纺织材料学第二十一章---织物的防护功能及安全性

•织物的美观装扮及御寒保暖作用，已为人们熟知。但人们似乎不满足于此，希望织物能提供更多的功能和更可靠的性质。由此，产生了在苛刻环境，如高温火焰、低温冷冻、化学腐蚀物、生物侵袭、电磁辐射、高能射线和紫外线等条件下，能对人体防护的织物。同时人们也希望使用的纺织品安全可靠，这不仅体现在结构用材的耐久与稳定、防护用材的可靠及有效，而且体现在纺织品在使用中对人类、对环境的安全，由此引出纺织品的生态性、对人体无危害性、功能有效与持久性的要求。•本章正是基于此两类问题及其相互关系，对已有的内容和结果给予简要的介绍。此两方面的要求有时能很好地协调，如带有金属镀层纤维的电磁屏蔽织物，既能防护又对人体无副作用。但大多情况下两者会产生矛盾，一些性能很好的阻燃织物会导致人体病变或致癌；纳米颗粒虽能改善织物的众多性能，却会游离进入人体，产生我们目前还无法预料的结果。2004年7月29日美国的《科学此刻》及2004年8月4日《自然》杂志分别对纳米的安全性发出预警，指出：“游离的纳米颗粒和纳米管可能会穿透细胞，产生毒性”；对于环境来说，“纳米科技可能是把双刃剑”。织物的防护功能及安全性织物的防火与阻燃织物的生化防护作用纺织品的物理作用防护防护中的可靠与安全织物的智能防护作用织物防火和阻燃的必要性防火织物阻燃织物常见生物防护化学品防护生化防护技术纺织品热防护光辐射防护电磁辐射防护高能辐射防护隔音吸声去噪纺织品纤维增强结构材料的应用纺织结构材料的功能可靠性医用纺织结构材料的安全性智能纺织材料的基本概念典型的智能防护第一节织物的防火与阻燃•织物的防火与阻燃是人类穿着和使用中最早提出的保护要求，如防火石棉织物和阻燃棉织物的应用，也是织物各种防护性能要求中最基本也是最重要的需求之一。前者是直接面对可能的燃烧，实现防火与灭火，称为防火织物，是专用型的；后者是可能发生火灾时的阻燃或不燃，以此保障人身安全和工作环境的安全，称阻燃织物，是普通型防护纺织品。•一、织物防火和阻燃的必要性•1.纺织品的易燃与火灾起因•人们传统使用的纺织品绝大多数都是易燃或者可燃的，因为它们的极限氧指数大都小于28%，而且纤维多处于干燥状态，填充密度低，甚至本身带有中腔，比表面积很大，可有效地接触大气中的氧，如遇可燃条件，极易着火。•对近年来国内外重大建筑物火灾案例的调查分析，发现造成重大火灾的起因及火势迅速扩大均与建筑物内大量使用易燃性装饰材料关系密切。据统计，由于纺织品不阻燃而引起的火灾约占火灾发生总数的一半以上。特别对于窗帘、帷幕、墙布、帐篷等垂直放置的纺织品，一旦起火，极易成为火势上下蔓延的通道。因此，纺织品的防火与阻燃已引起人们普遍的关注，各国制定了相应的使用标准和检测标准(如欧洲标准EN469和美国标准NFPA)，并立法规定。•2.需要防火的场合•目前，我国公安、环保建设部门，对高层建筑、大跨度构件和重点工程及公共建筑场所、电线电缆、铁路、公路隧道和地铁等制定了防火规范，即这些重要部位的防火措施及要求。另外，如军事、消防、工业加工中，从事有明火或散发火花、熔融金属场合、易爆、易燃物质堆放及有着火危险的作业场所，以及探井、采矿作业时，都必须配备或穿着防火织物。•3.阻燃纺织品的应用•阻燃纺织品严格意义上是在经常使用的纺织材料中引入阻燃机制，以减小其可燃性，由此延缓和避免火情可能导致的危险。而其本身的主要目的是日常使用，主功能是满足使用者的舒适与美观。人们经常、本能的需求与潜在、偶发的危险往往很难平衡，因为阻燃会影响织物的外观及舒适性，成本较高，而且存在此功能永远不用的可能。因此，有的国家制定了法律或条例规定用于学校、医院、养老院、影院等公共建筑内的家用纺织品必须进行阻燃处理，包括婴幼儿、老人、病人、残疾人的纺织用品。•当然，从安全的角度上说，一般民用、工业场合和建筑设施、交通工具中的纺织品也应该进行阻燃处理，以降低火灾发生和扩展的可能性。•二、防火织物•1.