消防服装阻燃抗热材料的现状和发展

      本文介绍了现行国家标准中推荐的阻燃抗热消防服装的阻燃性能检测技术，对国际上先进的，TPP检测系统和热人仪检测系统也作了简要的描述。本文对于了解阻燃抗热消防服装及其阻燃抗热性能检测技术的现状和发展具有一定的指导意义。
1 前言
      工作场所阻燃抗热消防服装，主要包括各种阻燃工作服、消防战斗服、防电弧工作服等，是劳动保护服装的一大重要门类。许多国家已经对阻燃性材料和产品的阻燃要求做出立法或制度规定，竞相开发出了各种耐久性阻燃纺织材料和许多适用于纤维及织物的阻燃改性和阻燃整理技术。与此同时，测定纤维及织物燃烧性能和热防护性能的方法及测试仪器也在不断发展完善。
2 阻燃抗热材料的分类与发展
      阻燃抗热消防服面料所用的阻燃材料分为两类，一类是各种本质阻燃或耐高温的纤维材料，另一类是用普通天然或合成纤维经过阻燃改性或阻燃整理制作的。
2.1阻燃抗热消防服装常用的本质阻燃和耐高温纤维
      耐高温纤维材料是指在200℃以上高温条件下连续使用不分解、主要物理性能不降低的纤维材料。耐高温纤维又分为无机纤维和有机纤维。大部分无机纤维的耐热性能均在200℃以上，如玻璃纤维、石棉纤维等，但是这类纤维因种种原因，现在已很少用于防护工作服。有机耐高温纤维分为本质阻燃纤维和化学改性阻燃纤维。本质阻燃纤维中一般含有芳香或阶梯状杂环链结构。间位芳香族聚酞胺纤维，也叫芳纶1313，其综合性能，包括阻燃性能、耐高温性能、可纺性能、染色性能、耐老化性能以及各种物理机械性能等，均令人满意，因此是目前世界上应用最为广泛的合成耐高温纤维之一。
      聚(酰胺一酰亚胺)(Kermel)纤维，是又一类重要的耐高温阻燃纤维。其优异的阻燃和隔热性能、出色的机械强度和抗化学腐蚀性能和耐高温性能以及适中的价格，在阻燃纤维材料领域占有一席之地。目前这种产品已经进人我国市场，作为一部分消防战斗服的面料。但是，由于Kermel纤维的染色问题一直没有得到很好的解决，限制了其在劳动保护领域的应用。
      聚苯并咪哇( PBI)纤维，是一种优异的耐高温和耐化学试剂腐蚀纤维，具有一系列特殊的优异性能，如良好的纺织加工性、杰出的阻燃性能、高吸湿性能(吸湿率可达13%一15%)、良好的染色性、出色的热稳定性和优异的化学稳定性，是制作阻燃抗热防护服的理想材料。只是这种纤维的耐光性稍差，再加上价格较为昂贵，限制了它的普及与应用。
      其他本质耐高温或阻燃合成纤维还包括聚醚醚酮纤维、三聚氰胺纤维、酚醛纤维、聚苯硫醚纤维和聚四氟乙烯纤维等。
      以前，我国的本质阻燃合成纤维生产领域是一个空白，主要依靠国外进口。近年来，我国的科技工作者不断创新，开发出芳纶1313的生产技术，并已经开始规模化生产[5]。特别是我国自行研究和开发应用的阻燃芳砜纶纤维，其阻燃、耐热、不熔融、电绝缘和耐腐蚀性能均可以接近或达到美国杜邦公司的Nomex纤维和日本帝人公司的Conex纤维，在阻燃抗热防护服装领域有着广阔的应用前景[6]。
      2.2阻燃抗热消防服装常用的阻燃改性纤维和阻燃整理技术
      本质阻燃合成纤维的阻燃耐热性能优良，各种机械性能出色，但由于其合成工艺复杂、技术难度大、再加上生产成本居高不下等原因，世界上能够生产这些纤维的国家不多，其应用领域也有限。因此在阻燃和耐高温要求不高的场合，大量应用各种阻燃整理纺织品和阻燃改性纤维。
