電弧防護用紡織品的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

李 俠 唐 虹 張成蛟

（1.南通大學(xué)，江蘇南通，226019；

2.安全防護用特種纖維復(fù)合材料研發(fā)國家地方聯(lián)合工程研究中心，江蘇南通，226019）

電弧事故中所產(chǎn)生的高熱能量是嚴重爆燃事故的3 倍～4 倍（甚至更高），瞬時溫度高達13 000 ℃左右，容易對人體造成嚴重傷害［1-2］。個體電弧防護產(chǎn)品作為人體的最后一道防線，在發(fā)生電弧事故時可為工作人員提供逃離的時間，避免或減少電弧熱傷害，保護生命安全［3］。目前對于電弧防護的研究主要集中在電弧傷害機理、電弧測試方法和標準條件的評估，但對防電弧服的功能性和舒適性缺乏系統(tǒng)的研究。針對這一現(xiàn)狀，本文回顧和總結(jié)了防電弧服的分類和常用材料，并就防電弧材料的開發(fā)現(xiàn)狀和影響防護性能的因素作以闡述，以期為個體電弧防護產(chǎn)品的開發(fā)和研究提供參考。

1 防電弧服的分類和常用材料

1.1 防電弧服的分類

防電弧服主要用于保護可能發(fā)生電弧傷害場所的人員，避免或減輕電弧散發(fā)出的熱輻射以及飛濺融化物所造成的傷害［4］。按服裝款式，防電弧服分為兩類，即上下分開式和上下連體式。按服裝面料的結(jié)構(gòu)，可分為單層、雙層和多層三類。按防電弧等級可分為四類：Ⅰ級和Ⅱ級屬于輕型防護服，采用單層面料，多用于日常防護；Ⅲ級和Ⅳ級屬于重型防護服，采用多層面料組合，這兩類防電弧服用于特殊的電氣操作中［5］。防電弧服在工作環(huán)境中常與其他防電弧用品配套使用，如頭罩和面屏、手套、內(nèi)衣和鞋靴等；此外還有防墜落安全帶、防電弧雨衣、冬服和聽力保護設(shè)備等產(chǎn)品［6］。

1.2 防電弧服的常用材料

防電弧織物必須具備出色的耐熱性、阻燃性、不熔融、H 級電絕緣、永久性防火和耐洗滌等性能［7］。遇到電弧爆炸時，防電弧服材料應(yīng)能迅速炭化，形成致密的碳化膜，阻止熱量向防護服內(nèi)部傳遞，從而將人體皮膚與電弧熱能的接觸傷害降至最低［8］。防電弧織物按其作用機理主要分為兩類：后整理阻燃類和本質(zhì)阻燃類［9］。目前制備防電弧織物的纖維主要有腈氯綸、阻燃粘膠、芳綸1313、芳綸1414 和錦綸等。

腈氯綸在燃燒時會產(chǎn)生大量的煙氣，可以有效隔絕空氣中的氧氣，隔絕電離空氣并防止持續(xù)燃燒，提高織物的電弧量級值（Arc Thermal Performance Value，以下簡稱ATPV）［10］。阻燃粘膠具有吸濕性好、易染色及防靜電等特點，在與火花短時間接觸或有火險時，能快速起到保護作用［11］。芳綸1313 具有優(yōu)異的阻燃耐高溫性能，且纖維強度較高，伸長較大，可提高織物的斷裂、撕破強力［12］。芳綸1414 具有高耐熱性、高抗拉強度和彈性模量，受熱變形小［13］?？椢镏屑尤敕季]1414 可以保證熱穩(wěn)定性，并提高織物在電弧發(fā)生時的材料破裂閾能（Material Breakopen Threshold Energy，以下簡稱Ebt值）。錦綸具有良好的力學(xué)性能和耐熱耐磨性能，混入錦綸可提高織物的強度和耐磨性能［14］；同時其軟化溫度較低，遇到高溫軟化后能快速填補織物中的空隙，提高隔熱性能，但錦綸不具有阻燃性，因此含量不易過高。

