防辐射纤维的研究进展

李卫斌，赵晓明

(天津工业大学 纺织学院,天津 300387)



防辐射纤维的研究进展

李卫斌，赵晓明

(天津工业大学 纺织学院,天津 300387)

论述了电磁辐射及其危害，介绍了防辐射纤维的分类，阐述了防辐射纤维的研究进展，并对未来防辐射纤维的发展趋势进行了展望。

电磁辐射耐辐射纤维防X射线纤维防中子辐射纤维防电磁辐射纤维

1　电磁辐射及其危害

电磁技术的出现，促进了人类文明的进步，但也带来了许多负面影响。电磁波在工业及民用领域均有广泛应用，如遥感导航、测量检测、广播电视、无线通讯、以及核电的使用等。随着互联网的全面覆盖，电子电器的深度普及，使得电磁波渗透在人们生活的各个角落[1]。

电磁波按频率从小到大主要分为无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线等。另外电磁波的能量与频率成正比[2]，即频率越高，其能量越大。

不论是哪一种电磁波，在其为人类提供便利的同时，都会带来一定的危害。电磁波对人体的伤害方式可分为两类，其中一类是通过迫使生物体自身产生热效应，因不能及时释放出多余的热量会使机体温度升高，当超过一定的界限时，生物体会因机体内温度过高无法承受而受到伤害；另一类则是通过干扰人体内微弱的固有电磁场使其产生紊乱，从而影响到血液和淋巴的正常运行，使细胞原生质发生改变，引发组织病变，导致免疫力下降，以及出现失眠乏力等症状，进而还会诱发白血病和癌症的发生[2]。经常生活在电磁波密集的环境中会对身体十分不利，长时间接触密集的电磁波会使人的情绪出现波动，可能会患上头痛耳鸣、疲劳乏力、失眠多梦、甚至记忆丧失等，即所谓的电磁辐射超敏综合征(EHS)，还有可能使患帕金森综合征以及老年痴呆症等病症的风险性增大[3]。对于电磁辐射的防护，除了合理开发利用电磁资源，远离放射源及电磁波密集的环境外，防护材料的开发显得尤为重要。防辐射纤维既具有防护效果又兼备纺织材料柔软、轻便、可纺性、适应环境能力强等特性，因此有着传统防护材料无法比拟的优势。在目前这个各种电磁波交织的复杂环境中，对于防辐射纤维有着很大的需求，如各种航天工具，在宇宙空间中每秒钟都要经受成千上万的高能粒子的打击，不光在宇航方面，在原子能工业领域和有高能辐射的地方均需要防护纤维材料[4]。

近年以来，防辐射纤维的研发和制备已是一个热点研究课题，受到了世界各国的重视。随着现代化复杂环境的工作及生存需求，防辐射纤维的研究有了很大进步，各类防辐射纤维新材料也相继出现并得到应用。

2　防辐射纤维的分类

防辐射纤维种类较多，其特点及防护机理也不尽相同。目前，常见的防辐射纤维主要可分三种类型[5]：1)耐辐射型纤维，此类纤维本身就具有良好的耐辐射性能；2)复合型防辐射纤维，指的是通过掺杂其他元素或化合物使纤维具有一定的防辐射性能；3)导电型吸波纤维[6]，此类纤维在受到外界电磁场作用时，材料内部会产生感应电流，进而产生与外界电磁场方向相反的感应电磁场来抵消外界电磁作用，最终达到电磁屏蔽的效果。

3　防辐射纤维的研究进展

3.1耐辐射纤维—聚酰亚胺纤维[2,5,7]

在有机类纤维中，有部分纤维本身就具有耐辐射性，在经受高能射线的照射后不但不会产生辐射交联反应和化学降解，而且仍具有良好的物理机械性能和一定的使用价值。由于这类纤维的耐辐射性能很好，因而称之为耐辐射纤维，如聚酰亚胺纤维、聚酚醛纤维以及聚间苯二甲酞间苯二胺纤维等。对于耐辐射纤维的研究很早就开始了，上世纪60年代，美国开发出了聚酰亚胺纤维。聚酰亚胺由碳和氧元素以双键形式结合的芳香环构成大分子链，由于碳氧双键的存在使得分子的结合能得到有效提高。这种特殊的分子组成及结构决定了其具有诸多优良的性能，如耐辐射、耐低温、耐热、强度高、良好的介电性能等。