防火织物的基本要求•防火织物需直接、或较多可能地面对耐高温与火情，或防火意义重大的场合。因此，除了其本身的使用功能外，必须经受住明火、高温的作用；具有高防火、隔热的特殊功效；能承担对人体或物体的安全、可靠防护。•2.织物防火的实现•要达到有效防火，织物应该能对热、光高反射，温度高隔绝和热的强衰减，一般为用即弃产品，但也有要求反复长时间使用。故应首先考虑选材，并采用合理的结构，如复合、多层的功能结构设计。•可以选择极限氧指数(LOI)高的，如高性能纤维材料，见前第一章和第七章，耐热性和热稳定性强的纤维材料，如芳纶类纤维、预氧丝和碳纤维，以及陶瓷和石棉类纤维。•作为结构设计与功能分担，应该对织物进行防火涂层整理，以增加对光、热的反射，降低导热系数，增大比热；提高织物表面的耐热、阻燃性和热稳定性。•设置中间隔热、阻燃层，以保证热量的阻隔、温度的降低和阻燃。由此达到安全防护和提供充分时间实施灭火救灾。常用的防火服见图21-1所示。图21-1防火服•三、阻燃织物•1.阻燃织物的基本要求•在保证常态使用时对人体无害、保持原有织物风格及外观特征的前提下，提供或具有阻燃功能。阻燃织物主要面对常态下的长久舒适或美观使用，故保证正常使用是最主要的。阻燃防护必须对人体无害、安全，并在使用期内阻燃功能有效。•对于阻燃织物人们较多地关注它的阻燃效果，而对于其对人体危害性的评价和阻燃功能有效性及保持性的评价较缺乏，对于用弃后的处理和给自然环境造成的影响，关注更少。•2.阻燃织物的特征及实现•阻燃织物的主要特征是具有较高极限氧指数的普通织物。织物的阻燃效果可以通过纤维选材、织物组织设计及织物阻燃整理来实现。•阻燃织物应首选阻燃纤维达到阻燃，这样对织物风格的影响可以调整。可选的阻燃纤维主要是本身具有阻燃功能的高性能纤维和改性阻燃纤维，通过混合、共聚、接枝、引入阻燃剂制成改性纤维。并采用纯纺或混纺方式，生产阻燃织物。•改变织物结构可降低可燃性和燃烧性，厚重、致密、多层、少毛羽结构的织物不易燃烧，且极限氧指数LOI变高，因为LOI与织物的透气性相关。•织物的阻燃整理是获得阻燃功能的最主要方法，但对织物的风格和穿着舒适性产生不可调整的影响，甚至产生非生态和不安全的因素。•阻燃整理主要是在纺织品的后整理加工过程中对织物进行表面处理：有喷涂处理，主要用于较少或不需洗涤的装饰织物和建筑用织物，如地毯、墙布、建筑膜等；有浸轧、浸渍处理，主要用于外衣、睡衣、床上用品和其它家具纺织品的阻燃，对耐洗要求高；涂层处理，主要加工劳动防护服以及装饰织物，如电焊工作服和炼钢工作服以及装饰用织物等，对于阻燃剂的阻燃性和耐洗性要求较高。•常用阻燃剂有：含磷化合物、含磷和氮化合物、铵盐、金属盐、硼酸及其化合物、氧化锆、锑等金属氧化物、含卤素的化合物(如六溴环十二烷或含氯化合物)、含硫化合物、六氟锆酸钾和六氟钛酸钾，以及易形成支架的膨胀含碳化合物等。•3.阻燃织物性能评价•测量纤维材料燃烧性的方法依据燃烧特征可以分为：着火性(闪点、自燃点和氧指数等)；燃烧速度(火焰扩展速度、碳化长度和面积、熔融热等)；延燃性(续燃时间、残焰和残烬时间等)；发热量(燃烧热和温度等)；发烟性(烟量和发烟速度等)；毒性(气体成分、动物实验等)测量等，通常要求是：LOI≥27%，续燃时间≤2s；损毁长度≤10cm，无或少熔滴。•阻燃织物应进行阻燃功能持久性或称稳定性的评价，如经多次洗涤、高温作用、老化实验，以评价其阻燃效果的保持量。还需进行阻燃织物或阻燃剂对人和环境生态安全性的评价，以及有毒物质残留量与燃烧时剧毒物的检测。第二节织物的生化防护作用•生化防护主要是指对人体有害的生物体和化学物质的防护，如细菌、病毒、昆虫、化学品以及携带这些生物体、化学品和化学物质的气体、液体和固体。织物在这里主要是作为对此类有害生物和有毒、强破坏作用化学物的隔绝。•一、常见生物防护•1.抗菌及防护•抗菌织物在消除异味、防止细菌滋生和减少皮肤和呼吸道传染病等方面起着关键的作用，现正以15%的年增长率投入市场。