防輻射纖維的研究進展

李衛斌，趙曉明

(天津工業大學 紡織學院,天津 300387)

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防輻射纖維的研究進展

李衛斌，趙曉明

(天津工業大學 紡織學院,天津 300387)

論述了電磁輻射及其危害，介紹了防輻射纖維的分類，闡述了防輻射纖維的研究進展，并對未來防輻射纖維的發展趨勢進行了展望。

電磁輻射耐輻射纖維防X射線纖維防中子輻射纖維防電磁輻射纖維

1　電磁輻射及其危害

電磁技術的出現，促進了人類文明的進步，但也帶來了許多負面影響。電磁波在工業及民用領域均有廣泛應用，如遙感導航、測量檢測、廣播電視、無線通訊、以及核電的使用等。隨著互聯網的全面覆蓋，電子電器的深度普及，使得電磁波滲透在人們生活的各個角落[1]。

電磁波按頻率從小到大主要分為無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線等。另外電磁波的能量與頻率成正比[2]，即頻率越高，其能量越大。

不論是哪一種電磁波，在其為人類提供便利的同時，都會帶來一定的危害。電磁波對人體的傷害方式可分為兩類，其中一類是通過迫使生物體自身產生熱效應，因不能及時釋放出多余的熱量會使機體溫度升高，當超過一定的界限時，生物體會因機體內溫度過高無法承受而受到傷害；另一類則是通過干擾人體內微弱的固有電磁場使其產生紊亂，從而影響到血液和淋巴的正常運行，使細胞原生質發生改變，引發組織病變，導致免疫力下降，以及出現失眠乏力等癥狀，進而還會誘發白血病和癌癥的發生[2]。經常生活在電磁波密集的環境中會對身體十分不利，長時間接觸密集的電磁波會使人的情緒出現波動，可能會患上頭痛耳鳴、疲勞乏力、失眠多夢、甚至記憶喪失等，即所謂的電磁輻射超敏綜合征(EHS)，還有可能使患帕金森綜合征以及老年癡呆癥等病癥的風險性增大[3]。對于電磁輻射的防護，除了合理開發利用電磁資源，遠離放射源及電磁波密集的環境外，防護材料的開發顯得尤為重要。防輻射纖維既具有防護效果又兼備紡織材料柔軟、輕便、可紡性、適應環境能力強等特性，因此有著傳統防護材料無法比擬的優勢。在目前這個各種電磁波交織的復雜環境中，對于防輻射纖維有著很大的需求，如各種航天工具，在宇宙空間中每秒鐘都要經受成千上萬的高能粒子的打擊，不光在宇航方面，在原子能工業領域和有高能輻射的地方均需要防護纖維材料[4]。

近年以來，防輻射纖維的研發和制備已是一個熱點研究課題，受到了世界各國的重視。隨著現代化復雜環境的工作及生存需求，防輻射纖維的研究有了很大進步，各類防輻射纖維新材料也相繼出現并得到應用。

2　防輻射纖維的分類

防輻射纖維種類較多，其特點及防護機理也不盡相同。目前，常見的防輻射纖維主要可分三種類型[5]：1)耐輻射型纖維，此類纖維本身就具有良好的耐輻射性能；2)復合型防輻射纖維，指的是通過摻雜其他元素或化合物使纖維具有一定的防輻射性能；3)導電型吸波纖維[6]，此類纖維在受到外界電磁場作用時，材料內部會產生感應電流，進而產生與外界電磁場方向相反的感應電磁場來抵消外界電磁作用，最終達到電磁屏蔽的效果。

3　防輻射纖維的研究進展

3.1耐輻射纖維—聚酰亞胺纖維[2,5,7]

在有機類纖維中，有部分纖維本身就具有耐輻射性，在經受高能射線的照射后不但不會產生輻射交聯反應和化學降解，而且仍具有良好的物理機械性能和一定的使用價值。由于這類纖維的耐輻射性能很好，因而稱之為耐輻射纖維，如聚酰亞胺纖維、聚酚醛纖維以及聚間苯二甲酞間苯二胺纖維等。對于耐輻射纖維的研究很早就開始了，上世紀60年代，美國開發出了聚酰亞胺纖維。聚酰亞胺由碳和氧元素以雙鍵形式結合的芳香環構成大分子鏈，由于碳氧雙鍵的存在使得分子的結合能得到有效提高。這種特殊的分子組成及結構決定了其具有諸多優良的性能，如耐輻射、耐低溫、耐熱、強度高、良好的介電性能等。

