纳米吸波材料在人体防护中的现状及发展方向 yd9309
陈小立 阎克路 赵择卿 东华大学
原载：2001功能性纺织品及纳米技术应用研讨会论文集；85-88
一、前言
在人类不断改善生活质量的同时，各种各样的污染也随之产生。继废气、废水、废渣和噪音四大污染之后，电磁辐射这一"隐形杀手"对我们的生存空间所造成的巨大污染己引起了人们的广泛关注。电磁辐射看不见、摸不着、隐蔽深，人们不易察觉，但是它给人类及其周围的环境带来了意想不到的危害。经医学研究证明，电磁辐射对人体的中枢神经系统、血液及心血管系统、生殖系统及免疫系统均有不同程度的危害[1]。长期处于电磁辐射中，轻则会使人们感到头晕目眩、四肢乏力、口干舌燥、食欲不振、视力下降、情绪烦躁等，重则导致女子月经不调、男子性机能减退、诱发癌变、畸胎等，严重威胁着人们正常的学习、工作和生活[2]。例如，手机是新兴的现代通讯工具之一，它在人们的日常生活中应用日益广泛。但是据报道，德国医学研究人员最近的研究结果表明，手机辐射会使用户的血压有较大幅度的升高。另外，许多用户反映使用移动电话后有头晕、失眠、皮肤瘙痒、食欲减退等不良反应。
在电子产品日益普及、电磁辐射几乎无处不在的当今时代，人类该采取什么防护措施来保护自己少受甚至不受其危害，从而解决电磁波污染这一难题呢? 就目前看来，有两种方法，一是距离保护；二是屏蔽保护。前者主要是环境中电磁辐射强度随距离增大迅速衰减，与辐射源保持较大的距离 可起到一定保护作用。本文着重讨论后者，即利用吸波材料的屏蔽作用对人体进行防护。当前，"薄、轻、宽、强"是吸波材料研究的发展方向和争取实现的目标，纳米吸波材料的出现便这一目标的实现成为可能，因而是一种非常有发展前途的新型吸波材料[3]。
本文就将纳米吸波材料的结构特征与吸波、它在人体防护中的应用及其发展趋势进行探讨。
二、纳米吸波材料的结构特征与吸波
纳米材料是指材料组分的特征尺寸在1-100nm范围的材料。当一个微粒的尺寸小到纳米量级时，它的微观结构和性能既不同于原子、分子的微观体系，也不同于显示本征性质的大颗粒材料宏观体系，而是介于二者之间的一个过渡体系[3]。纳米微粒尺寸小，比表面积大，具有很高的表面能，从而对其化学性质有很大影响。实验证明，粒子分散度提高到一定程度后，随着粒子直径的减小，位于粒子表面的原子数与总原子数的比值急剧增大，当粒径降为5nm 时，表面原子所占比例可达50%[4]。由于表面原子数增加，微粒内原子数减少，使能带中的电子能级发生分裂，分裂后的能级间隔正处于微波的能量范围内(l×l0-2-l×lO-5eV)，从而导致新的吸波通道[3]。纳米材料由于其自身结构上的特征而具有小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应以及宏观量子隧道效应，因而与同组分的常规材料相比，在催化、光学、磁性、力学等方面具有许多奇异的性能，在微波吸收方面显示出很好的发展前景[5、26]。纳米吸波材料对电磁波(特别是高频电磁波)具有优良的吸收性能，但其吸收机制仍有待进一步研究。目前一般认为是由晶格电场热运动引起的电子散射、杂质和晶格缺陷所引起的电子散射以及电子与电子之间的相互作用三种效应引起的[6]。
三、纳米吸波材料在人体防护中的防应用
既然人们己经意识到了电磁辐射的危害性，有关人士也己经开始着手研制开发各种吸波材料，那么，如何将吸波材料用于织物中，制成能够吸收微波的服装，从而对人体真正实行有效的防护? 这一问题具有很大价值，彻底解决这一间题无疑将成为人类与电磁辐射斗争这一过程中的重大突破。