所谓“抗菌”包含两个概念：一是抑菌杀菌作用，直接“抗菌”，多用于内衣；一是通过拒水处理、微孔膜透气结构来阻断细菌透过织物实现“抗菌”，常用于外装。•抗菌处理后可以杀灭金黄色葡萄球菌、指间白癣菌、大肠杆菌、尿素分解菌等细菌和真菌，预防疾病的传播，保护使用者；减少内衣裤和袜子产生恶臭；阻止袜子上脚癣菌繁殖；降低婴儿因尿布发生红斑；减少接触和交叉感染；或者将细菌隔离在织物外。•纺织品对细菌攻击的防护可选择抗菌纤维，织物抗菌整理，以及采用微尺度结构抗菌的隔离设计来达到。主要是引入有机抗菌剂，或对纤维表面进行接枝改性处理。如英国阿考迪斯(Acordis)公司的抗菌纤维Amicor，既能消灭细菌又能抑制真菌生长，且抗菌效果持久，对人体无任何毒副作用，可与其它纤维混纺制成织物。•对织物的抗菌整理可通过浸渍、涂层、覆膜的方法引入或改变织物的孔隙、抗菌剂、或隔离织物的通道，以此直接达到抑菌、杀菌和隔离病菌的作用。较常用的整理法是有机硅-季铵盐法；较常用的覆膜是聚氨酯膜和Goretex®膜(聚四氟乙烯膜)。•2.防有害虫类•对人体有害的虫类较多，但能与人类经常接触的虫类主要有：螨、虱、蚤、蚊类。这些昆虫不仅依赖于人体物质生存，给人类带来众多不适；而且携带多种有害微生物，给人类健康造成损害。由于这些生物体尺寸较大，故一般采用隔绝的方法是最生态合理的被动防护方法。当然寻求“杀灭”的积极防护方法是人们一直采用的方法，但应该是生态的。这里仅以螨和蚊虫的防护为例。•(1)防螨•螨虫是一种长约0.1-0.2毫米，专靠刺吸人的皮肤组织细胞、皮脂腺分泌的油脂等为生的寄生虫，其种类繁多且繁殖量大，繁殖速度快，并且给人类传播多种疾病(图21-2)。螨虫性喜湿热，安静、怕光，20~25oC、相对湿度65%~80%，极适宜尘螨的发育及繁殖。•所以，干燥、通风、晾晒就是消灭它们最佳方法。螨虫是继跳蚤、苍蝇之后，最猖獗的人类居室害虫，主要生存在居室的阴暗角落、地毯、床垫、枕头、沙发、空调、衣物，甚至皮肤毛囊中。图21-2螨虫形态图•由于其运动速度慢、活动范围小，故以杀灭或防止寄生为主。常用的方法是对面料进行涂层、浸渍、渗入整理，将杀螨剂或纳米粉体混合剂涂覆或渗入于纺织品。•此外，还可以通过加工高密度织物达到防螨效果。根据美国Virginia大学试验，若使用高密度织物防止尘螨及其排泄物通过，布缝的孔径在53微米就可防止尘螨通过，而布缝的孔径在10微米以下才可防止尘螨排泄物及其它过敏源通过。杜邦公司推出的TyvekADM织物，具有永久性防螨效果，因为其单丝细度最细可达0.5微米，可使尘埃、液态水、油污、皮屑等均不能透过。•(2)防蚊•蚊虫的叮咬给人类带来的烦恼由来已久，不仅令人痛痒难忍，而且传播脑炎、疟疾和其它传染病。纺织品的防蚊处理是驱赶，方法是在原有的家用防蚊液和蚊帐的基础上，组合形成防蚊衣物，如丝袜、夏季衬衫、野外活动服装等。已有无毒驱蚊剂避蚊胺(DEET)、除虫菊等可直接涂覆或浸泡织物，可通过分子扩散的气味作用驱赶蚊虫。若再配以隔绝网或织物，效果更佳。图21-3的特殊工作服也是此类防护的典型例子。(a)丛林作战服(b)防蜂防护服图21-3特殊类工作服•3.对病毒的隔离防护•由于对非典(SARS)、禽流感、肝炎及其它一些威胁生命的传染病的关心，采用隔绝和部分杀灭的原理，对病毒的防护及其纤维制品受到人们的关注。带有防病毒功能的阻隔织物、层压或涂层织物及涂有复杂共聚物的非织造布正逐渐出现。•病毒防护除选用涂层织物和超细纤维高致密化的非织造布外，最为重要的是采用聚四氟乙烯膜材料。聚四氟乙烯(PTFE)是一种高性能的聚合物，它的复合织物为美国Goretex®纺织材料在医疗和健康防护领域中的成功例子，其强度尚可、性质稳定、生物兼容性好、热稳定性好、容易成型。在修复患病的动脉和组织，开发处理伤口材料，保护患者和医护人员免受疾病传染方面有不可替代的应用。该膜材料防病毒的主要概念是阻隔，即采用小于病毒尺寸的孔隙(如SARS病毒为80nm~120nm)和较长的可吸附通道，来阻断病毒的进入