郝新敏

    郝新敏，男，总后勤部军需装备研究所教授级高工，工学博士。长期从事纤维制造、功能纺织材料、防护服装等研究。享受国务院政府特殊津贴。入选“科技北京百名领军人才培养工程”，当选“2014中国纺织学术带头人”。获2012年何梁何利基金“科学与技术创新奖”。获国家科技进步一等奖2项、二等奖2项，国家技术发明二等奖1项；军队或省部级科技进步或发明一等奖13项、二等奖7项；获国际发明展览会金奖4项。授权中国发明专利68项， 1项美国专利。在核心期刊发表论文80余篇，主编《医用纺织材料与防护服装》、《功能纺织材料和防护服装》、《聚四氟乙烯微孔膜及纤维》等专著3部、参编专著4部。

1 前言

    随着科技发展和社会进步，人类的生活环境和工作环境日趋多样化和复杂化，安全防护的概念已经越来越被人们所熟知。尤其是在发生灾害事故时，如工业生产中的爆炸、火灾、剧毒化学物泄露，恐怖分子利用爆炸、生化毒剂袭击等手段危害公众安全的威胁也在增加，抢险救援人员往往在有浓烟、粉尘、刺激性气体、有毒有害化学物质、高温、缺氧的环境中进行作业，这样的现场环境往往要求作业人员穿戴专业的防护装备。根据防护对象的不同，要求防护材料应具有阻燃隔热、防寒保暖、防静电、防辐射、防油、防尘、防紫外线、抗菌防臭、防化学制剂、防毒等性能，用于保护在各种劳动场所作业的人员免受劳动环境中的物理、化学和生物等因素的伤害。防护材料的发展也直接推动了防护纤维的开发，目前，防护纤维已经成为纺织工业发展的重要应用领域，国外许多国家已成功地开发出许多新产品和新工艺，我国在防护纤维的开发和应用方面也有了长足的进步。

2 防护纤维的应用

2.1 防弹、防刺纤维材料

    防弹衣具有防弹、防爆、防刺穿、防切割、防砍等功能，在军队、武警和警察队伍中应用较广，主要为防护直射枪弹、爆炸物碎片、刀具刺扎、重物钝击等伤害。防弹材料向轻量化、舒适化发展的需求使得具有高强度、高模量、耐冲击、高吸能等特性的高性能纤维有了用武之地。这些纤维包括芳纶1414、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维、芳族聚酯纤维、高强PVA纤维、高强玻璃纤维、碳纤维、聚对苯撑苯并双嗯唑纤维(PBO)等，此外蜘蛛丝、聚对苯二甲酸丁二二酯纤维(PBT)、陶瓷纤维等也有所应用。

    对位芳纶（芳纶1414）是一种高强度、高模量纤维，同时还具有体积质量低、韧性好、耐热性优良、耐酸性好、耐化学试剂等优点。对位芳纶的强度为普通锦纶或涤纶的4倍，为钢丝的5倍，为铝丝的10倍，可用于制作防弹衣和防弹头盔。

    超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维，与碳纤维和芳纶并称世界三大高性能纤维，除了具有高强度、高模量的特点以外，还具有良好的耐化学腐蚀、比能量吸收高、电磁波透射率高、摩擦系数低、优良的耐冲击和抗切割性能，以及不吸水、与生物相容性好等特点，并且是所有高强高模纤维中密度最小的纤维。利用UHMWPE纤维的高强度、高模量、高能量吸收等特性，可开发加工各类防护产品，在同等防护水平下可实现轻量化。可以制成防护衣料、头盔、防弹衣、防刺衣、盾牌等，其中以防弹衣的应用最为引人注目，其防弹效果优于芳纶；用UHMWPE纤维制成的防弹板，可用于部队的坦克、装甲车、防弹车以及有防弹要求的所有作战的运输车辆，具有优良的防破甲和防穿甲性能。用UHMWPE纤维制成的防爆服、防爆毯和防爆围栏等，在保障部队、武警、公安等人身安全和保护人民的生命财产安全方面发挥了巨大作用。用该纤维的长丝纱可针织加工防护手套及其防切割用品。

