纺织材料学第二十一章---织物的防护功能及安全性

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”。,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：LOI27%，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，2025oC、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。,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80nm120nm)和较长的可吸附通道，来阻断病毒的进入，或实施吸附固定和杀灭。PTFE膜孔径0.10.5m，PU膜的孔隙极小，但透气，故采用PTFE/PU复合膜可有效防护病毒。加上大多病毒赖以生存的最小气溶胶尺寸为0.55微米，因此，将带有病毒的气溶胶阻隔在织物外层，形成干燥或非病毒生存环境，则可以将病毒杀灭。,如零下80oC时SARS病毒的存活时间可达21天以上；30-37oCSARS病毒存活时间缩小到12小时；在加热至56oC时病毒密度在十几分钟内出现迅速衰减。4.对血液与体液的隔离医用屏蔽织物是一种用于医院和其它医疗救护机构的防护织物，它能够防止血液和体液的溅射与渗透，使病人的血液及体液与医护人员隔离。目前医用屏蔽织物可分为用可弃型和重复使用型，前者多以非织造布为原料，后者多以机织物、针织物及多种织物的复合织物为成型。美国Gore公司外科手术用CROSSTECHEMS织物(隔离复合膜结构)是第一种也是符合严格的ASTM1671标准的可重复使用的隔离织物，其设计性能超过NFPA1999最低要求的耐久性要求。另一个成功例子就是杜邦公司的Biowear材料，用来防护血液中携带的病原体。,5.生物防护织物特征及其安全性对有害生物体应用织物进行防护，所涉及的基本原理应该是以微孔隔绝分离为主，不适于生物体生长为辅，兼带杀灭功能则更佳。这种以形态尺寸为原则的防护是物理的、生态的，故是安全的。采用杀灭为主的方式，虽然是积极的，但往往病毒、病菌的杀灭机理不清，对应的药物不明，采取广谱往往会引起其它副作用或仍旧无效。因此，生物防护织物应该是高密度、微尺寸孔隙，具有干燥特征的织物或膜或层合织物。生物防护服功能实现的原则应该首先保证对人体无害，其次是功能的有效与性能的稳定，而且应该具备良好的用弃处理的安全性。,二、化学品防护1.一般化学品防护场合防化学品主要体现在抗化学品腐蚀与溅射损害，如化工化学品生产中的工作服、化学实验室中用的实验防护服等；抗化学气体吸入与接触，如喷洒农药、消毒、化学品加工环境和贮放环境操作等；燃烧烟气以及考古、探险不明环境的防护，如防火面罩、连体消防服和密封罩套等。2.织物化学品防护的指标及方法化学品有液态、气态和固态。化学品透过衣物的方式包括液相、气(汽)相的“穿透”与“渗透”和对织物的直接“溶解破坏”。所谓穿透是指化学品透过衣物的缝隙从外侧到达内表面的过程，是一种物理过程；所谓渗透是一种物理或化学过程，化学品首先从织物的外表面被纤维吸附、浸润，然后通过分子运动到达织物内表面，最后再从织物内表面析出。所谓溶解破坏是化学作用，指织物材料直接被化学品溶蚀而失去阻挡保护功能，这是最危险的。,考核前两类防护效果一般用渗透时间、渗透速率和渗透量来表达；考核溶解破坏时，一般以是否溶解、或规定时间内的溶解失重率Ws来表示。当然，化学液体的防护是以不溶或微溶为限定值，而且应是化学稳定的材料。三者均包含着穿透与渗透两部分。渗透时间tp指化学物质最初接触织物外表面到分析装置能够在织物内表面处测得有该化学物质时所经历的时间；渗透速率vp是表示单位时间内单位面积的织物所渗透的化学物质的质量；渗透量Qp是定压差时，单位面积内气、液的通过量，即流量。