透氣式生化防護服的應用現狀及發展趨勢

楊智聯 郁 娟 劉其霞 葛建龍 季 濤

（1.南通大學，江蘇南通，226019；

2.安全防護用特種纖維復合材料研發國家地方聯合工程研究中心，江蘇南通，226019）

目前，國際形勢持續動蕩，極端組織利用生化武器進行恐怖襲擊的事件時有發生；危險性化學品在生產、貯存以及運輸過程中所造成的泄漏等意外事故也不斷發生；此外，在我國現行的應急響應體系中，搶險救援人員有可能暴露在高濃度的危險化學物品和腐蝕性物質核心區域而使生命安全受到威脅。生化防護服是阻止生物戰劑和化學毒劑對人體造成傷害的個體防護裝備，按防護機理的不同可分為隔絕式和透氣式兩大類。

隔絕式生化防護服通常用橡膠和塑料作為外層，紡織面料作為里層，不透氣，不透濕。相比于隔絕式生化防護服，透氣式生化防護服除了具有良好的防護性能外，還能透過空氣和濕氣，使人體生理舒適性得到顯著改善［1］，避免長時間穿著出現窒息感和悶熱感，因而無需配備較為笨重且價格昂貴的微氣候調溫裝置，很大程度上提高了穿著人員的機動性，在個體生化防護領域中發揮著越來越重要的作用，也是目前研究和開發的重點。本文首先簡述了透氣式防護服的發展歷程和防護機理，在此基礎上，重點介紹了多孔炭材料在透氣式生化防護服方面的應用，并對透氣式生化防護服的發展趨勢進行了展望。

1 透氣式生化防護服的發展歷程

最早的透氣式生化防護服是第一次世界大戰期間開發的化學吸收型生化防護服，通過將氯胺等解毒劑浸漬在軍服上，依靠化學反應將毒劑消除，實現防護目的；由于解毒劑具有很強的選擇性，因而只能用于消除特定的毒劑，防護范圍較窄，且長時間使用后其解毒性能會變得不穩定；同時，解毒劑在空氣中易失去化學活性，刺激皮膚，腐蝕衣料［2］。為了解決這些問題，近年來各國的透氣式防護服逐漸采用以高效吸附劑作為內層材料的物理吸收型防護面料。

多孔炭材料具有高度發達的孔隙結構、高比表面積、優異的化學穩定性等優點［3］；將其應用到生化防護服中，可在保證較好生理舒適性的同時，顯著提高防護服的防護性能，因而逐漸成為透氣式生化防護服研發的重點?？傮w來說，基于多孔炭材料開發的物理吸收型透氣式生化防護服的發展歷程可分三個階段［4］。

第一個階段：20 世紀60 年代左右，透氣式生化防護服采用顆?；蚍蹱罨钚蕴繛閮葘游讲牧?，通過與非織造織物、泡沫塑料層壓織物或絨布等基布復合，制成防護服。

第二個階段：始于20 世紀70 年代，以球形活性炭作為防護服的內層吸附材料，基布采用聚酰胺織物、聚酯織物、棉織物或棉針織物。

第三個階段：20 世紀90 年代，英國波頓化學防護研究所開發出了以活性碳纖維織物作為內層吸附材料的新型活性碳纖維生化防護服，技術較先進；通常將活性碳纖維織物與聚酯織物、聚酰胺織物或棉織物復合，制成防護服。

2 透氣式生化防護服的防護機理

物理吸收型透氣式生化防護服一般采用兩層織物結構。外層織物阻止或擴展有毒試劑，內層織物吸收毒劑并將其揮發成蒸汽。內層織物以多孔炭材料黏附或復合在基布上，通過多孔炭材料吸附有毒蒸汽達到防護目的。透氣式防護服的防護原理可分為鋪展-防油-吸附型和防油-吸附型兩大類［5］。

2.1 鋪展-防油-吸附型

該類型生化防護服外層織物一般為化纖或化纖與棉的混紡織物，具有鋪展作用；當毒劑液滴與織物接觸時，在芯吸效應的作用下能很快鋪展開［6］，增大蒸發表面，從而加速蒸發，有效降低毒劑液滴在單位面積上的滲透壓，減輕內層織物的吸附毒劑負荷。內層織物采用與多孔炭材料復合的面料，其與外層織物接觸的一面進行防油處理，阻止液態毒劑進一步滲透?？椢锏牧硪幻媾c多孔炭材料復合，吸附來自外部滲透的和外層織物表面上蒸發的毒劑氣體。該類型防護服的內層吸附材料一般為顆粒/粉末活性炭或活性碳纖維，防護機理如圖1 所示。