2.2 伪装隐身材料

    伪装隐身减小目标和背景在可见光、红外、微波等电磁波段的散射或辐射特性的差别，以隐蔽真实目标或降低目标的可探测性特征。隐身材料是隐身技术的关键，也是隐身技术不可缺少的物质基础。伪装隐身材料需要对可见光、近红外、远红外、雷达波的侦视具有隐身和伪装功能。雷达吸波材料是研究较多、发展较快的一种隐身材料，碳纤维、SiC纤维、金属纤维等导电纤维具有不同程度的吸波特性，通过表面改性和掺杂改性，可以不同程度地调整纤维的电磁性能，从而改善吸收性能。将不同纤维混杂和开发异型截面纤维也是获得高性能吸波材料的有效途径。仿生学原理也被成功应用于伪装隐身技术当中，例如美军的“变色龙”迷彩作训服，这种作训服是用光敏变色纤维制成，能通过测知外界可见光和热源温度的变化来相应地改变自身的颜色，使得迷彩作战服的颜色能够随外界环境的变化而变化。

    随着侦测手段和侦测技术的不断完善，单一频段的防护已不能满足要求，伪装隐身材料逐渐发展为宽频特性，具有对可见光、中远红外、紫外和雷达波段的全面防护性能。美、英、俄、法等军事强国研发的多频谱伪装网，可极大地改变或降低装备的可见光、近红外、热红外、雷达特征信号，降低被发现概率，提高装备在现代战争中的生存能力。这些国家的伪装网采用经久耐用的合成材料聚酯、碳纤维、聚酯编织物、聚酯纤维和不锈钢纤维混杂纺织而成，大多采用二维或三维结构，从而实现综合伪装功能。

2.3 耐高温阻燃纤维

    常用的耐高温阻燃纤维有间位芳纶、聚苯并咪唑纤维、聚苯硫醚（PPS）纤维、聚酰亚胺纤维、芳砜纶纤维、碳纤维、热固性三维交联纤维、聚四氟乙烯纤维(PTFE)、Visil纤维等，另外相变材料也有应用。

    间位芳纶（芳纶1313）是一种性能优异的耐高温材料，可在260℃高温下持续使用1000h，在300℃高温下连续使用一星期，还能保持其原有一半的强度，在高温下表现出较强的尺寸稳定性，同时具有耐化学试剂和良好的抗辐射性能，可用于制作防火帘、防燃手套、消防服、耐热工作服及赛车运动服等。

    聚苯硫醚（PPS）是我国“十一五”规划期间产业化重点发展的高性能纤维之一，在高温下具有优良的强度、刚性、耐疲劳性及耐化学腐蚀性，极限氧指数为34%，置于火焰中时无滴落现象，且离火自熄，形成残留焦炭。聚苯硫醚纤维具有良好的纺织加工性能，可以与其它功能纤维混纺交织开发出集阻燃、抗静电、防电磁辐射和保暖等多功能于一体的复合功能型服装面料，用于不同环境下的消防服、防护服、救援服等。

    国内采用膜裂法生产PTFE纤维，先将高分子聚四氟乙烯粉体经多次混合、多步加压、三维拉伸加工制成均匀的ePTFE薄膜，然后通过分纤分切和多步热拉处理，制成PTFE长、短纤维，并且在上海建立了PTFE膜和纤维生产基地。PTFE纤维生产技术的突破，打破了多年来国外对我国的产品垄断和技术封锁，实现了PTFE纤维的产业化和国产化。PTFE纤维的极限氧指数非常高，阻燃性能非常好，在高温下不熔融，具有很好的热稳定性和化学惰性，同时具有良好的耐气候性，既能在高温条件下使用，也能在低温条件下使用，且纤维本身没有任何毒性，可用于制作宇航服、屏蔽服和医疗防护服。