tp越长越安全，一般最低要求为30min；对于vp越小越安全，一般最低要求值0.1g/cm2min(欧洲标准F739)。对于Qp，在规定的临界要求时间内应该近似为零。化学气体的防护与液体防护存在很大的不同，气态物质主要通过人的呼吸道侵入，而呼吸部分是不能采用液体防护的高致密性材料防护，有条件的应该采用自带供氧系统的密闭式防护服。无条件或应急时，则要采用气体吸附方式和吸收性极好的材料，实施吸附过滤后的应急性防护。喷洒农药、毒气袭击、有害烟尘、有毒化学气体，都会成为应急式或临时性防护的对象。现场者应该一方面尽量避免呼吸，快速逃离；另一方面迅速采用吸附性好的、含水高的纤维材料进行应急性的防护。,对生活环境中的难闻气体，一般采用除臭材料消除或减缓。对织物的除臭整理大致针对三类气味：第一类是除去日常生活中产生的恶臭，即常说的氨、硫化氢、三甲胺和甲基硫醇四大恶臭；第二类是除去香烟烟雾产生的臭味，主要是尼古丁及乙醛；第三类是除去各种人工制品(如家具、装饰材料)带来的甲醛和其它化学品气味。防止生活环境中产生的难闻或有害气体的方法，一般是通风清除，即由自然界完成稀释与消除，或采用人为的化学反应来消除，或在源头上进行控制。人为除臭方法有化学法、光催化法和香味遮盖法。化学除臭法是将产生恶臭的物质经氧化、还原、分解、中和、加成、缩合以及离子交换等化学反应使之变成无臭味的物质，是积极有效的方法。但除臭剂本身可能有毒，且用量和范围控制十分重要。光催化除臭，是利用某些物质(如正方晶系低温锐钛型二氧化钛)的光催化活性，以紫外光照射，光催化产生强氧化反应而除臭。这种方法虽属积极的，但光催化物质对织物的处理有限。香味遮盖法是选择人们喜欢或适宜的气味进行喷洒、释放、织物处理等，使臭味被遮盖，是消极的方法。这种方法可能有化学中和反应，但基本上无副作用。,3.化学品防护织物的特征及安全性现在市场上的防护服主要有两类：有限次使用的防护服及可重复使用的防护服，见图21-4。前者在使用后无须清洗，为用可弃物；后者则可反复使用，因此在被污染之后必须进行清洗，以便再次使用。毫无疑问，较之可重复使用的工作服而言，一次性工作服具有无需除污、轻便、成本低、卫生等优势。而重复使用工作服，虽产品成本高，多次使用性能会衰退，但安全性高，稳定性好，使用成本低，耗费少。因此，在经常性和日常作业中，大量使用。应该说应急性的用可弃化学防护服以防护为主要目的，不太考虑穿着舒适与美观，而重复使用防护服则要穿着舒适，防护和耐久性并重。,图21-4常用化学防护服示意图,三、生化防护技术纺织品1.生化防护概念及重要性战争与恐怖活动的威胁依旧存在，核袭击、生化袭击有可能发生。而且自然界也会在人们不经意中产生各种生化危害，并快速传播。这些往往是生物、化学危害作用的复合，并且往往是无准备的、不可抗力的发生。常见的生化袭击为有害微生物、气溶胶、烟气、液体、带症生物(包括人、动物，甚至植物)，以及带毒物质等。当人们接触、吸入时，产生麻木、晕眩、幻觉、昏迷、感染得病，乃至危及生命。目前这种防护较多地应用于国防与军事，在民用与公共事业的应急事件，如高传染性疾病、不明微生物传播、地震、海啸等自然灾害后的救生与清理中也有应用。2.织物生化防护功能的实现生物与化学作用的多样性和复合性，使高效的生化防护极为困难，而作用媒介或载体的不同，作用机制不同，导致各自防护机理的不同。因此，单一结构与方法是不可能完成有效防护的。对生化防护服的基本措施是复合和多层结构、功能分担实现。,国外有较多研究，如美军正在试穿的PTFE选择渗透膜生化防护服对于各种病毒和液体渗透有防护效果。美军纳蒂克研究开发与工程中心(NatickRDLECenter)与工业界密切合作开发的非对称复合膜和均质或异质膜，在防止有机气体分子透过有较好的效果。作为防护有毒化学物质的防护服，最一般的是由耐磨、致密、透气涂层织物构成，较复杂的可由外层织物、防水透湿PTFE膜、透湿性粘合剂，以及混入粘合剂中的吸附毒气物质的材料层合而成。