耐輻射纖維的應用較為廣泛，主要應用在衛星、宇航、電氣絕緣以及微電子工業等現代高科技領域。

3.2復合型防輻射纖維[2,5]

復合型防輻射纖維是指通過在纖維中添加防輻射劑而形成的復合型功能纖維，通常所添加的防輻射劑中含有一定量的重元素和具有較大吸收截面的元素及其化合物。其中的重元素可以阻滯中子，而后者既可阻滯快中子，又可吸收慢中子，且不會釋放出γ射線而造成二次污染。復合型防輻射纖維的制備可選具有優良耐輻射性及可紡性高的聚合物作為基本高聚物，如聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚酯以及聚碳酸酯等。復合型防輻射纖維性能優異，用途廣泛，常見的有防X射線纖維，防中子輻射纖維，防紫外線纖維等。

3.2.1防X射線纖維

防X射線纖維是指對X射線有防護能力的功能纖維[8]。X射線常用于醫療器械及工業產品的質量檢測等。有關長期接觸X射線的工作人員，身體會受到嚴重傷害，尤其是乳腺、性腺、紅骨髓等有較大可能性受到傷害，若接受到的輻射劑量超過一定限度則會給人的生命帶來嚴重威脅[9]。防X射線的常見材料為有機或含鉛的玻璃及橡膠制品等[10]。這類防護產品一般比較笨重，而且其中含有毒性的鉛及其氧化物，使用這類防護材料會產生環境污染。通過在化學纖維中添加適量的氧化鉛、硫酸鋇制成的防X射線纖維[11]，加工成紡織品后對低能X射線有一定的屏蔽效果，主要優點是比鉛衣輕便柔軟，但是依然含有毒性。新型的防X射線纖維則是將固體X射線屏蔽劑加入到聚丙烯中復合加工而成[8,12,13]。以聚丙烯為基礎材料而制備的防X射線纖維，可做成具有射線防護功能的非織造布，能較好地屏蔽中、低能的X射線。當非織造布的定重大于600g/m2時，用其做成的防護服可屏蔽達70%以上的中、低能X射線[14]。

美國佛羅里達州的一家輻射防護技術公司采用輻射防護技術通過對聚乙烯和聚氯乙烯進行改性開發了demron防輻射織物[2,5,12]，它的結構為三層結構，即兩層普通梭織物之間含有一層聚乙烯(PE)和聚氯乙烯(PVC)的聚合物。這種織物具有防X射線和γ射線的功能。該防輻射織物性能優異，其屏蔽效能可跟鉛衣相媲美，且有著不含鉛、無毒、質輕的優點。此防輻射織物有著較為廣泛的用途，既可用作飛機、宇宙飛船的內襯材料，又可用于制作輕便的全身型防護服、防輻射帳篷等。日本纖維制造商東京帝人公司(Teijin)通過在高強度的對位芳綸Technora中混入鎢顆粒制備出了防輻射纖維織物，這種防輻射織物對X射線和γ射線也均有較好的抵抗作用[15]。Qu Lijun等[16]以亞微米硫酸鋇粒子作為防輻射成分，加入再生纖維素紡絲溶液中，用濕紡的方法制備了一系列防X射線輻射纖維，制成的纖維及用此纖維織成的織物可以用作防X射線輻射的輕量化服裝和偵探外科用紗的基材料。

3.2.2防中子輻射纖維

防中子輻射纖維是指對中子流輻射具有突出抵抗作用的特種合成纖維。這種纖維能夠經受高能輻射而其機械和電氣性能不會被嚴重損壞，且有著良好的耐高溫及抗燃性能[8,10]。中子射線為不帶電荷但極具穿透力，較其他射線而言，在空氣和其它介質中傳播的距離更遠，因而其輻射傷害跟同劑量的X射線相比會更為嚴重[9,12]。采用防中子輻射纖維制成的屏蔽材料通過減緩快中子并吸收慢中子來達到屏蔽的目的[17]。一般的中子輻射防護服只能防護中、低能的中子射線，因此其應用也會有所限制。對于纖維狀的防中子輻射材料，國外從上世紀70年代就展開了相關研究。日本東麗公司開發了對中子輻射具有防護效果的復合纖維[18]，其采用的制備方法為復合紡絲法，具體做法為將中子吸收物質與高聚物在捏合機上熔融混合后作為芯層再以純高聚物為皮層進行復合紡絲得到皮芯結構的纖維，再經濕熱或干熱拉伸工藝來提高其強度。另外，日本將鋰和硼的化合物粉末與聚乙烯樹脂進行共聚，采用熔融皮芯復合紡絲的方法開發了防中子輻射纖維材料，纖維強度可達20cN/tex～30cN/tex，斷裂伸長為21%～32%。由于纖維中含有的鋰或硼的化合物高達30%(相對于纖維重量)，因而對中子輻射具有良好的防護效果[8,10,12,18]。