2.4 防寒保暖纤维材料

    利用高科技手段，研究开发积极型、智能型的保暖纤维，来提高保暖材料的保暖性，已经成为保温材料研究与开发的主流。超细纤维是发展最早的保暖纤维，其单位体积内纤维的比表面积比普通纤维高几倍到十几倍，可以吸附更多的静止空气，从而使织物具有很好的保暖效果。同时由于材料本身的超细纤维和高孔隙率，使材料具有更好的柔软度、透气、透湿性能。

    中空纤维由于其纤维的中空结构，包含有大量的静止空气，提高了织物的保暖效果，而且高中空结构大大减少了纤维的重量，使得织物保暖的同时比普通面料更加轻便。杜邦公司推出的极具保暖功能的Thermolite，属于高中空结构，而且它将湿气迅速而自然地排出，较同等轻质布料暖和，是轻盈保暖材质的首选。2O世纪末，日本东洋纺公司将氨基、羧基等亲水化基团引入聚丙烯酸分子制备了EKS纤维，利用纤维分子中强亲水性的极性基团，与空气中具有较高动能的水蒸气分子通过氢键相结合，并将其转化成液态水后发热，达到保暖和干爽舒适的效果。远红外线纤维通过吸收人体发射出的热量，向人体辐射一定波长范围的远红外线（其中包括最易被人体吸收的7～14mm波长段），可使人体局部产生温热效应，促进血液循环，减少人体热量损失，具有较好的保温性能。美国Acordis公司利用微胶囊包裹的热敏相变材料研究生产了Outlast纤维，相变材料能以潜热的形式吸收、储存和释放热量。当环境温度或人体皮肤温度发生变化时，相变材料会在液态——固态间转变，释放或吸收热量，从而有效地调节人体与服装间的微气候。Outlast纤维可应用于制冷从业人员、长期室外作业人员、坦克兵、航天员穿着的服装。

2.5 抗菌防臭纤维

    抗菌纤维是采用物理的或化学的方法将具有能够抑制细菌生长的物质引入纤维表面及内部，抗菌剂不仅要在纤维上不易脱落，而且要通过纤维内部平衡扩散，保持持久的抗菌防臭效果。目前，抗菌纤维大致分为天然抗菌纤维和人工抗菌纤维两大类。天然抗菌纤维是指本身具有抗菌功能的天然纤维。其中抗菌作用强，开发应用比较成熟的要属甲壳素与壳聚糖纤维、麻纤维和竹纤维等。人工抗菌纤维是在无抗菌功能的纤维中添加抗菌剂，使其成为具有抗菌功能的纤维。人工抗菌纤维的加工方法有共混纺丝法、复合纺丝法、接枝改性法、离子交换法、湿纺法和后整理法等。前四种方法制得的抗菌纤维，由于抗菌剂已经添加到纤维内部，所以具有较持久的抗菌性能。后整理法制备的抗菌纤维，由于抗菌剂是通过化学键和氢键结合在纤维的表面，纤维的内部没有抗菌剂，耐久性较差。在合成纤维原料中添加纳米银抗菌剂制得的纳米粒子添加型抗菌纤维，其有效抗菌成分是纳米级银系抗菌剂，对大肠杆菌、淋球菌、沙眼衣原体等数十种致病微生物都有强烈的抑制和杀灭作用，而且不会产生耐药性。

    纤维素作为一种可再生的天然高分子材料，具有可生物降解、价格低廉等优点。将具有抗菌性的小分子或大分子抗菌剂连接到纤维素上或添加到纤维素中，即可制备出具有抗菌性的纤维素，使用的抗菌剂不同，可以制备出不同类型的抗菌纤维素。这样不仅可以提高产品的质量，也可以拓展其功能。

    抗菌纤维在医疗领域、家用纺织品、产业用纺织品等领域有着相当广泛的应用，对提高我国卫生保健水平和降低公共环境交叉感染起到重要的作用。

3 防护纤维的发展趋势

    防护材料可以有效地抵御外界因素给在特定环境下作业的工作人员带来的人身伤害，对保证工作人员的生命安全和健康具有重要意义。随着科技的发展，高性能纤维、高功能纤维、新型加工整理技术在安全防护领域得到广泛的应用。 轻量化、舒适化、可循环利用、多功能化、高附加值将是安全防护纤维的重点发展方向。