作为内衣式的生化防护服，以柔软、舒适透气为主，其结构有用PTFE或PU织物粘合或层合物；有用PTFE或PU层合而成，浸渍、涂层织物；还有复合膜与织物粘合而成的。作为外套式的生化防护服，带有宽大视窗的面罩，多为全身连体式，外有耐磨、耐刺破、光滑的涂层织物，内有高致密的隔离膜，最内还有防护隔绝功能的柔软舒适织物组成，并带有正压式呼吸器，如图21-5所示。甚至配备无线对讲机、警报器等，可与外界完全隔离。防护服的脱卸由密封式拉链完成，外层很多采用高强锦丝绸布为基布，双面涂覆阻燃、耐化学介质的织物。,图21-5已用生化防护服示意图,第三节纺织品的物理作用防护,纺织品对物理作用的防护是其最原本的功能与目的，而人为制造或因为环境破坏导致的各种热、光、电、声、辐射和污染，加强了这种防护的需求。这种作用可以单独进行，但往往复合存在，并作用于人类。其专门化的防护显得日益重要。,一、热防护热防护的本质是纺织品在高温或低温环境下，隔热功能的高效和力学性能的保持与稳定。这两者都属材料的本质特性，前者是热防护的要求，后者是保证该要求实现的基础，是防护的必要条件。因为只有材料性状的存在与保持，才能达到对人体和被保护对象的防护。热防护不仅仅是对外界高温作用的热防护，还包括低温环境下人体热量的保留，两者的共同点是热隔绝。1.应用场合及要求热防护的主要应用场合是很明确的，即非常态的高温环境与低温环境，如太空、极地、火山、探险，冶金、铸造、锅炉、焚化等高温作业，以及在寒带、冬季、冷藏、冷冻等作业。表面上看，与前面防火阻燃类似，但防火阻燃是应急型的，考虑高温、明火的防护为主；热防护是经常性的，考虑热隔绝中的正常使用为主。当然，高温的热防护与防火有部分的相似点。2.基本特征与评价热防护最重要的特征之一是隔热性，隔热性是指材料减缓和阻止热量传递的性能，即对热对流、热辐射、热传导有很好的隔绝与反射性能。,由此避免热对人体影响与伤害；或减少人体因冷环境对热量的快速耗散而引起的不适与冻伤。纺织品隔热性的主要评价指标有导热系数、比热、热阻和保暖(热隔绝)率(已在前面第七章和第十九章作了介绍)，以及织物及其复合体的热反射性能、织物厚度和重量指标。这些多为限制性要求的指标。作为热防护或称热隔绝材料，其导热系数应该尽可能地小；比热应尽可能地大，但比热大会影响材料的热稳定性和耐热性；热隔绝率应该尽量大，趋向于1。这些都可以通过纤维材料的选择，纤维集合体结构的设计，尤其是静止空气和反射机制实现。织物对热辐射的反射是织物隔热性的重要方面，可通过涂覆金属(金或铝)膜，使织物达到高热反射率(90%的热反射)。已有的热防护服隔热性能的评定中，通常按热传递方式分成不同的测量方法，并按热防护服的实际使用条件选用相应的标准测评。目前，主要有ASTM、NFPA(美国国家防火协会)、CEN(欧洲标准化委员会)等制定的热防护服防热辐射性能试验方法、防热辐射和热对流性能试验方法等。作为热防护纺织材料的另一重要特征是织物的耐热性和热稳定性，即在热作用下，织物形态稳定、无过大的变形或软化，强度和模量无明显下降，化学性能稳定，无明显分解和挥发物；,在低温环境下不脆化，不龟裂损伤，柔软可用。主要评价指标有织物在一定温度下或经一定温度与时间处理后的力学性能保持性指标，如强度、伸长、模量保持率(或残余率)；织物或纤维的特征点温度，如脆化点温度、玻璃化温度、软化点(结晶熔融)温度和流动温度、热分解温度。力学性能保持性和特征点温度已在第七章作了明确地介绍。耐熔孔性是指织物在局部接触火星或高温金属颗粒时抵抗熔融和穿孔的性能，这也是热防护材料的重要性能。其测定方法常用“落球法”和“烫法”。落球法是把加热的玻璃或钢球放在水平张紧的织物上，以织物形成熔孔所需的最低温度，或球体在织物上停留的时间来加以评定。烫法是将加热到一定温度的钢球落在织物试样上，经一定时间后，观察试样的烫痕来加以评定。耐熔孔性指标包括熔孔时间、熔孔最低温度等。