阻燃面料的热防护性能探究

上海工程技术大学毕业设计（论文）阻燃面料的热防护性能探究

摘要

耐高温阻燃防护服在保护消防员等应急救援人员的安危方面发挥着越来越重要的作用。国外在防护服面料及性能检测方面开展了大量的研究,而国内在自主研发防护服面料及对防护服的性能进行综合评价方面还远远落后于国外发达国家,因此进一步加强耐高温阻燃防护服的开发及性能检测的研究势在必行。

本文通过热防护原理，重点介绍了一些阻燃面料，他们是如何进行阻燃的，具体结构是阻燃外层、防水层和隔热层。其中阻燃外层的有芳香族聚酰胺纤维，Visil纤维，芳砜纶纤维。还介绍了热防护服因具备的服用性能及舒适性，并通过简单的性能测试，定量的分析TPP值与热防护服的关系。最后是一些建议与总结。

关键字：高温阻燃，面料，舒适性，防护服

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阻燃面料的热防护性能探究

瞿明洁 091308206

0 引言

近年来，随着社会经济的快速发展，生产要素、生产设施的不断增加，造成了可燃物、助燃物及火源的种类和数量增多，火灾发生频率呈上升趋势，火场环境更加复杂。火灾不仅给人们的财产带来损失还会威胁人们的生命安全。每年，世界各地都有成千上万因衣着不当而导致的烧伤事故，而最严重的烧伤往往是由于所穿着的衣物着火造成的，服装燃烧而造成的皮肤烧伤程度常常比直接裸露在外的皮肤烧伤程度更为严重。因此阻燃防护服就是针对火灾及其它灾害事故对人体的伤害而专门设计的用于保护消防人员的服装，阻燃防护服的防护性能好坏是关系到消防员是否能成功救援的关键，如果消防服防护性能不足则可能延误战机，或降低战斗力，甚至会在抢救被困人员时自身遭受烧伤。因此 ,作为产业用纺织品的一个主要品种的热防护服的应用范围不断扩大 ,具有广阔的发展前景。

阻燃防护服是重要的个体防护装备，已广泛应用于石油、化工、冶金、造船、消防、国防以及有明火、散发火花、熔融金属和有易燃物质的场所，需求量极大，且每年还以两位数的速度递增。 美国、日本及欧洲的发达国家对热防护服的研究和开发较早 ,热防护服在许多行业中都得到了广泛的应用。目前 ,他们已制订并实施

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了一系列先进和完善的热防护服产品标准和测试方法标准 ,可以较系统地设计、开发和生产各类热防护服 ,并较好地测试和评价热防护服的热防护性能。

1 热防护服的热防护原理

热防护服是对在高温或超高温条件下工作的人员进行安全保护 ,从而避免热源对人体造成伤害的各种保护性服装。

人体皮肤对温度非常敏感。当人体皮肤的热流密度达到 2168 J/cm ,即皮肤温度达到 45 ℃时 ,人就会有灼痛感;当热流密度增大到 5102 J/cm ,即人体皮肤温度达 72 ℃时 ,就会造成皮肤的二度烧伤。[1]因此 ,人们穿着热防护服可以保护皮肤;在高温环境中 ,通过穿着热防护服 ,可以使人体皮肤的升温速率降低 ,并提供穿着者反应和逃离的时间 ,以避免或减轻热源对人体的伤害。

对人体造成伤害的热源有多种形式，它们的性质各不相同，因此对热防护服的热防护性能要求也不同。目前热源的主要形式有火焰(对流, :热) 、接触热、辐射热、火花和熔融金属喷射物、高温气体和热蒸汽、电弧所产生的高热等。 1.1 热对流

对流散热是随液体（如水）或气体（如空气）等流体的移动而传递热量的。因流体温度不匀而造成流体移动，从而传递热量的方式称为自然对流。人体及服装表面的边界层内的空气就存在自然对流。由外在其他原因造成流体移动进行热量传递，称为强迫对流。[2] 织物