最早用于个人防护的服装出现于上世纪60年代，是金属丝和服饰纤维的混编织物，它对电磁辐射有一定的屏蔽作用，但是手感较硬，厚而重，服用性能较差。在此基础上，随后出现了金属纤维和服饰纤维混纺织物，其服用性能有较大的改善。但是，由于两种纤维难于混合均匀，屏蔽性能不很理想，还有尖端放电和刺人现象。到了70年代初，出现了镀银织物，其保护效果好，轻而薄，服用性能较好，但手感仍然较硬。由于电子产品的普及，接触电磁波的人越来越多，而化学镀银织物价格昂贵，因而不能得到广泛的应用。70年代末，国内外又研制成了化学镀铜或镍织物，用来代替镀银织物，其性能相似，但价格较低廉，为实际应用提供了有利条件。到了80年代，又研制出含多元素或多离子的织物，既可屏蔽电场，又可消除磁场，还可以阻隔少量的X射线、紫外线等[2、7]。
如今，我们已经进入电子时代，科学技术的飞速发展和人类社会文明的不断进步，已经使人类处于一张"电磁辐射"的巨网之中。人类在追求生活质量的过程中，加强了自我防护和保护环境的意识。现代的人们对服饰的要求不仅仅是舒适、美观，他们还要求自己的服装能够最大限度的吸收微波。纳米吸波材料在这方面则显示出巨大的优越性，它质量轻、厚度薄、吸收的频带宽、吸收能力强，若能将其时装化，则将成为现代人最理想的服饰之一。
从吸波机理角度来讲，吸波材料可分为导电型和导磁型两类。所谓导电型吸波材料，即当吸波材料受到外界磁场感应时，在导体内产生感应电流，这种感应电流又产生与外界磁场方向相反的磁场，从而与外界磁场相抵消，达到对外界电磁场的屏蔽作用[7]。导磁型吸波材料则是通过磁滞损耗和铁磁共振损耗而大量吸收电磁波的能量[6]，并将电磁能转化为热能。目前已研制出了各种纳米级的吸波材料，但兼具导电、导磁性能，并与织物相结合、用于个人防护的纳米级吸波材料仍是空白，而这正是当前迫切需要解决的一大难题。如果能以导电纤维织成衣物，并在其表面涂布一层纳米级的导磁型的吸波材料，将会进一步提高织物吸收微波的能力，从而对人体起到更为有效的防护作用。
己见报道的导电纤维大致可分为以下四类：1、含碳纤维；2、用金属盐(如CuS)涂层而得导电纤维；3、金属纤维；4、电镀或化学镀的导电纤维。这几种导电纤维各有其优缺点[8]。目前这一领域的一大热点是合成一种本身导电的聚合物纤维。这些聚合物包括聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺和聚噻吩等，主要是利用它们共轭π电子的线性或平面形构型与将高分子电荷转移给络合物的作用设计导电结构，尤其是这些导电聚合物的纳米微粒具有非常好的吸波效果[3、24]。
与导电纤维相对应的导电织物，可通过以下三种途径获得；1、将织物浸渍于抗静电剂中；2、用导电物质直接在织物上进行涂层；3、在织物组织中嵌入导电纤维。其中最有效且最常用的方法是第3种。将导电纤维与普通纤维按照不同的比例掺合在一起，可以得到导电性能各异的织物，但因导
电纤维的颜色问题而使设计受阻。
日本己研制出了纳米级的导电纤维，仅有一个分子粗细。如果我们在普通纤维中掺入一定的纳米级导电纤维，则不仅不会降低其原有的性能，还会赋予织物轻、薄、吸收微波等特点，使织物既有美丽的外观和舒适的手感，又兼有防护的功能。
四、两种制备导电纤堆的设想
(一)化学镀镍
