熔融金屬噴濺防護服的發(fā)展現狀與趨勢

李文輝 汪澤幸 王曼青 凌群民

（1.湖南永霏特種防護用品有限公司，湖南湘潭，411101；2.湖南工程學院，湖南湘潭，411101）

1 研究背景

高溫金屬液體傷害已成為冶金行業(yè)最典型的職業(yè)傷害，包括熔融金屬（鋼水、鐵水、鋁液、銅液等）及其液態(tài)爐渣的高溫金屬液體；在冶煉、轉運、鑄造及加工處理過程中，因水汽化爆炸、高溫金屬液體容器跌落與傾翻、高溫金屬液體的反應氣體噴濺、熔融金屬泄漏等，易發(fā)生噴濺、泄漏、爆炸等事故，造成燒傷、燒死或高溫窒息等事故［1-3］。因而，冶金企業(yè)在生產過程中，特別注意冶金設備和冶金過程中的防水、防潮，起重運輸設備的檢測、檢驗，嚴控生產工藝條件，強化安全管理工作，主動預防高溫金屬液體傷害事故的發(fā)生；此外，存在高溫金屬液體噴濺風險作業(yè)環(huán)境中的作業(yè)人員，配備熔融金屬噴濺防護服裝，可減少或避免高溫金屬液體對作業(yè)人員的傷害。

2 熔融金屬噴濺防護原理

對鐵水、鋁液等熔融金屬噴濺的防護機理是一致的。由于熔融金屬的溫度較高，因而在確保面料瞬時阻燃性的前提下，盡量減少熔融金屬在面料上的附著量和附著時間，確保熔融金屬快速滑落，縮短熔融金屬與面料在同一位置的接觸時間，減少熔融金屬在面料上的熱傳導量，從而達到避免燙傷穿著人員的目的。由于以鐵為代表的重金屬和以鋁為代表的輕金屬，其在液態(tài)下的物理性質存在明顯差異，因而對鐵水和鋁液噴濺的防護途徑存在一定的差異。

通常，以體積質量4.5 g/cm3為界，將體積質量大于4.5 g/cm3的金屬稱為重金屬，如鐵、銅、鉛、鋅、鎳等；將體積質量小于4.5 g/cm3的金屬稱為輕金屬，如鋁、鎂、鉀、鈣、鋇、鈦等。

鐵是常規(guī)重金屬中熔點最高的金屬。通常鐵水溫度在1 350 ℃～1 540 ℃，受鐵水純度的影響，出爐或噴濺出的鐵水溫度大約1 400 ℃；因存在少量雜質的緣故，1 400 ℃時鐵水尚未凝固。由于鐵的相對原子質量高（55.845），鐵水的體積質量高（約7.1 g/cm3），比熱容低（約0.462 kJ/kg·℃），熔 化 熱（凝 固 放 熱）約11.495 kJ/mol，凝固放熱量相對較少，接觸常溫物體表面后易產生炸裂現象，不易黏附物體表面，鐵水噴濺到面料表面后快速滾動下滑，因而對鐵水噴濺的防護相對較為容易。但因鐵水溫度較高，對面料的耐高溫性能，特別是短時間耐高溫性能的要求較高。能防鐵水噴濺的面料，基本上能防其他重金屬的等量噴濺［4］。

鋁為最具有代表性的輕金屬，其熔點約660 ℃，電解鋁生產過程中，電解槽的溫度基本控制在950 ℃～970 ℃，出爐溫度大約780 ℃，高于熔點10 ℃左右。鋁的相對原子質量為26.982，低于鐵；相對于鐵水，鋁液的體積質量較低（約2.3 g/cm3），比熱容高（約為鐵水的1.5 倍），凝固放熱超過鐵水的10 倍，且鋁液的表面張力較低；當鋁液噴濺到面料表面時，易黏附在面料表面，在面料表面向下流動速度相對緩慢；當鋁液接觸常溫物體表面時，如鋁液溫度迅速降至凝固溫度660.4 ℃左右，鋁液的流動速度將進一步降低，在重力作用下易延展成面皮狀的黏著物；此時，通過面料進行熱傳導，對人體造成的熱傷害比鐵水更為嚴重。能防鋁噴濺的面料，基本上也能防其他輕金屬的等量噴濺。

