消防服新材料及测试方法研究进展Yd18832

张玉双 韩昌 吉海霞 赵晓明 郑振荣 1．天津工业大学纺织学院~ 300387 2．天祥(天津)质量技术服务有限公司纺织实验室

基金项目：国家自然科学基金项目(51206122)和天津应用基础与前沿技术研究计划项目(13JCQNJC03000)，

国家级大学生创新创业训练计划项目(201410058069)。

原载：天津纺织科技2015/2；4-6，3

【摘要】近年来火灾、爆炸等事故频发，消防人员的安全也愈加受到人们的重视，而消防服是保障消防员安全的重要装备。本文论述了材料和测试方法的发展概况，重点说明了相变材料及气凝胶在消防服中应用的可行性及燃烧假人在消防服整体性能测试方面的应用，最后指出了消防服未来的发展方向。

【关键词】消防服 相变材料 气凝胶 燃烧 假人

近年来，火灾、爆炸恐怖袭击等频发，消防员的安全也愈加受到人们的重视，而消防服是保护活跃在消防第一线的消防队员人身安全的重要装备品之一，因此研发有效的消防服则成为当今的热点课题[1]。作为个体防护装备，消防服主要是在火灾等热环境中给个体的躯干、脖颈、手臂、腿部等一定程度的保护。2012年中国科学技术大学的黄冬梅等[2]对中国119个消防站的1177名消防战士进行问卷调查发现，救援过程中消防战士被烧伤的比例高达21％。因此，适应火灾现场救助活动的消防服就显得尤为重要。

随着人们对消防服安全的重视，关于评价测试其结构和性能的要求也更加严格，这将有利于有效的消防服产品开发。如我国最新定制的GA 10-2014《消防员灭火防护服标准》，标准中规定了消防员灭火防护服的型号、款式、规格、技术要求、性能要求、试验方法等[3]。美国的NFPA 1971-2007《建筑火灾及近火作战防护装备标准》[4]等也严格规定了消防服的各项指标和测试方法。

1．消防服新材料

随着人们对消防服功能要求的提高，消防服所用材料已由一般纤维材料向高性能新型纤维材料发展。自上世纪起一些高性能新型纤维已开始应用于消防服等防护纺织品上，如芳香族聚酰胺纤维、PBO纤维等。到90年代已经形成高科技纤维系列，包括高性能纤维、耐热性纤维和功能性纤维[5]。

1．1 芳纶

芳纶全称为芳香族聚酰胺纤维，是一种高强度、高模量、低密度和耐磨性好的耐高温阻燃纤维，它不仅可单独用作各种结构材料和功能材料，还可与其他材料复合使用[6j。一般应用于消防服外层即阻燃层。芳纶主要有问位芳纶和对位芳纶， 问位芳纶主要品种有美国杜邦(Dupont)公司的Nomex®，日本帝人公司的Conex， 日本尤尼吉可公司的Apyeil，以及法国罗那公司 的Kermel等[7]。对位芳纶的主要品种有杜邦公司的Kevlar纤维、日本帝人公司的Technora、荷兰阿克苏(Akzo Nobe1)公司的Twaron以及俄罗斯的SVM，Kolon公司的对位聚酰胺纤维等。与高强高模的对位芳纶相比，问位芳纶具有优异的阻燃性能和耐热性能，因此较多的应用于消防服当中。陕西省纺织科学研究所的张生辉[8]在2014年研究了间位芳纶和对位芳纶的物理和化学性能，对其制作的防护服阻燃性能测试及对比，并阐述了检测标准及方法，得出芳纶在消防服中的广泛应用可大大提高我国消防服的装备水平。东华大学的崔志英等[9]对八种不同材料组合，并对各种组合进行TPP实验(热防护性能测试)和WVTR实验

(疏水透气性测试)测试，并将测试结果利用正交试验法分析，得出当外层即阻燃层为60％ PBI／4O％ Kevlar混纺织物、防水透气层为Aramid fabric with PTFE film (聚四氟乙烯膜芳纶织物)和隔热层为Aramid(芳纶非织造布)时的组合最适合用于消防服的生产。

1．2 芳砜纶(PSA)

