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1 熱防護作用的實質 熱 防護的實質是降低熱轉移速度，使外界的高熱較慢地轉移至皮膚 [1]。在熱防護過程中，熱防護材料充當一種介質，介于熱源和人體之間，其目的就是要使熱源所產生的高溫對人體的損害程度減至最小[2]。根據熱轉移方式 的不同，熱防護可分為三類: 傳導熱防護、對流熱防護和輻射熱防護。 1·1傳導熱防護 傳導熱防護常常指對熔融金屬的防護， 在高爐和澆注臺 邊工作的工人，以及金屬加工廠鑄工和熔煉車間的工人會接觸到熔融的金屬。熔融鐵的溫度在1500℃左右，熔融鋁的溫度在700℃左右，這些高溫物質都是人 體難以承受的。當熔融的金屬濺到熱塑性基布上時會粘附在織物上，導致高熱量通過基布引起嚴重燒傷，故傳導熱防護織物的隔熱性能是十分重要的。要達到較好的 隔熱效果，紡織材料需要具備兩方面的性能: 一是要有盡量低的導熱系數，以降低熱量從織物一側傳到另一側的速度，使受防護對象接受的熱量減少，升溫速度慢，從而保證正常工作；二是要求熱防護材料具有 較大的熱容，這樣，熱防護材料自身溫度每升高一度吸收的熱量相對較多，這一方面降低了材料溫度升高的速度，另一方面減輕了材料自身的熱負荷。表1[3]列 出了一些纖維的熱傳導度數據，可以看出天然纖維的熱傳導度一般較低，尤其是羊毛纖維，其軸向的熱傳導度僅為0.48j.m.K.s.正因為如此，天然纖維 具有更好的保溫和隔熱作用。 表l 熱傳導度數據 非 織造布是較好的傳導熱防護材料，這是因為非織造布結構蓬松，內部所含空氣較多，而空氣的熱傳導率僅為纖維材料的十分之一，從而降低了熱量的傳播速度。傳導 熱防護織物必須采用非熱塑性、熱傳導率低的纖維；受熱后應完全炭化，以起隔熱作用；織物表面光滑，以避免熔融金屬被截留于纖維或紗線的空隙間[4]。 1·2輻射熱防護 輻 射熱傳導即熱量以輻射的形式傳播，它是一種非接觸式導熱方式，不 需要任何物質作為媒介，熱量以電磁波的形式傳遞。距離直徑 0.5m，15OO℃的火爐3m處的輻射熱高達4.2kw/m2，該能量超過使人體皮膚灼燒能量值的2倍，故鋼鐵工人熱防護服的抗輻射熱性能是十分重要 的。減少輻射熱對人體造成傷害的最佳方法是提高防護織物表面的反射性能，可采用在織物表面涂上拋光金屬薄膜的方法。例如在織物表面涂金屬鋁膜后，織物約能 反射90%的輻射熱，其余的能量為基布所吸收，由于暴露時間決定基布的最終衰變，所以為基布選擇纖維應非常小心，保證安全，不能選用高溫下易熔融、粘附軟 化的纖維。 1·3 對流熱防護 對流熱防護實際上是指對火焰的熱防護。氣體從火焰或高溫物體獲得能量后密度發生變化，產生對 流運動，溫度高 的氣體攜帶著能量流向溫度低的區域，實現熱量的傳遞，這一傳遞過程便生成了對流熱。消防服就用于這種環境下。在滅火過程中消防員暴露在熱空氣中，為降低消 防員被燒傷的危險，消防服的外層織物和內層襯墊材料應使用耐熱、阻燃的織物。熱防護織物阻燃原理如圖1所示。 在 實際應用中，有兩種方式可以提高織物的阻燃性能:(1)在纖維中加入化學添加劑或對織物進行阻燃處理，即以吸附沉積、化學鍵合、非極性范德華力結合或粘結 作用，使阻燃劑固著在織物或紗線上，以獲得阻燃效果。(2)提高纖維中高聚物的熱穩定性，即提高裂解溫度抑制可燃氣體的產生，增加炭化程度，使纖維不易著 火燃燒。 