理論與實踐均表明，雖然相對于鐵水，鋁液絕對溫度較低，但鋁液噴濺更難防護。一般而言，能防鋁液噴濺的面料可以防鐵水噴濺，但能防鐵水噴濺的面料卻不一定能防鋁液噴濺［5］。

3 與熔融金屬防護服相關的標準

我國現有針對高溫金屬液體防護的標準為GB 8965.2—2009《防護服裝 阻燃防護 第2 部分:焊接服》（以下簡稱GB 8965.2—2009），其適用于少量高溫金屬液體，即熔融金屬飛濺的防護，其對從事焊接及相關作業(yè)場所（如熔融切割等），可能遭受熔融金屬飛濺及其熱傷害的作業(yè)人員用防護服裝進行了規(guī)范［6］。該標準中的防護性能指標涉及防熔融金屬小滴沖擊、阻燃性能、熱穩(wěn)定性、熱防護系數指標等。針對大量熔融金屬，即熔融金屬噴濺防護的標準尚處于空白狀態(tài)。

我國現有熔融金屬噴濺防護服主要參考ISO 11612:2015《Protective Clothing—Clothing to Protect against Heat and Flame—Minimum Performance Requirements》（ 以 下 簡 稱 ISO 11612:2015）與ISO 9185:2007《Protective Clothing—Assessment of Resistance of Material to Molten Metal Splash》（以下簡稱ISO 9185:2007）［7-8］。ISO 11612:2015 綜合了尺寸穩(wěn)定性（耐熱與水洗尺寸穩(wěn)定性）、阻燃性能、熱防護性能（熱防護系數，對流熱傳導、輻射熱傳導、接觸熱傳導）、耐熔融金屬（鐵水、鋁液）噴濺等方面的防護性能。因語言原因，該標準的采納、宣講與推廣受限，導致用戶在防熔融金屬噴濺服選用時影響較大，且對熔融金屬飛濺與熔融金屬噴濺兩種表述混用［9］；因而急需結合我國實際情況，制定相關的國家標準，完善熔融噴濺防護面料及防護服的標準。

4 熔融金屬噴濺防護面料

熔融金屬的防護一直是棘手的難題。傳統(tǒng)防護手段為采用厚重的帆布（單位面積質量超過350 g/m2，甚至高達450 g/m2）制備防護用品，依靠厚重（平紋組織或斜紋組織）帆布的高隔熱性能減少熔融金屬對人體的傷害。但傳統(tǒng)帆布阻燃性能差，如長期接觸熔融金屬時，易造成燒穿面料，并可能引燃面料，導致穿著人員大面積燒傷。經阻燃處理有助于提高對熔融金屬的防護能力，但依然存在面料被燒穿等情況；此外，當熔融金屬一旦形成潑灑效應，即發(fā)生熔融金屬噴濺時，以鋁液為代表的熔融金屬其流動性會迅速降低并附著在面料表面，持續(xù)放熱，導致面料快速被燒穿，燙傷皮膚，對穿著人員造成嚴重的熱傷害。因而阻燃帆布可用于熔融金屬飛濺的防護，而不能實現對熔融金屬噴濺的防護。此外，阻燃處理會劣化棉質面料的力學性能，特別是撕破強力的下降，嚴重影響服裝的使用性能和可工業(yè)洗滌能力。

采用鋁膜復合面料制備的熔融金屬防護服裝，雖熱輻射防護性能較好，但因鋁不耐高溫，面料透氣性差，因此防護功能與穿著舒適性均不能滿足要求。此外，采用芳綸等耐高溫纖維制備的熔融金屬噴濺防護面料，但因熔融金屬容易黏附在芳綸等纖維表面，導致在熔融金屬黏附位置持續(xù)傳熱，易對人體造成嚴重的熱傷害。