      常用纺织纤维如棉、毛、丝、麻以及合成纤维如涤纶、锦纶、丙纶、粘胶、睛纶等，本身的耐高温阻燃性能较差，但是经化学改性或阻燃整理后，可以赋予这些纤维以一定的阻燃性能。其中应用量较大的阻燃改性合成纤维有阻燃涤纶、阻燃锦纶、阻燃睛纶和阻燃粘胶等，天然纤维有阻燃棉纤维、阻燃羊毛纤维等。
      棉的极限氧指数(18.4)和点燃温度(350℃)很低，属易燃纤维。通过阻燃整理可以赋予棉纤维以优良的阻燃性能。目前，棉织物的耐久整理技术以英国Albrigbt和Wilson公司的Proban整理工艺和Ciba Geigy公司的Pyrovatex CP工艺为代表，是目前国内最常用的棉织物阻燃整理技术。经上述两类工艺整理的纯棉织物，经50次洗涤后仍能通过相关国家标准中关于阻燃性能的要求。
      睛氯纶又称改性聚丙烯睛纤维或阻燃睛纶，是通过共聚或共混等方法制成的一种耐久性阻燃纤维。改性聚丙烯睛是丙烯睛与第二、第三单体的共聚纤维，与普通聚丙烯睛纤维相比，第一单体丙烯睛的含量通常在60%以下。第二单体通常为氯乙烯或偏二氯乙烯，第二单体的引人使纤维获得阻燃性能。第三单体为亲染料基团，含量较低，引人的目的在于改善纤维的染色性能。因此改性聚丙烯睛纤维既具有常规睛纶纤维手感柔软、色彩艳丽、服用舒适的特点，又具有耐久性阻燃的性能，是一种性能优良的纤维。目前已成为重要的阻燃工作服原料[9]。近年来，随着功能性材料需求的发展，月青氯纶纤维在我国有了越来越多的应用，作为一种阻燃材料越来越受到人们的重视[10]。
      涤纶纤维是世界上应用最为广泛、应用量最大的合成纤维材料。阻燃涤纶的加工方法包括阻燃单体共聚、对聚醋进行原丝改性、把吸附性阻燃剂加人聚醋纺丝液中、以及聚醋纤维接枝改性等。但是由于阻燃涤纶的熔融滴落问题一直没有得到很好的解决，限制了其在劳动防护服装领域的应用[11]。
      阻燃粘胶是又一种重要的阻燃工作服原料。由于粘胶纤维具有出色的吸湿性能和染色性能，可以保证穿着的舒适性，是重要的工作服原料[12。
3 阻燃抗热服装性能检测手段
      阻燃抗热工作服的性能检测，包括服装材料的性能检测和服装本身的防护性能检测。中国国家标准CB8965一1998((阻燃防护服》中规定，除阻燃性能外，还要对阻燃防护材料的强力、透湿量、硬挺度、缩水率、色差和色牢度、毒性以及缝纫线的强度和颜色进行测定。此外，还对服装的附件、款式、号型设置、结构、缝制加工、缝制_I:艺和服装外观等作了相应的规定[13]。
      所有检测项目中，核心是服装材料的阻燃和热防护性能以及服装本身的防护性能。我国国家标准推荐的纺织品燃烧性能实验方法有:氧指数法、火焰蔓延性能测定法、45°方向燃烧速率测定法、45°方向损毁面积和接焰次数测定法、织物表面燃烧时间的测定法等。上述测试要在纺织品经过一定的洗涤程序后进行，以便确定纺织品的阻燃性能经一定的洗涤次数后的保持能力。
      3.1垂直燃烧试验
      该方法是将12英寸长的布条放在丙烷火焰下燃烧12秒后，将火焰移开并测量续燃时间、阴燃时间及布条的损毁长度和接焰次数来判定织物阻燃性能的方法。我国国家标准GB 8965一1998《阻燃防护服》已采用此种方法作为织物阻燃性能的判定依据。但这种方法只能告诉人们织物本身的阻燃性能，并不能表示材料在高温环境下对人体皮肤的防护能力。
      3.2热防护性能试验TP'P
      TPP是材料热防护性能(Thermal Protective Per-forrnattce)的简称。该方法适用于多层热防护材料。测试时将一块6英寸×6英寸见方的待测材料置于热通量为2cal/(㎡. sec)的对流及辐射热源下，利用传感器记录热流通过材料导致人体皮肤达到二级烧伤所需的时间。T'PP值是将时间乘以热通量cal/ (c㎡ . sec)的数值，可以表示在不同防护材料保护下人体皮肤达到二级烧伤所须吸收能量的多少，是材料的主要防护性能之一。TPP测试设备的结构如图1所示。
