呂凱敏， 戴宏欽

(蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院， 江蘇 蘇州 215006)

伴隨工業(yè)的快速發(fā)展，如何在有害環(huán)境下保證工作人員的安全問(wèn)題至關(guān)重要，因此各式各樣的化學(xué)防護(hù)服(以下簡(jiǎn)稱(chēng)防化服)不斷被研發(fā)出來(lái)[1]。目前防化服的設(shè)計(jì)體系不夠完善，需對(duì)防化服的相關(guān)性能進(jìn)行全面的研究。再者，目前不存在可阻擋所有危險(xiǎn)化學(xué)物質(zhì)的防化服存在，所以需要根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)選擇適合的防化服[2-3]。同時(shí)在穿著防化服時(shí)，中度到高強(qiáng)度的工作會(huì)加快血液流動(dòng)、增強(qiáng)人體對(duì)心血管系統(tǒng)的需求?？紤]到防化服的透濕透氣性能差，若此時(shí)工作負(fù)荷大，對(duì)個(gè)體施加的生理壓力可能進(jìn)一步加重。這種情況可能導(dǎo)致人體處在熱應(yīng)激狀態(tài)，如熱抽筋、熱暈厥和中暑等[4]，因此對(duì)防化服的熱濕舒適性進(jìn)行研究具有重要的意義。

考慮到目前的防化服存在著使用環(huán)境復(fù)雜、舒適性能差等問(wèn)題，本文首先分析了防化服的相關(guān)性能要求，以防化服材料為切入點(diǎn)回顧防化服的發(fā)展，總結(jié)防護(hù)服的設(shè)計(jì)流程，闡述了防化服的性能評(píng)價(jià)方法，并結(jié)合目前權(quán)威的防化服標(biāo)準(zhǔn)并討論標(biāo)準(zhǔn)之間的差異，最后闡述了目前防化服存在問(wèn)題并指出未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 防化服的性能要求

1.1 化學(xué)防護(hù)性能

對(duì)有害化學(xué)物質(zhì)的有效防護(hù)是對(duì)防化服最基本也是最重要的要求，而對(duì)于防化服防護(hù)性能評(píng)價(jià)最主要的2個(gè)指標(biāo)就是防穿透性和防滲透性。

穿透性通常以穿透時(shí)間進(jìn)行表征[5]。穿透與很多因素相關(guān)，如纖維空隙、防化服表面材料的結(jié)構(gòu)、服裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、服裝縫合的方式等[6]。滲透透過(guò)時(shí)間是抗?jié)B透性的指標(biāo)[7]。目前還沒(méi)有能夠完全阻止物質(zhì)滲透的材料，當(dāng)前的防化服材料只能做到減緩這個(gè)過(guò)程[8]。

1.2 舒適性

由于大多數(shù)的化學(xué)防護(hù)服存在重量大、結(jié)構(gòu)不合體、穿脫都需要他人幫助等問(wèn)題。尤其對(duì)于氣密性防化服而言，密閉性的結(jié)構(gòu)以及較差的透濕透氣性能都會(huì)減少人體的熱量和汗水的流失，這就可能使得工作人員的身體核心溫度升高，導(dǎo)致進(jìn)一步的熱應(yīng)激。再者呼吸器通常與防化服一起使用，以防止空氣傳播的危害。眾所周知，與使用呼吸器相關(guān)的吸氣和呼氣會(huì)使得呼吸阻力增加，因此，與防化服一起使用呼吸器會(huì)降低最大氧氣攝取量和運(yùn)動(dòng)耐力[10]，降低人體的舒適感。暴露在極端高溫下的個(gè)體可能會(huì)經(jīng)歷生理和認(rèn)知能力的下降，即使在進(jìn)行非常輕的工作中也是如此[11]。由此可見(jiàn)防化服較差的舒適性可能對(duì)工作人員的身體以及現(xiàn)場(chǎng)操作能力造成災(zāi)難性影響。

