楊 濤 石 敏 萬(wàn)星辰 姚理榮

（1.南通大學(xué)，江蘇南通，2260192；

2.安全防護(hù)用特種纖維復(fù)合材料研發(fā)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，江蘇南通，226019）

1 問(wèn)題的提出

隨著核技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，它在給人們帶來(lái)便利的同時(shí)也產(chǎn)生了很多危害。其中，在醫(yī)療、工業(yè)探傷、農(nóng)業(yè)育種、核原料開采加工、乏燃料后處理以及核應(yīng)急等領(lǐng)域都會(huì)產(chǎn)生電離輻射；經(jīng)常接觸輻射的人會(huì)出現(xiàn)皮膚發(fā)紅、毛發(fā)脫落、眼疾、神經(jīng)衰弱等癥狀，因此在人員防護(hù)方面的研究是一個(gè)十分迫切的需求。目前，國(guó)內(nèi)輻射環(huán)境領(lǐng)域從業(yè)人員達(dá)數(shù)百萬(wàn)，過(guò)于笨重的個(gè)體輻射防護(hù)裝備會(huì)嚴(yán)重影響工作人員的工作效率，所以開發(fā)出輕便靈活且防護(hù)性能優(yōu)良的輻射防護(hù)用紡織品必不可少。輻射防護(hù)用紡織品主要分為對(duì)個(gè)體的防護(hù)和對(duì)設(shè)備的防護(hù)，當(dāng)前個(gè)體防護(hù)用紡織品已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。防核輻射紡織品的研究方向主要有兩個(gè)。一種是先通過(guò)共混和復(fù)合紡絲的方法制備防輻射纖維，然后再制成紡織品；另一種是對(duì)織物表面進(jìn)行整理從而獲得防輻射性能。本文就以上內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)要的綜述，并展望了未來(lái)輻射防護(hù)用紡織品的發(fā)展方向。

2 電離輻射及對(duì)人體的危害

輻射在本質(zhì)上可分為電磁輻射和粒子輻射，按能否將物質(zhì)電離分為電離輻射和非電離輻射，其中電離輻射包括高能電磁輻射（如X 射線、γ 射線）和高能粒子輻射，其余為非電離輻射。

電磁輻射以電磁波的方式傳播能量。能量由高到低排列的電磁輻射有γ 射線、X 射線、紫外線、可見(jiàn)光、紅外線以及無(wú)線電波。粒子輻射以消耗自身的動(dòng)能傳遞能量；主要的粒子輻射有α 粒子、β 粒子、質(zhì)子、電子、π 介子、重離子和中子［1］。

2.1 電離輻射的定義

電離輻射是指在生物物質(zhì)中使分子或原子發(fā)生電離、產(chǎn)生電子對(duì)的輻射，包括X 射線、γ 射線、α 粒子、β 粒子、質(zhì)子、中子和高能電子等。射線儀器和放射性核素是最常見(jiàn)的電離輻射源。

X 射線與γ 射線都是不帶電的電磁波輻射，它們是以產(chǎn)生的方式不同而劃分的，不是以能量的大小而劃分的。通常X 射線是在X 射線管內(nèi)高速運(yùn)動(dòng)的電子與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的，可以人為控制［2］。X 射線波長(zhǎng)短，能量高，穿透力也較強(qiáng)，較難防護(hù)。γ 射線、α 粒子、β 粒子是原子核自發(fā)衰變能級(jí)躍遷退激時(shí)放射出的射線。γ 射線是一種比X 射線波長(zhǎng)更短、能量更大的電磁波，具有光速，且穿透力很強(qiáng)，在空氣中的射程有幾百米。α 粒子是高速運(yùn)動(dòng)的一個(gè)氦原子核，是重帶電粒子；其電離能力很強(qiáng)，但穿透力很弱，一張普通的紙就可以擋住，且在空氣中的射程僅為幾厘米。β 粒子是高速運(yùn)動(dòng)的電子，屬于輕帶電粒子；其電離能力比α 粒子弱，穿透力雖然比α 粒子強(qiáng)，但也很有限，1 MeV 能級(jí)的β 粒子僅能穿透幾毫米的鋁板。

