防辐射纤维种类、功能及其研究新进展

摘要：简要介绍了电磁辐射及其危害，对防辐射纤维进行了分类；重点介绍了聚酰亚胺纤维，防X射线纤维，防中子辐射纤维，防电磁辐射纤维的研究进展及制造方法。

    1防辐射纤维概述

    电磁波在产业应用方面有遥感导航、检测测量及核电的使用。在日常生活方面，随着有电器的普及，广播电视、无线通信、互联网的全面覆盖，更是使电磁波与人们的生活密不可分。

    电磁波依频率从小到大分为工频段电磁波、射频段电磁波、微波段电磁波、红外线、可见光、紫外线、X射线、ϒ射线、快中子射线。另外电磁波的能量与频率成正比，即频率越高，能量越大。[1]

    无论是哪一种电磁波，在其造福人类的同时，都会带来危害。一类危害是使生物体产生热效应，当超过某一界限时，生物体因不能释放其体内产生的多余热量，致使温度升高而受到伤害；另一类危害是干扰人体固有的微弱电磁场，影响血液和淋巴运行，使细胞原生质发生变化,其积累作用会引发失眠乏力、免疫下降、组织病变，进而诱发白血病和癌症。[2]长期生活在高压线、电讯发射装置、大功率电器设备环境里、以及近距离频繁使用家电和手机的人员，会导致情绪波动，以及电磁辐射超敏综合症（EHS）,如头痛、耳鸣、无力、疲劳、失眠、甚至记忆丧失，患帕金森综合症和老年痴呆症。[3]近20年来，防辐射纤维的研制作为一项重要的高功能纤维的研究课题，已受到世界各个国家的普遍重视，各类防辐射纤维相继问世。

    2防辐射纤维的分类

    防辐射纤维有三种类型：1）耐辐射纤维，纤维本身就耐辐射；2）复合型防辐射纤维，通过往纤维中添加其他化合物或元素使该纤维具有耐辐射的性能[4]；3）导电型吸波纤维[5]，即凭借低电阻导电材料对电磁辐射的反射作用，在导体内产生与原电磁辐射相反的电流和磁极化，形成一个屏蔽空间，从而减弱外来电磁辐射的危害[6]。

    3防辐射纤维的研究进展

    3.1耐辐射纤维——聚酰亚胺纤维

    20世纪60年代美国成功地开发了聚酰亚胺纤维。聚酰亚胺的大分子链全部由芳香环组成，而且芳环中的碳和氧的结合是以双键形式，有效地增强了结合能。当辐射线作用于聚酰亚胺现为市，分子可吸收的辐射能远不足以打开分子链上的原子共价键，仅转化为热能排走。正是这种分子组成和结构决定其耐辐射性、耐热性、分子链不易断裂、强度高等一系列优良性能。

    将单体芳香族二胺溶解于二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺或二甲基亚砜中，随后将另一单体均苯四甲酸等摩尔加入，在室温、氮气保护下进行溶液缩聚反应，最后得到浓度为10%~20%的聚均苯四酰胺酸欲聚体溶液,然后通过干法纺丝或湿法纺丝可制得聚酰亚胺纤维。【7】

    3.2复合型防辐射纤维

    通过长期研究，人们对各种合成高聚物耐各种射线的能力进行了评价，确定了各种高聚物在辐射环境下的使用集线盒耐辐射性能，聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、举止、聚氯乙烯等凭借优良的耐辐射性及可纺性，均可用作融纺制造复合型防辐射纤维的基本高聚物。复合型防辐射纤维所添加的防辐射剂，有重元素和具有大吸收截面的元素及其化合物。重元素用以阻滞中子，而截面大的元素既能阻滞快中子，又能吸收慢中子，且不释放射线ϒ。[4]

    3.2.1防X射线纤维

    X射线作为电离辐射的一种，在材料X光探伤、人体X光透视、X光分析中已取得成功的应用。工作人员长期接触X射线，对性腺、乳腺、造血骨髓等都会产生伤害，超过剂量甚至会致癌，给人体带来严重的威胁。

