電離輻射防護用紡織品的研究進展

楊 濤 石 敏 萬星辰 姚理榮

（1.南通大學，江蘇南通，2260192；

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）

1 問題的提出

隨著核技術的發展和廣泛應用，它在給人們帶來便利的同時也產生了很多危害。其中，在醫療、工業探傷、農業育種、核原料開采加工、乏燃料后處理以及核應急等領域都會產生電離輻射；經常接觸輻射的人會出現皮膚發紅、毛發脫落、眼疾、神經衰弱等癥狀，因此在人員防護方面的研究是一個十分迫切的需求。目前，國內輻射環境領域從業人員達數百萬，過于笨重的個體輻射防護裝備會嚴重影響工作人員的工作效率，所以開發出輕便靈活且防護性能優良的輻射防護用紡織品必不可少。輻射防護用紡織品主要分為對個體的防護和對設備的防護，當前個體防護用紡織品已經成為研究的熱點和重點。防核輻射紡織品的研究方向主要有兩個。一種是先通過共混和復合紡絲的方法制備防輻射纖維，然后再制成紡織品；另一種是對織物表面進行整理從而獲得防輻射性能。本文就以上內容進行簡要的綜述，并展望了未來輻射防護用紡織品的發展方向。

2 電離輻射及對人體的危害

輻射在本質上可分為電磁輻射和粒子輻射，按能否將物質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、可見光、紅外線以及無線電波。粒子輻射以消耗自身的動能傳遞能量；主要的粒子輻射有α 粒子、β 粒子、質子、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中使分子或原子發生電離、產生電子對的輻射，包括X 射線、γ 射線、α 粒子、β 粒子、質子、中子和高能電子等。射線儀器和放射性核素是最常見的電離輻射源。

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 射線管內高速運動的電子與物質相互作用產生的，可以人為控制［2］。X 射線波長短，能量高，穿透力也較強，較難防護。γ 射線、α 粒子、β 粒子是原子核自發衰變能級躍遷退激時放射出的射線。γ 射線是一種比X 射線波長更短、能量更大的電磁波，具有光速，且穿透力很強，在空氣中的射程有幾百米。α 粒子是高速運動的一個氦原子核，是重帶電粒子；其電離能力很強，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 粒子是高速運動的電子，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，但也很有限，1 MeV 能級的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。中子的能量大小差異很大，最大的可達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 射線與物質的相互作用

α 粒子與物質的相互作用是通過不斷與原子核外電子碰撞電離而轉移能量，且在碰撞過程中幾乎不改變方向，直到能量耗盡。β 粒子與物質的相互作用也主要是通過與電子碰撞電離而損失能量，但由于質量較輕，在碰撞的過程中會不斷改變方向，因此會運動較長路程。

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

中子與物質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、核反應等相互作用［3］。

2.3 電離輻射對人體的危害

輻射具有無色無味、穿透力強等特點，是繼空氣、水、噪聲污染之后的第四大環境污染。不同劑量的電離輻射在人體的不同部位會在不同的時間造成不同的危害。

輻射按照射方式分為內照射和外照射，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引發急性放射病，胸腹部位的照射也會引發急性放射病。急性放射病可分為白細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系統紊亂最后致死的腦型急性放射病。

按照發病的早晚可分為早期效應和遲發效應。在受到輻射幾個星期內出現的病癥為早期效應，如急性皮膚損傷、急性放射病等。在數月后出現病癥的為遲發效應，如輻射致白血病、致癌、白內障、輻射遺傳及慢性輻射病。慢性放射病的主要表現為造血組織損傷，可分為局部損害和全身損害，局部損害主要有皮膚發紅、毛發脫落、視力衰退、白內障等。全身損害主要有內分泌失調、神經系統紊亂引發的一系列病癥，如神經衰弱、白血病、貧血、消化呼吸系統病變等［4］。目前，根據輻射來源及危害，紡織品主要防護X射線、γ 射線及熱中子。

