抗辐射纺织防护方式探究

本文作者：李世超、施建平、王养飞、成海军 单位：苏州职业大学丝绸应用技术研究所、苏州大学纺织与服装工程学院、南通科尔纺织服饰有限公司

电磁波辐射与作用的机理

在电磁场的作用下，生物体所产生的一系列反应主要是由于生物体吸收了一定量的辐射能量而引起的。生物体也是一种导体，作为导体就有吸收外界辐射能量的可能。辐射能量对生物体的作用机理主要表现在热效应、非热效应以及积累效应三个方面［7］。热效应是高频的辐射能量对生物体产生的一种“加热”作用，它穿透生物表层直接渗入到生物体的内部组织，使生物体细胞产生极化以及定向驰豫现象，分子相互间的摩擦，促使机体温度升高。由于生物体内的组织散热较为困难，所以往往是肌体表面反映不出，而内部组织已受到了严重的损伤。当热效应温度超过体温调节能力时，生物的体温平衡功能将失调，因而引起生理功能的紊乱和病理变化等各种生物效应。直接的表现就是昏迷、抽搐、呼吸困难等神经与血液系统的障碍，甚至死亡。非热效应是低频的辐射能量对生物系统所产生的一种电磁生物效应。由于生物系统原来都存在着一定的稳定有序的电磁场，所以一旦当受到外界电磁能量的干扰时，处于平衡状态的微弱场和生物体的正常循环机能都将遭受其破坏，从而使血液、淋巴液和细胞原生质发生变化，造成细胞内的脱氧核糖核酸受损和遗传基因突变与畸形，有可能诱发白血病、肿瘤、胎盘染色体改变或孕妇流产等现象的发生。累积效应是在以上热效应和非热效应起作用后，其伤害尚未修复再次接受辐射而形成的一种辐射累积，也就是说热效应与非热效应的伤害是会随着时间和影响的程度发生累积，久而久之成为一种永久性的伤害，并诱发有害的病变。因此，它对长期接触电磁波辐射的生物体是十分有害的。

辐射量衰减与防护的机理

阻止和减少电磁能量从一个区域传递辐射到另一个区域，目前通常的手段是采用电磁屏蔽的方法。也就是利用导电或导磁的材料对电磁能量实施一种反射和引导的作用，从而产生与原电磁场相反的电流和磁极化，将电磁能量限制在某一个空间范围之内，以起到对辐射量的衰减与防护的作用。根据电磁屏蔽的传输线理论法［8］，当辐射波通过屏蔽体时，在其外表面将会被反射去一部分，而剩余的部分则透入屏蔽体成为透射波，并在屏蔽体的两个界面间形成反复多次地反射和透射，因而在传输的过程中被屏蔽体连续地衰减。所以对辐射量的衰减和屏蔽防护的机理包括了辐射量在屏蔽体表面的反射损耗、屏蔽材料的吸收损耗和屏蔽体内部多次的反射损耗三种，辐射量衰减原理如图一所示。为了对屏蔽体材料的屏蔽效果有一个较为实际的表述，在电磁屏蔽理论上给出了屏蔽效能这一性能指标。屏蔽效能是指电磁场中同一地点无屏蔽时的电磁场强度与加屏蔽材料后的电磁场强度之比，常以分贝数来表示，即SE＝R＋A＋B。式中SE为屏蔽体材料的屏蔽效能；R表示电磁波在屏蔽材料入射表面的反射衰减，它与屏蔽材料的性能以及表面的阻抗有关；A表示没有被反射的电磁波透入屏蔽材料内部时被其吸收的衰减，它与屏蔽材料的导电率和导磁率以及材料的厚度有关；B表示电磁波在屏蔽材料内部经多次反射后的衰减，它也与屏蔽材料的性能以及表面的阻抗有关。

抗辐射纺织防护技术

根据辐射量衰减与防护的机理，自上世纪60年代以来，人们开始对抗电磁辐射纺织技术进行了研究，先后推出了各种功能性的纺织产品，从专业性的领域开始进行使用。其中在抗辐射的纺织技术领域形成了专用纤维和织物整理二种不同的纺织防护方法。专用纤维法主要是从研究各种专用性的导电纤维以及开发与常规纺织纤维交合的各种工艺着手，使导电材料在织物中纵横交错形成隔离网来达到衰减电磁波的能量，以实现防电磁辐射的目的。这方面比较典型的产品就是不锈钢纤维的混纺织物，它占有着抗辐射纺织品较大的比例。但是，由于不锈钢纤维在加工和使用上存在着诸多方面的局限，因此市场的认可度在下降，有被其它技术取代的趋势［9］。相对纤维法，织物整理法则是采用材料表面工程的技术，通过各种化学反应或者是物理反应，在常规的纺织织物表面进行金属化处理，使纺织产品表面形成金属层，有效地屏蔽和过滤电磁波，从而也起到了抗辐射的防护作用。织物整理法中目前研究较多的由化学镀层法、真空镀膜法以及金属涂层法等专业处理技术，它们分别通过液态、气态和固态中间体介质将金属还原成原子、分子进行沉积或直接形成于织物表面，这些方法通常被分为湿法与干法二种［10］。与上述抗辐射的混纺织物产品相比，目前该技术大量地被产业化应用相对还比较少。