金属涂层纤维可采用物理法、电镀法和化学镀法。其中，用化学镀法在涤纶纤维上镀镍，可得到导电性优良、耐洗性良好的导电纤维，其金属层厚度为0.6µm[9]。若能够对其进行改进，制得纳米级的导电纤维是完全可能的。Antonsen、Hayei和Antonsen的专著中已经给出了用镍碳基合物方法制备镍的微粒，其线状颗粒的尺寸大小在30nm以下，球状颗粒的尺寸大小在22nm以下。用机械方法(球磨方法)可使镍颗粒的几何形状变形为片状，由于镍颗粒为片状形态而降低了涂层厚度，因而使其具有超水平的导电能力[10]；而且由于镍具备磁性质，这种镀镍的导电纤维对防止电磁波干扰有更加有效的屏蔽性能[10]。
(二)导电聚合物嫁接
近几年来，导电高分子的研究取得了长足的进步，自聚乙炔之后，相继发现聚对苯、聚对苯硫醚、聚吡咯、聚噻吩、聚喹啉等共扼性聚合物均可掺杂形成高导电率的高分子。将纤维浸在单体中，使单体在适当条件下发生聚合反应，在此过程中产生了具有中度稳定性的阳离子基团；在导电聚合物嫁接到纤维上的过程中，阳离子基团被吸附到纤维的表面和间隙中；在进一步的基团偶合反应中，这些阳离子形成一层稳定的、相互粘附的、高度结合的导电薄层[l1]，己制得的薄层约为l-lOµm。今后还需要进一步研究，如何将导电薄层做成纳米级，以期在这方面有所突破。
对已具备导电性能的织物进行进一步处理，便其具有导磁性能，这是我们要解决的一大难题。我们已经知道，许多物质具有磁性，如铁氧体、金属微粉(包括碳基金属和磁性金属微粉)、多晶铁纤维等[6]。这些磁性吸波材料均有吸收强、频带宽等优点，并己广泛应用于雷达隐身技术。而将这些吸波材料制成纳米级并便之与导电纤维或织物相结合的研究尚未见报道。
目前，已经制备出的纳米级磁性材料有氧化铁纳米粒子[12-14]、铁氧体纳米粒子[16-19、28]、Fe2O3纳米粒子与硬脂酸复合LB膜[20]等等。通过对已掌握资料的分析，我们对纳米吸波材料与纤维或织物的结合方式给出以下几种设想：
1、将纳米级磁性材料涂布在导电纤维或织物表面，形成导磁薄层。虽然在飞机外壳上涂敷吸波材料早已获得成功，但值得重视的是磁性材料与纤维或织物结合的牢度问题。
2、将纳米级磁性吸波材料均匀分散在合适的粘胶剂中，将纤维或织物浸在分散液中；经焙烘后，纳米颗粒随机均匀地分散在粘合剂中，而薄膜与纤维或织物有很高的结合牢度。
3、将纳米级磁性吸波材料和纤维或织物同时浸入导电聚合物的单体中，随反应的进行，让导磁性和导电性吸波材料同时与纤维或织物结合；或者将磁性材料和镍粉微粒同时涂布到纤维或织物表面，但需要考虑两种吸波材料的互斥性。
4、分别制得导电纤维和磁性纤维后，将二者混纺，以期得到同时具备导电、导磁两种功效的织物。
5、随着纳米材料科学的发展，目前已出现了纳米液体[21]，磁性流体更是表现出了许多独特的物理化学性能，能够取代传统的磁性材料，如Zn2Fe3-xO4复合磁性流体[18]。可以考虑将导电纤维或织物浸在磁性流体中，使磁性流体进入纤维或织物。
6、已经有实验证明：在普通介质中埋入随机取向分布的手性微粒，如较小的手性金属或陶瓷螺旋线圈等，具有很好的吸波性能[28]。如果在纤维或织物表面涂布一层纳米级的手性微粒，或是将纤维或织物浸入含有纳米手性微粒的粘胶剂中，只要选择合适的手性参数，可以极大地改善纤维和织物的吸波性能。
当然，以上只是一些初步设想，要将其变为现实还需要进行大量的研究工作。但是我们相信，只要基本理论正确，设想合理，随着实验技术的发展，纳米吸波材料在人体防护服中的应用将会有新的突破。
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