生化武器——防护服地研究现状与发展展望

生化武器——防护服的研究现状与发展展望

东华大学玉珠 2120528

摘要：本文综述了防护服的分类、发展和防护机理，分类说明了防护服对材料的要求，详细介绍了生化防护服的标准体系，并综述了防护服的发展趋势。

关键词：防护服防护机理标准发展趋势

在现在工业发展越来越快的环境下，很多人经常与火焰、高温、熔融金属、腐蚀性化学品、低温、机械加工等等接触，这样就会产生危险，对于这些危险，就需要专门的防护装备来保护整个身体。防护服就是其中重要的一种，它能有效地保护作业人员免受环境中物理、化学、生物等因素的伤害。随着科学技术的发展和人们生活质量的提高，防护服的美观性和舒适性也显得越来越重要。而评价一件防护服质量的优劣，可以从“防护有效、安全适用、穿着轻便、舒适美观”几个方面进行衡量[1]。

1 防护服的概念及其分类

防护服装属于功能性服装中的一类,主要用于保护在各种劳动场所作业的人员免受劳动环境中的物理、化学和生物等因素的伤害。防护服装的防护功能是伴随着工业发展与进步不断增加与提高的,是作业环境的需要,更是对人体保护的需要。

根据其应用领域的不同,防护服装可以分为公共事业用, 军事用, 医疗卫生用, 工业、建筑业和农业用, 娱乐业用等几大类。

根据防护对象的不同, 防护服装又可分为两类:一般防护服和特殊作业防护服。一般防护服是指以常规纤维的纯纺或混纺织物为材料; 特殊作业防护服则是针对某一工作环境中存在的某种或某几种特征性的危害因素, 具有特定的防护功能, 适用于特定环境下穿着的防护服, 其种类有阻燃隔热服、防寒保暖服、防静电服、防化服、防水服、防辐射服、抗菌防臭服、抗油拒水服、防紫外线服、防尘服、微波防护服和防毒服等二十几种[2]。

化学防护服材料根据其防护原理的不同, 可分为以下三种类型[3]：解毒型防护材料，隔绝型防护材料，吸附型防护材料等。根据化学防护服防护程度的不同,

美国环境保护局( EP A )将防护等级分为四级[4] A级、B级、C级、D级，A级防护为最高等级的防护，B级防护能防止任何液体进入防护服, 但气体和湿汽可以渗透。C级防护服可对轻度污染提供一定的防护作用,紧急救援人员一般不用 C 级防护。D级防护属于一般防护, 不能作为紧急救援人员的防护服。

我国的化学品生产正在高速发展,规模逐年扩大。一些高危化学品被广泛应用着，由于种种客观或认为的原因会发生泄漏等意外事故，危机人们的生命安全，参与处理这类事故的应急抢险人员需要配备一定的防护装备, 以避免危害性化学物质对人体造成伤害。。然而目前我国危险化学品行业从业人员和应急救援人员用防护服装的产品标准和配备标准尚不完善,国虽有相关产品研发, 但其功能与国外同类产品相比,尚存在一定差距。因此我们任重道远[5]。

2化学防护服的发展

防化服的发展大体经历了隔绝式、透气式、半透气式和选择透气式四个阶段,但各个阶段不是孤立的, 而是相互有联系[6]。

隔绝式防护服是一类对液态、气态和气溶胶物质都不能透过的防护服。它通常采用丁基橡胶或氯化丁基胶的双面涂层胶布等不透气材料制成, 具有优良的生化毒剂防护性能。采用丁基橡胶涂层制成的 SMA 轻型隔绝式防护服, 能对核生化威胁及控爆剂提供全身防护。但它存在易燃性和溶胶性的缺点, 因此, 美国正在研究用氯化丁基胶和溴化丁基胶取代丁基胶[7]。TST防护服、英国的HZ07OJX21B生化防护服均属于此类。但是隔绝式防护服完全不透气, 难以长时间穿着在身, 因此需要配备质量重、体积庞大、价格昂贵的微气候调温装置。所以尽管隔绝式防护服防护性能好、造价低、可重复使用, 可供接触高浓度物质的人员使用。但由于其不透气, 生理舒适性能极差且笨重, 因此只能在生化战剂污染较严重的地方短期使用[8]。为了改善防化的生理性能，解决散热透湿和对化学药品蒸汽的防护问题，许多国家纷纷致力于透气式防护服的研究。透气式防化服的防护机理分为化学吸附和物理吸附[9]

透气式防护服是一类可透过空气和湿气, 但阻止毒剂气体透过的防护服。它通常由外层织物、吸附层和层织物构成, 具有防毒、透气、散热的功能, 生理性能得到明显改善。但高静态压力时液态化学物质、有毒蒸汽和气溶胶均可以透过。为获得排斥液体的能力, 通常在外层织物上涂覆含氟聚合物涂层之类的功