圖1 鋪展-防油-吸附型防護機理示意圖

2.2 防油-吸附型

該類型生化防護服外層織物需要進行阻燃、拒水和拒油處理，目的是直接阻止毒劑液滴的滲透。為了阻止毒劑氣體的滲透，內層吸附材料一般采用比表面積較大、含碳量高以及強度好的多孔炭材料，如球形活性炭。吸附層通常由多孔炭材料和聚酰胺織物、聚酯織物或棉織物復合制成，防護機理如圖2 所示。

3 多孔炭材料在透氣式生化防護服中的應用現狀

3.1 粒狀/粉狀活性炭

用于生化防護面料中的顆?；钚蕴拷洑v了ASC 型浸漬炭、ASC-TEDA 型浸漬炭、環保型無鉻浸漬炭、穿透性毒劑浸漬炭等發展階段［7］?；钚蕴亢胸S富的孔隙結構，提高了吸附能力，且活性炭顆粒尺寸均勻，減少了孔隙的堵塞，提高了生化防護服的使用壽命?；钚蕴糠雷o面料的制備方式：將活性炭摻入纖維，或是與起絨棉織物和非織造布等織物復合，或是黏附在有機塑料泡沫上。許多國家都對活性炭生化防護面料進行了研究，一些成熟的產品已應用到其軍事防護領域。

美國對活性炭防護復合材料的研究一直處于領先地位。美國Lifetex International 公司研制了CD3030 防護織物，外層為聚苯并咪唑織物，中間吸附層將浸漬炭黏附在壓縮泡沫上，里層為聚酰胺織物；其防毒性能優越，采用NATO 標準方法測定的毒劑穿透最大量CT值為500 μg/（min·cm3）。美國Chemviron Carbon 公司研制的ASZMT 無鉻浸漬活性炭以煙煤浸漬銅、銀、鋅、鉬和TEDA 制成［8］，具有活性較高、質量較小和氣流阻力較低等優點，已被廣泛應用于個體防護和集體防護裝備。美國Du Pont 公司開發的LANX 織物基于聚合物包覆活性炭技術是目前較為先進的技術。LANX 織物具有較強的透氣性和均勻的活性炭分布，應用在防護服的內層，能促進蒸汽冷卻，降低熱應力，防止活性炭吸汗中毒現象［9］，從而較大程度地提高穿著人員的生理舒適性。美國最新研發的聯合軍種輕型綜合防護服技術（以下簡稱JSLIST）罩服有較穩定的防護性能，在穿著45 天和經歷6 次洗滌后仍能提供24 h 防護［10］。外層為尼龍與棉府綢混和面料，具有防水和抗撕裂功能，內層材料采用改進的活性炭技術，代替了過去的粉末活性炭泡沫塑料技術，提高了對生化戰劑的抵抗性能，同時保障了穿戴舒適性。該類防護服現已服役于美國陸?？杖?、特種部隊和海軍陸戰隊。美軍聯合防護空勤人員防護服（以下簡稱JPACE）生化防護服內層由活性炭附著在氨基甲酸酯基質上，能夠吸收和容納所有已知生化戰劑。

法國T3P 型生化防護服的內層是活性炭浸漬的泡沫塑料層，其內襯是經壓縮的聚氨酯纖維三維網。該織物可以降低防護服的厚度，同時有著良好的防護性能。經檢測，其毒氣滲透量平均值低于0.7 μg/（m2·24 h）［11］。

我國對防護材料的研究主要集中在含活性炭的特制絨布和化學改性浸漬活性炭。我國第一代透氣式生化防護服為FFF01 型防護服，外層是經防水處理的棉織物，內層是含活性炭的特制絨布；其各項防護性能優越，透氣性能良好，在標準溫度環境下可連續穿用8h，在35 ℃下使用，人體仍能保持4 h 的正常體溫。我國第二代透氣式生化防護服為FFF02 型防護服，內層是在起絨織物上噴涂含有活性炭粉的混合膠制成，外層材料經過專用的有機硅油浸泡處理，對火焰具有一定的阻燃性能，并對其進行迷彩印花處理，彌補了FFF01 型防護服在阻燃、偽裝等方面存在的缺陷；現在使用較多的FNF003 型防護服采用北京邦維高科特種紡織品有限公司與防化研究院合作研發的摻炭纖維織物作為中間吸附層；該技術屬世界首創，其各項關鍵技術指標均達到了世界先進水平［12］。相比于噴炭防護服，摻炭纖維防護服的透氣性和穿著舒適性有了顯著提高，同時纖維復合織物具有質量較輕和手感較好的優點，雖綜合防護性能稍遜于Saratoga 和ZORFLEX 材料，但有很大的成本優勢，易于量產和推廣。