基于此，使用牛皮或羊毛制備的厚重面料應運而生，也有采用羊毛與磷系阻燃粘膠混紡的厚重（單位面積質量往往超過350 g/m2）面料，防護效果進一步提高，但穿著舒適性較差，且羊毛與磷系阻燃粘膠混紡面料制備的熔融金屬噴濺防護服水洗后尺寸穩(wěn)定性，服用性能較差。但發(fā)展至今，具有天然鱗片結構的羊毛在防熔融金屬噴濺面料中依然具有無可替代的作用，在熔融金屬接觸面料的瞬間，張開的鱗片與金屬液體之間更多的為點接觸而非面接觸，可降低熱傳遞效率［10］；且因羊毛鱗片接觸高溫物體時，鱗片具有張開的趨勢，可最大限度地碎化熔融金屬液體，降低羊毛鱗片的炭化，減少或避免熔融金屬在面料表面黏附。

目前，制備熔融金屬噴濺防護面料，羊毛纖維是必不可少的纖維原料之一，但如何與其他纖維進行混和，提高羊毛鱗片的利用效率，合理利用阻燃性能，并控制水洗縮率，提高穿著舒適性，并適當控制成本，已成為熔融金屬噴濺防護面料研發(fā)過程中的一個技術難題。

文獻［4］選用60%阻燃粘膠、20%羊毛、10%錦綸，8%對位芳綸、2%導電纖維的纖維配比制備了混紡紗線，基于二上二下右斜紋制備熔融金屬噴濺防護面料。該面料在具有防靜電功能、良好的阻燃性能的同時，還可滿足ISO 11612:2015的要求，防鋁液和鐵水噴濺等級分別達到D2 級和E3 級，但未闡述隔熱性能、尺寸穩(wěn)定性能等，且未明確闡述阻燃粘膠的類型。

陳平等［11］在纖維配比方面，磷系阻燃粘膠纖維45%～55%，羊毛35%～45%，錦綸（結合對該纖維的性能描述，應為對位芳綸纖維）5%～15%；所制備的面料可滿足電焊及冶金冶煉爐前用阻燃防護服面料的要求，雖提及可提供針對800 ℃鋁液和1 400 ℃熔融金屬的防護，但未能明示熔融金屬（除鋁液外）類型，未公開防熔融金屬噴濺的性能與隔熱性能等性能指標。

程德亮等公開的方案中，纖維配比為羊毛50%～60%，聚苯硫醚10%～30%、阻燃粘膠10%～30%［12］；先將羊毛和磷系阻燃粘膠混和制備粗紗，后與聚苯硫醚長絲在細紗機上進行混紡制備單紗，再通過并線加捻制備雙股線。所制備的3 種面料接觸火焰不燃燒，參考ISO 11612:2015 進行測試，對流熱和輻射熱性能分別達到B1 和C1 級，對鋁液與鐵水噴濺防護性能分別達到D2 和E3 級，對鋁液和鐵水噴濺具有良好的防護性能。但該專利公開的實施方案中，紡紗工藝較為復雜，成本較高，且未能公開尺寸穩(wěn)定性等方面的性能數據。

徐園園等公開的方案中，纖維配比為磷系阻燃粘膠纖維64%～75%，芳綸纖維15%～30%，聚酰亞胺纖維1%～5%，錦綸纖維5%～8%［13］；公開的面料雖提及具有防熔融金屬噴濺功能，但未能公開量化指標；參考GB 8965.2—2009 進行熔融金屬沖擊試驗后，試樣溫升不超過40 K，即認為達到了ISO 11612:2015 中的D3、E3 標準，這種表述明顯有誤。