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防热对流性能主要与织物的重量、密度、气性等密切相关。增加织物的重量可提高引起肤二度烧伤所需要的时间。同时 ,多层织物也单层织物具有更好的防热对流效果。 1.2 热传导

热传导是指热量沿着物体传递。它从温度高的物体传递到温度低的物体。这种传递主要通过物质中相邻分子间的连续碰撞来实现。在热防护服的应用中,热传导是指热量以火花、熔融金属喷射物等为载体 ,接触服装并将热量通过服装传递到人体 ,从而对人体造成伤害。 通常 ,织物防熔融金属热传导性能可采用将标准 PVC薄膜制成的人造皮肤置于织物背后 ,测定熔融金属热量通过织物后对人造皮肤造成的伤害。根据伤害的面积和程度 ,又可将织物热防护性能的优劣分为一级至七级。一级最好 ,无伤害 ,二级和三级分别为伤害面积小于大于 0.01平方米的一度烧伤 ,四级和五级分别为伤害面积小于和大于0.01平方米的二度烧伤 ,六级和七级分别为伤害面积小于和大于0.01平方米的三度烧伤[3] 。 1.3 热辐射

热辐射是指热由物体沿直线向外辐射出去。 热辐射的本质是物体由于温度而引起的热量辐射 ,其大小与热源绝对温度的四次方成正比 。与热传导和热对流不同 ,热辐射是一种非接触传热方式 ,不需要任何物质作媒介 ,而是以电磁波形式传递热量。在热防护服的实际应用中 ,热辐射是造成受害者伤害的主要传热形式之一 ,即使是具有火焰的燃烧 ,其能量中也包括高达 80 %的热热辐。

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在热防护服防热辐射性能的测试中 ,常将织物垂直暴露在辐射热源下 ,在规定的距离内 ,热源对织物试样进行热辐射 ,通过测定造成试样后面人体皮肤二度烧伤所需要的时间及热流密度来评价试样的防热辐射性能[4] 。

2 耐高温阻燃防护服的面料

目前,国际上比较通用的耐高温阻燃防护服的结构由外及内主要

分为三层:阻燃外层、防水透气层和隔热层。下面就这三层所用的材料进行介绍。 2.1 阻燃外层

(1)芳香族聚酰胺纤维。芳香族聚酰胺纤维分为间苯二甲酰间苯二胺纤维(国外商品名为Nomex,国内商品名为芳纶1313)和对苯二甲酰间苯二胺纤维(国外商品名为Kevler,国内商品名为芳纶1414)。Nomex是目前全世界使用最普及的防护服材料,该防护服能有效地提供防护突发火灾所带来的危险,包括高温和火焰,这是因为Nomex是一种耐燃而且耐高温的纤维,遇火不融滴,也不助燃;另外Nomex防护服所提供的防护能力是永久的,不会因为洗涤或穿着而降低。

芳纶1313纤维是由酰胺桥键互相连接的芳基所构成的线型大分子。由于极强的氢键作用,使之结构稳定,具有优越的耐热性能以及优良的阻燃性能、耐化学性能与机械性能等特点[5]芳纶1313纤维在一般高温状态下能保持较高的强力,在177~200℃工作温度下,时间长达20 000 h仍能保持原强度的90%左右。在火焰中不燃,LOI(氧指数)值

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达到29~32。能耐大多数酸、碱、漂白剂和溶剂,断裂强度0.47 N/tex(1 tex=10-6kg/m)。总之,芳纶1313纤维综合性能较好、耐热寿命长、耐磨、耐多次屈折性好,并耐各种化学试剂,因此适宜制作易燃易爆环境中的工作服及高温下使用的材料[5]。