2 熱防護材料 2·1 有機纖維 常見的有機纖維是芳香族聚酰胺 纖維即芳綸。 芳香族聚酰胺纖維在較高溫度下，能夠保持固有的穩定性、非常低的收縮率和非常高的玻璃化轉變溫度。以典型的凱夫拉為例，凱夫拉纖維高溫下軸向收縮，橫向膨 脹，它具有較好的熱穩定性，由其化學結構式 (如下)可知，纖維中不存在磷和鹵素等易燃的化學元素，結構穩定，能耐高溫，受熱后不易分解出可燃物質，也不易生成煙霧，僅發生炭化。故此類防護服可為被 防護者提供足夠的時間逃離火場，同時防止內層衣服被點燃[1]。市場上常見的對位芳香族聚酰胺有美國杜邦公司的Kevlar系列、荷蘭阿克蘇公司的 Twaron系列以及日本帝 人公司的Technora系列等[2]。 2·2 無機纖維 目 前，可用于制作熱防護織物的無機纖維種類很多，已獲得廣泛應用的無機纖維有: 玻璃纖維、氧化鋁纖維、石英纖維、碳 (石墨)纖維、碳化硅纖維、含鈦碳化硅纖維、氮化硅纖維、氮化硼纖維等。無機纖維的阻燃和耐熱性更好，它們適宜在1000℃以上高溫下使用。一般耐高溫纖 維由SiO2或Al2O3、SiC、B之類的物質組成。表2列出了國內外廣泛使用的耐高溫無機纖維的各項品質指標。 無機纖維中應用最廣泛 的莫過于 玻璃纖維。用于熱防護領域的玻璃纖維一般都是經過特殊處理的耐高溫玻璃纖維，如石英纖維。它的軟化點溫度高達1250℃，且熱膨脹系數小；高硅氧玻璃纖維 的耐熱性接近石英纖維；鋁硅酸鹽玻璃纖維的軟化溫度高達1760℃，最高使用溫度可達1260℃[5]。 碳纖維也是一種具有良好耐熱性能的纖維，它是由有機纖維經炭化而制成的。碳纖維的熱膨脹具有各項異性的特點，高溫下軸向收縮，橫向膨脹；在空氣中，當溫度高于400℃時會出現明顯的氧化， 表2 常見熱防護織物用無機纖維的品質指標 在不接觸空氣或氧化氣體時，碳纖維具有突出的耐熱性，1500℃時強度才開始下降[2]。市場上的碳纖維主要有美國聯合碳公司的Thomel系列、塞蘭尼公司的GV-70、赫耳克里士公司的Magnamite-A。 3 熱防護織物的加工方法 3·1 純紡法 歐 美國家傾向于采用具有良好阻 燃耐熱作用的高性能纖維制成純紡織物。如Nomex，BPI均具有良好的耐熱性、阻燃性和服用性。由于高性能纖維純紡織物的防護性能來自于纖維本身，故其 防護作用不會隨洗滌和穿著而降低，但纖維價格高，而且高分子材料結晶度高，染色困難，這在一定程度上抑制了純紡防護服產品的發展[6]。 3·2 混紡法 3·2·1 耐熱阻燃纖維混紡法 將 兩種阻燃、隔熱纖維進行混紡，所得織物的耐熱性能可以優于由其中任何一種纖維純紡制得的織物，例如Nomex純紡織物和Verel純紡織物的限氧指數均在 29.5左右，而用Nomex與Verel混紡，當混紡樣品中含50%或75%Nomex時，織物的限氧指數上升到32。該方法不但可以降低產品 成本，還可以提高織物的美觀性。 3·2·2 耐熱阻燃纖維與普通纖維混紡法 用耐高溫阻燃纖維與普通纖維混紡也可以得到具有 熱防護性能 的織物，如用棉與Nomex混紡制成阻燃織物。由于普通纖維不具有耐熱阻燃性能，故需要對坯布進行阻燃處理。這種混紡熱防護織物價格相對較低，而且由于天 然纖維柔軟，吸濕性強，故防護服穿著舒適，但其耐熱性相對較差。 