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        個人防護裝備:材料科技與防護理念的深度融合

        2020-11-26 09:18:48
        中國纖檢 2020年8期
        關(guān)鍵詞:阻隔性杜邦透氣性

        今年新冠肺炎疫情的暴發(fā),使防護服成為全球重要的防疫物資,但公眾對防護服卻知之甚少。不同防護材料起到的保護作用不同,還要符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。7月9日,在中國紡織工業(yè)聯(lián)合會檢測中心主辦的“2020個人防護裝備新材料新技術(shù)在線研討會”上,杜邦個人防護裝備應(yīng)用開發(fā)科學(xué)家張曉環(huán),對防護服材料的性能及標(biāo)準(zhǔn)進行了詳細解讀。

        面料和工藝決定防護服性能

        在各種具有高風(fēng)險職業(yè)崗位上,防護服是作業(yè)人員的一道生命屏障,無論是阻隔粉塵還是抵擋有害化學(xué)物質(zhì),抑或是阻隔病毒侵入,每一種防護服所特有的防護性能,都是由面料和工藝決定。據(jù)介紹,目前市場上防護服根據(jù)材質(zhì)分為三類:一是橡膠或熱塑性材料防護服,最常見的是丁基橡膠、氯丁橡膠、氟化橡膠材料。這類材料機械強度較高,但不透氣,通常用作重復(fù)使用的防護服材料。而且這類防護服缺點是比較笨重,行動不方便,同時在化學(xué)防護上有很大局限性。二是活性炭涂層織物防護服,通常這類防護服有兩層結(jié)構(gòu),內(nèi)層結(jié)構(gòu)是經(jīng)過粘附活性炭吸附處理或者纖維本身做摻炭纖維處理,能夠防御有毒氣體及霧滴狀毒劑。一般這類防護服會做成迷彩式或其他特定顏色,具有偽裝功能。總的來說,這類防護服面料防毒、透氣又有偽裝功能,經(jīng)常被軍隊作為防毒衣使用。三是無紡布、多層復(fù)合膜材料防護服,這也是目前市場上主流防護服材料。這類防護服材料根據(jù)其防護機理可分為:透氣和不透氣(隔絕式)兩種。

        較常見的是透氣性無紡布材料,主要有:

        (1)SBPP無紡布材料。它是一種聚丙烯做成的無紡布,其特點是抗拉強度較好,但不具防水性,且對顆粒物防護也較為有限。經(jīng)常被用在無毒場所,比如在骯臟操作環(huán)境下,作為低成本防護服解決方案。

        (2)SMS無紡布材料。它是紡粘和熔噴的復(fù)合產(chǎn)品,主要有三層結(jié)構(gòu)。上下兩層由紡粘聚丙烯組成,其主要作用是給材料提供物理強度和保護中間熔噴層,這也是一種提供過濾效果的結(jié)構(gòu)。與SBPP材料相比,SMS在顆粒防護性以及防液體噴濺上有較大提高,而且SMS經(jīng)過摻炭處理后,可以抗水、抗血液、抗酒精,在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

        (3)多層復(fù)合膜材料、防水透氣復(fù)合膜材料。這次疫情中,使用量最大的就是防水透氣復(fù)合膜材料。這種材料主要有兩層,紡粘聚丙烯和微孔透氣膜。紡粘聚丙烯起到物理支撐作用;微孔透氣膜因為膜孔一般在幾微米,能夠允許空氣和水這種小分子通過,但液體或固體顆粒會被阻擋在外。

        (4)閃蒸聚乙烯(Tyvek?),也就是杜邦Tyvek?,是由高強度連續(xù)高密度聚乙烯纖維經(jīng)過閃蒸法紡粘工藝制成的無紡布。據(jù)悉,杜邦Tyvek?是杜邦1955年發(fā)明,1965年正式注冊Tyvek?商標(biāo),一直到1967年才正式商業(yè)化的材料。它采用了閃蒸工藝,把聚乙烯熔在特定溶液里,再經(jīng)過高溫高壓和快速膨脹,使溶劑瞬間揮發(fā)聚合形成超細纖維。這種超細纖維在靜電作用下,能夠保持根根獨立,再鋪成蜘蛛網(wǎng)狀,最后經(jīng)過熱壓做成無紡布。

        杜邦Tyvek?的主要特性是:這種無紡布材料是由高密度聚乙烯制成,克重非常輕只有41.5克,能夠防水透氣,且有優(yōu)異的液體顆粒和細菌阻隔性。其防水透氣防護機理是:超細纖維連續(xù)鋪成蛛網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),并層層疊加,使得其中產(chǎn)生的橫向超微通道非常曲折,像微觀結(jié)構(gòu)里的迷宮,可以讓小分子,如水汽、空氣透過。但是遇到顆粒物以及液體危害時,就又被迷宮阻擋在外,因此它具備了優(yōu)異的微小顆粒及微生物阻隔性。