上述熔融金屬噴濺防護面料均采用磷系阻燃粘膠、羊毛與其他纖維混紡制備而成，也有采用硅氮系阻燃粘膠與其他纖維混紡制備的熔融金屬噴濺防護面料。

安彪公開的方案中，纖維配比為羊毛20%～60%，硅氮系阻燃粘膠38%～65%，錦綸（非阻燃）2%～15%［14］；當50%羊毛、45%硅氮系阻燃粘膠、5%錦綸6 時，可防203 g 鐵水、353 g 鋁液的噴濺，即達到ISO 11612:2015 的D3、E3 標準。羊毛含量低于15%時，防熔融鋁液噴濺不合格（低于100 g）；錦綸含量超過15%時，阻燃性能與防鋁液噴濺不合格；錦綸含量低于2%時，水洗收縮率超過10%；硅氮系阻燃粘膠含量低于30%時，阻燃性能、防熔融金屬（鐵水、鋁液）噴濺不合格。同等條件下（羊毛60%、粘膠38%、錦綸2%），相對于硅氮系阻燃粘膠，采用磷系阻燃粘膠時，防熔融金屬噴濺性能、阻燃性能與水洗收縮率均呈現劣化趨勢，這主要是由于硅氮系阻燃粘膠的炭化速度快，炭化后形成的二氧化硅與鋁水發(fā)生化學反應，并釋放熱量，基本上可抵消面料炭化吸熱，鋁液表層溫度基本不下降，鋁液黏度下降幅度較小，確保鋁液快速下滑，從而有助于提高對鋁液噴濺的防護性能［15］。

鋁液噴濺到面料表面時，在空氣傳熱和面料傳熱雙重作用下，鋁液表層溫度快速降低，黏度增加，向下滑移速度下降，導致鋁液在面料上黏附，如何盡可能維持鋁液表層溫度，確保鋁液在面料上向下快速滑移是防鋁液噴濺的關鍵。許瑞安等公開的方案中，纖維配比為羊毛20%～60%，變性腈綸25%～40%，萊賽爾纖維（非阻燃纖維素纖維）15%～30%，制備單位面積質量均約300 g/m2的二上一下斜紋面料［16］。熔融金屬噴濺到面料上時，阻燃腈綸和羊毛會發(fā)生不同程度的燃燒，釋放的阻燃氣體可緩解羊毛鱗片的損耗，但燃燒過程為吸熱反應，故會降低與面料接觸的熔融金屬表層溫度并增加熔融金屬的黏度，熔融金屬在面料上下滑速度下降，與面料接觸時間延長，導致防護功能失效；加入部分非阻燃的纖維素纖維，與熔融金屬接觸后快速炭化并放熱，減少熔融金屬的熱量損失，加快熔融金屬在面料表面的下滑速度；但當非阻燃纖維素纖維含量過高時，因炭化導致熱量釋放過多，超過阻燃腈綸燃燒吸熱量時，會導致面料的整體阻燃性能喪失，因而控制纖維之間的比例是至關重要的。羊毛/阻燃腈綸質量比為40%～240%、非阻燃纖維素纖維/阻燃腈綸質量比為50%～120%時，可在降低成本的基礎上，獲得較好的阻燃性能與熔融金屬防護性能。該專利公開了阻燃性能與熔融金屬防護性能，未公開熱防護性能與水洗尺寸穩(wěn)定性等其他性能指標。

為確保熔融噴濺防護性能，需要確保羊毛一定的含量，且同等羊毛含量時，選用鱗片結構較為明顯的粗羊毛時熔融金屬防護性能較佳。當面料中羊毛含量較高時，特別是在高溫作業(yè)環(huán)境下，因高溫出汗，皮膚敏感度增加，刺癢感將表現得更為明顯。

為改善穿著舒適性并提高防護性能，可基于多層結構制備熔融金屬噴濺防護面料。周順興采用芳綸30%～50%、改性腈綸15%～40%和磷系阻燃粘膠20%～45%混紡紗線制備外層的防護層，基于超細礦物纖維增強二氧化硅氣凝膠與表面改性對位芳綸，采用熱黏合法制備中間的隔熱層，以粘膠30%～60%與間位芳綸40%～70%混紡紗制備內層的舒適層［17］。但該專利未公開外層防護層和內層舒適層的面料組織結構、各層之間的結合方式，超細礦物纖維的類型等；此外，雖提及制備的面料可為存在高溫熔融金屬噴濺工況提供可靠、有效的防護，但參考GB 8965.2—2009 標準測試抗熔融金屬沖擊性能，無充分理由說明該面料具有防熔融金屬噴濺性能。王炳來采用羊毛40%～60%、30%～59% 阻燃粘膠、耐高溫纖維（對位芳綸、間位芳綸、芳砜綸、聚酰亞胺、聚苯并咪唑）1%～10%混紡紗制備外層的防熔融金屬噴濺層，以鍍鋁的耐高溫薄膜為中間的抗熱輻射層，以纖維素纖維（粘膠、麻纖維等）30%～60%、耐高溫纖維40%～70%混紡紗制備內層的舒適層，各層之間采用耐高溫黏膠顆粒進行黏結［18］；阻燃性能、透氣性能較佳，但未能公開防熔融金屬噴濺性能等。劉亞光采用羊毛纖維和輔料纖維（阻燃粘膠、阻燃錦綸、對位芳綸、聚酰亞胺中的至少一種）制備面料層，以耐高溫纖維非織造布為內層，并采用高溫黏合劑黏合面料層和內層制備防熔融金屬噴濺復合面料，但未公開面料層和非織造布層的纖維類型與成分，且未公開防熔融金屬噴濺性能等［19］。