耐辐射纤维的应用较为广泛，主要应用在卫星、宇航、电气绝缘以及微电子工业等现代高科技领域。

3.2复合型防辐射纤维[2,5]

复合型防辐射纤维是指通过在纤维中添加防辐射剂而形成的复合型功能纤维，通常所添加的防辐射剂中含有一定量的重元素和具有较大吸收截面的元素及其化合物。其中的重元素可以阻滞中子，而后者既可阻滞快中子，又可吸收慢中子，且不会释放出γ射线而造成二次污染。复合型防辐射纤维的制备可选具有优良耐辐射性及可纺性高的聚合物作为基本高聚物，如聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚酯以及聚碳酸酯等。复合型防辐射纤维性能优异，用途广泛，常见的有防X射线纤维，防中子辐射纤维，防紫外线纤维等。

3.2.1防X射线纤维

防X射线纤维是指对X射线有防护能力的功能纤维[8]。X射线常用于医疗器械及工业产品的质量检测等。有关长期接触X射线的工作人员，身体会受到严重伤害，尤其是乳腺、性腺、红骨髓等有较大可能性受到伤害，若接受到的辐射剂量超过一定限度则会给人的生命带来严重威胁[9]。防X射线的常见材料为有机或含铅的玻璃及橡胶制品等[10]。这类防护产品一般比较笨重，而且其中含有毒性的铅及其氧化物，使用这类防护材料会产生环境污染。通过在化学纤维中添加适量的氧化铅、硫酸钡制成的防X射线纤维[11]，加工成纺织品后对低能X射线有一定的屏蔽效果，主要优点是比铅衣轻便柔软，但是依然含有毒性。新型的防X射线纤维则是将固体X射线屏蔽剂加入到聚丙烯中复合加工而成[8,12,13]。以聚丙烯为基础材料而制备的防X射线纤维，可做成具有射线防护功能的非织造布，能较好地屏蔽中、低能的X射线。当非织造布的定重大于600g/m2时，用其做成的防护服可屏蔽达70%以上的中、低能X射线[14]。

美国佛罗里达州的一家辐射防护技术公司采用辐射防护技术通过对聚乙烯和聚氯乙烯进行改性开发了demron防辐射织物[2,5,12]，它的结构为三层结构，即两层普通梭织物之间含有一层聚乙烯(PE)和聚氯乙烯(PVC)的聚合物。这种织物具有防X射线和γ射线的功能。该防辐射织物性能优异，其屏蔽效能可跟铅衣相媲美，且有着不含铅、无毒、质轻的优点。此防辐射织物有着较为广泛的用途，既可用作飞机、宇宙飞船的内衬材料，又可用于制作轻便的全身型防护服、防辐射帐篷等。日本纤维制造商东京帝人公司(Teijin)通过在高强度的对位芳纶Technora中混入钨颗粒制备出了防辐射纤维织物，这种防辐射织物对X射线和γ射线也均有较好的抵抗作用[15]。Qu Lijun等[16]以亚微米硫酸钡粒子作为防辐射成分，加入再生纤维素纺丝溶液中，用湿纺的方法制备了一系列防X射线辐射纤维，制成的纤维及用此纤维织成的织物可以用作防X射线辐射的轻量化服装和侦探外科用纱的基材料。

3.2.2防中子辐射纤维

防中子辐射纤维是指对中子流辐射具有突出抵抗作用的特种合成纤维。这种纤维能够经受高能辐射而其机械和电气性能不会被严重损坏，且有着良好的耐高温及抗燃性能[8,10]。中子射线为不带电荷但极具穿透力，较其他射线而言，在空气和其它介质中传播的距离更远，因而其辐射伤害跟同剂量的X射线相比会更为严重[9,12]。采用防中子辐射纤维制成的屏蔽材料通过减缓快中子并吸收慢中子来达到屏蔽的目的[17]。一般的中子辐射防护服只能防护中、低能的中子射线，因此其应用也会有所限制。对于纤维状的防中子辐射材料，国外从上世纪70年代就展开了相关研究。日本东丽公司开发了对中子辐射具有防护效果的复合纤维[18]，其采用的制备方法为复合纺丝法，具体做法为将中子吸收物质与高聚物在捏合机上熔融混合后作为芯层再以纯高聚物为皮层进行复合纺丝得到皮芯结构的纤维，再经湿热或干热拉伸工艺来提高其强度。另外，日本将锂和硼的化合物粉末与聚乙烯树脂进行共聚，采用熔融皮芯复合纺丝的方法开发了防中子辐射纤维材料，纤维强度可达20cN/tex～30cN/tex，断裂伸长为21%～32%。由于纤维中含有的锂或硼的化合物高达30%(相对于纤维重量)，因而对中子辐射具有良好的防护效果[8,10,12,18]。