        張曉環(huán)介紹,杜邦Tyvek?除了在防護服上應(yīng)用比較廣泛,在其他領(lǐng)域也各有用途。比如在美國建筑市場,因為美國有較多木質(zhì)結(jié)構(gòu)建筑,因此它能以防水透氣的特性,保護木制結(jié)構(gòu);而且Tyvek?還可以耐受各種各樣滅菌條件,保持物理強度以及細菌阻隔性,可以經(jīng)受伽馬射線消毒,高溫、蒸汽滅菌,環(huán)氧乙烷滅菌;因其透氣性好,在醫(yī)療滅菌包裝上也用途廣泛。

        另外,雖然透氣性無紡布做成防護服,可以起到阻隔顆粒物和氣溶膠的作用,比如新冠病毒主要通過飛沫傳染,透氣性防護服能夠在提供保護的同時,盡可能提供舒適度。但面對埃博拉這樣通過血液和體液傳播的病毒,這種透氣性防護服提供的防護就非常有限。

        再如,工業(yè)化學(xué)品操作時,會有化學(xué)用品泄漏以及爆炸的危險,所以還需要有阻燃附加功能,這時需要用到隔絕式不透氣的多層復(fù)合膜結(jié)構(gòu)。杜邦多層復(fù)合膜材料,通常由幾層甚至十幾層材料做成,它是由多種材料組合,防護化學(xué)品范圍非常廣泛,可以制成氣密性防護服,防護有毒生化戰(zhàn)劑或是對皮膚有危害的化學(xué)品。

        從防護需求看防護服標(biāo)準(zhǔn)體系

        事實上,化學(xué)防護服并不能對應(yīng)各種不同接觸情況、化學(xué)性質(zhì)、不同類型的屏障,以及機械阻力和穿戴者舒適度等引發(fā)的不同程度化學(xué)風(fēng)險都起到防護作用,因此需要根據(jù)具體化學(xué)品接觸情況選擇化學(xué)防護服。因此,標(biāo)準(zhǔn)在防護服選擇上具有重要作用。

        張曉環(huán)介紹,從標(biāo)準(zhǔn)角度,要從三方面看防護服材料性能:一是物理強度,要看防護服材料是否結(jié)實;二是化學(xué)或者生物阻隔性,也是最重要的,因為防護服要保護身體及皮膚,因此阻隔性能是最重要的指標(biāo);三是舒適性要求,比如疫情期間使用的醫(yī)用一次性防護服,在舒適性上還有透濕量技術(shù)指標(biāo)。

        化學(xué)防護服標(biāo)準(zhǔn)目前全球有兩大體系:一是美標(biāo)體系,它是美國消防協(xié)會(NFPA)的一系列標(biāo)準(zhǔn):NFPA1991、NFPA1992、NFPA1993、NFPA1994,并把防護服按照危害分成A、B、C、D四個等級;二是歐盟體系,把防護服根據(jù)產(chǎn)品應(yīng)用場景分為Type1氣密型、Type2非氣密型、Type3液密型、Type4噴濺致密型、Type5粉塵致密型以及Type6有限噴濺致密型。其中,Type1 ETEN943-2是應(yīng)急救援使用的氣密型防護服,Type3液密型和Type4噴濺致密型防護服,在這次疫情當(dāng)中,是被我國作為緊急防疫物資使用時所采納的標(biāo)準(zhǔn)。

        在亞洲,中國、日本、韓國主要采納歐盟化學(xué)防護服分級分類體系。我國化學(xué)防護服標(biāo)準(zhǔn)主要有:一是GB 24539防護服化學(xué)防護通用要求;二是GB/T 29511固體顆粒物以及酸堿防護服標(biāo)準(zhǔn)。張曉環(huán)透露,其實我國除了化學(xué)防護還有生物防護,我國GB 19082醫(yī)用一次性防護服技術(shù)要求,是在2003年非典病毒暴發(fā)時制定。面對這次新冠病毒,GB 19082作為醫(yī)院使用的防護服主要參考標(biāo)準(zhǔn),立下了汗馬功勞。但美國沒有專門規(guī)范生物防護服產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn),它主要采用兩種測試方法:抗合成血液ASTM F1670試驗方法和噬菌體穿透ASTM F1671試驗方法;歐洲有專門的生物防護服標(biāo)準(zhǔn)EN14126,但從本質(zhì)上,EN14126屬于化學(xué)防護服范疇,因為它必須在滿足化學(xué)防護服基礎(chǔ)上,再額外增加生物防護性能要求。

        她強調(diào),歐盟標(biāo)準(zhǔn)是被廣泛認(rèn)可和采納的,歐盟標(biāo)準(zhǔn)對防護服面料指標(biāo)評判:一是耐磨、耐彎折性,因為穿著防護服時很多動作會使面料折疊。歐盟把各種性能指標(biāo)分成不同級別,比如耐磨性就分一級到六級,也就是說通過耐磨測試就能知道防護服是幾級。通常一級耐磨性較低、六級耐磨性較強。二是撕裂強度、拉伸強度、抗刺穿以及抗靜電要求。其中抗靜電要求主要考慮在易燃易爆環(huán)境下產(chǎn)生靜電發(fā)生危險。