3.2 球形活性炭

球形活性炭具有滾動性良好、表面光滑、形狀規整、機械強度高、對毒劑動態吸附容量大、吸附脫附速度快等優點［13］，是一種新型的活性炭材料。目前，一些國家已將其作為防護服面料的中間吸附層，其中德國Blücher 公司開發的Saratoga防護服最具代表性。

德國的Saratoga 防護服被公認為目前最先進的透氣式生化防護服［14］，具有很好的力學性能、良好的透氣散熱性、優異的防護性能和較低的熱應激效應。球形活性炭防護服通常由內外兩層構成，外層是經過拒水和拒油整理的高阻燃棉織物，內層是將直徑0.5mm～1mm 的球形活性炭黏附在聚酰胺織物、聚酯織物或棉織物上，如圖3所示。其采用特殊的黏合劑，以點黏合的方式將球形活性炭黏附在織物表面，使球形活性炭的有效吸附達85%左右。這種防護服對毒劑的動態吸附能力強，當吸附相同速率的有毒蒸汽時，球形活性炭復合材料吸附總容量大約為粉狀活性炭的3 倍，因而更有利于士兵進行高強度的作戰。德國的Saratoga 防護服已廣泛裝備于美國、比利時、瑞士等國家和地區。

圖3 德國的Saratoga 防護服結構示意圖

國內對球形活性炭復合織物的研究也取得了一定的進展，制備出了防毒性能高、生理舒適性好的球形活性炭復合織物。南通大學安全防護用特種纖維研發國家地方聯合工程研究中心，采用國產瀝青基球形活性炭做吸附劑制備了透氣式防護復合面料。在結構優化設計的基礎上，相應吸附層材料的單位面積質量為386 g/m2，透氣率達1 086.57 mm/s，其洗脫率僅為0.87%，吸附容量保留率達到90.3%。參照GJB 3253—98《阻燃偽裝防毒服規范》，測得該復合面料的液-氣防毒時間大于48 h，氣-氣防毒時間為230 min［15］。

3.3 活性碳纖維

活性碳纖維的微孔率較高，且孔徑分布集中。另外，活性碳纖維的微孔中含有許多不規則結構，如含有表面官能團的微結構或雜環結構，使得吸附質到達吸附位的擴散路徑比普通活性炭短、驅動力大，因此具有比表面積大、吸脫附速率快、吸附效率高等優點?；钚蕴祭w維與粒狀活性炭的孔結構如圖4 所示［16］。通過對比可以看出，活性碳纖維的孔隙以微孔為主，且集中在表面；粒狀活性炭呈現由大孔、過渡孔和微孔組成的多級孔結構?？捉Y構的不同使它們在吸附性能上有很大差異。除優異的吸附性能外，活性碳纖維還具有強度高、雜質少、后加工性好、易再生和導熱等優點，有利于其在生化防護服中的應用。

圖4 活性碳纖維與粒狀活性炭的孔結構示意圖

美國CCTeks 公司生產的活性碳纖維織物是目前最先進的核生化防護材料之一。此織物具有吸附性能好、耐久性強和可再生性能優良等優點［17］。美國伊利諾伊大學教授Ecolomi 發明了一種吸收性能超強的廉價碳纖維，這種新材料能固定由空氣傳播的細菌和神經毒氣炭疽菌等［18］。

英國研究人員非常重視活性碳纖維在生化防護服中的開發應用，其中Chemviro Carbon 公司的ZORFLEX 活性碳纖維布技術是較為先進的技術。采用這種活性碳纖維面料制成的生化防護服最大的優點是質輕和生理負荷小，其舒適性與普通戰斗服相當，生化防護性能得到了許多國家的認可。

德國Karcher 公司開發了Safeguard 3002-A1 NBCF 透氣防護服。其外層經過阻燃和疏水疏油處理，可以阻止有害物質穿透，具備對短期熱效應的防護。內層的活性碳纖維經特殊處理，大大提高了對有害氣溶膠和氣體物質的防護。