2 防電弧服的研究現(xiàn)狀

2.1 防電弧材料的開發(fā)研究

目 前，美 國Du Pont 公 司 的Nomex ⅢA 和ProteraTM防電弧專用織物在國際上應(yīng)用較多，其中ProteraTM織物由65%阻燃腈氯綸、28%芳綸1313、5%芳綸1414 和2%導(dǎo)電纖維組成，其不但具有優(yōu)異的防護效果，還具有良好的舒適性，廣泛應(yīng)用于阻燃防護和電弧防護領(lǐng)域，占據(jù)著行業(yè)的高端市場。近年來，國外學(xué)者對于防電弧材料的開發(fā)研究主要集中在新型材料和涂層織物方面。ORTELLI 等人設(shè)計了一種基于金屬氧化物納米粒子和生物大分子的新型耐用膨脹型阻燃涂料，并將其應(yīng)用于棉織物上，結(jié)果顯示：相對于未處理的棉織物，涂層棉織物測試結(jié)束時的殘留物明顯更高［15］。AHMAD 等人將不同配比的玻璃纖維添加到基本膨脹型涂料配方中，開發(fā)出了8 種膨脹型制劑，探究對提高其隔熱性能的影響，結(jié)果顯示：含有7.0%（質(zhì)量分數(shù)）玻璃纖維的配方FG08 在耐火測試中的效果更好，同時增強了涂層的隔熱性能［16］。此外，BECK 等人研究了涂料對聚酯-棉混紡織物的熱穩(wěn)定性、阻燃性和洗滌耐久性的影響。分析表明：與未處理的織物相比，涂層織物質(zhì)量損失5%時的溫度提高30 ℃，峰值放熱速率和總放熱降低了77%和75%，經(jīng)過12 次洗滌循環(huán)后，處理后的織物仍顯示出良好的阻燃性能［17］。SONEE 等人通過兩組阻燃粘膠間位芳綸和阻燃粘膠錦綸66 間位芳綸試驗，探究阻燃混紡織物對熱防護性能的影響。結(jié)果顯示：混紡織物中的纖維含量與阻燃性和耐熱性之間存在一定的關(guān)系［18］。

國內(nèi)主要集中于防電弧混紡織物的研發(fā)，其中，張生輝等人分別以阻燃腈氯綸棉芳綸1414、阻燃腈氯綸芳綸1313 芳綸1414 和棉錦綸（經(jīng)后整理）開發(fā)出同為240 g/m2的防電弧織物，前兩種織物的強力達到了我國電力行業(yè)相關(guān)標準和美國標準對織物的要求［19］。李凍等人通過紡制不同混紡比的阻燃腈氯綸芳綸1313 POD 芳綸1414 混紡織物，探討POD 纖維對防電弧織物舒適性和防護性能的影響，發(fā)現(xiàn)POD 纖維耐磨性是芳綸1313 的兩倍，透濕性增加了35%［20］。沈劍等人對比了8 種阻燃材料的混紡面料在電弧閃爆熱防護領(lǐng)域的綜合表現(xiàn)，認為含有芳砜綸的材料在該應(yīng)用領(lǐng)域可適應(yīng)國內(nèi)外的標準性能要求［21］。此外，也有學(xué)者合成了一種含有銀納米顆粒的聚氨酯-銀-聚氨酯夾層微結(jié)構(gòu)的耐磨導(dǎo)電聚酯織物，這種涂層織物的質(zhì)量損失僅為1.28%［22］。

2.2 影響防護性能的其他因素研究

織物的電弧防護性能除了受到紡織材料本身特性的影響，還受到其他多種因素，如織物組織、污染物、織物顏色以及熱等離子體等的影響。

關(guān)于織物組織的影響，HOAGLAND 在其著作中總結(jié)到，就機織物而言，雙面斜紋組織是防電弧性能最好的組織之一；平紋組織也被幾種知名防電弧織物采用［23］。對于針織物，有其獨特的測試要求和織物響應(yīng)；雙面針織物開始被開發(fā)使用，通常是與不熔融的纖維和高能見度的聚合物纖維混織。李凍等人對3 種防電弧織物的拉伸、透氣、透濕、阻燃、熱穩(wěn)定、熱防護及電弧防護性能進行比較分析，探討了織物原料和結(jié)構(gòu)參數(shù)對其舒適性和防護性能的影響。結(jié)果顯示：原料種類對防護性能影響最顯著，雙層結(jié)構(gòu)可有效地提高防電弧織物的熱防護性能（Thermal Protective Performance，以下簡稱TPP）和ATPV值，尤其是ATPV值增加最為顯著，ATPV值超過單層織物的3 倍［24］。

