国内外防护服的发展与对比分析

[2016-06-21 11:36]

随着社会的发展、科技的进步,人们对个体防护用品的要求不断变化、提升. 现在的防护服,已不仅仅是保障劳动者的作业安全的作用,还根据行业特点赋予了更多新的作用. 如,处于高温环境作业的人员,防护服还应具备人员穿着舒适的要求. 早在 1977 年美国的学者 R. F. Goldman 在服装的功能设计中就强调了“4F”原则———时尚( Fashion) 、合适( Fit) 、感觉( Feel) 、功能( Function) [1]. 1995 年,沈润娥提出了防护服“安全、适用、美观、大方”的设计原则[2]. 贾司光提出,要从安全、舒适、工效和耐受限度这 4 个方面来衡量“人 - 机 - 环境”系统的效能[3]. 这样的设计原则和思想也同样的适用于防护服的设计.

1 国内外相关标准
有关防护服产品的设计标准,在国内外都已经形成了较为完善的体系. 由于西方发达国家的工业进程远早于我国,所以在制定防护服的标准方面也先于我国. 国际标准化组织( ISO) 制定了有关防护服的 ISO标准 42 项,European Norm( 欧洲标准 EN) 已经发布了 51 项有关标准,美国国家标准学会( ANSI) 也有了20 项相关标准,British Standard( 英国标准 BS) 制定了相关标准 29 项,这些标准大多都向 ISO 制定的标准靠拢,Japanese Industrial Standards( 日本工业标准 JIS) 共有 78 个有关个体防护的标准,其中参照 ISO 标准的多达 46 项[4,5]. 这些标准已经广泛的应用于各类的防护服的设计和相关性能测试. 我国有关防护服的标准体系虽然已经有了一定的改善,但是在我国近 2 万余项的国家标准中,与防护服有关的仅有 10 余项。
我国现在防护服主要实行的是 GB /T 20097 - 2006《防护服一般要求》的标准. 此标准就是参考了 ISO3688 - 1998 标准,结合我国的 GB 13640 - 1992《劳动防护服号型》修改制定的. GB /T 20097 - 2006 中从防护服的性能、老化、人类工效学、尺寸及标志等多方面都给出了详细的规定和性能指标[6]. 在 2013 年 3月 ISO 提出并通过的 ISO 13688 - 2013( Protective clothing - General requirements) [7]和 1998 年的 ISO 标准相比,ISO 13688 - 2013 强调了标准应与其他相关标准的联合使用,并且增加了性能等级的测定,同时对防护服的人类工效学和尺寸,标识等方面提出了更高,更具体的要求[8].

2 防护服的分类
根据防护服应用领域不同可划分为军用、工业用、矿用、医疗卫生用、农业用、建筑用等几大类. 根据作业环境不同可分为高温防护服和低温防护服. 按防护功能可分为健康型防护服,安全型防护服和保障穿着者卫生的防护服. 按防护对象的不同又可分为一般劳动防护服和特种劳动防护服[9,10].
一般劳动防护服是指为了保障劳动者在生产作业中防脏、防机械类绞伤、防磨损等物理伤害用的防护服装. 一般劳动防护服按照功能又可分为保护劳动者自身衣着洁净用、保护产品质量用和作业场所卫生清洁用防护服. 主要用于建筑行业、机械加工企业、食品加工等服务类行业. 此类防护服对材料要求不高,一般的纺织材料均可满足其要求. 如生活中较为常见的棉、涤纶、化纤等均能满足相应的防护服装的材料要求.特种劳动防护服是指为了保障在特殊环境中作业的劳动者的人身安全健康,并尽可能减轻职业危害、避免伤亡的防护服. 如: 矿山企业、化工企业、航天事业、消防行业等特殊领域或恶劣环境下使用的防护服.特种防护服必须根据行业特点及使用环境特点,经过精心设计、选材、制作、防护性能测试等环节制作出满足行业特点和使用环境要求的防护服. 例如: 在高温环境下使用的防护服,不仅需要有耐高温的性能,同时还需具备良好的隔热、散热、散湿等性能,以防止高温对人体的侵害.