影响熔孔性的因素主要有球体的温度、重量、作用时间和携带热量；纤维的可熔性及熔点温度；导热性、比热、吸湿性及回潮率；织物的组织结构、平方米重、厚度等。织物的耐热性和热稳定性提高，可以通过纤维的筛选，表面涂层增加反射，减少损伤性热吸收，抗热老化和防脆化处理，改善织物结构等措施来实现。,二、光辐射防护该防护主要涉及紫外到可见光范围的防护，由于紫外线对人体的损伤和可见光因建筑物的光污染，成为光辐射防护的主要内容。前者本节予以简介，后者的话题相对较泛而省略。1.光辐射防护的基本要求紫外线是波长200400nm的电磁波，适量的紫外辐射具有杀菌作用并能促进维生素D的合成，有利于人体健康。但在烈日持续照射下，人体皮肤细胞损伤，产生灼伤、出现红斑或水泡，主要原因是紫外线的过度吸收。过量的紫外线照射还会诱发皮肤病，如皮炎、色素干皮症，甚至皮肤癌，会导致白内障，会降低人体的免疫功能。因此对织物进行紫外线防护整理，特别是夏天衣服面料的紫外线防护整理，显得更为重要。紫外辐射同样会损伤纤维材料本身、导致材料的降解、老化、变色，而失效，不仅丧失防护功能，而且失去使用价值。作为人体防护织物，基本的要求是透过织物的紫外线应小于8%，这样对人体是安全的。作为产业用纺织品，主要要求是抗紫外和光老化与降解。,因此，前者可以反射、吸收来阻隔光辐射；而后者必须是反射、或无光降解和老化的吸收，来保护材料本身。显然隔绝紫外辐射，增强材料抗紫外性，是这类需要耐气候性纺织品的共同要求。纺织品本身若能反射或具有耐紫外辐射的吸收，其包覆对象也就防紫外线了。2.纺织品紫外防护方法依据防紫外的基本原理，防护的方法可有选择抗紫外的纤维和对织物实施防紫外的涂层。防紫外线纤维有两类：一类是自身具有抗紫外线破坏能力的纤维，如腈纶、金属纤维等；另一类是含有防紫外线添加剂的纤维，如锦纶、涤纶、丙纶等改性纤维，即先在成纤高聚物中添加少量防紫外线添加剂，然后纺丝制成防紫外线纤维，或直接对纤维进行表面接枝与涂层改性或涂覆金属。对织物进行含有抗紫外剂物质的涂层浸渍处理，可以使织物对紫外线辐照反射和无损伤吸收，以此达到防紫外线透过，实现人体防护的目的。所用的抗紫外剂有两类，一类是反射(屏蔽)类的，称紫外线反射(屏蔽)剂；一类是吸收类的，称紫外线吸收剂。,紫外线屏蔽剂主要通过无机物对入射紫外线反射或散射，达到防紫外辐射的目的，是积极式的防护，具有安全、有效、性能稳定等优点。通常选用高折射率金属氧化物粉体，加入纤维或制成防紫外线整理剂对织物进行表面整理，其包括高岭土、碳酸钙、滑石粉、氧化铁、氧化锌、氧化亚铅和二氧化钛等。紫外线吸收剂通常是一些有机化合物，主要利用所吸收的紫外线能量引起活性异构体的振动和能量转换，将紫外线转变成低能量的热能或电磁波释放，从而达到防紫外辐射的目的。常用的紫外线吸收剂有水杨酸酯类化合物，金属离子化合物，苯酮类以及苯并三唑类等。3.防紫外线效果评价目前，评价织物的防紫外效果主要有防晒因子SPF(SunProtectionFactor)或防紫外因子UPF(UltravioletProtectionFactor)两个指标，其中SPF用于化妆品行业，UPF用于纺织行业。SPF是防护品被采用后紫外辐射使皮肤达到某一损伤的临界剂量所需时间的阈值和不采用防护品时达到同样伤害的时间阈值之比。,SPF值越大，表示防护效果越好。假若皮肤直接受到晒射而产生微弱红斑的时间为20分钟，而某个防晒品的SPF15，即表示该防晒品能保持1520300min的防晒功能，即抵御紫外辐射的能力提高了15倍。UPF是紫外线对未防护的皮肤的平均辐射量与经测试的织物遮挡后紫外线辐射量的比值。UPF的数值及防护等级见表21-1。,表21-1UPF的数值及防护等级,UPF计算方法如式(21-1)所示：(21-1)式中，E代表相对红斑的紫外线光谱效能；S表示太阳光谱辐射能(Wm-2nm-1)；T表示波长为时的紫外透射率(%)；表示紫外光波长度间距(nm)。