(2) Visil纤维【6】。Visil纤维是芬兰Sateri OY公司制造的一种新型的耐高温阻燃黏胶纤维,这种纤维由纤维素和硅酸盐组成,不是一种单纯的纤维素纤维。它是在黏胶纤维生产工艺的基础上,采用双相自然再生工艺生产出来的一种混合型纤维。这种纤维以纤维素为主体,其大分子内部形成硅酸盐分子网络和大量的化学结合水。硅酸盐与水结合使纤维素的燃烧性能发生变化,尤其是用铝改变了硅酸表面特性。在热解过程中,无机部分的表面有助于束缚原子团,因此阻滞了燃烧。正是这种原因和化学水的释放作用,使得燃烧速度缓慢,如果移开火源,具有自熄能力。化学水的释放也是Visil纤维具有阻燃性的一个重要因素。

Visil纤维的物理机械性能与普通黏胶纤维相类似,不但吸湿透气易染色,而且耐酸耐碱耐虫蛀;与其他阻燃纤维相比较,成本低,无污染,可加工成各种纺织品。这种纤维可通过自然生物降解成为有机和无机的混合土壤。如果在高温条件下炭化,会燃烧生成无毒的SiO2。由于这种纤维的分子结构决定了其技术性能的特殊性,根据ISO 4589《塑料———氧指数法测定燃烧性》标准测试,其LOI为28~31;回潮率为9%~11%;吸水能力50% ~ 60%;单纤维强度1.5 ~1.9 cN/dtex;伸长率18%~25%;硅酸盐含量(SiO2+Al2O3)30%~33%。

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(3)芳砜纶纤维(PSA)[9]。芳砜纶,即聚砜基酰胺纤维,是上海市纺织科学研究院和上海市合成纤维研究所共同研究和生产的一种耐高温纤维,由对苯二甲酰氯和4′4二氨基二苯砜及3′3二氨基二苯砜为主要原料聚合后,溶解于二甲基乙酰胺中,然后经湿纺工艺或干纺工艺加工而成。它的成纤高聚物是由酰胺基和砜基相互连接对位苯基和间位苯基所构成的线型大分子,由于大分子主链上存在强吸电子的砜基基团,通过苯环的双键共扼,使其具有优异的耐热特性。

芳砜纶的力学性能与芳纶1313相近,而其耐热性、热稳定性、阻燃性等方面优于芳纶1313纤维。此外,它还具有润滑性、耐摩性、抗冲击性、电绝缘性等。其LOI值高达33,耐化学性好,在热空气中(300℃,2 h)收缩率<2%、强度保持率(300℃,100 h)为80%。 2.2 具有良好的防水透湿性能的防水层

防水层紧靠外层织物，起到防水、防止蒸汽和有害化学物质渗透的作用。我们知道，一般火场上大量使用水当灭火剂来扑救火灾，如果消防服不防水，则会有很多不利影响:①在冬季，消防员穿着湿透的消防服会造成冻伤;②湿透的消防服靠近火焰时产生的热蒸汽会对消防员造成烫伤;③吸水过多会增加负重，影响灵活性和舒适性。所以防水层主要的设计目的是使消防人员保持干爽，保护穿着者免受有毒烟雾和有害化学物质的伤害。同时，消防员在救火时活动量大，出汗多，所以消防服在满足防水的要求同时，还必须具有透湿汽性，以使汗液能及时排出。因此防水层织物既要防水又要透汽，即为水分不能透过、但水蒸气能透过的防水透湿织物。

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最著名的微孔膜防水透湿涂层织物是美国GoRE公司生产的GoRE一TEx⑧织物，由GO既专利技术制成的白色GORE一TEX薄膜，此薄膜每平方厘米由90亿个小孔组成，这些小孔比水分子小2万倍、比水蒸气分子大700倍，同时呈不规则排列。因此GoRE一TEx⑧面料既可使人体自然排出汗气，又可以阻挡外部的雨雪及寒风侵入人体，因而被誉为“人体的第二层皮肤。GoRE一TEx⑧织物于1976年推向市场，它能够减小湿气在织物中积聚的量，提高舒适感，尤其是在恶劣气候条件下避免服装内产生明显的水蒸气凝聚;其次在一定条件下，为人体提供恰当的生理舒适感，最大限度地减少防水层对汗液的蒸发散热的不利影响。 2.3 隔热层[7]