3 防护服的发展与对比
3. 1 一般劳动防护服
仇美君和季英超在《浅谈我国的防护服装》中按照用途将一般劳动防护服分为军用防护服和民用防护服[11].
3. 1. 1 军用防护服
以前,军用防护服主要是用来抵御低温、雨水等环境因素的影响,保障士兵的战斗能力. 但是随着军事科技的发展,军用防护服的性能和种类也随之提升[12].
例如在二战中发展起来的防弹衣. 运用其内部的纱线的拉伸、断裂来消耗掉子弹的动能,以保障使用者不受伤害. 现在防弹衣通过选用性能更好的材料、增加织物的密度和层数等方法,提高防弹衣的性能[13]. 如,耐热性强,吸收能量大的 PBO 纤维材料,复合材料,纳米材料和生物材料等. 在环氧树脂中添加纳米 SiOx,可大大的提高了防弹衣的强度和韧性; 利用生物材料———仿蜘蛛丝纤维的弹性和强度,可使防护服的舒适性和防护性实现跨越式提升[14,15].
例如防生化服. 由于各种化学、生物武器的发展,现在的军用防护服不仅需要能抵御外界的恶劣环境,还需要能应对生化战争和辐射污染. 早在 20 世纪 90 年代,美军利用活性炭的吸附性,将泡沫活性炭和微孔半渗透膜结合制作了防生化服. 德国利用活性炭泡沫材料制作的防护服,在海湾战争中得到应用. 有些纳米材料具有良好的吸附性,单位面积吸附能力大大超过活性炭等吸附材料,利用纳米材料制作的防生化服克服以前防生化服体积大、过于笨重的缺点. 复合纤维材料、生物材料也由于它良好的吸附能力和韧性在防生化服中迅速得到运用. 如,法国已经研制出一种生物纤维,其利用生物酶防毒,实现了防生化服的一项重大技术突破. 东华大学的王炜副教授提出运用凝胶包埋钯活化技术在普通的纺织材料上面进行整合提高原位生成的金属钯的活性. 利用此材料可以提升防护服的防辐射性能[16].
3. 1. 2 民用防护服
民用防护服中,比较常见的就是医疗防护服,用于减少医疗工作人员在工作环境中受病毒等传染性物质的侵害.
每个人的血液或体液中都可能携带着某些病毒,医护人员每天都可能与病毒携带者接触. 正是医疗防护服的防护作用,保障了医护人员的安全健康. 在发达国家,医疗防护服的研究很早就得到发展,美国在医疗防护服的研究一直处于世界先进水平. 在二战期间,美军就利用极细的比马丝光棉制作出具有较强拒水性能的防护服,二战结束后将其运用于医疗手术中. 20 世纪 80 年代,美国研发的异质膜、非对称膜、均质膜和复合膜 4 种薄膜材料和 Gore 织物材料,既具有良好的阻碍病毒透过性能,还具有良好的透气性能[17]. 在 1992 年,美国消防协会( National Fire Protection Association) 制定了有关医疗防护服的标准———
NFPA 1999( 现在已更新到 2013 年版) ,该标准对医疗防护服的性能、阻隔病毒的最低防护要求及性能测定方法等均做了严格的规定[18].
我国的医疗防护服是在 2003 年 SARS 病毒席卷全国之后开始重视和发展起来的. 针对 SARS 传染病毒,2003 年4 月紧急出台了 GB 19082 - 2003《医用一次性防护服技术要求》,对一次性防护服的结构、防护性能和阻隔病毒的最低要求作出了相关规定[19]. 当时我国的制作防护服的材料主要为普通的无纺布或橡胶等,其中普通无纺布的防护性能差,无法达到国家防护标准; 橡胶虽然有较好的防护性能,但是透气性较差,无法适用于医疗工作环境. 后经科技工作者的共同努力,研制出了聚丙烯纺粘和熔喷纺粘复合材料( SMS) 非织造布,SMS 材料不仅有良好的抗菌性和透气性,还能抵抗高静水压力,通过对 SMS 材料的抗菌、抗老化、抗静电等技术处理,可适应多种不同的环境条件,用 SMS 非织造布制作的高档手术服已在国内外得到广泛的应用; 但是在传染力极强的区域,SMS 的防护效率依旧不能满足要求,还有待进一步研究[20]. 之后国内有关学者运用静电丝装置制备出 Nylon - 6 /TiO2 复合超细纤维无纺布,将其运用于医疗防护服中可以提高防护服的抗菌性能和抗紫外线性能,同时,也有人提出将氯胺化合物所制成的抗菌剂作为防护口罩的保护层,将提升防护口罩的杀菌性能. 为了解决医疗防护服的有关难题奠定了基础[21,22]. 为了更好的解决医疗防护服的有关难题,俞建勇院士和龚龑教授提出将生物材料和复合材料运用与医疗行业,相信将对医疗防护服的发展注入新的力量[23].