我國對防中子輻射材料的研究較多，也有著較為顯著的成果。如開發出的皮芯型(或并列型)復合防中子輻射纖維[2]，具體做法為以聚丙烯作為皮材，取70份聚丙烯與30份經過表面活性劑處理后的B4C微粒(粒徑為0.5μm)，在240℃的溫度下通過雙螺桿共混制成芯材，以90:10的皮芯重量比進行復合紡絲，并以260℃的紡絲溫度，800m/min的紡絲速度，120℃下的4倍拉伸為工藝參數，制成的防中子輻射纖維有良好的防輻射效果，其對熱中子的屏蔽效果高達96%。我國天津紡織工學院(現為天津工業大學)在1985年成功開發出了防中子輻射纖維[5,12,18]，制備方法為采用復合紡絲法在芯層摻入偶聯劑和中子吸收劑粉末制出皮芯復合結構的復合纖維。

3.2.3防紫外線纖維

防紫外線纖維是指對紫外線具有防護效果的纖維。此類纖維分兩種，一種為本身就具有抗紫外線輻射能力的纖維，另外一種為通過摻入抗紫外線添加劑而使其獲得防護能力的纖維[6,8,10]。如腈綸就是一種優良的抗紫外線纖維，而錦綸的抗紫外線能力較差。為了提高錦綸的抗紫外線能力，則需要在生產錦綸時往聚合物中摻入少量的添加劑(如硼酸錳、錳鹽和次磷酸等)。為了提高滌綸的抗紫外線能力，可采用在聚酯中加入適量的陶瓷紫外線遮擋劑的方法來制備。對于棉纖維而言，可通過浸漬有機系(如水楊酸系、二苯甲酮系、氰基丙烯酸酯系等)的紫外線吸收劑來制造。有研究表明，通過將鐵氧體磁性微粒混入到成纖高聚物中進行共混紡絲，或將具有磁性的物質涂覆在各種纖維的表面，以及以纖維為基體通過物理和化學改性等方法制備出的磁性纖維[19,20]對紫外線具有一定的抵抗能力。洪杰等[20]將鐵氧體磁粉加入滌綸中通過共混紡絲制備了磁性纖維，進而將其與棉纖維進行混紡后織成織物，并研究了其對電磁輻射和紫外線的防護性能，結果表明制備的磁性纖維織物具有優異的防紫外線性能，對于防電磁輻射性能則在100MBZ以下頻段有較好的效果。

3.3導電型吸波纖維—防電磁輻射纖維[21]

目前，導電型吸波纖維中應用較為廣泛的主要有金屬纖維、金屬鍍層纖維以及導電腈綸[22]等。導電型防電磁輻射纖維的種類較多，歸納起來主要包括以下幾種。

(1)金屬纖維

美國Brunswick公司開發出的不銹鋼纖維是最早的屏蔽纖維，其直徑為4μm～16μm，電阻率為1×10-8Ω·m[23]，隨后又有鋁系和銅系的金屬纖維相繼問世。金屬纖維可用來制成屏蔽織物，其方法可以是混紡或交織，也可用作填料制成聚合物復合材料。三菱人造絲公司開發出的復合電磁屏蔽織物對電磁輻射具有突出的屏蔽作用，其制備方法為用特殊的復合技術將高純極細的防氧化銅絲與滌綸紗或滌棉混紡紗編織在一起形成織物。這種織物屏蔽性能優異，具有良好的耐洗滌性，適應環境能力強，還可進行常規染色和縫制，大大提高了其應用范圍。其產品可用于保護醫療器械，作為心電圖測試場所的屏蔽帷幔等[24]。美國Brunswick以直徑為7μm的不銹鋼纖維作為填料制備的復合屏蔽材料，當填充量為6%(質量分數)時屏蔽效能可達到40 dB[25]。日本鐘紡公司以聚酰胺6、聚丙烯、聚碳酸酯等聚合物為基體加入鐵纖維復合加工后制成的電磁屏蔽材料，當鐵纖維的填充量為20%～27%(體積分數)時，其屏蔽效能可達60 dB～80 dB[26]。

