干货 | 浅谈功能性防护纺织品技术应用
1引言
随着工业的飞速发展,人们在工作、生活中面临越来越多的威胁,如水、火、静电、放射源、毒剂、病毒等,为了抵御这些威胁,减少不必要的损失,人们曾运用各种防护装备,防护服便是其中重要的一种。作为保护人体安全的必备用品,防护服应具备一定的安全性、功能性、美观性和舒适性,不仅能有效地保护作业人员免受“恶劣”环境的危害,还能突出体现高新科技的应用。近年来,科学技术迅猛发展,人们的自我防护意识越来越强,对纺织品的安全防护性能提出了更高的要求,从主观上和客观上推动了功能性防护纺织品的发展。
2国内外研发现状
2.1国际现状
近几年来,国际上防护纺织品的研究和开发技术发展非常迅速,已成为劳动防护中一个十分活跃的分支。随着高分子材料的不断开发,功能性防护服的品种和应用领域逐渐扩大,防毒服、防虫服、防红外服、防切割服、致冷服、宇航服等不断问世,并且具有多种功能的防护服也陆续开发成功;高性能多功能防护纺织品及新型加工工艺不断涌现,Nomex、Basofi1、Kerme1、PBI等高性能纤维纯纺及混纺耐高温阻燃防护服已推向市场;有关防护纺织品的国际性学术会议频繁举行;防护服学术团体和标准化机构不断增多,新标准不断制订,目前国际标准化组织(IS0)、欧洲标准化委员会(CEX)、美国材料与试验协会(ASTM)等机构都设有防护服专业委员会或分委员会。
2.2国内现状
我国具有特种功能的防护服起步较晚,发展中遇到了种种困难。80年代中期至90年代初期,防护服的研究开发才逐渐活跃,1991年“全国防护服研究会”的筹建,对防护服技术的交流与推广起了推动作用;90年代至今,我国系列装的防护服有几十个品种,并广泛应用于各行各业,而且研究开发了高性能纤维,如芳纶1313及芳纶1414等纤维己开始工业化生产,多功能复合的防护服己在不同行业穿用,如抗静电抗菌防毒防护服、阻燃抗油拒水防酸防护服等。各种防护服的国标、行标和地方标准不断完善、监督检查机构也日趋健全。目前,我国虽有防护服相关技术的研究及产品生产,但与国外发达国家相比,尚存在一定差距,防护服在多功能复合、防护性与舒适性协调等方面还存在一些问题,防护服标准及评价测试手段将有待完善。
3功能性防护纺织品的分类
功能性防护纺织品具有抗紫外线、防辐射、阻燃、耐高温、抗油、防酸、防静电、防恶劣气候等功能,为危险环境的工作人员提供安全防护,以避兔生命财产的巨大损失。其具体分类如下:
3.1按防护对象分类
根据防护对象的不同,功能防护纺织品可分为一般作业和特殊作业用防护纺织品。一般作业防护纺织品是指在一般工作环境下为防污、防机械磨损、防绞碾等普通伤害而穿用的纺织品,如防护手套、护袖、护腿等,可为机械加工领域的工作人员提供安全保护。一般作业防护服面料可供选择的范围比较广,不同档次的纯棉、化纤、混纺织物等均适宜制作。特殊作业防护纺织品适用于直接危及劳动者安全健康的工作环境,能避免和减轻职业危害,其专用性较强,采用的面料必须符合国家及行业特种防护功能的技术要求,主要应用于化工、冶金、石油、电子、消防等领域。
3.2按应用领域分类
按照应用领域来划分,功能防护纺织品又可分为公共事业用、军事用、医疗卫生用、休闲运动用、工业用、建筑业用、农业用等几大类。公共事业用纺织品如公交防护服大多采用回归反光材料和光致发光材料,增加物体(人、道路等)的醒目程度,以避免事故的发生;军用防护纺织品可分为防弹衣、防核服、防生化服、伪装服,其作用是最大限度地帮助士兵有效地抵御、防范和抗击恶劣的气候条件及常规、生物和化学战争,据资料介绍,具有多功能防生化及有害气体的防护服己问世;目前医用防护纺织品用量较大,要求穿着舒适、操作方便、安全、防毒、防菌、耐磨、抗撕裂,还要防意外切割、免除水洗、减少手术感染等功能。