抗輻射紡織防護方式探究
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本文作者：李世超、施建平、王養飛、成海軍 單位：蘇州職業大學絲綢應用技術研究所、蘇州大學紡織與服裝工程學院、南通科爾紡織服飾有限公司
電磁波輻射與作用的機理
在電磁場的作用下，生物體所產生的一系列反應主要是由于生物體吸收了一定量的輻射能量而引起的。生物體也是一種導體，作為導體就有吸收外界輻射能量的可能。輻射能量對生物體的作用機理主要表現在熱效應、非熱效應以及積累效應三個方面［7］。熱效應是高頻的輻射能量對生物體產生的一種“加熱”作用，它穿透生物表層直接滲入到生物體的內部組織，使生物體細胞產生極化以及定向馳豫現象，分子相互間的摩擦，促使機體溫度升高。由于生物體內的組織散熱較為困難，所以往往是肌體表面反映不出，而內部組織已受到了嚴重的損傷。當熱效應溫度超過體溫調節能力時，生物的體溫平衡功能將失調，因而引起生理功能的紊亂和病理變化等各種生物效應。直接的表現就是昏迷、抽搐、呼吸困難等神經與血液系統的障礙，甚至死亡。非熱效應是低頻的輻射能量對生物系統所產生的一種電磁生物效應。由于生物系統原來都存在著一定的穩定有序的電磁場，所以一旦當受到外界電磁能量的干擾時，處于平衡狀態的微弱場和生物體的正常循環機能都將遭受其破壞，從而使血液、淋巴液和細胞原生質發生變化，造成細胞內的脫氧核糖核酸受損和遺傳基因突變與畸形，有可能誘發白血病、腫瘤、胎盤染色體改變或孕婦流產等現象的發生。累積效應是在以上熱效應和非熱效應起作用后，其傷害尚未修復再次接受輻射而形成的一種輻射累積，也就是說熱效應與非熱效應的傷害是會隨著時間和影響的程度發生累積，久而久之成為一種永久性的傷害，并誘發有害的病變。因此，它對長期接觸電磁波輻射的生物體是十分有害的。
輻射量衰減與防護的機理
阻止和減少電磁能量從一個區域傳遞輻射到另一個區域，目前通常的手段是采用電磁屏蔽的方法。也就是利用導電或導磁的材料對電磁能量實施一種反射和引導的作用，從而產生與原電磁場相反的電流和磁極化，將電磁能量限制在某一個空間范圍之內，以起到對輻射量的衰減與防護的作用。根據電磁屏蔽的傳輸線理論法［8］，當輻射波通過屏蔽體時，在其外表面將會被反射去一部分，而剩余的部分則透入屏蔽體成為透射波，并在屏蔽體的兩個界面間形成反復多次地反射和透射，因而在傳輸的過程中被屏蔽體連續地衰減。所以對輻射量的衰減和屏蔽防護的機理包括了輻射量在屏蔽體表面的反射損耗、屏蔽材料的吸收損耗和屏蔽體內部多次的反射損耗三種，輻射量衰減原理如圖一所示。為了對屏蔽體材料的屏蔽效果有一個較為實際的表述，在電磁屏蔽理論上給出了屏蔽效能這一性能指標。屏蔽效能是指電磁場中同一地點無屏蔽時的電磁場強度與加屏蔽材料后的電磁場強度之比，常以分貝數來表示，即SE＝R＋A＋B。式中SE為屏蔽體材料的屏蔽效能；R表示電磁波在屏蔽材料入射表面的反射衰減，它與屏蔽材料的性能以及表面的阻抗有關；A表示沒有被反射的電磁波透入屏蔽材料內部時被其吸收的衰減，它與屏蔽材料的導電率和導磁率以及材料的厚度有關；B表示電磁波在屏蔽材料內部經多次反射后的衰減，它也與屏蔽材料的性能以及表面的阻抗有關。
根據輻射量衰減與防護的機理，自上世紀60年代以來，人們開始對抗電磁輻射紡織技術進行了研究，先后推出了各種功能性的紡織產品，從專業性的領域開始進行使用。其中在抗輻射的紡織技術領域形成了專用纖維和織物整理二種不同的紡織防護方法。專用纖維法主要是從研究各種專用性的導電纖維以及開發與常規紡織纖維交合的各種工藝著手，使導電材料在織物中縱橫交錯形成隔離網來達到衰減電磁波的能量，以實現防電磁輻射的目的。這方面比較典型的產品就是不銹鋼纖維的混紡織物，它占有著抗輻射紡織品較大的比例。但是，由于不銹鋼纖維在加工和使用上存在著諸多方面的局限，因此市場的認可度在下降，有被其它技術取代的趨勢［9］。相對纖維法，織物整理法則是采用材料表面工程的技術，通過各種化學反應或者是物理反應，在常規的紡織織物表面進行金屬化處理，使紡織產品表面形成金屬層，有效地屏蔽和過濾電磁波，從而也起到了抗輻射的防護作用。織物整理法中目前研究較多的由化學鍍層法、真空鍍膜法以及金屬涂層法等專業處理技術，它們分別通過液態、氣態和固態中間體介質將金屬還原成原子、分子進行沉積或直接形成于織物表面，這些方法通常被分為濕法與干法二種［10］。與上述抗輻射的混紡織物產品相比，目前該技術大量地被產業化應用相對還比較少。