    20世纪80年代，前苏联纺织材料研究所和核研究所共同开发了腈纶防X射线纤维。方法是首先对腈纶纤维进行改性处理，然后用醋酸铅溶液进行浸渍，发生离子交换，得到共价结合接枝铅金属的腈纶织物。该方法制的的织物能明显减弱X射线的辐射强度。如果采用复合型添加剂如铅、铀和镥等，还能进一步提高防X射线的防护性能。该产品，用于个人防护，测试结果相当于0.6mm铅板的效果。

    近年来日本新兴人化成公司和奥地利的Lenzing公司分别将硫酸钡添加到粘胶纤维中，制成的防辐射纤维可用于制作长期接触X光的工作人员的服装，效果良好。

    美国佛罗里达州的一家辐射防护技术公司用辐射防护技术对聚乙烯和聚氯乙烯进行改性研制成功demron防辐射织物，它是由一层聚乙烯(PE)和聚氯乙烯(PVC)聚合物夹在两层普通梭织物之间构成。它不仅能防仅x射线和射线。这种防辐射织物的防辐射性能跟铅做的衣服一样好，但它不含铅，无毒而且质轻。它的用途很广，既可以制成轻便的全身防护服、防辐射帐篷，又可以作为飞机、宇宙飞船用内衬材料等。

    我国天津纺织工学院经研究发现，将防X射线纤维加工成的织物经层压或者在织物中问填加含有屏蔽剂的粘合剂后热压制成的层压织物，均是防X射线辐射的良好材料。[8]

    3.2.2防中子辐射纤维

    在众多辐射中对人类伤害特别严重的是中子辐射。一枚相当于1000吨TNT当量的中子弹于200m高空爆炸，在炸心900m范围内的作战人员和坦克乘员会立即昏迷，十日内全部死亡。面对如此恐怖的战争威胁，加上冷战后中子弹随着核电站的修建和中子技术的民用化，防中子辐射纤维作为设施防泄漏材料和人身防护材料而备受关注。80年代以来，日、美及欧洲共同体等国家就把放中子辐射作为高技术项目，投入了大量的资金，例如，欧洲原子能共同体在1985年至1989年花费o．6亿美元用于防辐射技术研究和开发，日本1983年宣布用4年时间研制出了中子辐射防护纤维，80年代后期我国也开始这方面的研究。

    1983年日本东丽公司采用复合纺丝方法制取防中子辐射复合纤维，具体做法为将中子吸收物质与高聚物在捏台机上熔融混合后作为芯层组份，以纯高聚物为皮层进行熔融复合纺丝，所得纤维为皮芯结构，经干热或湿热拉伸制得具有一定强度的纤维。[9]

    我国对防中子辐射材料的研究成果显著。例如制备皮芯（或并列型）复合防中子纤维，取30份经表面活性剂处理、粒径0.5μm的B4C微粒与70份聚丙烯，240℃下，在双螺杆共混制成芯材，然后以聚丙烯为皮材，芯皮重量比为10：90，进行皮芯型复合纺丝，纺丝温度260℃，纺丝速度800m/min，120℃下拉伸4倍。值得的防中子纤维对热中子屏蔽率达96%，二次感生辐射BQ/cm2。

    天津工业大学在开发防辐射透明板材的基础上也曾研究开发防中子辐射纤维，1985年宣告成功。这种纤维也采用皮芯复合结构纺出复合纤维。芯部掺入偶联剂和中子吸收物质的粉末。纤维在测试现场中子辐射强度为国家防护标准正常工作人员累计20年的剂量，单层布质量为84mg/cm2时，[10]中子吸收率达59%，且放中子辐射织物经长时间辐照后，屏蔽率无变化。

    3.3导电型吸波纤维——防电磁辐射纤维

    电磁辐射，是指电磁波中的微波段、射频段和工频段的电磁辐射。这种辐射作为非电离辐射，对人体的危害是通过积累效应而显现的。但是这种危害是不容忽视的，特别是近20年来，它已成为继大气、水和噪音三大环境污染之后的第四污染源而引起人们普遍的关注。