能表面剂[8]。但透气式防护服存在 4 个主要问题[9]:(1)活性炭吸附是一种物理过程, 环境温度、湿度的改变有可能引起被吸附毒剂的解析, 产生二次污染。(2)某些不需要防护的物质也会被活性炭吸附, 降低了活性炭的吸附能力。(3)为达到足够的防护性能, 活性炭的使用量需达到 160～300 g/m2,防护服质量和体积的增加直接影响了穿着者的行动能力。(4)不具备对气溶胶的防护, 并且在高静态压力下, 与之接触的水、液态化学物质和有毒蒸气也可以穿过。

半透气防护服是一类允许小分子气体, 例如水汽、小分子化学毒气透过, 但阻止大分子气体及液体和气溶胶透过的防护服, 它通常由微孔材料制成。当材料微孔处于合适的尺寸时, 具有良好的液体和气溶胶阻隔性能, 同时允许水蒸气透过, 因而具有良好的舒适性能。美国 Gore公司研制的 Gore- Tex 膜是微孔膜材料的代表性产品, 是一种由聚四氟乙烯微孔膜和拒油亲水聚氨酯构成的复合膜。Gore- Tex 膜具有良好的透湿性, 能有效减少防护服的“热应激”现象; 并且 Gore- Tex 膜具有良好的抗渗透性能, 可有效地防止液体和气悬溶胶的穿透。因此, 它被广泛应用于生化防护服体系。

但是半透气式防护服只能提供生物防护, 对于有毒的化学蒸气仍可透过, 若要增加化学防护, 还必须添加吸附材料。

选择性透气式防护服是一类选择性地只允许水汽分子透过, 而阻止其他液体、气体和气溶胶物质透过的防护服。它通常由选择性渗透膜材料制成, 通过溶解/扩散机理透过水汽分子。不需要添加吸附型材料就可以对液态、气相化学剂、气悬物、微生物和毒素提供有效的防护。

3 防护服的防护原理

生化防护服是对在有毒有害的生物、化学物质环境下作业的人员进行既能保护皮肤,又能保护呼吸道、消化道等不受毒害的各种防护性服装[10]对人体造成伤害的有毒有害的生物、化学物质很多,而且有多种存在形式,其性质各不相同,因此对生化防护服的防护性能要求也不同。有毒有害的生物、化学物质主要以气、雾、烟、液、粉 5种状态(雾和烟又统称为气溶胶状态)[11]进入人的呼吸道、消化道、眼睛、粘膜、伤口或侵蚀人的皮肤等,造成对人体的伤害。其特点是不易识别,伤害因素和途径多, 面积效应大,危害持续时间长,有些还具有强的传染性, 因此要求防护服必须采用科学的方法防护对人体的伤害。

现有的化学防护服可分为三大类：第一类为隔绝型防护材料，其要求能阻止分子级化学物质的渗透和非分子级化学物质的穿透。生产加工一般采用涂层或层压复合的方法，在织物上涂敷或层压特种薄膜，采用的涂敷或层压材料有橡胶、含氟树脂、聚乙烯及聚氯乙烯等热塑性树脂;第二类为吸附型防护材料，通常是在纺织品中添加具有大量微孔的物质(如活性炭)等，使防护材料对毒气、毒液等具有很强的吸附能力，起到防护作用;第三类为选择性透过膜防护材料，这种选择性透过膜材料可阻止分子结构较大的化学毒剂、生物毒剂和有毒工业品透过，同时可以让人体散发的汗气自由透过，但对小分子物质如氨气、氯气、光气等的阻隔效果较差。生产一般是将选择性透过膜与织物进行复合而得到[12]。

4 防护服对防护材料的要求

根据不同的防护水平和外界环境,生化防护服可以采用不同的防护材料、面子布和里子布、服装款式和服装闭合体。但是 ,生化防护最根本的目的是保护穿着者不受危险的化学剂、有毒的物质以及可怕的微生物的伤害。目前的防护体系足以保护穿着者不受生化学剂和微生物的伤害。然而普通防护服厚、重 ,体积大 ,带来了诸多不便 (如服装加工难度大，服装穿脱时间长等),同时也产生了较多的副作用如“热积聚”现象和“冷凝”现象等[13]。

通常 ,渗透型面料由非织造面子布、吸附型材料 (如活性炭饱和泡沫) 或装入非织造毡片的碳末以及里子布组成。由于非织造面子布不仅可以透过空气、液体和气悬物 ,而且也能透过化学气体,因此需要附加吸附型材料来吸附有毒化学气体。在较低的静水压下,液体能很容易的通过渗透型材料,因此 ,可选用功能整理 (如 Q u a r P e l à整理、氟化物涂层、拒水整理等) 以提高面子布的抗液性[14]。半渗透型材料 (如美国 G o r e公司开发的 G o r e —T e x à膜和总后军需装备研究所开发的 PT FE 膜) 具有优良的透湿性能 ,能有效减少防护服的“热积聚”现象,同时良好的抗渗透性也有效防止了液体和气悬物的穿透。相对于渗透型材料 ,半渗透型材料的性能有一定程度的改善,然而毒性化学气体仍旧可以透过半渗透型材料。因此 ,半渗透型材料需要添加吸附型材料以吸附有毒化学气体。