我國一直致力于活性碳纖維復合織物的研究。某公司以聚丙烯腈基碳纖維原絲為原料制備了活性碳纖維復合織物［19］，其對硫醚類物質的防護能力遠高于以往采用的噴炭絨布，在較低的質量下依然有著良好的透氣性能。我國臺灣地區的新一代77 式活性碳纖維防護服，防護性能優越。該防護服采用三層分離式結構，活性碳纖維在中間層與非織造布膠合。其三層防護材料透氣度僅為28 cm3/（cm2·s），綜合防護性能接近國外的先進水平。經測試，這種核生化防護服在潮濕環境下能維持正常的生化防護功能，可以在受化學污染的事故中多次使用。江蘇同康炭纖維科技集團公司研制的活性碳纖維復合織物，以粘膠基活性碳纖維與全棉面料復合而成，將該面料作為吸附層具有吸附性能高效、質輕、防毒效果好等優點。上海天翔紡織科技有限公司研制了一種活性碳纖維面料，以100%聚丙烯腈基活性碳纖維織物與棉織物、非織造布或化纖織物貼合而成，具有透濕透氣、生理負荷小、阻燃性能良好、能阻擋熱輻射及核落塵、可凈化再生使用等功能，同時還可延長防護材料在戰場上的使用時間。

4 透氣式生化防護服的不足及其發展趨勢

4.1 透氣式生化防護服的不足

多孔炭材料在透氣式生化防護服中起著關鍵的吸附毒劑作用，但含碳透氣式防護服仍然存在一些問題［20-21］：活性炭的吸附過程是一種物理行為，沒有化學吸附牢固，在環境溫濕度的變化下容易脫附，產生二次污染；在穿著過程中，活性炭會吸附水蒸氣或其他無毒的氣體，從而堵塞孔隙，降低活性炭的吸附能力；要滿足基本的防護能力，活性炭的單位面積質量不應低于160 g/m2，在很大程度上影響了防護服質量和體積，增加了穿著人員的體力負擔；在高靜態壓力下，不能對液態毒劑進行有效的防護；當活性炭吸附飽和后，防護服就會失去防護能力，進而對穿著人員造成傷害。

為了解決這些問題，各國研究者開展了大量研究，開發出了許多新材料，如納米碳材料、選擇性透過材料和靜電紡納米纖維等，這些材料將在未來生化防護領域發揮重要的作用。此外，未來仍然可能出現新的生化武器，且現代戰場的作戰環境越發錯綜復雜，作戰人員將面臨著更加危險的情況。因此，為了增強對穿著人員的防護，透氣式生化防護服的發展趨勢也趨于多功能化、智能化、高技術化和高舒適性。

4.2 新材料在防護面料中的應用

4.2.1 納米碳材料

近幾年，納米技術的發展非常迅速，納米級碳材料的研究也受到了各國的關注。碳納米管（Carbon Nanotubes，以下簡稱CNT）作為一種氣體吸附材料，具有表面體積比大、氣體吸附量大、孔隙率高、壓降低、導熱系數高、熱解吸速度快等優 點［22］。THAMRI A 等 人 通 過 對CNT 表 面 改性和溶液浸漬，增強了其對有機化合物揮發性氣體的靈敏度和選擇性，提高了對化學有毒蒸汽的抗腐蝕性能；將這種碳納米材料用于制備防護面料的吸附層，可以增強對有毒氣體的吸附選擇性［23-24］。

石墨烯相對于活性炭具有更好的吸附能力，還能多次循環使用。石墨烯與化學纖維、無機納米材料和非織造布復合，能賦予復合材料抗菌、耐熱以及電磁屏蔽等優異的性能［25］。若能將石墨烯應用在生化防護領域，將為戰爭中的士兵和搶險工作人員提供更加可靠安全的防護設備，大大提高工作效率與工作質量［26］。

4.2.2 選擇性透過材料

選擇性透過防護材料對分子較大的有毒物質有著很強的防護性能，而水蒸氣分子可以通過膜的吸附-解吸功能順利地透過［27］。選擇性透過材料與含碳防護面料復合，可以增強防護服的防護性能，降低活性炭的用量，從而減輕防護服的質量和熱應激效應。此外，選擇性透過材料對一些生物病毒、細菌和化學毒劑的防護性能優異。因此，國外很重視對選擇性透過材料的研究，并且已經有相對成熟的產品，如美國和德國共同研制的Spiratec Hybird 防護材料。