中子是原子核的組成部分，不帶電，貫穿能力很強(qiáng)。中子的能量大小差異很大，最大的可達(dá)1 GeV，最小的只有幾納電子伏。中子按能量大小可分為：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，慢中子中能量為0.025 3 eV 的被稱為熱中子，能量低于0.005 eV 的其溫度低于液氮溫度，被稱為冷中子。

2.2 射線與物質(zhì)的相互作用

α 粒子與物質(zhì)的相互作用是通過(guò)不斷與原子核外電子碰撞電離而轉(zhuǎn)移能量，且在碰撞過(guò)程中幾乎不改變方向，直到能量耗盡。β 粒子與物質(zhì)的相互作用也主要是通過(guò)與電子碰撞電離而損失能量，但由于質(zhì)量較輕，在碰撞的過(guò)程中會(huì)不斷改變方向，因此會(huì)運(yùn)動(dòng)較長(zhǎng)路程。

X 射線、γ 射線與物質(zhì)的相互作用只與它們本身的能量有關(guān)，與其他無(wú)關(guān)；主要作用方式為康普頓效應(yīng)、電子對(duì)效應(yīng)、光電效應(yīng)。中子由于不帶電，所以與物質(zhì)的相互作用主要是與原子核相互作用，與核外電子不發(fā)生作用。

中子與物質(zhì)的相互作用可分為慢化和吸收。使中子慢化的主要方式為彈性散射和非彈性散射，吸收中子的方式主要有中子俘獲、核裂變、核反應(yīng)等相互作用［3］。

2.3 電離輻射對(duì)人體的危害

輻射具有無(wú)色無(wú)味、穿透力強(qiáng)等特點(diǎn)，是繼空氣、水、噪聲污染之后的第四大環(huán)境污染。不同劑量的電離輻射在人體的不同部位會(huì)在不同的時(shí)間造成不同的危害。

輻射按照射方式分為內(nèi)照射和外照射，外照射又可分為局部照射和全身照射。人體各部位對(duì)輻射的敏感程度從大到小依次為腹部、胸部、頭部、四肢。大劑量的全身照射會(huì)引發(fā)急性放射病，胸腹部位的照射也會(huì)引發(fā)急性放射病。急性放射病可分為白細(xì)胞損壞的骨髓型急性放射病、頻繁嘔吐腹瀉的腸性急性放射病以及中樞神經(jīng)系統(tǒng)紊亂最后致死的腦型急性放射病。

按照發(fā)病的早晚可分為早期效應(yīng)和遲發(fā)效應(yīng)。在受到輻射幾個(gè)星期內(nèi)出現(xiàn)的病癥為早期效應(yīng)，如急性皮膚損傷、急性放射病等。在數(shù)月后出現(xiàn)病癥的為遲發(fā)效應(yīng)，如輻射致白血病、致癌、白內(nèi)障、輻射遺傳及慢性輻射病。慢性放射病的主要表現(xiàn)為造血組織損傷，可分為局部損害和全身?yè)p害，局部損害主要有皮膚發(fā)紅、毛發(fā)脫落、視力衰退、白內(nèi)障等。全身?yè)p害主要有內(nèi)分泌失調(diào)、神經(jīng)系統(tǒng)紊亂引發(fā)的一系列病癥，如神經(jīng)衰弱、白血病、貧血、消化呼吸系統(tǒng)病變等［4］。目前，根據(jù)輻射來(lái)源及危害，紡織品主要防護(hù)X射線、γ 射線及熱中子。

2.4 國(guó)內(nèi)外電離輻射執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)

近年來(lái)，輻射技術(shù)得到越來(lái)越多的應(yīng)用。為了更好地利用輻射，同時(shí)避免我們的健康和環(huán)境受到威脅，制定一個(gè)輻射執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)控制電離輻射帶來(lái)的危害是必不可少的。我國(guó)的電離輻射執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過(guò)了四代更替，現(xiàn)已與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接軌，反映了我國(guó)輻射防護(hù)技術(shù)的快速發(fā)展。

2.4.1 相同之處

在輻射防護(hù)原則上，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)是一致的，即實(shí)踐的正當(dāng)性、劑量限制、輻射安全與防護(hù)的最優(yōu)化。