紫外线屏蔽率(S)是目前国内产品区分防紫外线效果好坏的标准。A级：紫外线屏蔽率大于90%；B级：紫外线屏蔽率80%90%；C级：紫外线屏蔽率在50%80%。一般应选A级为宜。屏蔽率是由280400nm波长范围内的透过率积分值T求得的。(21-2)(21-3)显然，S是织物反射率和吸收率之和，(21-4),式中，R是280400nm波长范围的反射率积分值；A是280400nm波长范围的吸收率积分值。由于防紫外线整理织物主要是制作夏季服装或防护品，与人体皮肤直接接触，因此必须加强对防紫外线整理剂的皮肤过敏试验、毒性试验，以及抗紫外效果的稳定耐久性实验，确保产品防护功能的有效和对人类安全，对环境无害。同时，光辐射往往存在热辐射作用，且光辐射中人体防护，往往发生在高温与出汗状态下。因此，光热复合作用，光、热、湿、盐复合作用，会加剧材料结构和性能的劣化，引起快速降解和其它化学反应。这需要复合条件下的评价与防护设计。从防护机制上看，尽量选择高反射的材料、表面反射涂层处理等较为安全、可靠、省力的方法。,三、电磁辐射防护1.电磁辐射及防护电磁辐射是继水、空气、噪音污染后的又一大污染源。长期生活在高压线、电讯发射装置，大功率电器设备周围，以及近距离频繁使用家电和手机的人员会导致情绪波动与疾病，以及电磁辐射超敏综合症(EHS)，如头疼、耳鸣、无力、疲劳、失眠、记忆丧失、帕金森氏病、早老性痴呆。瑞典国家工业与技术发展委员会的调查发现：在2240万伏的高压电网附近居住的人群中，15岁以下儿童如暴露在此磁场下，即平均磁感应强度0.2T(微特斯拉)的环境中，患白血病为一般儿童的2.7倍以上；若磁感应强度0.3T，则为3.8倍。此外美国加州健康科学评价机构的结论是：电磁场能够在一定程度上导致儿童的白血病、成人恶性脑瘤、肌萎缩侧索硬化症、流产等危险性的增加，可能引起自杀和成人的白血病。电磁辐射还会引起一些不良生物学反应，如基因突变、血脑屏障通透性改变、能量代谢改变、细胞钙离子浓度变化、影响褪黑激素合成等，甚至可能诱发畸胎、病变和癌症。常用家电的电磁辐射值见表21-2。,电磁防护从被动的角度上来说，应该采取各种对电磁波、场作用具有反射、吸收和能量转换的材料。但大多这类材料为刚性、导电材料。人类不可能不顾及运动、省力和灵活，而扛着硬、重物质移动，或呆在防护体内不动。从主动防护的角度上说，应该减少电磁污染和降低电磁辐射量，人们虽然已开始关注，但这些工具及设施，又是人类科学和技术发展的产物，给人们带来了方便和商机。因此，作为柔性材料，大宗使用的纺织品，应该成为提供这类污染防护的主要物质。,表21-2家用电器电磁辐射检测数据10-7(特斯拉),2.电磁辐射防护方法物理作用的危害，以物理的方法解决是安全和有效的。电磁辐射的织物防护通常采用的方法是运用吸波导电导磁纤维或涂层材料。对于导电型吸波材料是指该材料在受到外界电磁场作用时，在材料内产生感应电流，这种感应电流能够产生与外界电磁场方向相反的感应电磁场，从而与外界电磁作用相互抵消，达到电磁屏蔽的效果。导磁型吸波材料则是材料本身的磁滞损耗和铁磁共振损耗等大量吸收电磁波的能量，并转换为热能，由此减轻电磁辐射对人体的直接作用。电磁波作用于介质时，符合下述规律：(21-5)式中，为吸收系数；为反射系数；为透射系数。如0，为全防护，则1，即吸收和反射量要大，电磁波的反射较小，故只有吸收消耗1。因此，电磁辐射的吸波材料大多为金属、碳化硅和导电高聚物等。,电磁辐射防护织物中常用的导电纤维有金属、含碳或碳化硅(SiC)、导电镀层或涂层、导电高聚物或接枝高聚物纤维。常用的涂层或者浸渍处理织物有含SiC、含金属、含碳粉末的涂层织物。还有采用金属丝交织和混纺导电纤维的方法。应用纳米技术使纤维或织物具有电磁辐射屏蔽功能的材料也有报道和发展，如防雷达探测的吸波防护衣及头盔、微波防护服(裙、背心、西服)、电磁辐射防护服及屏蔽工装等，见图21-6所示，但家用电器的电磁屏蔽和建筑物的电磁屏蔽与吸收更为重要。