3. 2 特种劳动防护服
特种劳动防护服主要是指在消防、矿山、航天等特殊工作环境下保障劳动者安全健康的防护服.
3. 2. 1 消防防护服
消防防护服是消防人员在火灾现场实施救援时保护自身安全的重要防护用具. 消防防护服的性能及测定方法,国内外都作出了相关规定. 我国在 2002 年 12 月发布了 GA 10 - 2002 消防员灭火防护服( 现已更新到 2014 年版) ,并在 2006 年 8 月发布了 GA634 - 2006 消防员隔热防护服,对消防防护服的规格、性能、设计要求、实验方法以及检测规则等都做了详细的规定[24,25]. 由于消防防护服的工作环境主要是在火灾等高温环境下,所以我国有关消防防护服的性能测定,主要测定织物的阻燃性能. 目前,我国较为完整的测定织物阻燃性能的方法有氧指数法、水平法、垂直法、45°倾斜法和烟浓度法等. 而国际上主要用的是欧盟定制的 TPP 明火测试法[26]. 为了更真实的测评到消防防护服在火灾条件下的热防护性,可以通过模拟真实环境对防护服进行测评. 如: “燃烧假人”系统. 该系统是利用安装在假人身上的一系列温度传感器来模拟不同燃烧环境对消防人员的伤害. 但由于“燃烧假人”系统的复杂性,并没有广泛的运用到防护服的研究中[27]. 随着计算机仿真技术的发展,一些模拟软件( 如: CFD) 在防护服的研究方面得到了运用.
在消防防护服材料研究方面,国外的一些企业走在前列,20 世纪 80 年代,美国为航天事业开发出了PBO 纤维( 聚对苯撑苯并双噁唑纤维) ,由于 PBO 纤维柔软且阻燃性良好,很快被应用于消防防护服的研发. 被誉为世界合成纤维十大发明之一的 Kynol 纤维( 酚醛系纤维) 也由于其稳定的化学性质和良好的绝热性,被应用于阻燃防护服和消防服的研发. 德国 BASF 公司在 20 世纪 90 年代生产了 Basofil 纤维( 三聚氰胺纤维) 具有良好的耐火性能和防护性能,也被用作消防防护服的面料. 2008 年,美国杜邦公司研发的具有智能纤维技术的高新纤维可以提高 20% 的防护性能.
我国在隔热阻燃材料的研究方面起步较晚,目前还主要处于模仿国外产品的阶段. 我国研发的代表性阻燃材料主要有山东烟台氨纶股份有限公司生产的间位芳纶、上海合成纤维研究所和上海纺织科学研究院共同研发的 PSA( 芳矾纶) [28]. 2014 年,朱方龙,樊建彬等人提出将相变材料运用到消防服中,为消防防护服的发展迈出了全新的步伐[29].
宗艺晶、张向辉、李俊等人对上述几种材料用 TPP 明火测试的方法进行了热防护性能测试,测得 PBO纤维和 Kynol 纤维较其它材料有更好的热防护性能,并得出消防防护服的热防护性能随织物的密度及厚度的增加而增强的结论[30].
3. 2. 2 矿用防护服
矿山行业主要分为煤矿和非煤矿山. 由于煤矿开采过程中常伴随瓦斯涌出,并有大量粉尘产出. 瓦斯( 狭义瓦斯是指甲烷气体,广义瓦斯是指井下所有有毒有害气体) 和有些煤尘具有爆炸危险性. 因此,对煤矿工人穿着的工作服或防护服提出了更高的要求. 1999 年国家颁布了煤矿工作服的有关标准———MT /T843 - 1999《矿工普通工作服》[31],该标准只适用于矿用普通工作服,对矿用工作服的面料和耐磨性能等做了基本的规定,但是没有涉及井下特殊环境的特别防护要求.
由于煤矿井下空气湿度大,作业环境潮湿,为了防止矿工长期暴露在这样的工作环境下受到伤害,对矿用防护服也要求有一定的拒水性. 卢霜等人经过相关实验研究,发现将 DH - 3650 防水剂注入纯棉材料中,不仅能提高防护服的拒水性能,而且多次洗涤后依旧能保障防护服良好的拒水效果[32]. 同时,针对煤矿井下存在瓦斯和粉尘爆炸的危险,要求煤矿用普通防护服应使用防止产生静电的全棉织品或经严格防静电处理的织品制作[33]. 目前,煤矿普遍使用不能产生静电的全棉工作服,经防静电处理的织品制作的工作服还处在研究试验阶段. 如: 顾园提出将纯棉材料和阻燃纤维结合,并在纺织过程中加入导电纤维,然后在经过整理,可以同时满足矿用防护服的要求[34].