文獻［17］至文獻［19］公開的面料中各層，特別是外層面料中經緯紗線纖維原料混和比例均一致，各層之間均采用黏合劑黏合，多次水洗后層間易脫膠，導致局部脫開、起泡現象。此外，上述面料中，均含有芳綸等耐高溫纖維，其主要是為了確保面料的高溫下的尺寸穩(wěn)定性和水洗尺寸穩(wěn)定性。但對于鋁液噴濺的防護，其關鍵在于控制芳綸等耐高溫纖維的含量，現有研究發(fā)現，當間位芳綸含量超過28%時，鋁液易黏附在面料表面，間位芳綸含量超過33%時，不能確保對鋁液噴濺的防護功能。

巴德·Y 等選用緞紋、斜紋為組織結構，經紗為羊毛40%～60%、阻燃粘膠40%～60%的混紡紗，緯紗為羊毛40%～60%、間位芳綸30%～50%、至少20%阻燃粘膠的混紡紗，制備的面料可通過ISO 9185:2007 防鐵水的噴濺測試，但未公開防鐵水防鋁液噴濺的測試結果［20］。通過控制經緯密和紗線的線密度，可優(yōu)選實現威脅面（抵御熔融金屬噴濺面）由等量的羊毛和阻燃粘膠纖維構成，而相反面（內層舒適面）由等量的羊毛、阻燃粘膠和間位芳綸構成；從專利的表述來看，如采用專利所述的加工方式，面料的威脅面必含有間位芳綸纖維，不能實現所述的優(yōu)選方案，如采用雙層組織則可實現所述面料兩面纖維的差異；此外，在機織面料中，并無單面或雙面面料的稱謂，但可基于面料中經紗或緯紗組數分為單層、雙層以及多層面料，該專利中對面料的命名存在錯誤。

從熔融金屬噴濺防護的機理角度而言，熔融金屬噴濺防護面料應滿足阻燃（特別是瞬時阻燃）、熔融金屬快速下滑以及隔熱性能3 個方面的要求，現有研究和公開的專利中，主要關注對熔融金屬噴濺的防護等級（即指標D 和E）與阻燃性能，而對抗撕裂、耐磨、透氣、透濕、耐洗滌、耐高溫尺寸穩(wěn)定性等涉及舒適性方面和耐用性方面的性能指標關注較少。

此外，在電解鋁生產過程中，需加入冰晶石作為助溶劑以溶解氧化鋁，形成的冰晶石-氧化鋁溶液浮在鋁液表面，還可起到阻止鋁進一步被氧化的作用。通常生產1 t 鋁大約需耗用100 kg～120 kg 的冰晶石，但鮮有防熔融金屬噴濺面料防護冰晶石或冰晶石-鋁溶液噴濺的研究［21］；分析其原因，可能主要是由于以下兩個方面的原因:一是ISO 9185 雖規(guī)定了防冰晶石溶液噴濺的測試方法，但ISO 11612:2015 并未給出對冰晶石防護的等級；二是測試發(fā)現，因冰晶石溶液的表面張力更低，比鋁液更易黏附在面料上，甚至類似水浸潤面料，直接穿透面料，相對于鋁液，對冰晶石噴濺的防護更難實現。

5 熔融金屬噴濺防護服的款式與結構

ISO 11612:2015 對熔融金屬噴濺防護服款式的基本要求和結構設計做了指導性規(guī)范，規(guī)范內容與GB 8965.2—2009 對焊接服款式與結構設計要求基本一致，因而熔融金屬噴濺防護服可參考焊接服的相關要求進行設計。