3·3 復合層壓法 3·3·1 焰熔層壓工藝 焰 熔層壓工藝是 指將聚氨酯泡沫塑料薄片經火焰灼燒，使其發生熔融裂解產生粘性物質，從而將不同的織物層壓在一起成為復合織物的工藝過程。該復合織物對傳導熱 (熔融金屬)、對流熱 (火焰)，以及輻射熱均有良好的防護作用。需要指出的是，在生產過程中要合理控制聚氨酯泡沫塑料薄 片的厚度，否則，經焰熔層壓后會殘留一層聚氨酯泡沫塑料，聚氨酯泡沫塑料受熱會燃燒，導致整個復合物性能下降。最好是聚氨酯泡沫塑料薄片在焰熔過程中完全 分解為粘性物質，這樣不僅提高了復合織物整體阻燃性，而且使粘合強度大大提高。 3·3·2 粘合層壓工藝 粘合層壓工藝 是利用粘合劑將 兩種織物復合在一起。為提高粘合強度，必須選擇適當的整理劑和整理工藝對織物進行預處理。對于棉織物來說，需要降低其臨界表面張力，從而使粘合劑能均勻鋪 展于織物表面而不滲入織物內部。對于玻璃纖維織物來說，在復合前應將在紡絲制造過程中涂于玻璃纖維表面的浸潤劑去除。此外，為進一步提高復合材料的粘合強 度，玻璃纖維在紡絲后常涂覆偶聯劑[7]。 3·4 表面涂層法 表面涂層是指在織物表面進行有機耐高溫聚合物涂層，以提 高材料的整體熱 防護性能。這種方式可以有效地防護對流熱和輻射熱。織物的涂層封死了熱氣流、火焰、輻射線直接進入織物的通道，消除了織物多孔的致命弱點。由于涂層阻擋了 大部分熱量，材料中的熱轉移以傳導為主。又由于纖維的導熱系數相當低，而空氣的導熱系數又僅為纖維的約十分之一，而且后者的體積含量一般高達70%- 90%，所以會使材料整體的熱轉移在單位時間內大幅下降[8]，對被防護者起到良好的保護作用。3·5 雙層或多層織物 實驗證明，相同重量 時，雙 層織物的熱防護性能優于單層，而多層織物的熱防護性能又優于雙層[9]。雙層或多層織物常用于對流熱防護，對流熱的防護主要是通過使熱量在織物內部的纖 維、紗線界面間發生一次或多次耗能湍流從而減小到達織物另一側的熱量來實現的。對于雙層織物來說，針織物和機織物的內外雙層組合優于機-機組合和針-針組 合，這是因為外層機織物密度相對較大，表面纖維多，透氣性較差，使得內層織物中能夠保持 較穩定的空氣層，而內層針織物所含的空氣百分含量又相對較大，所以織物整體的熱防護性能較好。 4 熱防護織物的性能測試與評價 熱防護織物必須具有以下性能: (1) 阻燃性； (2) 完整性(遇熱或熔融后服裝保持完整)； (3) 隔熱性(阻止熱的轉移，燃燒時無煤焦油等導熱液體的滴落)； (4) 拒液性(阻止油、水、溶劑及其它液體滲入織物) 目前，常用的隔熱防護服的性能測試方法主要有以下幾種: 4·1垂直燃燒法和限氧指數法 垂直燃燒法測定面料在火焰中燃燒一定時間后的延燃時間和碳化長度。限氧指數法測定面料在氧氮氣氛下燃燒時所需的最低氧氣密度。 4·2 動態燃燒測試 這是一種測定面料在受力狀態下耐燃性能的方法。即在火源的強度和面料所承受的張力相對穩定的情況下，測定面料受熱破裂的最短時間，由此來表征面料在受力情況下，耐高溫的程度。 4·3熱防護性能測試 (TPP測試) 這 一測試又稱TPP測試 (即Themal Protective Pmfomance Test，是一種測定面料隔熱性能的實驗室方法。目前，TPP測試已成為耐熱服裝測試方面較為重要的測試標準。它將材料的熱防護性與人體的感受聯系起來， 能夠較為客觀地預測服裝在應用中的實際效果。