2.4 國內外電離輻射執行的標準

近年來，輻射技術得到越來越多的應用。為了更好地利用輻射，同時避免我們的健康和環境受到威脅，制定一個輻射執行標準控制電離輻射帶來的危害是必不可少的。我國的電離輻射執行標準經過了四代更替，現已與國際標準接軌，反映了我國輻射防護技術的快速發展。

2.4.1 相同之處

在輻射防護原則上，我國標準和國際標準是一致的，即實踐的正當性、劑量限制、輻射安全與防護的最優化。

實踐的正當性指該輻射實踐所帶來的利益大于它所付出的代價。這里的代價是指對操作人員和大眾健康的危害以及經濟利益的損失。這里的經濟利益包括該實踐所有的花費、對環境的影響以及資源的消耗。正當性還要考慮替代實踐的利益代價比，如果后者更好，則該實踐也是缺乏正當性的。

劑量限制是指個人受到照射的劑量不超過規定的劑量限值，以保證個人不會受到健康損害。其目的是為了降低隨機危險事件發生的概率，使之達到可以接受的程度，減少社會的壓力。

輻射與安全的最優化是指付出最小的代價、收獲最大的利益，它是整個體系的核心和靈魂，也是實現防護安全的指導原則。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到最低值［5］。

2.4.2 不同之處

我國的輻射防護標準是根據我國的實際國情和經驗在國際標準的基礎上制定的，在結構方面做出了比較大的調整，其主要差別是更加明確地強調了對審查和營銷管理方面的要求，并明確規定了豁免條件，增加了對潛在危險方面原則上的限制約束和放射殘留繼續照射使用的劑量約束要求，吸取了我國在環境中排放輻射物的經驗，適當補充了對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 電離輻射防護紡織品的研究進展

個體用電離輻射防護紡織品設計上注重三個重要要素：輕巧的柔性設計、增強屏蔽性能的設計以及符合人體工學的設計。具有輕便靈活設計和較好屏蔽性能的紡織品可有效提高輻射工作場所人員的工作效率。

由于輻射環境的復雜，電離輻射防護服需要具有較強的環境適應性。防護服一般采用面層、芯層、里層三層結構。防護服除了分層外，根據特殊環境需求，還需要采用不同的款式，常用的款式有圍裙、馬甲、性腺防護、全身防護。目前在電離輻射防護服研制方面，國外處于領先地位，國內研究處于跟跑狀態。表1 為國外一些公司代表性產品技術路線特點及性能指標。

表1 國外代表性產品技術路線特點及性能指標

3.1 X 射線、γ 射線防護紡織品

X 射線防護服主要是由兩部分組成，一部分是用來吸收屏蔽X 射線的屏蔽材料，如鉛、鋇、鎢、鉍、稀土等重金屬元素的單質及其化合物；另一部分是用來提高服用性能、保護防護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服和無鉛防護服。

20 世紀80 年代，前蘇聯將腈綸浸漬到醋酸鉛中制得了防X 射線防護服。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。美國一家公司對聚乙烯和聚氯乙烯進行改性，成功制備出了一種對X 射線、γ 射線都有很好防護性能的織物［8］。天津紡織工學院將鉛和鋇等重金屬及氧化物與聚丙烯混合，經熔融紡絲制成一種防X 射線纖維，纖維經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，山東的高明遠公開了一種X 射線防護服，該防護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；該防護服具有結實耐穿、攜帶方便等優點［10］。2011 年，殷艷霞等人發明了一種由兩層相同的面料反向縫制而成的X 射線防護服；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，張洪業等人發明了一種用支架支撐的防護服，底部裝有滑輪，結構簡單，裝配方便，可適用于不同體形，其優點是可減輕防護服的質量且不影響行動，同時能全面隔離X 射線［12］。2014年，東華大學的鄭羿通過微膠囊技術將鉛鹽分別包覆在乙基聚乙烯醇和乙基纖維素中，以細菌纖維素為基體制備了一種微膠囊/細菌纖維素復合膜；該復合膜具有優良的X 射線屏蔽性能和力學性能，是適合作為X 射線防護服的一種柔性材料［13］。2017 年，MUHAMMAD TUFAIL 等人利用納米鎢粉與聚合物樹脂為原料設計了一款符合人體工學的輕便靈活的輻射防護服［14］。趙楊等研究發現，以吡啶作為溶劑，采用溶劑熱法對鎢酸鉍進行表面處理后，其對105.310 keV 的γ射線屏蔽率達到了54.17%［15］。MAGHRABI H設計了一款醫療患者診斷用X 射線防護服，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 人體掃描技術設計了一款主要為女性量身訂做的X 射線防護服；該防護服具有優良的耐磨性、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，經層壓、靜置、固化得到一種防輻射性能良好的復合材料，該復合材料的鉛當量達到了0.38 mmPb［18］。