据资料表明,火场的温度在60~1 100℃之间,而辐射热在1.5~200 kW/(m2·s),因此适应火场的防护服必须具有良好的热防护性能,包括防直接灼烧的热传导性能和防辐射热的渗透性能。只靠单薄的阻燃外层是不够的,如果采用增加外层材料厚度来达到要求,又会使成本太高。新型消防服装一般选用服用性能较好的永久性阻燃短纤维做成薄型毡类无纺布,这类材料作为消防服的隔热材料对消防服的热防护作用特别突出。

专利CN 101001547A[14]中公开的美国杜邦公司的一种用于消防员的防护服,其隔热层为包含对芳族聚酰胺或间芳族聚酰胺的棉絮。隔热层用于防止热量的传入,以提高消防人员或高温作业人员的耐受时间。隔热层往往位于服装的最内层,因此其舒适性也是十分重要的。

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几种性能优良的隔热材料如下:100%防水阻燃羊毛、芳香族聚酰胺的针刺织物及芳香族聚酰胺的无纺絮垫。

3 热防护服应具备的服用性能和穿着舒适性

热防护性能是消防服必须具备的一项重要防护性能，热防护性是织物减缓阻止热量传递的性能，其实质是使外界的高热较慢地转移至皮肤，使热源产生的高温对人体的损害程度减至最小。在热防护过程中，织物位于热源与模拟皮肤之间，由于织物表面的作用，一部分热量将从织物表面反射回去，一部分则被织物吸收，从而阻止了部分热量传递到皮肤;而且，热量通过织物从外界传递到皮肤时，比热量直接在空气中传递相同距离缓慢，从而对皮肤起到了一定的热防护作用[10]。

所以热防护服除了应该具备以上的热防护性能外 ,还必须具有良好的服用性能 ,如具有一定的拉伸强度、撕破强度、耐磨性、染色牢度和耐洗性。其中耐洗性是指热防护服经多次洗涤后仍能保持原有的热防护性能 ,并保持服装尺寸稳定。随着热防护技术的发展和对热防护要求的提高 ,热防护服不仅应具备较好的热防护性能和使用性能 ,还应具备良好的穿着舒适性 ,这对着装者发挥工效十分重要。但是 ,在热防护服的研究开发中 ,增强热防护性能与减小人体新陈代谢热负荷总是相互矛盾的 ,这两种因素都可能会对着装者造成伤害或是影响其健康。因为优良的热防护服要求对外来热量具有良好的阻隔作用 ，同时又要求服装具有一定的热湿传递能力 ,以利于人体的要求，

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因此，在热防护服的评价和产品的研究开发中 ,必须满足一些具有挑战性，即热防护服应同时具备良好的热防护、充分的活动性和低的生理热负荷。热量散失和汗液蒸发。

4织物的热防护性能测试【8】

织物的热防护性能 TPP 值是织物对热辐射和热对流综合作用的热防护能力 ,它可以直接反映试样的热防护性能.这种测试方法是将试样水平放置在特定的热源上面 ,在规定距离内 ,热源以 2 种不同的传热形式(热对流和热辐射)出现 ,置于试样另一侧的铜片热流计可测量试样背面的温度 ,用试样后面的铜片热流计测量其温升曲线 ,与 Stoll 标准曲线比较得到二级烧伤所需时间 t2 ,并与暴露热流量 q相乘得到 TPP 值，其计算如式(1)所示. T PP= t2 ×q式中:t2为引起 Ⅱ度烧伤所需要的时间,s; q为系 防护性能 TPP值.统设定的对流辐射热流量 ,kW/ m .