1.3 其他性能

防化服的使用環(huán)境大多復(fù)雜，這就要求防化服具有一定的阻燃隔熱性能以及良好的耐折曲、抗刺穿等物理力學(xué)性能。

2 防化服常用材料

防化服的防護(hù)性能由其材料決定，目前主要有非織造布、無(wú)支撐橡膠或塑料、微孔膜織物、吸附性織物、涂層織物、復(fù)合材料6種類(lèi)型[12]。這些材料的防護(hù)能力和優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 防化服常用材料Tab.1 Common materials for chemical protective clothing

2.1 非織造布

目前常用于防化服的紡織品是非織造布，主要是用于面臨相對(duì)無(wú)害的化學(xué)品干微粒和輕微液體噴霧。其中美國(guó)杜邦公司研制的Tyvek以及Kleenguard公司的聚丙烯紡粘非織造布都具有良好的防水透氣性能[13]。這類(lèi)材料雖只能提供最低程度的防護(hù)能力，但具有成本低的優(yōu)勢(shì)，常用于透氣式防化服。

2.2 無(wú)支撐橡膠或塑料

此類(lèi)材料可防護(hù)液體飛濺以及液體、氣體滲透。在20世紀(jì)初期，美國(guó)首先研制出具有一定防護(hù)性能的丁基橡膠[14]，但是由于其存在舒適性差、重量大、不可長(zhǎng)時(shí)間使用等問(wèn)題，常用于隔絕式防化服中。

2.3 微孔膜材料

這類(lèi)材料通過(guò)選擇適當(dāng)微孔尺寸的材料，可阻隔除小分子氣體以外的其他物質(zhì)透過(guò)，同時(shí)水蒸氣可透過(guò)，保證了服裝的舒適性[15]。Cui等[16]介紹了一種通過(guò)構(gòu)建多級(jí)多孔結(jié)構(gòu)，制備了具有超高防水性和良好透氣性能的電紡纖維膜，同時(shí)也具有優(yōu)異的防風(fēng)性能。Francesco Fornasier等展現(xiàn)了一種具有5 nm以下孔徑的碳納米管薄膜，其可高效傳導(dǎo)水蒸氣，同時(shí)也可阻隔大部分的病毒和毒劑液滴[17]。這類(lèi)材料由于不能阻礙小分子氣體的透過(guò)，小分子的有害氣體可透過(guò)服裝對(duì)人體造成危害，常用于半透氣式防化服。

2.4 吸附性材料

吸附性材料是將具有阻礙化學(xué)有害物質(zhì)作用的吸附劑浸漬在織物的表面制備而成[18]，可抵擋氣體和蒸汽的滲透。朱夢(mèng)玲等以滌綸為原料，經(jīng)針刺法加固成工業(yè)煙塵過(guò)濾氈，再經(jīng)PTFE乳液包覆后處理，對(duì)于氣溶膠和較小尺寸微粒有較好的阻隔能力[19]。Duan xinhui等在棉基活性炭纖維中運(yùn)用微波輔助活化，制備出來(lái)的活性炭纖維具有良好的吸附能力，特別是液相吸附[20]。Mukesh成功地建立了利用納米技術(shù)將殼聚糖聚合在非織造布上，將活性炭球粘合復(fù)合織物或活性炭織物與納米纖維網(wǎng)相結(jié)合，在允許水蒸氣以及氣體透過(guò)的同時(shí)可提供更高水平的化學(xué)保護(hù)[21]。

雖然以此材料制備的防化服防護(hù)性能好，且已在全球銷(xiāo)售[22]，但是存在價(jià)格昂貴、材料用量大、使用范圍小、無(wú)選擇吸附，二次污染等問(wèn)題，目前常用于透氣式防化服。

2.5 涂層織物

涂層織物的涂層厚度是影響其防護(hù)性能的關(guān)鍵，優(yōu)異的涂層織物可防護(hù)液體飛濺，液體、氣體滲透，常用于隔絕式防化服。杜邦公司生產(chǎn)了一種中間為非織造布，兩側(cè)為聚合物涂層的面料，在保證防護(hù)性能的同時(shí)，減輕了服裝的質(zhì)量[23]。涂層已被證明是一種有效的紡織品表面功能化方法，但目前的涂層織物的耐久性比較差[24]。