(2)金屬化纖維

金屬化纖維是指纖維表面具有導電膜的纖維。制備方法為使用涂層或鍍層的方法在纖維表面形成導電性薄膜[1,2,5]。所謂的金屬鍍層纖維，就是將金屬以分子或原子態覆蓋在纖維表面，形成厚約0.02μm～25μm的金屬層，電阻率為10-4Ω·mm/m～10-2Ω·mm/m的表面金屬化纖維[27,28]。銅、鎳、銀等常被作為表面鍍層用金屬。金屬化纖維是目前應用最為成熟且兼具金屬和纖維特性的纖維[29]。目前，纖維表面金屬化的方法主要包括電鍍、化學鍍和真空鍍等三種[28]。

(3)本體導電性單體和聚合物[26]

本征型的導電高聚物纖維較多，主要有聚苯胺纖維、聚吡咯纖維以及聚噻吩纖維等。此類纖維可通過直接紡絲法制取或經后處理得到。日本菱田三郎等將聚吡咯整理在普通的滌綸上制備的導電纖維比電阻達到了1.7×10-2Ω·m，具體做法為在60℃的碘和碘化鉀溶液中對普通滌綸纖維進行浸漬，取出后擠干將其暴露在吡咯蒸氣中，在纖維表面便會形成摻雜的聚吡咯層。由于本征型導電聚合物纖維的加工難度較大，光穩定性差，目前其應用并不是很廣泛。

3.4其他防電磁輻射纖維

隨著技術的發展和現代化復雜環境的需求，防電磁輻射纖維的研究成為一個熱點。近年來，防電磁輻射纖維及制品層出不窮[30-38]。Braise R等[39]研究了電磁波在大麻纖維和大麻纖維/聚丙烯腈纖維共混物中的傳播，結果表明大麻纖維具有抗電磁輻射性。英國常春藤生態科技有限公司開發出的具有抗菌殺毒作用的納米生態防輻射纖維[40]，經聯合國防輻射材料研究會的檢測試驗發現其具有高效屏蔽效果以及除菌的功能，同時，能將部分有害的電磁波進行吸收轉化成無害的能量，從而避免了二次污染。Hu Tao等[41]制備了碳纖維氈/環氧樹脂多層樹脂復合材料，并用不同的層角度對其電磁屏蔽性能進行了評價，制備的碳纖維氈—玻璃纖維氈/環氧樹脂多層復合材料，當層角度接近0，厚度為4mm時，屏蔽效能達76.3dB。

4　展望

隨著技術的不斷發展，電器的不斷普及和電子通訊的廣泛應用，致使電磁輻射的危害越來越嚴重，因此，防輻射材料的研究顯得尤為重要。防輻射纖維及材料因其優良的特性得到廣泛應用，在國防和民用等諸多領域中均有涉及，它的研究和開發對于在復雜的現代化電磁環境中工作和生存具有重要的意義。

傳統的輻射防護材料由于受到產品笨重、含鉛等有毒物質以及防護效果有限等因素的影響，難以滿足防護需要，防輻射纖維有著廣闊的后加工空間，可根據需要來制備合適的產品，因此有著普通防護材料無法比擬的優點。目前應用較為廣泛的有金屬纖維，金屬鍍層纖維，導電腈綸纖維等。對于碳纖維、碳化硅纖維以及本征型導電聚合物纖維等，雖然屏蔽效果較好，但由于可紡性較差，因此較少應用在織物中。未來防輻射纖維材料的發展將朝著“專門化”(對某一種射線有非常好的防護能力)和“多功能化”(適用于存在多種射線的場合)的趨勢發展。另外，納米技術和稀土高分子復合材料將會是研究熱點。對于防輻射纖維的研發應注意以下幾點：1)應注意開發防護效果出色，且具有良好的力學性能，耐磨，使用壽命長等特點的纖維；2)無毒，綠色環保；3)合適的加工難度及較低的成本；4)優先考慮對吸波纖維的開發，減少電磁輻射對環境的二次污染；5)具有可紡性，后續產品應用范圍廣闊；6)良好的手感、舒適性及服用性能。

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1008-5580(2016)03-0187-05

2016-03-30

國家自然科學基金項目(51206122)

李衛斌(1992-)，男，碩士研究生，研究方向：紡織材料與紡織品設計。

趙曉明(1963-)，男，博士，天津市特聘教授，博士生導師。

TS102

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