現已被列為通用的測試標準方法 [ASTM D-2863，NFPAl971(1986)]。 4·4銅人 (Themo-man)耐熱防護服裝評價系統 銅 人是一種全新的熱防護服測評方法，它模擬成年男性的身體皮膚，并在銅人整個身體表面均勻放置122個傳感器。實驗時，先給Themo-man穿上實驗用的 服裝，然后在實驗室模擬燃燒的環境中暴露一定時間，觀察燃燒情況；同時傳感器每隔一定時間記錄溫度1次，并將采集的數據輸入計算機。通過對纖維織物耐熱特 性的合理假設，計算出這個Thermo-man表面的熱通量以及纖維織物上升的溫度，從這些數據可以得出，在這種試驗用閃爍火焰條件下，人體承受的2度及 3度燒傷的總量和位置，并且利用Themo-man外觀形式顯示出來。 銅人代表了一種全面的、整體性測試的概念。它既可以直接對服裝在火場中的情形進行觀察，又可以進行定量測定。它對耐熱性的測試不象其他測試那樣僅局限于面 料部分，而是著眼于服裝的整體以及服裝與人體的相互關系。 5 新型熱防護材料的開發與發展趨勢 5·1仿生學技術 人 們通過對自然界的觀察得到了許多啟發，如果能將自然界的一些原 理應用到科學研究領域，我們就可以開發出許多具有高實用價值的新材料。據報道，在南美洲有一種蛇叫做 '撲火蛇'。 它在夜間活動時如果見到火就會馬上爬進火里，用身體拍打火，試圖將火撲滅。這種蛇在火中呆上一段時間并不會對其身體造成損傷。人們研究發現，當撲火蛇在火 中時，它的身體表面會分泌出一種粘液，這種粘液會對蛇的身體起到保護作用。如果對撲火蛇所分泌粘液的化學成分進行分析，我們就有可能開發出新型仿生學熱防 護材料。 5·2 相變材料 相變材料 (PCMs，Phase Change Materials) 是一種利用相變潛熱來貯能和放能的新型化學材料[10]。相變材料在自然界中的存在形式各種各樣，迄今為止，已有超過500種的天然及合成相變材料被人們 掌握和了解[11]。相變材料按相變的方式可分為4類: 固-固相變、固-液相變、固-氣相 變、液-氣相變材料。常用的就是固-固相變和固-液相變材料。相變材料應用于紡織品中，主要通過將相變材料包封在一載體系統 直徑為1.0-10.O?m的微膠囊中，對織物進行涂層或將微膠囊混入紡絲液中進行紡絲。當環境溫度或人體皮膚溫度達到服裝內PCMs 熔點，PCMs吸熱從固態轉化為液態，在服裝層內產生短暫的致冷效果(見圖4)。熱能可能來自人體也可能來自外界溫暖環境。一旦PCMs完全熔解，儲能結 束。如果PCMs服裝在低于PCMs冰點溫度的寒冷環境中使用，服裝溫度低于轉換溫度，液態PCMs將變回固態，釋放出能量提供短暫的加熱效果(見圖 4)。這種熱轉換在服裝內起緩沖作用，減小皮膚溫度的變化，從而延長穿著者的熱舒適感[12]。 6 結語 熱 防護織物作為一種特種產業用防護織物，不但要求其具有良好的阻燃隔熱性能，而且要求其具備良好的服用性、透氣性和抗靜電性。在實際應用中，應當根據熱防護 服的不同用途，有針對性地提高防護服在某些方面的熱防護性能，積極開發新材料、新工藝。在保證防護服性能安全的前提下，使防護服更加輕便，經濟。 上海千實精密機電科技有限公司 |
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