通過日常使用，防護服可能被工業(yè)污染物附著或染色。HOAGLAND 等人研究了潮濕污染物、導(dǎo)電和非導(dǎo)電性粉塵及易燃液體等幾類污染物及污染物組合對電弧防護性能的影響［25］。研究表明：汗液等潮濕的污染物會降低防護服的防護性能，但能有效避免阻燃材料燃燒；潮濕的非阻燃服裝仍會被引燃，同時可能引起更嚴重的熱燒傷，甚至死亡。相關(guān)學(xué)者后續(xù)又用20%左右質(zhì)量的水分模擬汗液，探究水分（汗液）對暴露于電弧下多層服裝系統(tǒng)性能的影響［26］。研究發(fā)現(xiàn)：隨著服裝系統(tǒng)中水分含量的增加，Ebt值可能會上升，但燒傷保護值可能會下降；織物顏色對織物防電弧性能也是有影響的。ASTM 早期委員會對未染色布和海軍藍布的研究表明：織物的顏色對電弧評級影響不大。另外SWEETING 等人研究發(fā)現(xiàn)［27］：電弧產(chǎn)生時等離子體云的行為控制著服裝和受害者的熱暴露，因此分析等離子體云和織物之間的相互作用與簡單的輻射有很大的不同；特別是在紫外光譜中，電弧防護服裝的顏色決定了被反射、吸收和透射的光的比例。當光的頻率和服裝的顏色影響到能量的吸收時，熱等離子體對服裝的影響不存在等效性質(zhì)。此外，了解熱等離子體與防電弧材料的相互作用對于設(shè)計有效防電弧和阻燃合成纖維織物至關(guān)重要。ISHIDAL 等人［28］通過熱等離子體輻照技術(shù)研究了熱等離子體與聚酰胺、聚酯苯酚和芳族聚酰胺等合成纖維之間的相互作用；從屏蔽熱流的角度研究了聚合物燒蝕的兩個特征：迅速響應(yīng)和耐久性。結(jié)果表明，聚酰胺纖維同時具有迅速的響應(yīng)和長期的耐用性。

3 防電弧產(chǎn)品相關(guān)標準

1990 年以來，電弧防護標準一直在發(fā)展，美國對相關(guān)標準研究較早也較系統(tǒng)、完善［29］。美國職業(yè)安全和健康署利用杜克公司早期的研究成果發(fā)布了OSHA 標準；1997 年，美國材料試驗協(xié)會發(fā)布了電弧測試方法，引發(fā)了眾多國家對電弧防護產(chǎn)品的開發(fā)和測試。目前巴西、秘魯、俄羅斯、南非和新西蘭等國家正積極編撰電弧閃光相關(guān)法律。我國2011 年發(fā)布電力行業(yè)標準DL/T 320—2010《個人電弧產(chǎn)品防護用品通用技術(shù)要求》，國家標準有待出臺。目前國際上與服裝及電弧閃光用PPE 電弧防護性能要求相關(guān)的標準如下。

ASTM F1959《服裝材料電弧熱性能值的標準測試方法》測試內(nèi)容：測量阻燃織物為在電弧環(huán)境下的穿著者提供的熱防護程度，電弧熱防護值越高，織物的防護性能越強；如果電弧熱防護值不能達到，則確定損壞測試織物的能量值。ASTM F 2178《防電弧面罩產(chǎn)品的電弧級別和標準規(guī)格的試驗方法》測試內(nèi)容：測定防電弧面罩產(chǎn)品的電弧級別和標準規(guī)格。IEC 61482-1-1《帶電作業(yè)防護服-防電弧熱損傷 第1 部分測試方法1》測試內(nèi)容：測試阻燃服裝電弧等級，規(guī)定了ATPV或Ebt的測試方法。IEC 61482-l-2《帶電作業(yè)防電弧熱危害的防護服第1 部分：測試方法2》測試內(nèi)容：評定服裝和材料在封閉和直接電弧下的防電弧等級。IEC 61482-2《帶電作業(yè)防電弧熱危害的防護服第2 部分》測試內(nèi)容：性能要求。ASTM F 1958《用人體模型模擬在電弧暴露情況下非阻燃面料的可燃性的標準測試方法》測試內(nèi)容：用于確定導(dǎo)致10%純棉或其他可燃纖維制成的防護服會燃燒的電弧能量，只用于測定可燃纖維。ASTM F 1506《暴露于瞬時電弧和有關(guān)熱力危害中的電工穿著的阻燃防護服所采用的紡織品材料的性能標準規(guī)范》測試內(nèi)容：規(guī)定了ATPV值或Ebt值的測試方法。ASTM F 2757《清洗火焰、耐熱和耐電弧服裝及維護的標準指南》測試內(nèi)容：確定了耐熱、防電弧服裝清洗及維護方法。