美国戈尔公司的外科隔离膜类Crosstech EMS织物,既能阻止血液、体液和病毒渗透,又具有透气性和舒适性。郝新敏等人研制了PTFE复合膜“非典”防护服,具有耐久的隔离病毒、防血液渗透、防静电、防水、防油、抗菌、透湿等多功能性;休闲和运动用防护纺织品主要指摩托车手、登山者、滑雪者、溜冰者等所穿着的防护服,如美国Dow Corning公司研发了一种积极防护系统纺织品,不仅有效保护人体免受伤害,还具备透气性、柔韧性、灵活性、轻便性、易护理性等优点。
3.3按防护功能分类
防护纺织品的功能是针对特殊的作业环境而设计的,这些环境因素大致可以分为物理因素(高温、低温、风、雨、水、火、粉尘、静电、放射源等)、化学因素(毒剂、油污、酸、碱等)、生物因素(昆虫、细菌、病毒等)。防护纺织品按功能分类主要有:阻燃隔热、化学防护、防静电、防水透湿、辐射防护、防寒保暖、防紫外线、防蚊虫、抗菌防臭、拒油防污等各种功能织物。
4主要防护纺织品的研究动态
4.1阻燃纺织品
阻燃纺织品是指在接触火焰或炽热物体后,能防止本身被点燃或可减缓并终止燃烧的劳动防护织物,适用于在明火、散发火花或熔融金属附近操作,或在有易燃、易爆物质、有着火危险的环境中作业。阻燃织物主要通过两种方法获得:一种是对纺织品进行化学改性或阻燃后处理,该方法成本低,但阻燃性一般随着使用年限和洗涤次数的增加而逐渐降低或消失,如Yang H等人用含羟基功能性有机磷低聚物对尼龙/棉混纺织物整理,获得较高的阻燃性;另一种方法是直接生产阻燃纤维或用耐高温阻燃纤维制成的织物,具有永久阻燃性。高性能阻燃纤维主要有PBI、Nomex、Kerme1、芳砜纶、酚醛纤维、三聚氰胺纤维等。瑞士、美国采用C.P法生产的阻燃布达到较理想效果,我国从英国引进PR0BAN生产的纯棉织物阻燃性能较好,无熔融滴落现象。最近,兰精公司采用莫代尔工艺,将阻燃介质永久地植于纤维内部,生产了一种持久稳定的亲肤热防护纤维,并具有良好的湿气传导功能。
4.2化学防护纺织品
化学防护纺织品能够防止毒性、腐蚀性、可燃性、反应性等危险性化学品引起伤害,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或橡胶材料。按照防护对象,化学防护纺织品可分为防酸服、防毒服、防尘服等,依据防护材料是否具有透气性,化学防护纺织品又可分为隔绝式和透气式两类。隔绝式防护纺织品一般用涤纶织物为基布,选用经特殊处理过的丁基橡胶、合成橡胶、聚氯乙烯、聚乙烯薄膜等材料,并制成相应的防护服,用于在严重受污染区内执行专业保障的人员使用,主要防护有毒气体和蒸汽,但这种防护服由于缺乏透气性易引起热疲劳。透气式防化服大多使用炭绒织物、喷炭泡沫塑料、复合材料等双层结构,外层承担各种穿着强度,内层材料须经含氟树脂与活性碳涂层处理,吸附毒液、毒气并阻滞其通过,以免侵及皮肤。美国杜邦公司研制的纺粘非织造布Tyvek,具有优良抗张强度、耐化学性、可呼吸性及尺寸稳定性,制备的TYCHEM C型防护服能有效防护有害超细粉尘、高浓度无机酸、碱及盐溶液。此外,杜邦公司的saranex防护材料和Viton氟橡胶材料也具有优异的防化学阻隔性能。
4.3防静电纺织品
