体渗透性能。该类防护服本身就可 对有毒气体、气溶胶、液体、甚至微生物起到防护 作用，无需吸附型附加材料。 

          1.2.4 透气式生化防护服 

          允许空气、湿气透过，但阻止有毒气体通过的防护服称之为透气式防护服。透气式防护服通常是 一种“三明治”复合结构，其外层织物可以透过空气、 液体、气溶胶，以及化学气体；吸附材料主要是靠活性炭吸附达到防护目的，可吸收有毒化学气体；内层织物通常经一些功能整理，更有效的吸附毒液、 毒气并阻滞其通过，避免侵及皮肤。透气式防护服良好的透气性、透湿性，使得体内产生的湿气可通过对流排到体外保证防护服的穿着舒适性 [8]。 

          2 纳米技术及纳米材料 

          纳米技术作为 21 世纪的先进技术，诞生于上世 纪 80 年代末，其核心特点是按照人类意志在纳米尺 度范围内通过改造物质的单个原子、分子或原子团、 分子团来制造符合特定要求的功能性材料和产品。 物质中电子的波动性以及原子间的相互作用在纳米 尺度下会表现出较传统材料迥然不同的熔点、力学 性能、电学性能、光学性能、磁学性能和化学活性等独特性能，这种现象传统的理论体系通常无法合理解释 [9]。利用纳米技术人类创造了许多新材料甚 至新物质。纳米技术制备的纳米材料也因其独特的量子尺寸效应、表面效应、体积效应、以及物理、 化学、光学性能、电磁学性能被誉为“21 世纪最有 前途的材料”。

          3 纳米材料在防护服上应用 

          3.1 纳米粉体改性法制备生化防护服

          目前，人类已利用纳米粉体纤维改性法，成功 制备出多种性能优异的纤维，如杀毒纤维、抗菌除 臭纤维、自修复纤维等等。纳米粉体化学活性强、 化学反应选择性好。 纳米粉体吸附能力非常强，事实证明在生化防 护服中添加纳米粉体不仅可显著提高其吸附与催化 分解生化物质能力，同时有利于减轻防护服重量。 日本仓螺公司就曾采用纳米粉体改性法在异形截面 聚酯纤维中掺入 ZnO 粉体，成功制备抗菌、杀毒、 除臭和屏蔽紫外线的多功能纤维 [10]。Trexel 大学与 美国 Amerinova 公司合力研发出一款甲型 H1N1 流感 专用防护服，即利用纳米级二氧化钛处理单丝直径 为 100~300 nm 的纳米纤维网，得到具有杀菌和光催 化功能的高效、低成本纳米纤维网材。 

           3.2 纳米材料与纤维材料法复合制备生化防护服 

           3.2.1 纳米技术改性基体法制备纳米生化防护服 

          纳米技术改性法制备生化防护服即利用纳米技术将一种或多种纳米尺寸颗粒均匀分散到纤维基材 中，复合得到具备特殊性能的纤维，再制备成织物。 Anbharasi Vanangamudi 等人将 Al2O3 纳米颗粒与 Ag 加入 PVDF 基体材料中利用静电混纺法制成 PVDFAg-Al2O3 功能性纳米纤维，该纤维制成的纤维网状 膜具有抗菌、自解毒功能，应用到防护服里，可得 到具有抗菌自解毒功能的生化防护服，也可替代活 性炭介质，得到质轻防护服，大大改善人体穿着舒适 性。 

            3.2.2 纳米纤维聚合物复合法制备纳米防护服

           纳米纤维聚合物复合法通过不同的工艺方法将 纳米纤维网与非织造布组合使用，制成复合织物。 例如采用复合法将传统非织造布与纳米纤维网组合 在一起得到的复合织物不仅可以满足人体穿着舒适 性还能显著增加纳米防护服生化制剂防御效率。美 国军事人员装备中心将静电纺丝法制成的 PA6 纳米 纤维，通过热熔法涂覆在粘胶纤维非织造布上得到 一种防护性能优良的 PA6 纳米纤维 / 粘胶纤维非织 造布复合织物。

          3.3 纳米纤维原料法制备纳米防护服 

          近年来，纳米纤维材料防护制品的高性能性、 功能性、舒适性已经得到全球认可。利用纳米纤维 材料所具有的低密度、高孔隙度和大比表面积等特 点，美国研发了一种“可呼吸性”纳米防护服材料， 不仅能阻挡和过滤生化武器和生化有毒物以及其它 微细粒子，其微孔结构又保障了汗液、蒸汽的挥发 与扩散，实现了对生化武器及生化有毒物质的防护， 同时可呼吸性又保证了穿着舒适性，兼具防护性能 与舒适性能。中科院江雷教授根据“二元协同纳米 界面结构材料”理论成功研制了一种疏水疏油的超 双疏纳米界面功能材料，利用此技术可得到表面双 疏纺织品。 

           4 纳米技术在防护服中的发展趋势 

            随着纳米技术的发展，人们在微电子和光电子 学科交叉研究更加紧密，纳米技术使光电器件信息 的运算、处理、传输、存贮性能产生质的提高。例 如，美国曾研制了一种智能“聪明内衣”防护服。 该防护服中植入有光纤网络和电聚合纤维，一旦着 装士兵受伤，该防护服配备的检测测量系统、分析 打击声音的拾音器及微型无线电收发芯片就会联合 作用并通过分析，判断并显示士兵受伤部位及类型， 同时将信息通过无线电收发芯片传送到救护中心， 在最短时间内为伤员提供救治，大大减少人员伤亡。 随着科学技术的发展，人类对纳米技术的利用 意识和防护意识也在日益增强，如能合理安全的使 用纳米技术，我国的生化防护服研发将迎来一个崭 新的局面。

         参考文献 : [1]Hiddema-Van de Wal A, Smith R J, van der Werf G T, Meyboom-de Jong B. Towards improvement of the accuracy and completeness of medication registration with the use of an electronic medical record (EMR).[J]. Family practice, 2001; (3):288-291. [2] 吕晖 , 朱宏勇 , 程昊 . 生化防护服的发展概述 [J]. 中国个 体防护装备，2014;(3):19-21. [3] 李小银 . 防毒服装发展史话（上）[J]. 轻兵器 , 2002;(06): 38-39. [4] 李小银 . 防毒服装发展史话（下）[J] . 轻兵器，2002;(07):37. [5] 司戈 . 消防生化防护服的现状和发展趋势 [J]. 消防技术与 产品信息，2004;(1): 67-70. [6] 田涛 , 段惠莉 , 吴金辉 , 郝丽梅 , 杨荆泉 . 国内外生化防护 服的研究现状与发展对策 [J]. 医疗卫生装备，2008;(7): 29-31. [7] 梁高勇 , 张建春，等 . 生化防护服的材料设计 [J]. 国外纺 织技术 , 1999;(5):11-14. [8] 徐丽慧 , 葛凤燕 , 蔡再生 . 功能性防护纺织品研究进展[J]. 染整技术，2011;(1):6-10. [9]Eychmuller A. Structure and Photophysics of Semiconductor Nanocrystals[J]. Cheminform, 2000;(28):6514-6528. [10] 孙炳军 , 张玉海 . 纳米技术与纳米材料在纤维中的应用 [J]. 中国纤检，2013;(23):74-76.

转自《山东纺织经济》作者：钟卫兵 卿 星 王跃丹