非渗透型材料 (如丁基—橡胶、氯丁—橡胶和其它弹性聚合物)具有良好的抗渗透性能可以有效防止液体、化学气相和气悬物的通透。缺点是阻碍身体产

生的“湿气”向外界环境的传递性能。在较热的环境下 ( 如热带地区 ) 长时间穿用非渗透型材料制作的防护服 ,会产生“热积聚”现象 ;同样 ,在较冷的环境下 ( 如北极地区) 长时间穿用非渗透材料制作的防护服 ,会产生“冷凝”现象。因此 ,必需装备微气候凉/ 热体系以补偿不透湿时产生的不平衡状态。在这方面 ,美军新近开发的改进型毒性溶剂防护服就是不渗透型面料体系的成功例证[15]。

选择渗透型材料具有非渗透型材料和半渗透型材料的复合功能 ,不仅能防止危险化学剂的通透 ,而且具有良好的透湿性能。选择渗透型材料的防护机理是依靠选择性溶解扩散原理 ,而碳基织物的防护机理却是依靠活性炭材料的吸附作用达到防护效果。

5 工业化学防护服标准体系

我国工业化学防护服相关标准有明显的缺失。GB12012一1989《防酸工作服》、GB12013一1989《防酸工作服性能试验方法》、GB17956一2000《防尘服》、GB12799一1991《抗油拒水防护服安全性卫生能要求》这些原本与防液体、固体颗粒相关的防护服标准，均被列入与2005年10月14日公布的《废止国家标准目录》[16]。我国工业用化学防护服处于无标准状态已多年。为规工业化学用防护服的监督管理，国家安全生产监督管理总局特种劳动防护用品标志管理中心组织人员，对原特种劳动防护用品许可证办公室制定的《特种劳动防护用品劳动防护性能检验实施细则》进行了全面修订，于2007年10月公布《特种劳动防护用品劳动防护性能检测检验规(试行)》，以填补个体防护用品产品标准、检测方法标准的空白。

目前, 美国、欧洲和 ISO 均有关于化学品防护服的标准体系, 其容涵盖了化学防护服对化学物质防护性能的系统实验方法、化学防护服标准和分类体系、化学防护服的选择使用和维护的标准及规定。三大标准体系各有其特点。

虽然在三大标准体系中的各种性能要求及测试方法各不相同, 但是它们都对阻隔有毒化学物质的能力、物理机械性能、舒适性做了规定, 它们都包含了对有毒化学物质的阻隔能力、物理机械性能和舒适性的规定。对有毒化学物质的防护主要考虑的是对每种化学物质的抗穿透性和抗渗透性[17]。

我国与欧盟工业化学防护服标准体系的比较,长期以来，国化学防护服标准

一直没有形成一个体系，只限于对某些液态物质或尘粒的防护，甚至可以说国没有可以称之为化学防护服的相关产品标准，这也是造成国工业用化学类防护服防护技术与检测技术远远落后于欧美，市场产品完全被欧美占主导地位的一个原因。欧美国家对生产经营单位化学物质的防护要求很严，对工业化学防护服的要求也非常明确。从国外工业化学防护服标准体系的基本构成，至少可以看出以下几点[18]:

(l)国的标准仅限于对指定的酸、油、尘等极少数类别化学物质的防护要求，覆盖面极窄，没有系统的穿着使用指导，基本上没有形成标准体系。

(2)欧标体系按不同的保护水平，划分了工业化学防护服的等级，提出不同级别防护服的技术要求与相应的检测方法，并通过工业化学防护服选择、使用、维护指南，指导使用者根据工作场所的实际化学危害情况选择适宜、可靠的防护服。产品标准、检测方法标准与指南标准一起，形成较完整的标准体系。

(3)美标没有确切的工业用化学防护服的产品标准，1994年版NFPA1993《危险化学物质操作之辅助功能防护服装》已于2001年1月月14日废止，在2005年版NFPA1992《液密型化学事故防护服标准》中合并了对支持职业活动的液体喷溅防护的某些要求，但给出了详尽的评价化学防护服用检测方法标准指南。

6 生化防护服的发展趋势

随着新材料、新技术的不断发展, 生化防护服呈现出多功能化、智能化、高科技化、高性能和舒适化的趋势。其技术关键是在新型防护材料的研究上取得突破，如果能开发出轻便、透气、防火又满足CBRN防护要求的防护服，那么消防员可以随时穿着这种防护服，不必携带各种适用于不同情况的防护服[19]。还可以通过采用新型智能材料智能软件和系统来实现智能化，比如是设计一种防护服，可以再防护服划破后，自动发出报警信号[20]，还有防护服在具有分解化学毒剂功能的同时，能通过自动调温纤维对周围温度作出反应，提高舒适性和保暖性[21]。采用新材料、新技术, 提高防护性能也是生化防护服的发展趋势，美国纳蒂克士兵系统研究中心将静电纺丝技术应用于生化防护服[22], 将不同种类的聚合物和纤维交缠在一起形成电纺薄膜, 经特殊加工后用于生化防护服。使其具有高的过滤效率和低的透气阻力。利用生物技术, 把具有“吃”生化战剂功能的酶和微生物共价到纤维织物上, 制成一种灭菌、抑菌和自行解毒功能的生物纤维[23]。