随着矿山开采深度的增加,矿山开采出现又了高温问题,且在深度矿井开采的过程中,地温及采掘工作面温度会越来越高,有学者提出,采掘工作面高温将是制约未来深部矿山开采的主要难题[35]. 为防止井下高温、高湿环境对人体的侵害,国内为很多科技工作者正致力于适合矿山井下恶劣环境及高强度劳动条件下使用的防护服的研发. 如: 岳丰田等人发明了 1 种矿用防护服用于解决矿井高温问题,该防护服由保温层,制冷层和内保温层组成,在制冷层上设有装冰口袋和冰水管路. 降温过程为: 首先将一定量的冰块装入装冰口袋中,利用冰的融化过程吸收人体热量,随后融化的冰水通过内置的冰水管路送到人体其它部位,吸收其他部位的热量,最后由裤脚排出冰水[36]. 聂百胜、丁敬芝等人设计了 2 款以高分子吸水树脂为蓄冷材料的矿用相变冷却服,通过材料相变吸收人体热量,并通过对通入服装内的压缩气体控制相变材料冷量的释放[37,38]. 陈宁、马砺等人设计的矿用防护服,利用 0. 7 ~ 0. 8 MPa 的压缩空气进入涡旋管后产生10 ℃左右的冷空气沿导气管进入服装内部,再沿细塑料软管上的微型小孔进入衣内微空间,吸收人体热量[39 - 41]. 梁国志等人以高分子化合物聚乙烯醇为基本原料,以硼砂溶液为胶凝剂,添加冰点降温助剂等,以此配制成的凝胶状蓄冷剂制作了供矿工使用的降温服,服装重 1. 2 ~ 1. 5 kg,使用时间 4 ~ 5 h[42 - 44]. 虽然这些冷却服为矿山行业做出了贡献,但这些冷却服普遍存在结构复杂、重量大、连续工作时间短、拆洗困难等缺点,还有待进一步改进、完善.
3. 2. 3 航天用防护服
航天防护服是保障宇航员在执行航天任务时的安全与健康. 近年来,随着航天事业的迅速发展,宇航员的出仓活动也更加频繁,因此,对航天防护服的研究有着重要的意义. 根据防护性能和航天任务的不同,航天防护服可以分为舱内用,舱外用和舱内外共用防护服[45]. 由于舱内环境是模拟正常大气环境,对舱内用的防护服的防护性能并没有太高要求. 3 种防护服中,对性能要求最高的就是舱外用防护服.
如: 美国在“阿波罗”登月计划中研制出 A7L 舱外航天服第一次实现了宇航员在舱外的独立活动. 但是这中航天防护服只能根据航天员的体形定制,并且穿脱时间为 45 min 左右[46]. 前苏联从 20 世纪 60 年代开始,先后研发了隼,鹫,海鹰等多种航天服,不仅将防护服的重量不断减小,也实现了从半硬式到软式的转化; 其中“海鹰”- DMA 航天服的使用寿命已经可以达到 4 年[47,48]. 美国研发出的一体航天服组件EMU 航天服,包含航天服及相关组件,还包括生保系统和相关辅助设备,可适用于大多数非极端体形的宇航员,并能重复使用[49]. 这几种防护服经过多年的改进与发展,已经能够适应于复杂的太空环境,保证了宇航员能够完成更为复杂的航空任务.
我国在引进俄国“海鹰”航天服后并加以改进,自主研发了“飞天”航天服,“飞天”航天服在保留了“海鹰”航天服的基本性能后,增加了尺寸调节装置,加强了“飞天”航天服的整体适应性和活动性,并采用了特有的 PTFE 和 Nomex 纤维长丝 2 种材料的复合结构,提高了“飞天”航天服的综合防护性能. 为完成我国神七出仓任务提供了技术和安全保障. 但是“飞天”航天服依旧存在舒适性和使用寿命短等缺点有待解决[50,51].

4 结论
1) 国内有关防护服的标准较少,而且更新不及时,ISO 有关防护服的标准已经更新到 2013 年,而国内的标准却没有及时更新.
2) 随着劳动人员对劳动安全的重视程度的增加,以及工作环境的复杂化,传统的防护服已经不能满足工人要求,应开发新型防护服,增强防护性能.
3) 在保证防护服的基本防护性能的前提下,加强对防护服的舒适性及材料的研究,将复合材料和生化材料运用到防护服领域,扩展防护服的多功能性,提高经济适用性和舒适性.
4) 计算机模拟的发展为防护服的实验和性能测试提供了便利,通过预先仿真模拟,有针对性的进行防护服性能改进,降低成品制作成本.
5) 有关防护服应该制定详细的保养,维护和淘汰等机制,保障防护性能.


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