我国对防中子辐射材料的研究较多，也有着较为显著的成果。如开发出的皮芯型(或并列型)复合防中子辐射纤维[2]，具体做法为以聚丙烯作为皮材，取70份聚丙烯与30份经过表面活性剂处理后的B4C微粒(粒径为0.5μm)，在240℃的温度下通过双螺杆共混制成芯材，以90:10的皮芯重量比进行复合纺丝，并以260℃的纺丝温度，800m/min的纺丝速度，120℃下的4倍拉伸为工艺参数，制成的防中子辐射纤维有良好的防辐射效果，其对热中子的屏蔽效果高达96%。我国天津纺织工学院(现为天津工业大学)在1985年成功开发出了防中子辐射纤维[5,12,18]，制备方法为采用复合纺丝法在芯层掺入偶联剂和中子吸收剂粉末制出皮芯复合结构的复合纤维。

3.2.3防紫外线纤维

防紫外线纤维是指对紫外线具有防护效果的纤维。此类纤维分两种，一种为本身就具有抗紫外线辐射能力的纤维，另外一种为通过掺入抗紫外线添加剂而使其获得防护能力的纤维[6,8,10]。如腈纶就是一种优良的抗紫外线纤维，而锦纶的抗紫外线能力较差。为了提高锦纶的抗紫外线能力，则需要在生产锦纶时往聚合物中掺入少量的添加剂(如硼酸锰、锰盐和次磷酸等)。为了提高涤纶的抗紫外线能力，可采用在聚酯中加入适量的陶瓷紫外线遮挡剂的方法来制备。对于棉纤维而言，可通过浸渍有机系(如水杨酸系、二苯甲酮系、氰基丙烯酸酯系等)的紫外线吸收剂来制造。有研究表明，通过将铁氧体磁性微粒混入到成纤高聚物中进行共混纺丝，或将具有磁性的物质涂覆在各种纤维的表面，以及以纤维为基体通过物理和化学改性等方法制备出的磁性纤维[19,20]对紫外线具有一定的抵抗能力。洪杰等[20]将铁氧体磁粉加入涤纶中通过共混纺丝制备了磁性纤维，进而将其与棉纤维进行混纺后织成织物，并研究了其对电磁辐射和紫外线的防护性能，结果表明制备的磁性纤维织物具有优异的防紫外线性能，对于防电磁辐射性能则在100MBZ以下频段有较好的效果。

3.3导电型吸波纤维—防电磁辐射纤维[21]

目前，导电型吸波纤维中应用较为广泛的主要有金属纤维、金属镀层纤维以及导电腈纶[22]等。导电型防电磁辐射纤维的种类较多，归纳起来主要包括以下几种。

(1)金属纤维

美国Brunswick公司开发出的不锈钢纤维是最早的屏蔽纤维，其直径为4μm～16μm，电阻率为1×10-8Ω·m[23]，随后又有铝系和铜系的金属纤维相继问世。金属纤维可用来制成屏蔽织物，其方法可以是混纺或交织，也可用作填料制成聚合物复合材料。三菱人造丝公司开发出的复合电磁屏蔽织物对电磁辐射具有突出的屏蔽作用，其制备方法为用特殊的复合技术将高纯极细的防氧化铜丝与涤纶纱或涤棉混纺纱编织在一起形成织物。这种织物屏蔽性能优异，具有良好的耐洗涤性，适应环境能力强，还可进行常规染色和缝制，大大提高了其应用范围。其产品可用于保护医疗器械，作为心电图测试场所的屏蔽帷幔等[24]。美国Brunswick以直径为7μm的不锈钢纤维作为填料制备的复合屏蔽材料，当填充量为6%(质量分数)时屏蔽效能可达到40 dB[25]。日本钟纺公司以聚酰胺6、聚丙烯、聚碳酸酯等聚合物为基体加入铁纤维复合加工后制成的电磁屏蔽材料，当铁纤维的填充量为20%～27%(体积分数)时，其屏蔽效能可达60 dB～80 dB[26]。