,图21-6电磁辐射防护服,四、高能辐射防护1.辐射来源及防护在地球上，每个人每年平均接受的辐射剂量约为350毫雷姆(millirem)。其中一部分是穿过地球磁场和大气的太阳及宇宙辐射，一部分是来自放射性岩石和矿物质(主要是建筑材料)的自然辐射。这种辐射剂量一般不会影响人们的健康。重要的是在一些场合存在着明显的高能辐射或有高能辐射源并有可能微量释放的场合，如采矿、使用X射线、源、核工业与核电站、核动力潜艇、存在射线的场合等，均存在对高能辐射的防护问题。通常这类高能辐射不是柔性纺织材料所能完成的，甚至就是部分的，大多采用专门的防护措施。但在这类作业场合，若能提供一些柔性材料的防护，或者在工装中引入较有效的防护机制，对提高作业人员的安全与机动性，是十分有利的。2.主要防护机理与材料依靠防护服抵抗射线的难度较大。据资料介绍，可以用铅粉或铅的化合物和橡胶粘合制成服装面料，也可以采用4560%(重量比)的硫酸钡溶液在纯棉织物上喷涂。,采用铅、钡、钼、钨等金属及其化合物与织物粘合后均可用为此类防护面料。以防中子辐射纤维为例，它是指对中子流辐射具有突出抵抗性能的特种合成纤维。其原理是将快速中子减速和将慢速(热)中子吸收。日本有将锂和硼的化合物粉末与聚乙烯树脂共聚后，采用熔融皮芯复合纺丝工艺研制了防中子辐射材料，可加工成机织物和非织造布，常用于医院放疗室内医生与病人的防护。国内采用硼化合物、重金属化合物与聚丙烯等共混后，熔纺制成皮芯型防中子、防X射线纤维。纤维中的碳化硼含量可达35%，纤维强度可达2327CN/tex，断裂伸长达2040%，可加工成针织物、机织物和非织造布，用在原子能反应堆周围，可使中子辐射防护屏蔽率达到44%以上。图21-7为高能辐射防护服图例。,图21-7放射性防护服,五、隔音吸声去噪纺织品1.噪音及纺织品作用(1)噪音的危害与污染一般认为40dB是人类可承受的正常声强环境，高于该值就会对人的健康形成危害，包括影响睡眠、干扰工作、妨碍谈话，听力受损。若在80dB以上的噪音环境中生活，造成耳聋者可达50%。噪音还可导致女性生理机能紊乱、月经失调、流产率增加等。对生长发育期的婴幼儿来说，噪音危害更为明显，经常处在嘈杂环境中的婴儿不仅听力受到损伤，智力发展也会受到影响。噪音的生理心理反应是烦躁不安、或萎靡不振，甚至引起心血管系统、神经系统等多方面的疾病。(2)纺织品的降噪隔音作用纺织品是纤维集合体，具有多孔、微振元、摩擦接触点，孔隙内的空气起着低通滤波器作用，衰减了高频声波或使噪音的频谱失真。而且多孔隙结构的界面，形成声波的来回反射和振动，产生内耗，从而降低噪音的强度和改变其传播途径，达到吸音、降噪的效果。,纺织品作为优良的吸声和隔音材料，不会直接大量反射声音而造成再次污染。良好吸声的墙布和家具装饰布，可以很好地吸音而净化声音；优良隔音纺织品，不仅能形成美观的视觉屏风，而且可起到隔音、降噪、减少干扰的作用，是人类感官的良好防护材料。2.常用隔音吸声纺织品(1)隔音类纺织品及应用隔音材料是指能将声音阻隔的材料，主要是对外部噪音的防护，可以通过对声音的反射与吸收完成。纺织材料主要以吸收为主，而反射会造成声污染。纺织品隔音的例子很多，如里层窗帘大多为厚实柔软的织物(绒类织物、双层大提花织物等)，具有隔音、不透光、保暖等效果，并对室内的声音有吸声净化作用；如超细玻璃纤维毡、矿棉渣、石棉和麻纤维板、树脂合成板等都是广泛采用的隔音类纺织品。,(2)吸声类纺织品及应用吸声材料是指将声音吸收与纯化的材料，主要是对内环境噪音的衰减与净化，可以通过对声音的吸收与透射实现。纺织材料同样以吸声为主，透射会影响外环境。吸声纺织材料的主要应用有车用内装饰和衬填纺织品，室内墙布、地毯和家具装饰布，甚至室内许多不经意的纺织艺术品、玩具、床上用品都是很好的吸声材料。它们可以降低噪音620dB，使人类的居住、工作环境变得既声音和谐、优美，又视觉美观、舒雅。