        但是作為防護服,如果都滿足歐盟要求,是否代表防護服性能一樣?張曉環(huán)解釋,其實不然,以醫(yī)用防護服使用最多的兩類材料,微孔膜(MPF)和杜邦Tyvek?舉例,這兩類材料在經(jīng)過相同圈數(shù)摩擦之后,在顯微鏡底下觀察,可以看到,MPF材料這層孔膜有些微小孔洞。又因MPF材料是靠表面層膜提供防護作用,如果產(chǎn)生孔洞,其防護效果會大打折扣,而杜邦Tyvek?整層厚度都具有防護作用,而且耐磨性非常好。

        此外,除了物理阻隔性,更重要的還是化學(xué)品阻隔性。在歐標(biāo)里,Ⅰ型到Ⅵ型,對化學(xué)品的防護力有不同要求,其中Ⅰ型到Ⅳ型對防護服要求較高。Ⅵ型只防輕微潑濺。而作為防護服,穿透性和滲透性相比,更要關(guān)注滲透性。何為穿透性和滲透性?比如往塑料袋里裝水,如果有孔就會漏水,這是穿透;但是往塑料袋里裝油,即使沒有孔,用手摸也會感覺手上有油,這是滲透。

        生物防護性引起重視

        今年因新冠肺炎疫情,生物防護服成為抗疫中的主力。張曉環(huán)表示,在歐標(biāo)里,EN14126標(biāo)準(zhǔn)本質(zhì)屬于老化學(xué)防護服范疇,是在化學(xué)防護服基礎(chǔ)上,增加了合成血液、噬菌體、抗生物污染液體以及污染氣溶膠、污染粉塵的要求。而且它把這個要求也分成不同級別,只要滿足其中最低要求,就說明這件防護服具有生物防護性。但在美標(biāo)里則包含合成血液和噬菌體,而且判斷標(biāo)準(zhǔn)不像歐標(biāo)進行分級,它是分通過或不通過。美標(biāo)的通過相當(dāng)于歐標(biāo)五級,所以美標(biāo)要求遠高于歐標(biāo)。

        中國醫(yī)用一次性防護服標(biāo)準(zhǔn)GB 19082,除了物理性能還有阻隔性。因為醫(yī)用一次性防護服主要用于保護醫(yī)院里的病人和醫(yī)務(wù)工作者,它的阻隔性與化學(xué)防護服明顯不一樣。由于醫(yī)用一次性防護服,需要面臨血液或體液,對防護服耐水壓性有具體規(guī)定。還有顆粒過濾效率,因為新冠病毒的氣溶膠顆粒是通過顆粒方式進行傳播,所以對這項也有要求,因此防護服面料是否具備過濾顆粒物的作用是被強制要求的。透濕性要求是因醫(yī)務(wù)工作者在醫(yī)院會穿較長時間的防護服,所以透濕量越大越好;關(guān)于抗靜電需求,在標(biāo)準(zhǔn)里并非每項指標(biāo)都強制,比如阻燃性能測試,在醫(yī)院這種沒有易燃易爆的環(huán)境下,這個指標(biāo)只作為可選項進行測試。

        此外,防護服面料舒適性也很重要,在滿足防護的基礎(chǔ)上,越輕薄越好,這方面Tyvek?有較大優(yōu)勢,因為 Tyvek?克重非常輕,穿起來舒適。再有,透氣性值越低,代表面料透氣性越好。而Tyvek?和 SMS面料透氣性都非常好,但SMS面料防護性有限,不能用來做醫(yī)療防護服,而且設(shè)計對防護服性能也會有影響。張曉環(huán)稱,事實上,設(shè)計中很多點都會對防護服性能產(chǎn)生影響,比如防護服頭罩是兩片式還是三片式,決定頭部的舒適性和頭部運動的靈活性;如果有下半門襟,與防護面罩貼合得越適合,防護性能會越好;拉鏈門襟,四型以上的防護服拉鏈門襟是必須的,因為要防大量液體噴濺。而氣密型防護服甚至拉鏈都是氣密型拉鏈。

        更關(guān)鍵的是接縫。它有多種形式,比如車縫、包邊縫、貼條,還有雙面貼條。車縫與包邊縫會有針眼暴露,當(dāng)有大量液體噴濺時,會從針眼穿透,所以必須要選擇貼條防護。而在氣密型防護服里,因為要達到氣密性,通常還會采用兩層甚至更多層貼條的方式。此外,在歐標(biāo)里,不同類型防護有不同評判標(biāo)準(zhǔn),且都是真人穿著防護服進入測試倉進行測試。而Ⅰ型防護服除了真人測試,還會有壓力泄漏測試,就是把衣服里充滿壓力,在一定時間內(nèi)測試壓力是否下降。另外,不同型防護服,也有不同標(biāo)準(zhǔn)判定其穿透性能能否達到理想防護效果。

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