2.6 復(fù)合材料

此類(lèi)材料通常是將上述幾類(lèi)材料的優(yōu)秀性能進(jìn)行組合后得到的，用于對(duì)液體飛濺，液體、氣體或蒸汽滲透的防護(hù)。比如說(shuō)將微孔膜與吸附性材料結(jié)合，在對(duì)液體化學(xué)品阻隔的同時(shí)，吸附大分子量的化學(xué)氣體。文獻(xiàn)[25]中制備的聚四氟乙烯復(fù)合膜具有透濕舒適性和變形舒適性。文獻(xiàn)[26]利用鋯基金屬有機(jī)骨架材料與聚丙烯織物復(fù)合，得到了具有優(yōu)異防護(hù)性能的防護(hù)面料。

3 防化服的設(shè)計(jì)與性能評(píng)價(jià)

3.1 防化服的設(shè)計(jì)

參照GB 24539—2009《防護(hù)服裝 化學(xué)防護(hù)服通用技術(shù)要求》以及其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，防化服應(yīng)具有安全、適用、美觀和舒適的基本性能。結(jié)合防護(hù)服的設(shè)計(jì)原則[27]，引入人體工效學(xué)的設(shè)計(jì)思想，將人-防化服-環(huán)境視為思維整體，系統(tǒng)分析使用對(duì)象和場(chǎng)合，進(jìn)行防化服的設(shè)計(jì)。

在設(shè)計(jì)防化服時(shí)，將人-防化服-環(huán)境看做一個(gè)整體進(jìn)行探討，對(duì)于人而言，主要是從服裝人體工效學(xué)的角度進(jìn)行分析，考慮年齡、形體、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等因素；對(duì)于防化服則需將其看做人與環(huán)境之間的保護(hù)層，考慮防化服的防護(hù)性能以及舒適性能；而對(duì)于環(huán)境，則通過(guò)分析環(huán)境中一切可能的潛在傷害因素，幫助我們確認(rèn)。

3.2 防化服的性能評(píng)價(jià)

防化服的性能評(píng)價(jià)主要包含防護(hù)性能以及舒適性2個(gè)方面。目前成熟的評(píng)價(jià)體系是五級(jí)分析系統(tǒng)，如圖1所示。可以劃分為客觀評(píng)價(jià)、人體穿著實(shí)驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)3個(gè)層次[28]。

圖1 防護(hù)服性能評(píng)價(jià)五級(jí)分析系統(tǒng)Fig.1 Five-level analysis system for performance evaluation of protective clothing

3.2.1 客觀實(shí)驗(yàn)

客觀實(shí)驗(yàn)主要包含一級(jí)服裝材料性能評(píng)價(jià)和二級(jí)防化服性能評(píng)價(jià)。服裝材料性能評(píng)價(jià)，包括服裝材料熱濕性能、力學(xué)性能及防不同形態(tài)化學(xué)物質(zhì)的性能。利用平板儀等器材測(cè)試服裝材料的熱濕性能；根據(jù)GB 24539—2009《防護(hù)服裝 化學(xué)防護(hù)服通用技術(shù)要求》測(cè)試面料的防化學(xué)物質(zhì)滲透性能[29]。防化服性能評(píng)價(jià)主要涉及舒適性和安全性2個(gè)方面，舒適性主要利用暖體出汗假人評(píng)價(jià)服裝的熱濕性能；根據(jù)GB 24539—2009《防護(hù)服裝 化學(xué)防護(hù)服通用技術(shù)要求》測(cè)試防化服的防氣態(tài)和液體化學(xué)物質(zhì)的滲透性能[29]。

3.2.2 穿著實(shí)驗(yàn)