      待测织物试样置于绝热板下，铜制传感器放置在织物的上表面，相当于服装在穿着过程中接触人体的表面上，以便准确地反映材料实用过程中的情况。对流热源由一对呈45°角放置的麦克灯提供，这样喷出的热量就可以在试样的正下方集中到一个点上。麦克灯使用甲烷、丙烷或天然气，并有精确的阀门控制系统控制燃气流量使其达到21/min的标准。辐射热源由9根石英电热管提供，石英电热管放置在两个麦克灯之间、:传感器为铜制量热计，表面涂有黑色涂料。可移动的水冷隔热板用于热源与待测试样之间的隔离。检测前要先对仪器进行校准。要使得待测试样经受的热通量为2.0 cal/ (cm2·sec)±0.1 cal/ (cm2·sec )，其中辐射热和对流热各占50%(误差为±5%)。
      美国消防标准自1971以后，就将TPP测试结果作为服装热防护性能的关键指标之一。目前我国消防工作服标准《GA10一2002消防员灭火防护服》中，也已经列人TPP指标要求。
      3.3热人仪防护性能试验
      热人仪检测系统是由美国杜邦公司在20世纪70年代同美国陆军共同研制的人体模型测试系统，可以在热流可变条件下对穿着防护服的人体完全没人火焰中的情景进行模拟。利用这套实验装置，可以对皮肤的烧伤情况进行预测(手部和脚部除外)，显示人体不同部位烧伤情况和烧伤面积，反演烧伤随时间的演变过程，还可以建立三维的人体烧伤模拟图像，并进而对火灾现场的"逃生时间"进行评估预测。
      热人实验室是一个非常复杂的系统，主要包括以下以下子系统:(1)丙烷燃气的储存、输运系统。(2)燃烧管理控制系统。(3)装有传感器的模拟人系统。(4)数据采集和分析系统。(5)计算机控制系统及相应的操作界面。(6)实验室安全保障系统。(7)实验室的安全及操作管理规程。
      目前世界上热人实验室的数量不多，大部分为杜邦公司所有或在杜邦公司的指导下建成。整个实验室的建设涉及到机械、燃气、电气、自动控制、烧伤医学等多个技术领域，是多项现代科学技术成果的结晶。热人仪实验已经列人美国消防标准NFPA2112《工业从业人员使用的阻燃服装对闪火的防护性能标准》，相关的国际标准也正在起草之中相信不久的将来，这种实验装置会进人我们国家，为我国的安全生产科研事业作出贡献。
4 结论
      随着科学技术的不断进步，各种高性能阻燃纤维和阻燃整理技术不断涌现，阻燃抗热防护工作服装也在持续发展，性能越来越趋于完善。从最初的单一阻燃功能，发展到较高的热防护性能、穿着舒适性能和良好的物理机械性能，不仅能够抵御高温环境对人体的危害，还能抗拒爆炸产生的冲击波，阻隔有毒有害物质对服装的渗透，从而能够对人体提供从头到脚的全面防护。与此相适应，消防服装的性能检测手段也在不断进步。近二十多年来，随着世界纺织工业的重心从发达国家向包括我国在内的发展中国家转移，我国在阻燃抗热防护产品的产业化和产品开发方面都取得了长足的进步，但与国际先进水平相比还存在较大差距。除去技术方面的因素之外，这种状况与我国劳动保护的相关国家标准和行业标准不健全，劳动保护的法律法规制度不够健全以及执法力度不够强大有一定的关系随着我国经济的进一步发展和国家对于劳动保护问题的日益重视、投人的不断加大，相信在不久的将来，我国的阻燃抗热劳动消防服装一定能赶上世界先进水平，为我国的经济发展保驾护航。