4.2.3 納米纖維

透氣式生化防護服采用的材料除了防護性能外，透濕透氣性是最重要的指標之一。然而，透氣式生化防護服的防護性能與透氣性能是相互對立的兩個參數。通過靜電紡技術可以制備出纖維直徑小、比表面積高、孔徑小以及孔隙率高的納米纖維膜。同時，相比于傳統織物，靜電紡納米纖維膜可以兼具較好的防護性能和透氣性能，是理想的透氣式防護服內層材料之一。美國Du Pont 公司研發的Tyvek 型防護材料，采用閃紡法制備出聚乙烯納米纖維膜，具備強度較高、透濕透氣性良好和對生物氣溶膠過濾效率高等優點［28］，現已應用于部隊和民用的個體防護服裝上。

4.3 透氣式生化防護服裝的發展趨勢

4.3.1 多功能化

隨著工業化水平的不斷提高，對防護服的功能要求也逐漸增多。通過采用新技術和新材料，防護服可實現一體多能化。通過在乙烯基硅氧烷樹脂中添加不同量的鎢、鐵、鋇、硼和稀土元素等粉末制成玻璃纖維，將其添加到生化防護服中，可增強對熱中子的吸收能力［29］，從而提高防護服抵抗核輻射的能力。自消毒材料具備對生物戰劑、細菌和病毒的解毒作用，主要通過在防護材料中加入催化劑、抗生素類、生物酶或其他反應型材料，實現解毒功能［30］，從而改善了活性炭吸附材料的二次污染和吸附飽和的缺點。

日本帝人公司在芳綸產品Technora 中添加納米碳粉做成防護服的里襯，在阻燃效率增加40%的同時，質量下降15%。這種材料做成的消防服可以同時發揮對熱和火焰的屏蔽作用及對生物與化學制劑的防護功能［31］。

4.3.2 智能化

智能化是世界發展的重大趨勢之一，實現防護服的智能化也是防護領域的研究重點。通過將靈敏傳感器單元植入在防護服的織物內，可以實現對穿著人員的生理體征參數的遠程監測、自動監測環境中有毒化學品的種類以及適時地關閉防護服表面的微孔等功能，全面提升對有毒有害化學物質的有效阻隔性能［32］。

霍倫霍夫EMFT 研究所成功開發出了“智能化”防護手套，能識別大氣環境中的有毒有害氣體。這種面料采用了化學品感應變色材料，在接觸有毒有害的物質后，通過改變顏色進行提示。除了能變色報警之外，還能通過變色區的部位清楚地顯示受污染的范圍大小。感應染料可通過印染加入到紡織品中，再通過化學定性使感應染料牢固地附著在紡織品上，也可以用涂覆的方式將粉質感應染料涂覆到紡織品表面。從長期發展的角度來看，將來也可以將這種感應染料直接加入到紡織纖維中，這樣既可在很大程度上提高感應染料的附著力，又能增強對外部惡劣環境的抵抗能力［33］。盡管這種材料目前只能識別特定的化學物質，但在生化防護領域有著很大的發展前景。

4.3.3 高技術化

將最新技術運用到防護服內可以提高防護性能，延長生化防護服的使用壽命。美軍研發了自動修復生化防護服，采用特殊的涂層技術將自修復微膠囊添加到防護服內部，當軍服面料上出現切口、裂口、破洞以及刺孔時，微膠囊也隨即被撕破，膠囊里面的反應劑釋放出來，填補被破壞的缺口，同時消除危險化學品、病毒和細菌。未來，美軍將把這項技術應用到JSLIST 和JPACE生化防護服［34］。再生式核生化過濾裝置是實現可再生吸附的一種可行的解決方法，其基本原理為：吸附在高壓和低溫下進行，在低壓和高溫條件進行吸附劑的再生［35］。若能將此技術運用到防護服上，能有效解決含碳防護材料吸附飽和后無法防護的問題，同時為實現含碳防護材料再生循環使用提供了新思路。

4.3.4 高舒適性

瞬息萬變的戰爭、生化恐怖襲擊和突發的生物化學事故，都要求穿著防護服的人員具備很強的機動性。如何降低防護材料的質量和厚度，同時保持其透氣透濕性能，仍舊會是未來透氣式生化防護服研究的重點方向之一。

5 結束語

粒狀/粉狀活性炭、球形活性炭以及活性碳纖維等多孔炭材料在透氣式生化防護服上已經得到了廣泛的應用，各國都研發出了許多相對成熟的防護服。但多孔炭材料作為防護材料依然存在著二次污染、使用時間較短和對液態毒劑防護差等問題。各種新材料的出現為改善和提高防護服的綜合性能提供了可能。同時，為了適應現代復雜的戰爭，加強對穿著人員的防護，透氣式生化防護服將具備多功能化、智能化、高技術化和高舒適性等特點。