穿著實(shí)驗(yàn)是在受控的氣候艙里，進(jìn)行穿著服裝的人體實(shí)驗(yàn)，可得出人體的生理數(shù)據(jù)和主觀感覺(jué)，評(píng)價(jià)服裝的舒適性和耐受時(shí)間等指標(biāo)[30]。George Havenith等在實(shí)驗(yàn)室里對(duì)服裝整體的熱防護(hù)性進(jìn)行測(cè)試與評(píng)價(jià)，獲得測(cè)試指標(biāo)[31]。

3.2.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)分為控制一定條件的模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。根據(jù)測(cè)試要求盡可能的模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，得到較為真實(shí)的使用狀況，全面綜合評(píng)價(jià)服裝性能。

五級(jí)分析系統(tǒng)各等級(jí)并不是簡(jiǎn)單的遞進(jìn)，是需要進(jìn)行科學(xué)的反復(fù)交替實(shí)驗(yàn)，以期得到客觀準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

4 化學(xué)防護(hù)服的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)外化學(xué)防護(hù)服的第一批標(biāo)準(zhǔn)是20世紀(jì)80年代中期到后期出現(xiàn)的，自那時(shí)以來(lái)，大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)都是每5年更新一次。最普遍的標(biāo)準(zhǔn)主要包含國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織(ISO)、歐洲高級(jí)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)(ETC)或各種美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)組織(例如：ASTM、NFPA)[32]。

國(guó)內(nèi)關(guān)于防化服的標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展比較晚，在2009年由防化研究所等5家單位起草了我國(guó)真正意義上的防化服標(biāo)準(zhǔn)體系，主要如表2所示。

表2 國(guó)內(nèi)關(guān)于防化服的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Relevant standards of chemical wear in China

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于化學(xué)防護(hù)服的標(biāo)準(zhǔn)較為全面，涵蓋了防護(hù)服的分類(lèi)、檢測(cè)方法以及性能要求等。使得標(biāo)準(zhǔn)具有系統(tǒng)性以及可操作性，但還是存在著問(wèn)題：1)國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件與現(xiàn)實(shí)使用環(huán)境間存在著差異，使得測(cè)試結(jié)果并不能完全準(zhǔn)確地評(píng)估防化服現(xiàn)實(shí)的使用狀況，同時(shí)，測(cè)試內(nèi)容的繁瑣，使得市場(chǎng)運(yùn)用程度較低，難以規(guī)范市場(chǎng)體系。2)國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中的性能要求差異較大，需對(duì)性能進(jìn)行合理簡(jiǎn)易的規(guī)定，在節(jié)約成本的同時(shí)，保證防護(hù)性。3)在標(biāo)準(zhǔn)制定過(guò)程中需要根據(jù)防化服的發(fā)展增強(qiáng)指標(biāo)體系的完整性，與國(guó)際各國(guó)相關(guān)組織探討交流，增強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)效性和國(guó)際認(rèn)同性。

5 防化服現(xiàn)存問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)

5.1 防化服現(xiàn)存問(wèn)題

目前對(duì)于防化服主要有幾方面的問(wèn)題：1)防護(hù)性能：目前還不存在可抵御所有危險(xiǎn)品的防化服，但環(huán)境的多變復(fù)雜，需要我們不斷地提高防化服的防護(hù)性能[33]；2)舒適性能差：現(xiàn)今對(duì)于防護(hù)性能與舒適性能之間的矛盾已經(jīng)有所改善，但仍然存在人體熱聚集等問(wèn)題；因此改善舒適性刻不容緩[34]；3)適用范圍模糊且局限性大：目前的防化服適用范圍單一，用戶(hù)不能得到危險(xiǎn)的預(yù)警信號(hào)[35]。

5.2 防化服的發(fā)展趨勢(shì)

從目前防化服的研究現(xiàn)狀以及存在的問(wèn)題可以總結(jié)出未來(lái)防化服的發(fā)展趨勢(shì)，主要有安全化、細(xì)致化、多功能化、目的化、舒適化、智能化[36]。

5.2.1 安全化與細(xì)致化

工作人員在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，并不知道自我可承受的極限。如果可建立起穿著時(shí)間、服裝質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等因素與人體疲勞度之間的關(guān)系模型，對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)，可大大提高人員的安全性。同時(shí)目前對(duì)于防化服的測(cè)試主要以男性測(cè)試者為主[37]，但防化服不應(yīng)該僅僅適用于男性，對(duì)于女性穿著防化服的相關(guān)研究也必不可少的。