芳砜纶为聚苯砜对苯二甲酰胺纤维，是一种在高分子主链上含有砜基的芳香族聚酰胺纤维，为三元无规共聚物,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[10]。上海工程技术大学的林兰天等[11]通过用极限氧指数法测试了该纤维的阻燃性能．采用热质量损失重(TG)曲线分析芳砜纶纤维的热分解情况；对芳砜纶纤维进行不同温度、不同时间的热处理。然后利用检测、分析其力学性能变化的方法，测定了该纤维的热稳定性以及隔热性能，结果表明芳砜纶纤维可以在消防防护服上应用，并且能够满足美国消防安全协会(NFPA)和我国标准对消防防护服提出的有关要求。结合其性能该纤维通常应用于消防服的阻燃层和隔热层。

1．3 新型阻燃黏胶纤维

奥地利兰精(Lenzing)公司新近开发的阻燃粘胶纤维[12]。通过把不含卤族元素的阻燃剂加入到纺丝液中制得，纤维的阻燃性能不会因重复洗涤而降低，遇火或燃烧时也不会产生熔滴。由于该纤维比其他合成纤维更具有高吸湿性能。所以除具有良好的阻燃功能以外，还具有良好的穿着舒适性。它可以和高性能纤维如Kermel、Nomex、PBI等混纺，且含有50％-65％的该纤维织物就可满足消防服标准(EN469)、高温防护服标准(EN531)和焊工防护服标准(EN470)。综合以上性能，该纤维通常应用于消防服的舒适层。同样。东华大学的李红燕等[13]利用芳砜纶、Norrlex和三维阻燃间隔织物等不同材料的不同组合．做了大量实验．测试研究了消防服用织物系统的综合热防护性能，得出最适宜的消防服多层织物组合是Norrlex织物、三维阻燃间隔织物和阻燃棉布。并且由于三维阻燃间隔织物的重量轻于传统消防服中防水透气层和隔热层之和。因此可将它用于消防服设计中来减轻消防员的热负荷。

1．4 相变材料

相变材料是指在一定狭窄明确的温度范围，即通常所说的相变范围内可以改变物理状态，如从固态转变为液态或从液态变为固态的材料。近年来。消防员在火灾救援过程中被烧伤的事件频频发生。因此。将相变材料整理到织物上可以开发具有调节温度的智能消防服。这种消防服能够根据外界环境温度的变化在一定的温度范围内自由调节织物内部温度，即当外界环境温度升高时，相变材料吸热熔融。储存热量；当外界温度下降时，相变材料放热冷凝，释放热量，使消防服内部温度保持相对稳定，进而保障消防人员的安全。

一些研究发现，含相变材料层的消防服在高温火灾环境下具有较好的防护性能。2014年中原工学院的朱方龙等根据多层防护服装的传热特性．构建了含相变材料层的多层热调节消防服装传热模型，并通过实验验证了模型的精确性，结果表明相变材料应用于消防服当中是可行的。冯倩倩等研究了经暂时阻燃整理后的Outlast腈纶调温纺织品作为消防服舒适层的织物热防护十牛能，并与竹浆面料作为舒适层进行对比．结果表明将Outlast腈纶调温纺织品作为消防服的舒适层具有应用可行性，并能有效地提高消防服的安全性和舒适度。东华大学的崔志英等在2014年也将自然调温相变材料与消防服隔热层复合制备调温织物。并对附加相变材料的消防服多层织物系统的热防护性能及热湿舒适性能进行了研究。实验结果表明．附加相变材料后消防服多层织物整体的TPP值增加了13.38％-27.16％，即热防护性能变好。因此将相变材料新技术应用于消防服．将有效地减少传递到人体皮肤的热量，从而降低人体的烧伤程度，能更好地保护消防员的人身安全。

1.5 气凝胶

气凝胶是一种优良的材料，以其独特的性能如低密度、低导热系数、高比表面积和优异的热绝缘性而闻名。它的热导率通常为0.004-0.03 W／m·K，具有优良的隔热性能。如图2所示，用喷射的火焰烧蚀．手没有疼痛感。如今．气凝胶已经应用干许多领域，如建筑、航空航天和国防．也逐渐被用于纺织品防护服装。如2002年，NASA用气凝胶生产了太空服。