實(shí)踐的正當(dāng)性指該輻射實(shí)踐所帶來(lái)的利益大于它所付出的代價(jià)。這里的代價(jià)是指對(duì)操作人員和大眾健康的危害以及經(jīng)濟(jì)利益的損失。這里的經(jīng)濟(jì)利益包括該實(shí)踐所有的花費(fèi)、對(duì)環(huán)境的影響以及資源的消耗。正當(dāng)性還要考慮替代實(shí)踐的利益代價(jià)比，如果后者更好，則該實(shí)踐也是缺乏正當(dāng)性的。

劑量限制是指?jìng)€(gè)人受到照射的劑量不超過(guò)規(guī)定的劑量限值，以保證個(gè)人不會(huì)受到健康損害。其目的是為了降低隨機(jī)危險(xiǎn)事件發(fā)生的概率，使之達(dá)到可以接受的程度，減少社會(huì)的壓力。

輻射與安全的最優(yōu)化是指付出最小的代價(jià)、收獲最大的利益，它是整個(gè)體系的核心和靈魂，也是實(shí)現(xiàn)防護(hù)安全的指導(dǎo)原則。在考慮到所有外在因素后，照射的大小、被照射的人群和可能性要達(dá)到最低值［5］。

2.4.2 不同之處

我國(guó)的輻射防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)我國(guó)的實(shí)際國(guó)情和經(jīng)驗(yàn)在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上制定的，在結(jié)構(gòu)方面做出了比較大的調(diào)整，其主要差別是更加明確地強(qiáng)調(diào)了對(duì)審查和營(yíng)銷管理方面的要求，并明確規(guī)定了豁免條件，增加了對(duì)潛在危險(xiǎn)方面原則上的限制約束和放射殘留繼續(xù)照射使用的劑量約束要求，吸取了我國(guó)在環(huán)境中排放輻射物的經(jīng)驗(yàn)，適當(dāng)補(bǔ)充了對(duì)放射性廢物管理的原則，并重新給出了放射性核素的毒性分組［6］。

3 電離輻射防護(hù)紡織品的研究進(jìn)展

個(gè)體用電離輻射防護(hù)紡織品設(shè)計(jì)上注重三個(gè)重要要素：輕巧的柔性設(shè)計(jì)、增強(qiáng)屏蔽性能的設(shè)計(jì)以及符合人體工學(xué)的設(shè)計(jì)。具有輕便靈活設(shè)計(jì)和較好屏蔽性能的紡織品可有效提高輻射工作場(chǎng)所人員的工作效率。

由于輻射環(huán)境的復(fù)雜，電離輻射防護(hù)服需要具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。防護(hù)服一般采用面層、芯層、里層三層結(jié)構(gòu)。防護(hù)服除了分層外，根據(jù)特殊環(huán)境需求，還需要采用不同的款式，常用的款式有圍裙、馬甲、性腺防護(hù)、全身防護(hù)。目前在電離輻射防護(hù)服研制方面，國(guó)外處于領(lǐng)先地位，國(guó)內(nèi)研究處于跟跑狀態(tài)。表1 為國(guó)外一些公司代表性產(chǎn)品技術(shù)路線特點(diǎn)及性能指標(biāo)。

表1 國(guó)外代表性產(chǎn)品技術(shù)路線特點(diǎn)及性能指標(biāo)

3.1 X 射線、γ 射線防護(hù)紡織品

X 射線防護(hù)服主要是由兩部分組成，一部分是用來(lái)吸收屏蔽X 射線的屏蔽材料，如鉛、鋇、鎢、鉍、稀土等重金屬元素的單質(zhì)及其化合物；另一部分是用來(lái)提高服用性能、保護(hù)防護(hù)材料和人體的覆蓋材料，如橡膠、天然纖維、聚酯、尼龍等合成樹脂纖維織成的布料［7］。按是否含有鉛元素可分為有鉛防護(hù)服和無(wú)鉛防護(hù)服。