5.2.2 多功能化

事故現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的復(fù)雜性，要求防化服具有多功能性。多重危險(xiǎn)防護(hù)雖是完美的解決方案，但并不適用于現(xiàn)實(shí)狀況。選擇工作服時(shí)，安全始終是第一要?jiǎng)?wù)。要評(píng)估工作場(chǎng)所的最佳防護(hù)服選擇，首先要徹底評(píng)估所有潛在危險(xiǎn)，并咨詢(xún)適用的安全標(biāo)準(zhǔn)。因此，還應(yīng)考慮其他因素，如舒適度、長(zhǎng)期成本效益和風(fēng)格偏好等因素。

5.2.3 舒適化

化學(xué)防護(hù)服在保證良好防護(hù)能力的同時(shí)，必然會(huì)導(dǎo)致舒適性能差。為了解決防化服的舒適性問(wèn)題，減少這些危險(xiǎn)環(huán)境造成的健康風(fēng)險(xiǎn)。除了對(duì)材料制備出新的選擇性滲透材料，以及利用微氣候冷卻技術(shù)來(lái)加強(qiáng)人體與環(huán)境之間的熱交換。還應(yīng)當(dāng)在結(jié)構(gòu)方面根據(jù)人體三維尺寸設(shè)計(jì)，確保穿著的舒適性以及穿脫方便[38]。同時(shí)，目前的防化服舒適性研究主要是解決人體過(guò)熱，但是當(dāng)人員處在極端冷環(huán)境時(shí)，前期必要的保暖也是必須的[37]?？紤]到穿脫方便，考慮采用主動(dòng)式保暖為人體提供舒適性。

5.2.4 智能化

服裝的智能化是當(dāng)今防化服研究領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)。如能將沾染的毒劑及時(shí)自分解的自清潔材料；在織物上復(fù)合人體生命體征監(jiān)測(cè)單元；考慮到目前防化服的防護(hù)時(shí)間有限，利用光或電信號(hào)等來(lái)對(duì)化學(xué)有害物質(zhì)的滲透進(jìn)行指示預(yù)警，也可對(duì)周?chē)h(huán)境的變化做出反應(yīng)；同時(shí)在服裝劃破后利用可自行修復(fù)的材料保證防化服的防護(hù)性。再者對(duì)于防化服的性能測(cè)試已經(jīng)較為成熟，但是考慮到防化服測(cè)試過(guò)程中的危險(xiǎn)性和實(shí)驗(yàn)的可靠性，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬防化服的性能評(píng)測(cè)是發(fā)展趨勢(shì)[39]。

6 結(jié)束語(yǔ)

目前對(duì)于防化服的研究已經(jīng)取得了一定的研究成果，但是仍然有很多問(wèn)題需要進(jìn)行更深一步的探討。本文先總結(jié)了防化服的相關(guān)性能要求，然后從6種防化服材料中考察其防護(hù)性能的差異，并回顧了防化服的發(fā)展，總結(jié)防化服的設(shè)計(jì)流程；根據(jù)現(xiàn)行的國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)歸納了防化服的性能評(píng)價(jià)方法，通過(guò)總結(jié)現(xiàn)存問(wèn)題提出未來(lái)的研究方向。目前關(guān)于防化服的研究多在織物的制備以及舒適性改善方面，但是目前仍然存在著防化服質(zhì)量重、舒適性能差等問(wèn)題，仍有許多的性能等待著探索。其次對(duì)于防化服的性能評(píng)測(cè)技術(shù)、防化服的防護(hù)性能的預(yù)測(cè)模型等方面的研究還需加強(qiáng)，如減小實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境與真實(shí)使用環(huán)境之間的差異。此外我國(guó)也需要進(jìn)一步統(tǒng)一和完善防化服的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，保證工作人員在穿著防化服后可安全有效地進(jìn)行工作。