    防电磁辐射纤维的屏蔽机理不像防X射线纤维和防中子辐射纤维那样以吸收为主，而是凭借低电阻导电材料对电磁辐射产生反射作用，在导体内产生与原电磁辐射相反的电流和磁极化，形成一个屏蔽空间，从而减弱外来电磁辐射的危害。归纳起来有以下几种方法：

    （1）将金属丝和纱线编织在一起

    三菱人造丝公司使用了涤纶纱或棉涤混纺纱和高纯极细防氧化铜丝，凭借特殊的复合技术编结在一起，开发出复合纱屏蔽布，商品名为“代梅克斯-α”，这种织物不仅屏蔽效果好，而且还耐洗涤，还可进行常规染色和缝制。其产品开发后，用作需要屏蔽电磁杂波的医疗仪器保护罩，用作心电图测试场所的屏蔽帷幔，也可用作佩戴起搏器的心脏病患者的服装。[11]

    （2）将金属纤维纺入纱线内部。

    这是当前防电磁辐射纺织品的主要材料，所用金属纤维有铜纤维、铁纤维和不锈钢纤维，其中以不锈钢纤维综合性能为最好。美国最早开发不锈钢纤维，比利时购买美国专利后扩大了生产，供应欧洲各国。河北省纺织研究所于1979年在国内率先开展了不锈钢纤维的研发，经过20余年的发展，20世纪90年代已形成规模化生产。[12]、[13]

    （3）使用金属化纤维

    金属化纤维是指表面具有用涂层或镀层方法形的成导电膜的纤维。1998年，美国SAVQVOIT公司研制成功了含银30%的镀银锦纶丝，该纤维与传统纤维混纺制成的防电磁辐射纤维织物，可以屏蔽90%以上的电磁辐射。

    （4）开发本体导电性单体和聚合物

    用ASF3、I2、BF3等物质进行化学掺杂而制成的的具有本体导电性的共轭聚合物，如聚乙烯类、聚苯胺类、聚杂环类聚合物。尽管这项技术20世纪70年代就已开发出，但如今仍处于接近实用化程度，生产成本很高，且成纤困难，但作为防电磁辐射纤维的后备材料，前景可观。[14]

    4结语

    从社会需求观察，防辐射纤维不仅在军事、国防、国民经济相关产业的需求在迅猛增长，而且产品正在进入千家万户。随着科技的不断进步，可以预见，新的研究成果将如雨后春笋般不断涌现。

    参考文献

    [1]Whittaker,E.T.Ahistoryofthetheoriesofaetherandelectricity[A].Nelson:Vol.1[C].London:1951.

    [2]孙晋良,吕伟元.纤维新材料[M].上海:上海大学出版,2007.

    [3]杨彩云.产业用纺织品[M].北京：中国纺织出版社,1998.

    [4]王曙中,王庆瑞,刘兆峰.高科技纤维概论[M].上海:中国纺织大学出版社,1999.

    [5]于伟东.纺织材料学[M].北京：中国纺织出版社,2006.

    [6]孙晋良,吕伟元.纤维新材料[M].上海:上海大学出版,2007.

    [7]王曙中,王庆瑞,刘兆峰.高科技纤维概论[M].上海:中国纺织大学出版社,1999.

    [8]段谨源,张兴祥,张华．防辐射纤维及材料研究的发展趋势[M]．产业用纺织品．1990.

    [9]段谨元,张兴祥.防辐射纤维及材料研究的发展趋势[G]:纺织工业部科技发展司编,纺织高科技发展战略研究文集.北京：中国纺织工业出版社,1990.

    [10]王曙中,王庆瑞,刘兆峰.高科技纤维概论[M].上海:中国纺织大学出版社,1999.

    [11]赵家祥,张兴祥,孙宇清.医用功能纤维[M].北京：中国石化出版社,1996.

    [12]杨树元.不锈钢纤维在纺织工业的应用现状[G]:纺织工业部科技发展司编,纺织高科技发展战略研究文集.北京：中国纺织工业出版社,1990.

    [13]王绍斌,王小梅,段亚峰.不锈钢金属纤维混纺织物的防微波辐射性能[J].毛纺科技,2002（3）:3-5.

    [14]孙晋良,吕伟元.纤维新材料[J].上海:上海大学出版，2007.（作者单位：浙江省纺织测试中心）