20 世紀(jì)80 年代，前蘇聯(lián)將腈綸浸漬到醋酸鉛中制得了防X 射線防護(hù)服。日本一家公司將硫酸鋇添加到粘膠纖維中制成服裝，其具有良好的防X 射線輻射性能。美國(guó)一家公司對(duì)聚乙烯和聚氯乙烯進(jìn)行改性，成功制備出了一種對(duì)X 射線、γ 射線都有很好防護(hù)性能的織物［8］。天津紡織工學(xué)院將鉛和鋇等重金屬及氧化物與聚丙烯混合，經(jīng)熔融紡絲制成一種防X 射線纖維，纖維經(jīng)紡紗和織造成為織物，該織物也具有良好的防X 射線輻射性能［9］。2008 年，山東的高明遠(yuǎn)公開了一種X 射線防護(hù)服，該防護(hù)服由最外層的織物層、X 射線吸收衰減層、織物層、熱紅外輻射高反射黏合而成；其中X 射線吸收層是由多波段電磁屏蔽織物縫合而成；該防護(hù)服具有結(jié)實(shí)耐穿、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)［10］。2011 年，殷艷霞等人發(fā)明了一種由兩層相同的面料反向縫制而成的X 射線防護(hù)服；該面料由織物層、黏膠劑層、鉛粉層組成；織物層是由合金鉛金屬絲與植物纖維制成［11］。2013 年，張洪業(yè)等人發(fā)明了一種用支架支撐的防護(hù)服，底部裝有滑輪，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝配方便，可適用于不同體形，其優(yōu)點(diǎn)是可減輕防護(hù)服的質(zhì)量且不影響行動(dòng)，同時(shí)能全面隔離X 射線［12］。2014年，東華大學(xué)的鄭羿通過(guò)微膠囊技術(shù)將鉛鹽分別包覆在乙基聚乙烯醇和乙基纖維素中，以細(xì)菌纖維素為基體制備了一種微膠囊/細(xì)菌纖維素復(fù)合膜；該復(fù)合膜具有優(yōu)良的X 射線屏蔽性能和力學(xué)性能，是適合作為X 射線防護(hù)服的一種柔性材料［13］。2017 年，MUHAMMAD TUFAIL 等人利用納米鎢粉與聚合物樹脂為原料設(shè)計(jì)了一款符合人體工學(xué)的輕便靈活的輻射防護(hù)服［14］。趙楊等研究發(fā)現(xiàn)，以吡啶作為溶劑，采用溶劑熱法對(duì)鎢酸鉍進(jìn)行表面處理后，其對(duì)105.310 keV 的γ射線屏蔽率達(dá)到了54.17%［15］。MAGHRABI H設(shè)計(jì)了一款醫(yī)療患者診斷用X 射線防護(hù)服，選用錦綸羊毛混紡織物作為基布，在基布上涂覆氧化鉍作為X 射線屏蔽層，采用3D 人體掃描技術(shù)設(shè)計(jì)了一款主要為女性量身訂做的X 射線防護(hù)服；該防護(hù)服具有優(yōu)良的耐磨性、舒適性、靈活性以及防輻射性能［16］。2018 年，章毅以硫酸鋇為添加劑，以NaSCN 為溶劑，通過(guò)濕法紡絲工藝制備出防X 輻射聚丙烯腈纖維［17］。2019 年，樓鵬飛等將稀土氧化物熔噴到非織造布上，經(jīng)層壓、靜置、固化得到一種防輻射性能良好的復(fù)合材料，該復(fù)合材料的鉛當(dāng)量達(dá)到了0.38 mmPb［18］。

3.2 中子防護(hù)紡織品

中子防護(hù)一般是由中子的慢化和吸收兩部分組成。中子的慢化采用氫含量較高的物質(zhì)，如聚乙烯、聚丙烯等；中子的吸收多采用含硼、鋰及稀土元素等物質(zhì)，如氧化硼、碳化硼、氟化鋰、溴化鋰等。中子防護(hù)服主要是由防中子輻射纖維制成，防中子輻射纖維主要是由含氫量較高的聚合物和中子吸收劑混紡而成。