防静电纺织品能够通过电晕放电或传导使静电泄漏,从而具有永久抗静电性能,适用于在易产生静电的场所工作人员穿用,如电子、航空、航天、石油、煤矿等行业。现国内己有渗碳型纤维、不锈钢纤维、改性腈纶纤维等,国网电力科学研究院采用不锈钢纤维与纺织纤维混纺交织,制备了一种1000kV特高压交流静电防护服,并具有较好的电场屏蔽效能及穿着舒适性。制备抗静电织物,也可在纤维内部添加导电物质或抗静电剂,或在纺织时加入导电纤维或超细金属丝等以获得抗静电效果。近年来,科研人员通过在织物中按一定间隔排列皮芯型导电纤维来进行抗静电织物的开发,得到涤纶(皮)与碳素纤维(芯)形成的皮芯型复合纤维、锦纶与碳纤维混合纺丝形成的复合纤维等。日本押田正博以含碘化铜的聚乙烯为芯,聚酯PET为皮,采用复合纺丝法制得的有机导电纤维中导电组分沿纤维轴向连续,易于电荷逸散。
4.4防水透湿纺织品
防水透湿纺织品,即水在一定压力下不浸透织物,而人体散发的汗液等以水蒸汽的形式通过织物传导到外界,其种类主要有高密织物、引入亲水基团涂层织物、微孔涂层薄膜层压复合织物、利用防水剂整理过的织物等。日本帝人公司利用超细纤维制成了防水高密织物Microft Lectus,耐水压为6000-7000Pa,透湿量大于8000g/m2?24h。引入亲水基团的涂层织物具有防水透湿性,原因是透湿分子和无孔膜之间存在“吸附-扩散-解吸”的过程[15],典型产品如英国的Wi1cof1ex Staycoo1和日本的Prooface涂层织物,可较好地满足防水与透湿相结合的要求。采用微孔透湿机理己开发出许多防水透湿织物,如湿法PU(聚氨酯)涂层、干法PU涂层及PTFE(聚四氟乙烯)层压复合织物等。美国于七十年代初推出的Gore-Tex织物,是由聚四氟乙烯微孔膜与织物层压而成,防水透湿性能优异,但其价格较高。
荷叶表面存在着无数微小的乳头状突起,并附有蜡质,具有高度拒水自洁的织物,使表面具有基本的拒水性和纳米级的粗糙度。Xu B,等人首先在棉织物上制备ZnO纳米棒,再用十二烷基三甲氧基硅烷进行拒水改性,构筑了超疏水表面,Geun Y.B.等人采用纳米SiO2与拒水整理剂同时处理棉织物,使其达到超拒水效果。另外,Qi H.J.等人利用离子束磁控溅射法在织物表面生成一层含氟高分子拒水膜,制备了防水透湿织物。
4.5辐射防护纺织品
辐射可分为粒子辐射和电磁波辐射。粒子辐射中比较难防护的是中子,中子辐射防护服主要由防中子辐射纤维制成,其作用是将快速中子减速和将慢速中子吸收。日本将锂和硼的化合物粉末与聚乙烯树脂共聚后,采用熔融皮芯复合纺丝工艺研制了防中子辐射纤维材料。国内采用硼化合物、重金属化合物与聚丙烯等共混后熔纺制成了皮芯型防中子纤维。
电磁波辐射包括微波辐射、红外线、紫外线、X射线、Υ射线等,电磁辐射对人体的危害较大而又难以防护。依据原材料及加工方式的不同,电磁辐射防护织物大致有两种研发途径:一是采用具有电磁屏蔽功能的纤维加工成纺织品;二是在织物上施加具有电磁波屏蔽性的功能整理剂,如织物镀覆金属加工和电磁波吸收剂涂层整理。电磁波屏蔽功能纤维包括本征型导电聚合物纤维、复合型高分子电磁屏蔽纤维、金属纤维碳纤维以及镀金属纤维。东华大学周兆懿等人在涤纶织物上采用原位聚合法制备涤纶/聚苯胺本征导电复合织物,赋予涤纶织物良好的导电性能。日本Anebo公司开发了X-Akge微波防护服,将银镀到锦纶纤维上,制成的织物手感柔软、耐洗性好,可以完全屏蔽移动电话发出的微波。
4.6防寒保暖纺织品
人们一直期望质轻、舒适的防寒保暖服。近年人们曾研究一种隔热性能超过禽类羽绒的材料,并己取得一定的成功,如柔软而能包含静止空气的絮填产品。为了能在纤维体积与重量最小的条件下,制成能容纳最大量空气的纤维,最新又制成了各种不同截面形状的纤维,以及中间有不同形状空隙的中空纤维。针对高寒的环境,叉研制出了将电能转化为热能的蓄热保暖服。防寒保暖服的发展方向是以功能性保温、调温纤维作为保暖内层,以透气防水织物作防风、防雨且透湿外层。较为成功的防寒保暖制品是3M公司的Thinsu1ate,该产品为烯烃微细纤维与涤纶纤维的混合体,隔热效能非常优异。美国Arthur D Litt1e公司设计了一种适合在南极使用的多层服装,内层是经亲水整理的聚酯绒毛内衣,中间层是刷状的高蓬松聚酯绒毛隔热层,外层是PTFE涂层整理的防水防风透气芳纶针织物。