TPP值越大 ,表示织物的热防护性能亦即隔热性能越好;反之,隔热性能越差. 此方法将材料的热防护性与人体的感受联系起来 ,能够较为客观地预测服装在应用中的实际效果 ,现己被列为通用的测试方法。

通过查资料可知，织物的热防护性能 TPP 值与织物的厚度 、面密度、透气率指标总体上存在着显著的回归:织物越厚重 ,所含纤维越多 ,热量越不易透过织物 , Ⅱ级烧伤时间越长;织物透气率与热防护性能 TPP 值之间具有明显的负相关性 ,即织物透气性愈好 ,织物

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越疏松 ,辐射热越容易直接透过织物. 织物的密度与织物的热防护性能之间没有明显的相关性关系。

5建议与总结

在热防护服的性能研究中 ,既要注重热防护服性能要求的全面性 ,即热防护服同时具备良好的热防护性能、服用性能和穿着舒适性能 ,又要根据各类热防护服的不同用途 ,在其性能要求上有所侧重 ,即视不同的使用环境增加或增强热防护服在某些性能方面的要求 ,使热防护服的性能要求进一步趋向全面、合理。在我国热防护服的发展中 ,加强热防护原理特别是热源和热传递形式的研究 ,完善热防护服的热防护性能、服用性能 ,必将大大促进我国热防护服的设计、开发和生产 ,使我国热防护服更快、更好地向前发展。 5.1总结

1军事需要是防护用纺织品推陈出新的动力之一，所以军用阻燃/热防护服的主要特征总体包括：

（1）外层服装必须要防火（利用阻燃剂或自阻燃纤维），至少 25% 的原材料保存完整，而收缩率控制在 10%以内；

（2）阻挡热量传导或辐射到皮肤（通过大量的隔热作用实现，如夹层或空气间隙等）；

（3）当暴露在热或火环境下时，毒烟的产生要尽量小（选择特殊材料来实现）；

（4）阻止与皮肤直接接触的衣物发生熔滴现象，因此不能使用热塑

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性纤维原料，如PA、PET、聚烯烃以及PVDC等。

2对于消防服用外层耐热阻燃织物，纤维的种类是影响其热防护性能的主要因素。纤维的限氧指数越大，则相应的织物越不易燃烧，热防护性能也越好。

3防护织物能起到一定的保护皮肤作用，是由于外界热量传递到织物时，织物则吸收、反射一部分热量，从而阻止了部分热量传递到皮肤。其余热量则通过织物传递到皮肤，可能对皮肤造成损伤。

4起阻止热量传导作用的隔热层，其织物需具有一定的阻燃性和热稳定性。

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参考文献

[1] Bajaj P, Sengupta A K. Protective Clothing. Textile Progress, 1992 , 22 : 1～10 , 25～39

[2]张渭源，服装舒适性与功能[M].北京：中国纺织出版社，2005.7 ：22 [3] 华涛. 热防护服热防护性能的分析与探讨[J].产业用纺织品, 2002 年第8期：2

[4] 华涛. 热防护服热防护性能的分析与探讨[J].产业用纺织品, 2002 年第8期：2

[5]丁雪梅,吴雄英.芳纶1313耐高温阻燃纤维的性能特点介绍[J].高科技纤维与应用, 1996,(11-12):32-36.。

[6] 冷纯廷,丁一光,唐淑娟. Visil纤维耐高温阻燃材料的开发[J].产业用纺织品, 1999, 17(8):14-16.

[7] 孔庆岭.阻燃消防防护纤维及织物的研究[D].青岛:青岛大学, 2007.

[8] 徐兰娣 ,戴国定 ,杨晓华. 消防员防护装备用织物的热防护性能研究[J ]. 消防科学与技术 ,2008 ,27(5) :339 —343.

[9] 叶健青.芳砜纶织物的阻燃性能和隔热性能的研究[D].上海:东华大学, 2005. [10]范杰，郭秉臣.热防护织物的性能研究.北京纺织，2005，26(l):3一15

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