,第四节防护中的可靠与安全,作为结构增强和支撑用纺织结构材料，往往对工程质量与人身安全起着关键的作用。过滤、分离、导光、隔绝、隐身和探测用功能纺织品，对实施中功能的有效性和可靠安全要求严格。而作为医用、空间防护织物和生物组织工程纺织基材，更对人生安全影响重大。这些都取决于材料本身的结构和性能及其稳定性，决定着整个使用过程中的可靠与安全。所谓可靠是指织物的防护作用与功能的可靠和在使用期内的功效保持与稳定；所谓安全是指织物对人体和环境的安全，即不因各种化学、物理处理使织物产生副作用及其它危害。本节仅举三类材料中的部分来解释可靠与安全对防护材料的重要性。,一、纤维增强结构材料的可靠性1.纤维增强高性能纺织品防护和使用中的典型问题是性能的可靠、有效，而高性能纤维一旦出现弱节，或复合体结构不匀产生的受力不匀，或纤维与基质的粘结出现失效，就会导致整个材料的破损，甚至解体。直接影响材料的使用可靠性和危及使用者的安全。因此，必须对纤维增强复合材料的性能、失效准则和影响因素作出明确的估计和把握。纤维增强材料往往利用高强、高模纤维作为骨架与连续基体相的树脂粘合构成的复合材料，以达到增加强度、减少重量的目的。常作为个体防弹背心，飞机、火箭、导弹、卫星、舰艇、坦克、常规武器装备等壳体的基本用材。因此，材料在实际使用中，要保持高性能、有足够的耐久性、良好的抗老化性和优良的耐腐蚀性，以保证使用的可靠性。2.土工布土工布是用来加固或修复路基、堤坝、山体、桥梁、建筑地基等的轻结构加固材料。,可以有效地利用其结构的稳定性，防止被支撑或承载体的沉降、滑移、开裂、流失和侵蚀等。在使用中的典型问题是结构的稳定与可靠、附带功能有效。假如土工布的结构失衡、出现错位、产生破损，将导致上述防护功能的衰退、甚至失效，危及主体结构的稳定与安全。因此，对土工纺织材料的结构、性能和功能，必须以其纤维集合体构成的结构及其稳定性为主，进行定量化的描述、设计与评价，才能保证其功能有效和性质稳定。,二、纺织结构材料的功能可靠性1.基本应用与概念前面在谈防火阻燃、生化防护、力、光、热、电、声防护，以及材料的增强与结构稳定中已给出了许多基本的功能性防护的例子。这里以轻结构建筑膜为例，讨论其功能可靠及有效的意义。这些都涉及防护纺织品功能可靠及有效问题。2.膜结构建筑纺织品膜结构是建筑结构中新发展起来的一种建筑构件，具有结构轻、强度大的优点。,它以性能优良的织物为材料，或是向膜内充气，由空气压力支撑膜面，或是利用柔性钢索或刚性支架将膜面绷紧，从而形成具有一定刚度、能够覆盖大跨度空间的建筑结构体，见图21-8。可用于大型的体育场馆、商场、展览中心、交通服务设施等大跨度永久性建筑物中；以及制作演出大棚、大型野营帐篷和临时性仓库等暂时性建筑；还可以用于制造飞艇、雷达天线罩、军用防护、屏蔽设施等。,图21-8膜结构建筑,这些美观、柔性、休闲的现代人工建筑，在功能上决不逊于庄重、刚性、传统的古典建筑。它要在一个很薄(几毫米几厘米)的复合结构纺织品中，完成对外部光、热的反射与吸收和热量的散导；承受风、雨、光、热、力、尘的老化与污染，并保持轻盈、透亮、洁白的特征；降低内部的噪音、隔绝热向外扩散，防止或散导表面的凝露等必要功能，以保障建筑内的舒适与安全。因此，膜结构用材必须满足隔热功能、抗紫外老化功能、表面不沾污及导水功能、光、热辐射稳定、高低温下形态和力学稳定，及其功能的可靠与有效。,三、医用纺织结构材料的安全性生物医用材料是用于诊断、治疗、替换人体组织、器官或增进其生理功能的新型高技术材料，与患者的生存质量、生命和健康密切相关。近10多年来，生物医用材料及制品的增长率一直保持20%左右，是纺织材料应用的重要分类。1.主要应用及纺织品生物医用材料按材料组成可分为医用金属材料、医用高分子材料、生物陶瓷材料和生物医用复合材料等，而最多的是复合结构材料。按材料在体内的存在性可分为永久性、暂存性和可降解吸收医用材料，其各有所长；按应用功能可分为支撑修复、过滤、缓解释放、组织基材、人工器官等，其中以组织工程材料最为引人关注。