20 世紀(jì)80 年代，國(guó)外成功研制出將硼、鋰及其化合物與聚酯、聚乙烯等高分子材料混紡成防中子輻射纖維。日本東麗公司于1983 年采用復(fù)合紡絲的方法制備出了以氧化硼中子吸收物質(zhì)與聚乙烯樹脂熔融混合作為芯層，純高聚物為皮層的皮芯結(jié)構(gòu)防中子復(fù)合纖維，將其制成的防護(hù)服對(duì)熱中子屏蔽率可達(dá)到40%。1985 年，天津工業(yè)大學(xué)也成功開發(fā)出了一種皮芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的防中子復(fù)合纖維；該纖維將碳化硼和聚丙烯進(jìn)行共混，具有良好的力學(xué)性能，其制得的非織造布對(duì)熱中子有較強(qiáng)的防護(hù)性能，對(duì)中能中子也有一定的防護(hù)效果［19］。2013 年，HUANG Yiping 等人通過(guò)對(duì)碳纖維表面進(jìn)行丙酮樹脂超聲預(yù)處理，研制出了一種碳纖維增強(qiáng)碳化硼三明治形中子屏蔽復(fù)合材料，具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、防中子性能好等優(yōu)點(diǎn)［20］。2013 年，北京君安泰防護(hù)科技有限公司發(fā)明了一種采用碳化硼作為中子吸收劑，以PP為基材，通過(guò)熔噴紡絲制備的中子防護(hù)服；該防護(hù)服包括身體防護(hù)服、防護(hù)帽、防護(hù)頸板以及防護(hù)鏡［21］。2014 年，北京航空航天大學(xué)在PET 與PBT 中引入有機(jī)硼氫籠形結(jié)構(gòu)，制備了一種含多硼多氫的聚酯纖維，其具有良好的防中子輻射性能和力學(xué)性能，可制成輕質(zhì)高效的中子防護(hù)服［22］。2014 年，馬曉軍在碳化硼粉末表面包覆了一層低熔點(diǎn)的鎳合金，通過(guò)亞音速火焰噴涂工藝，制備出熱中子屏蔽效果良好的屏蔽涂層［23］。2017 年，南京航空航天大學(xué)公布了一種柔性氧化石墨烯水凝膠中子輻射屏蔽材料，其由聚乙烯醇和丙烯酸交聯(lián)而成的聚合物、氧化石墨烯、硼酸和引發(fā)劑硫酸銨與交聯(lián)劑N，N 亞甲基雙丙烯酰胺組成。該材料制備工藝簡(jiǎn)單，且具有良好的機(jī)械性能、柔性、高彈性、中子屏蔽性，可用來(lái)制作中子防護(hù)服［24］。

4 展望

目前國(guó)內(nèi)個(gè)體電離輻射防護(hù)用紡織品材料仍以含鉛橡膠、鉛衣、含鉛涂層面料等為主，而無(wú)鉛、質(zhì)輕、高效新型防護(hù)服相關(guān)研發(fā)和產(chǎn)品仍較欠缺。結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展需求，認(rèn)為其今后應(yīng)從以下幾個(gè)方面加強(qiáng)研究。

（1）電離輻射中X 射線和低能γ 射線是紡織品所需要防護(hù)的重點(diǎn)，針對(duì)接觸X 射線和γ 輻射源人員，其防護(hù)策略相似，即采用大原子序數(shù)重金屬進(jìn)行有效屏蔽。其中的關(guān)鍵是微納米化重金屬粉末的制備及改性，以便在以聚合物基材紡絲、涂層、壓延等制備中實(shí)現(xiàn)高添加量和均勻分散性。

（2）當(dāng)前針對(duì)電離輻射防護(hù)，國(guó)內(nèi)外研究或產(chǎn)品的主要功能為對(duì)X 射線、γ 射線或中子單一防護(hù)，在γ 射線/中子一體防護(hù)材料研究方面報(bào)道較少，相關(guān)產(chǎn)品尚未見(jiàn)到。但在涉及核材料加工、使用、后處理以及核應(yīng)急等諸多場(chǎng)景，相關(guān)人員同時(shí)面臨中子和γ 射線雙重輻照，因此γ 射線/中子一體防護(hù)材料研制顯得尤為重要和迫切。

（3）不同材料性質(zhì)存在差異，對(duì)不同能量射線的防護(hù)存在弱區(qū)，采用金屬合金材料、金屬粉末共混以及多層結(jié)構(gòu)材料將是實(shí)現(xiàn)較寬能量射線較好防護(hù)的有效手段。

（4）鑒于紡織品自身結(jié)構(gòu)與性能，目前主要是對(duì)人員接觸到的X 射線、低能γ 射線和熱中子進(jìn)行防護(hù)，對(duì)中高能γ 射線和能量較高穿透力強(qiáng)的中子的防護(hù)效果較差。為實(shí)現(xiàn)特殊高能輻射環(huán)境中人員的有效防護(hù)，未來(lái)本體和人體一體化防護(hù)將是一個(gè)新的研究方向。