熔融金屬噴濺防護服裝的款式設計應在確保防護功能的前提下，綜合考慮關節(jié)運動時通過弧度、操作靈活性、醒目程度等，兼顧舒適性與美觀性，在款式設計過程中可遵循下述原則［22］。

（1）款式可參考焊接服款式設計，以簡潔大方為主，服裝表面應盡量避免裝飾結構縫線，兼顧防護功能和美觀性［23］。采用“三緊式”（緊領口、緊袖口、緊下擺），以免造成熔融金屬飛濺時落在夾縫處，造成熔洞，避免對人體造成二次傷害；同時，也可防止鉤掛等。

（2）盡量避免外觀口袋設計，以防高溫金屬殘渣落入；為強化熔融金屬噴濺防護服的美觀性與時尚性，可采用假斜插袋等形式，但不應以犧牲熔融金屬噴濺防護服的功效性為代價。要求明衣袋時，應帶有袋蓋，以免存積熔融金屬或其他污染物。

（3）在易熔融金屬噴濺的作業(yè)過程中，環(huán)境溫度較高，在此工況作業(yè)時，人體易出汗，需要考慮排濕、透氣功能。為提高熔融金屬噴濺防護服的熱濕舒適性，基于服裝工效學原理，在不容易受到熔融金屬噴濺的腋窩、后背等處，可考慮設計透氣孔或透氣縫隙，起到排汗透氣作用，最大限度保證作業(yè)人員的舒適性；但透氣孔的設置部位與方式，不得影響防護服的結構強度，并確保熔融金屬或其他外物不得進入防護服內部，確保外觀的美觀性。

（4）在諸如肘關節(jié)處和膝關節(jié)等容易磨損或容易受損部位，或易受熔融金屬噴濺部位，應增加耐磨阻燃面料的使用。

（5）考慮快速穿脫功能，便于逃離事故現場，減少熔融金屬對人體的熱傷害。考慮高溫環(huán)境或者熔融金屬噴濺到服裝表面后，易造成樹脂扣或樹脂拉鏈變形，影響快速脫卸功能，應全部采用金屬四合扣，但應參考ISO 11612:2015 與GB 8965.2—2009 的要求，金屬四合扣其不可外露，需要采用阻燃面料包覆。

（6）需使用阻燃、耐高溫縫紉線，以免高溫環(huán)境下縫紉線性能快速衰減與失效，影響熔融金屬噴濺防護服的防護功效。

（7）色彩選用方面，ISO 11612:2015 未規(guī)定熔融金屬噴濺防護服的顏色選用，但考慮金屬冶煉作業(yè)環(huán)境的特點，目前多選用蔚藍色、深藍色、藏青色，或同時在前胸、后背、袖部等部位附加阻燃反光條，起到警示作用，以便及時救援。

6 結論與展望

作為一種用于易發(fā)生熔融金屬噴濺作業(yè)環(huán)境中作業(yè)人員的防護裝備，熔融金屬噴濺防護服防護性能不僅取決于其面料的性能，還與服裝結構關系密切。

目前，對熔融金屬噴濺防護面料的研究主要集中在對以鐵水、鋁液噴濺的防護指標方面，而綜合考慮傳熱性能、尺寸穩(wěn)定性能、撕裂性能、耐磨性能、透氣與透濕以及面料色彩方面進行系統(tǒng)研究的還相對較少，且面料較厚，穿著舒適性較差，如何在提高防護性能的同時，減低重量，減少作業(yè)人員的穿著負荷，提高舒適性方面還需進行較為全面的研究。

對熔融金屬噴濺的防護，應是系統(tǒng)性的，其不僅包括軀干防護的防護服裝，還應包含頭部防護的帽子（帶護肩）、手部防護的手套、腳部防護的護腳以及眼部的護目鏡等。目前，除帽子、手套和護腳沿用老式煉鋼服外，軀干防護用熔融金屬噴濺防護服大多根據冶金企業(yè)需要，在兼顧防護功能的基礎上，盡可能滿足舒適、美觀、時尚等功能性需求，但大多基于客戶需求在結構上進行經驗性的優(yōu)化與改進，鮮有從服裝整體功效的角度，從理論上研究服裝的功效性。