由于人体组织大多为多孔、柔性结构的生物活性组织，而纤维集合体制品正是以此为典型特征。因此，已有很多成功应用，如手术缝线、医用体内支架、人工肾、人工心脏瓣膜、人造血管、人工肺、人工肝、人造皮肤、组织工程支架等。,2.人体组织工程材料的安全性作为人体组织的替代或修复材料，对人身的安全是最主要的，主要涉及与人体组织、血液、神经、脉络的相容，结构的稳定及耐久和降解吸收的无副作用。纺织结构的人工血管是永久性的材料，因此其柔软、弹性、耐疲劳；内层的抗凝血和溶血性；外层的生物相容性，是其安全使用的必要三条件，缺一都会影响使用者的安全。一般采用膨体聚四氟乙烯制成，或其涂层和管状织物制成，见图21-9。,图21-9人工血管,多孔膜或纤维集合体的人工皮肤或器官修复与重建组织工程材料，可以在复修和复制器官中永久存在，起支持作用；也可在组织体生长的同时逐渐降解、吸收而退出。作为前者的要求已在人工血管中介绍。作为后者显然比前面的要求更高更复杂，其不仅要在细胞组织生长前和成形中保持良好的支撑与导向作用，而且要智能地适应生物组织的生长，并适时、有效、无副作用地退出生长组织，即生物相容与降解共存。否则不但影响长成组织的外形和内在结构，还会危及其他组织和生命系统。这种生物相容和可降解吸收材料，只有一般的初级材料如甲壳素类、蛋白质类纤维或以其涂层的材料。,第五节织物的智能防护作用,前述的增强结构、功能防护都是被动的，从作为纤维制品的主动防护应该是自适应的，或称智能的。,一、智能纺织材料的基本概念1989年，日本最早定义了智能材料(IntelligentMaterial)的概念：Takagi的定义是，能够以最优的结果调整自身性能，适应环境变化的材料；Shahinpoor的定义是，对所在环境的变化具有自动的或固有的感知或探测能力，并能作出某些反应或变化的材料，这类材料又被称为机敏材料(SmartMaterial)。智能纺织品是指在受外界刺激时，自身能作功能性反应的织物。依据反应的复杂和自适应程度，又可分为初级智能和高级(模糊)智能织物。,二、典型的智能防护1.变形保护与矫正典型的变形防护是用于穿着舒适化的形状记忆纺织材料，用聚氨酯类或金属类纤维制成织物，利用这些纤维的热胀冷缩作用，形成织物的冷胀热缩，而使织物的密度、形态和形状发生变化，达到保暖、透气、抗皱、整形的目的。如意大利的CorpoNove设计室研制的服装，袖子会随环境温度的升高或降低，而收缩或伸长。如采用混有镍钛合金的尼龙制品，可在一定温度下完成自动“熨烫”复形。如利用可变形支架或可变形胶囊与织物组合，制成的智能整形或矫形内衣，可帮助女性重塑体形或穿着舒适。2.变色及隐形防护变色隐形是色或背景一致的伪装防护，在军事上意义重大。利用迷彩色防护是最原始和较大条件限制的伪装，如以丛林、沙滩、雪地、海的色背景设计的丛林迷彩服、沙漠迷彩服、海洋迷彩服等，可以适应对应场合的伪装保护，但因色彩差异极大，必须因地而变。,利用热敏和光敏材料、电子模拟技术、活性蛋白生物技术，制成变色织物，可以根据背景色自动地调整织物的颜色，达到伪装隐蔽保护自己的目的，或形成鲜艳明亮的标识，防止生物攻击和便于营救。甚至就是在夜晚，利用红外夜视的探测，也可以采用红外隐身材料(各种吸波、透波材料，如纳米级的碳基铁粉、镍粉、铁氧体、TiO2粉末等)制成的服装，改变热成像形态，减少热辐射，与背景相近调整，达到智能地伪装与隐身。3.相变热调节防护相变材料(PCM)是一种利用相变潜热来储能和放能的智能材料。用在纺织领域上的相变材料主要是石蜡类烷烃、聚乙烯醇(PEG)等，可以通过改变分子量及其混合比调整PCM的熔点，或结晶点的温度，达到所需的相变温度发生范围；可以通过筛选高相变能的PCM，或加大纤维携带PCM的量，提高纺织品的相变能；可以通过改变PCM及其复合体的热吸收或释放速率，控制热量或温度的过冲，以此达到有效、高效的热防护。即在外界温度