纖維法與整理法的比較
設計一種抗輻射的紡織產品，良好和耐久的電磁屏蔽效能是十分重要的。除此之外作為紡織產品還應考慮滿足紡織產品所必須具備的各種良好的服用性能，如對人體無刺激性、透氣透濕性、柔軟性以及耐磨性等。專用纖維法因為在技術上是通過纖維的混紡或交織最終形成織物，所以手感、透氣、耐磨以及耐穿、耐洗持久性等功能方面有著獨到的優勢，這也是占有抗輻射紡織產品較大比例的一個重要原因。但是，如果采用普通的不銹鋼纖維，由于金屬材料自身的剛度大，韌性差，無卷曲，無彈性，在混合、牽伸、加捻等成紗以及染色性能上都較難控制，因而成為了該技術進一步發展的瓶頸。織物整理法相比纖維法工藝較為復雜，對紡織產品表面的預處理要求也比較高。如其中的化學鍍層法在織物表面金屬化處理前就必須先進行脫脂、粗化、敏化、活化等工作流程，蝕刻織物表面來產生一定的粗糙度，使其在金屬沉積時能形成較好的拋錨咬合。真空鍍膜法在織物表面金屬化處理前也必須進行預處理，但這種預處理原理與化學鍍層法不同，它所進行的底涂與軋光是以阻塞織物表面纖維上的孔隙為目的，從而使織物表面達到一定的光潔和平滑性，使織物與金屬蒸汽在接觸時能迅速地凝結成金屬固體。通過各種織物整理處理在功能上一般比目前所采用的纖維法處理能獲得更好的屏蔽性能，但在獲得織物各種良好服用性能方面還需進一步探索，特別是在耐穿、耐洗等抗輻射的耐久性方面還達不到纖維法的功能效果。
抗輻射紡織技術展望
纖維法與整理法在抗輻射紡織技術以及相應的使用上各有利弊，但可喜的是這些技術正在被不斷地探索和研究，有些方面已取得了一定的進展。如專用纖維法中開發了不銹鋼的軟化技術、金屬絲的彈性技術［11］等，從而使不銹鋼纖維在抗輻射的紡織技術上更具有應用性。除了無機抗輻射纖維外，各種有機的抗輻射纖維也得到了較好的開發，如將電磁波吸收劑與成纖高聚物共混進行紡絲，制得各種對電磁波屏蔽的纖維；以及通過合成可溶性聚苯胺進行凝膠紡絲制成的高取向聚合物纖維［12］。此外，針對纖維加工中混合、牽伸、加捻等成紗及染色等問題，還進一步探索了各種無機抗輻射纖維的包芯、并捻、色織等絲線與織物的復合技術。由于金屬銀具有著極強屏蔽電磁輻射的性能，低線密度銀纖維的開發以及在混紡與色織等紡織產品上的應用，也進一步拓展了抗電磁輻射材料在紡織產品應用上更為廣闊的領域。織物整理法中采用了離子化處理技術研究的多離子織物，雖然還存在著不耐清洗等缺點，但織物柔軟、透氣，服飾感強以及一定的電磁屏蔽率，被看作為是新一代屏蔽電磁輻射的紡織材料。化學鍍層法中也相繼開發了滌綸織物表面鍍銅、鎳、鋁等多種金屬的抗輻射面料；以及錦綸織物單面或雙面鍍銀的抗輻射面料。針對鍍層法中的粗化技術，等離子預處理織物材料以提高其金屬化牢度等措施也在進一步探討之中。而真空鍍膜法中在織物處理技術的基礎上，還采用了先薄膜金屬鍍覆，后切絲鑲嵌于織物之內，其目的是在提高面料屏蔽性能的同時，改善紡織產品的服用性能。另外，金屬涂層織物、硫化銅織物、銅鎳復合鍍織物等各種抗輻射紡織技術也正在不斷地研發和應用。隨著納米技術的發展，納米材料的小尺寸效應，表面與界面效應以及量子尺寸效應等一些獨有的特性，在抗輻射紡織技術中也將被深入的研究并進一步地發揮其應有的作用，納米技術在抗電磁輻射紡織技術和產品上有著廣闊的應用前景。
但是，由于輻射源的多元化和輻射環境的復雜化，以上技術如簡單地用于常規紡織服用方面的防護，有報道顯示目前還起不了有效地防護作用［13］。現有的技術除了“點對點”或靜態屏蔽防護外，對于多點輻射還需要尋找一種更為有效地防護方法。抗輻射紡織技術是一門涉及紡織技術、材料技術、物理學、化學等多學科、交叉性較強的新興產業領域，潛力很大，尚有待深入地進行基礎性研究以及相關方法、標準等技術的進一步規范。