图1气凝胶优异的隔热性能

中国科学技术大学的齐正坤等在2013年研究了将气凝胶嵌入到隔热层后消防服的热防护性能。通过测试其热反应并将其与普通的消防服进行对比。结果发现。有气凝胶的消防服具有更轻的质量和更好的热防护性。韩国首尔檀国大学的Yoon，Kee-Jong等最近也研究探讨了气凝胶在消防服中的应用潜力，根据IS091 51标准对含有各种浓度的气凝胶样品进行火焰传热试验，利用假人测试处理并与预测烧伤进行对比。结果也表明，添加气凝胶的消防服具有更好的热防护性，但并没有明确提出哪一种气凝胶最适合用于消防服当中。张兴娟等[21]讨论了SiO2气凝胶复合材料用于消防服的可行性．得出在同样的热防护性能前提下，SiO2气凝胶复合材料更适合用于消防服当中。

为保证消防员的安全，消防服的性能测试与评估是其在实际使用前的关键步骤，倘若消防服的性能不符合安全标准，工作环境中的各种危险因素将会使消防员的身体受到一定程度的伤害，甚至威胁他们的生命安全。

目前人们主要对消防服的热防护性和疏水性两项指标进行测试。国内的测试方法主要有TPP测试法、垂直燃烧法等。TPP值定义为到达防护服装表面的热流量值与着装人体皮肤达到二级烧伤所需时间的乘积[19]。崔志英等[9]在研究评定消防服用织物性能时均采用的TPP测试方法。但是这种评价方法主要停留在面料性能及局部性能评价上，忽视了消防服整体的实际性能。

国际上流行的“燃烧假人”可对消防服整体性能进行测试，目前主要有3种“燃烧假人”测试系统，分别是杜邦公司的Thermo-Man假人、北卡州立大学的Pyro-Man以及加拿大阿尔伯特(Alberta)大学的“燃烧假人”测试装置。这些测试装置都能很好地模拟外界明火环境。国内总后军需装备研究所在国内率先开展“燃烧假人”系统研究，建立了“单兵装备阻燃防护性能测试实验室”，该研究所的谌玉红对不同的服装面料进行测试，测试结果表明该系统能较好地测试评价不同材料和结构服装的阻燃防护性能，2011年东华大学建成了国内首个具有国际领先水平的燃烧假人系统——“东华火人”测试系统，如图3所示。假人表面均匀分布135个高温传感器，各部位关节皆可活动，能模拟人体的多种着装姿态，而且还有动态模拟功能。图4为燃烧假人在测试中的三种姿态。李俊等通过该燃烧假人测试了服装的表面温度变化，并提出燃烧假人不仅可以用在军用防护服和消防服的测试中，普通的服装也可以用此系统测试。加拿大阿尔伯特大学的M．A.Camenzind等通过在实验室模拟消防员工作环境利用假人对消防服进行火焰吞噬等整体性能测试．并结合ISO 116132国际标准．得出该测量系统对提高消防服多层系统的的热防护性能起到很大作用。

(a)燃烧试验前 (b) 燃烧试验中 (c) 燃烧试验后

图2 ‘华东火人’测试系统

(a)直立 (b)跑步 (c)下蹲

图3燃烧假人试验中3种着装姿势

3 消防服未来发展趋势

3．1 提高舒适性

随着科学技术的快速发展以及人们对个体防护用品要求的不断提高，消防服已从单一的热防护性向舒适性发展。消防服的舒适性主要与材料的透气、透湿、性能、重量和亲肤性能等因素有关，需要通过材料选择、结构设计、性能测试等环节来综合考虑。

3-2 材料多样化

长期以来，制造消防服的纤维主要是芳香族纤维，由于其耐热性和阻燃性能良好，常用于制造化学、石油和公共事业的消防服。但是，在消防作业中消防员被烧伤的事故频发，因此为了减少消防员的伤亡。智能材料特别是相变材料新技术将成为消防服研究的热点。尤其是具有优良调温性能的Outlast腈纶、隔热性能良好的气凝胶材料将成为消防领域的研究重点。而找到适合用于消防服的气凝胶来提高其热防护性，同时降低成本，这仍然是一个悬而未决的问题，需要进一步研究。

3．3 测试全面化

消防服的性能在穿着过程中是受多方面综合因素的整体性影响，对服装性能的研究仅仅停留在面料等局部性能的测试上是远远不够的，局部的性能无法代替服装整体性能。因此，对消防服的整体性能的测试与评估将成为未来的发展趋势，尤其是高危环境下的消防服整体性能的测试与评估更为重要。

参考文献 ．

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