5防护纺织品发展趋势
5.1开发新型高性能纤维
高性能防护纺织品是高附加值产品,其中有些防护织物是采用高科技纤维纯纺,或与其它纤维混复合而成。近年来,各种高性能新纤维不断出现,超高强聚乙烯纤维产品有A1lied Signals公司的Spectra、DSM公司的Dyneema和Mitsui公司的Tekmi1on,可制备具有防弹、防切割和防刺伤等性能的防护服。目前,防护纤维原料向差别化、功能化和高性能化发展,随着高性能纤维品种的增加和性能的不断完善,功能服装的防护能力将得到更大的提高。
5.2防护服的多功能化
防护服在使用过程中,往往经受多种外界因素的作用,在实际工作环境中面临的危害往往比较复杂,因此,制备适用于各种环境的集多种防护功能于一体的防护服具有重要意义。Zhang J.C.等制备了具有抗静电、抗菌、防水防油特性的PTFE/PU复合层压防护服材料。Tsafack M.J.等利用等离子体诱导接枝技术处理棉织物,使其具有耐久阻燃、拒水多功能性。随着功能兼容技术的多样化,未来的防护服将是多项防护功能的载体,能提供更全面的防护,其应用领域也将不断扩大。
5.3进一步提高防护服的舒适性
防护性能是防护服最重要的性能,但舒适性对防护服的成功推广应用具有重要影响,是高性能防护服的主要性能指标之一。因此,随着科学技术的发展,在强调防护服功能性的同时,还应协调好健康舒适性与防护性能的关系。防护服的舒适性能与防护材料的透湿性、手感、重量、保温隔热性能等因素有关,如何减轻服装负荷、内衣微气候调节、进行抗菌加工等问题越来越受到人们的关注。
5.4新型整理技术的应用
近年来,一些新型节能环保后整理技术相继问世,如等离子体技术、纳米技术等,使防护纺织品的发展获得一定的突破。利用等离子体技术处理织物,能改善纤维表面性能,可用于生产防水防油织物,也能够提高防护服粘接强力,增加服装功能,促进防护服进入多元化市场。应用纳米粉体对各类化纤进行改性可以制备多种功能性纤维,如抗菌防霉吸湿纤维、耐热纤维、防辐射纤维、阻燃纤维,还可采用纳米复合纺丝法来生产功能织物。美国采用纳米技术研制的新?代军用服装具有轻巧、智能化、防护性、治疗功能、识别功能、隐身功能等。纳米技术作为21世纪的先进技术,在防护服装领域具有很大的发展前景。
5.5智能型防护服的研发
防护服不仅要具有多种防护功能,而且要具有智能保健与生命安全的作用,这是防护服的一个重要发展方向。近年来,智能纺织品取得了快速的发展。将形状记忆材料和相变材料植入织物中,通过改变人体与环境形成的微气候以达到保护人体的目的;在防护服中加入微电子系统可制备电子智能化防护服,如美国Georgia理工学院研制的CTWM智能型衬衫,能够根据外界环境进行自我调节;智能纤维包括热阻自由调节纤维、自发光纤维及基于GSM技术的定位跟踪纤维等。此外,有些智能纤维能够根据外界环境温度变化改变颜色,适用于军用服装材料以实现隐身功能。
6结语
目前,防护纺织品具有阻燃、隔热、防酸、防毒、抗静电、防水透湿、防辐射、防寒保暖等功能,己成为技术含量高、品种功能齐全、市场容量较大的科技领域。随着人们生活水平的提高和劳动保护政策的不断健全,人们对防护服的安全防护性能要求日益提高,防护纺织品越来越受到消费者的亲睐,其应用领域也日益扩大。因此,开发节能环保、健康舒适、安全防护的多功能防护纺织品,利于提高纺织品的附加值,适应市场发展的需要,同时对保障人们的健康安全具有重要的现实意义。