纤维法与整理法的比较

设计一种抗辐射的纺织产品，良好和耐久的电磁屏蔽效能是十分重要的。除此之外作为纺织产品还应考虑满足纺织产品所必须具备的各种良好的服用性能，如对人体无刺激性、透气透湿性、柔软性以及耐磨性等。专用纤维法因为在技术上是通过纤维的混纺或交织最终形成织物，所以手感、透气、耐磨以及耐穿、耐洗持久性等功能方面有着独到的优势，这也是占有抗辐射纺织产品较大比例的一个重要原因。但是，如果采用普通的不锈钢纤维，由于金属材料自身的刚度大，韧性差，无卷曲，无弹性，在混合、牵伸、加捻等成纱以及染色性能上都较难控制，因而成为了该技术进一步发展的瓶颈。织物整理法相比纤维法工艺较为复杂，对纺织产品表面的预处理要求也比较高。如其中的化学镀层法在织物表面金属化处理前就必须先进行脱脂、粗化、敏化、活化等工作流程，蚀刻织物表面来产生一定的粗糙度，使其在金属沉积时能形成较好的抛锚咬合。真空镀膜法在织物表面金属化处理前也必须进行预处理，但这种预处理原理与化学镀层法不同，它所进行的底涂与轧光是以阻塞织物表面纤维上的孔隙为目的，从而使织物表面达到一定的光洁和平滑性，使织物与金属蒸汽在接触时能迅速地凝结成金属固体。通过各种织物整理处理在功能上一般比目前所采用的纤维法处理能获得更好的屏蔽性能，但在获得织物各种良好服用性能方面还需进一步探索，特别是在耐穿、耐洗等抗辐射的耐久性方面还达不到纤维法的功能效果。

抗辐射纺织技术展望

纤维法与整理法在抗辐射纺织技术以及相应的使用上各有利弊，但可喜的是这些技术正在被不断地探索和研究，有些方面已取得了一定的进展。如专用纤维法中开发了不锈钢的软化技术、金属丝的弹性技术［11］等，从而使不锈钢纤维在抗辐射的纺织技术上更具有应用性。除了无机抗辐射纤维外，各种有机的抗辐射纤维也得到了较好的开发，如将电磁波吸收剂与成纤高聚物共混进行纺丝，制得各种对电磁波屏蔽的纤维；以及通过合成可溶性聚苯胺进行凝胶纺丝制成的高取向聚合物纤维［12］。此外，针对纤维加工中混合、牵伸、加捻等成纱及染色等问题，还进一步探索了各种无机抗辐射纤维的包芯、并捻、色织等丝线与织物的复合技术。由于金属银具有着极强屏蔽电磁辐射的性能，低线密度银纤维的开发以及在混纺与色织等纺织产品上的应用，也进一步拓展了抗电磁辐射材料在纺织产品应用上更为广阔的领域。织物整理法中采用了离子化处理技术研究的多离子织物，虽然还存在着不耐清洗等缺点，但织物柔软、透气，服饰感强以及一定的电磁屏蔽率，被看作为是新一代屏蔽电磁辐射的纺织材料。化学镀层法中也相继开发了涤纶织物表面镀铜、镍、铝等多种金属的抗辐射面料；以及锦纶织物单面或双面镀银的抗辐射面料。针对镀层法中的粗化技术，等离子预处理织物材料以提高其金属化牢度等措施也在进一步探讨之中。而真空镀膜法中在织物处理技术的基础上，还采用了先薄膜金属镀覆，后切丝镶嵌于织物之内，其目的是在提高面料屏蔽性能的同时，改善纺织产品的服用性能。另外，金属涂层织物、硫化铜织物、铜镍复合镀织物等各种抗辐射纺织技术也正在不断地研发和应用。随着纳米技术的发展，纳米材料的小尺寸效应，表面与界面效应以及量子尺寸效应等一些独有的特性，在抗辐射纺织技术中也将被深入的研究并进一步地发挥其应有的作用，纳米技术在抗电磁辐射纺织技术和产品上有着广阔的应用前景。

但是，由于辐射源的多元化和辐射环境的复杂化，以上技术如简单地用于常规纺织服用方面的防护，有报道显示目前还起不了有效地防护作用［13］。现有的技术除了“点对点”或静态屏蔽防护外，对于多点辐射还需要寻找一种更为有效地防护方法。抗辐射纺织技术是一门涉及纺织技术、材料技术、物理学、化学等多学科、交叉性较强的新兴产业领域，潜力很大，尚有待深入地进行基础性研究以及相关方法、标准等技术的进一步规范。