3.2 中子防護紡織品

中子防護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，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，如氧化硼、碳化硼、氟化鋰、溴化鋰等。中子防護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80 年代，國外成功研制出將硼、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 年采用復合紡絲的方法制備出了以氧化硼中子吸收物質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構防中子復合纖維，將其制成的防護服對熱中子屏蔽率可達到40%。1985 年，天津工業大學也成功開發出了一種皮芯復合結構的防中子復合纖維；該纖維將碳化硼和聚丙烯進行共混，具有良好的力學性能，其制得的非織造布對熱中子有較強的防護性能，對中能中子也有一定的防護效果［19］。2013 年，HUANG Yiping 等人通過對碳纖維表面進行丙酮樹脂超聲預處理，研制出了一種碳纖維增強碳化硼三明治形中子屏蔽復合材料，具有強度高、質量輕、防中子性能好等優點［20］。2013 年，北京君安泰防護科技有限公司發明了一種采用碳化硼作為中子吸收劑，以PP為基材，通過熔噴紡絲制備的中子防護服；該防護服包括身體防護服、防護帽、防護頸板以及防護鏡［21］。2014 年，北京航空航天大學在PET 與PBT 中引入有機硼氫籠形結構，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性能，可制成輕質高效的中子防護服［22］。2014 年，馬曉軍在碳化硼粉末表面包覆了一層低熔點的鎳合金，通過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而成的聚合物、氧化石墨烯、硼酸和引發劑硫酸銨與交聯劑N，N 亞甲基雙丙烯酰胺組成。該材料制備工藝簡單，且具有良好的機械性能、柔性、高彈性、中子屏蔽性，可用來制作中子防護服［24］。

4 展望

目前國內個體電離輻射防護用紡織品材料仍以含鉛橡膠、鉛衣、含鉛涂層面料等為主，而無鉛、質輕、高效新型防護服相關研發和產品仍較欠缺。結合國內外研究現狀及發展需求，認為其今后應從以下幾個方面加強研究。

（1）電離輻射中X 射線和低能γ 射線是紡織品所需要防護的重點，針對接觸X 射線和γ 輻射源人員，其防護策略相似，即采用大原子序數重金屬進行有效屏蔽。其中的關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、壓延等制備中實現高添加量和均勻分散性。

（2）當前針對電離輻射防護，國內外研究或產品的主要功能為對X 射線、γ 射線或中子單一防護，在γ 射線/中子一體防護材料研究方面報道較少，相關產品尚未見到。但在涉及核材料加工、使用、后處理以及核應急等諸多場景，相關人員同時面臨中子和γ 射線雙重輻照，因此γ 射線/中子一體防護材料研制顯得尤為重要和迫切。

（3）不同材料性質存在差異，對不同能量射線的防護存在弱區，采用金屬合金材料、金屬粉末共混以及多層結構材料將是實現較寬能量射線較好防護的有效手段。

（4）鑒于紡織品自身結構與性能，目前主要是對人員接觸到的X 射線、低能γ 射線和熱中子進行防護，對中高能γ 射線和能量較高穿透力強的中子的防護效果較差。為實現特殊高能輻射環境中人員的有效防護，未來本體和人體一體化防護將是一個新的研究方向。