(2)金属化纤维

金属化纤维是指纤维表面具有导电膜的纤维。制备方法为使用涂层或镀层的方法在纤维表面形成导电性薄膜[1,2,5]。所谓的金属镀层纤维，就是将金属以分子或原子态覆盖在纤维表面，形成厚约0.02μm～25μm的金属层，电阻率为10-4Ω·mm/m～10-2Ω·mm/m的表面金属化纤维[27,28]。铜、镍、银等常被作为表面镀层用金属。金属化纤维是目前应用最为成熟且兼具金属和纤维特性的纤维[29]。目前，纤维表面金属化的方法主要包括电镀、化学镀和真空镀等三种[28]。

(3)本体导电性单体和聚合物[26]

本征型的导电高聚物纤维较多，主要有聚苯胺纤维、聚吡咯纤维以及聚噻吩纤维等。此类纤维可通过直接纺丝法制取或经后处理得到。日本菱田三郎等将聚吡咯整理在普通的涤纶上制备的导电纤维比电阻达到了1.7×10-2Ω·m，具体做法为在60℃的碘和碘化钾溶液中对普通涤纶纤维进行浸渍，取出后挤干将其暴露在吡咯蒸气中，在纤维表面便会形成掺杂的聚吡咯层。由于本征型导电聚合物纤维的加工难度较大，光稳定性差，目前其应用并不是很广泛。

3.4其他防电磁辐射纤维

随着技术的发展和现代化复杂环境的需求，防电磁辐射纤维的研究成为一个热点。近年来，防电磁辐射纤维及制品层出不穷[30-38]。Braise R等[39]研究了电磁波在大麻纤维和大麻纤维/聚丙烯腈纤维共混物中的传播，结果表明大麻纤维具有抗电磁辐射性。英国常春藤生态科技有限公司开发出的具有抗菌杀毒作用的纳米生态防辐射纤维[40]，经联合国防辐射材料研究会的检测试验发现其具有高效屏蔽效果以及除菌的功能，同时，能将部分有害的电磁波进行吸收转化成无害的能量，从而避免了二次污染。Hu Tao等[41]制备了碳纤维毡/环氧树脂多层树脂复合材料，并用不同的层角度对其电磁屏蔽性能进行了评价，制备的碳纤维毡—玻璃纤维毡/环氧树脂多层复合材料，当层角度接近0，厚度为4mm时，屏蔽效能达76.3dB。

4　展望

随着技术的不断发展，电器的不断普及和电子通讯的广泛应用，致使电磁辐射的危害越来越严重，因此，防辐射材料的研究显得尤为重要。防辐射纤维及材料因其优良的特性得到广泛应用，在国防和民用等诸多领域中均有涉及，它的研究和开发对于在复杂的现代化电磁环境中工作和生存具有重要的意义。

传统的辐射防护材料由于受到产品笨重、含铅等有毒物质以及防护效果有限等因素的影响，难以满足防护需要，防辐射纤维有着广阔的后加工空间，可根据需要来制备合适的产品，因此有着普通防护材料无法比拟的优点。目前应用较为广泛的有金属纤维，金属镀层纤维，导电腈纶纤维等。对于碳纤维、碳化硅纤维以及本征型导电聚合物纤维等，虽然屏蔽效果较好，但由于可纺性较差，因此较少应用在织物中。未来防辐射纤维材料的发展将朝着“专门化”(对某一种射线有非常好的防护能力)和“多功能化”(适用于存在多种射线的场合)的趋势发展。另外，纳米技术和稀土高分子复合材料将会是研究热点。对于防辐射纤维的研发应注意以下几点：1)应注意开发防护效果出色，且具有良好的力学性能，耐磨，使用寿命长等特点的纤维；2)无毒，绿色环保；3)合适的加工难度及较低的成本；4)优先考虑对吸波纤维的开发，减少电磁辐射对环境的二次污染；5)具有可纺性，后续产品应用范围广阔；6)良好的手感、舒适性及服用性能。

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1008-5580(2016)03-0187-05

2016-03-30

国家自然科学基金项目(51206122)

李卫斌(1992-)，男，硕士研究生，研究方向：纺织材料与纺织品设计。

赵晓明(1963-)，男，博士，天津市特聘教授，博士生导师。

TS102

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