4 防電弧服的發(fā)展趨勢

總體而言，國外對防電弧服防護性能的研究在材料開發(fā)、產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)、標準制定和檢測儀器等方面目前處于領(lǐng)先地位；國內(nèi)電弧防護研究多專注于防電弧紡織材料的開發(fā)，防電弧服主要依靠進口，影響防電弧織物的防電弧性能因素有待深入研究，行業(yè)測試標準體系尚不健全。為了促進產(chǎn)品開發(fā)和高新安全防護技術(shù)的應(yīng)用，為電力作業(yè)人員提供質(zhì)量可靠、性能優(yōu)異的防電弧服，今后需側(cè)重以下三方面的研究。

（1）功能性方面。芳綸多組分織物及芳綸系列織物等永久性阻燃織物將得到推廣和使用，以長期、有效地保護人員安全；新型材料，如碳化丙烯腈纖維、膨脹型和發(fā)光型材料以及金屬納米顆粒SbO3，在纖維聚合物中的應(yīng)用對于電弧防護材料領(lǐng)域有著巨大前景。

（2）舒適性方面。防護性與舒適性是一對矛盾關(guān)系，如何制造兩種性能兼?zhèn)涞姆离娀】椢?，如何調(diào)節(jié)目前防電弧織物的舒適性與防護性比重等問題還有待解決。未來可能會通過應(yīng)用疏水/親水混合物和納米技術(shù)尋求二者之間的平衡。

（3）標準方面。防電弧服的選用必須基于電弧能量的大小，而電弧能量的大小需要結(jié)合電壓、距離和空氣相對濕度等進行計算。將選用對應(yīng)防護級別的防護服要求寫入運行操作規(guī)程的防電弧服國家標準即將出臺，給予作業(yè)人員以有效指導(dǎo)，改變防電弧織物只能依靠國外檢測的局面，促進我國電弧防護產(chǎn)品的開發(fā)、生產(chǎn)和檢測。

西安工程大學(xué)科研成果展示

項目名稱：

新型可變?nèi)我饣ɑ囟嘤猛緢A網(wǎng)印花機

項目簡介：

我國高檔印花機需求量在逐年增加，花布市場競爭激烈，利潤下降，同時歐美高檔印花機價格昂貴，國內(nèi)大多數(shù)廠家購買困難。目前印染廠60%以上設(shè)備為舊機型，產(chǎn)品檔次壓力、生產(chǎn)效率、環(huán)保壓力使得現(xiàn)有設(shè)備難以滿足企業(yè)競爭需求，因此，功能更齊全、性價比更高的圓網(wǎng)印花機將會具有較高的競爭力。

項目研究的新型可變?nèi)我饣ɑ囟嘤猛緢A網(wǎng)印花機，可以較好的幫助國內(nèi)印染企業(yè)解決電機同步問題以及全自動對花問題，同時具有任意可變花回、超大花回等功能，滿足印花機高速度、高精度的需求，有效的增加了生產(chǎn)的效率、提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。同時打破國外企業(yè)的技術(shù)壟斷，滿足國內(nèi)企業(yè)迫切的市場需求，此課題的完成對我國印染行業(yè)印花水平的提升具有重要的戰(zhàn)略意義。

該設(shè)備具體參數(shù)：印花幅寬1 800 mm～3 200 mm ；最大印花寬度1 620 mm～3 050 mm；印 花 套 色 數(shù)4～20 套 色；印 花 花回640 mm～820 mm～914 mm～1 018 mm～1 680 mm～2 412 mm～3 624 mm；對花精度±0.1 mm；工藝車速4 m/min～100 m/min；刮印方式 磁棒、刮刀兩用。適用于梭織布、針織布、彈力布、各種絨布、搖粒絨、珊瑚絨、法蘭絨、毛圈布、毛巾、編織布、各類床毯。亮點：采用刮刀和磁棒任意搭配組合，有效的提高了生產(chǎn)工藝的靈活性；開發(fā)新型可變?nèi)我饣ɑ匾约按蠡ɑ氐挠』▎卧ㄟ^伺服系統(tǒng)精密抬升網(wǎng)架改變網(wǎng)頭中心，達到變換花回的目的，此種方式一鍵實現(xiàn)更換，操作簡便，能滿足客戶多品種的靈活性需求；采用種承載式螺桿機構(gòu)的圓網(wǎng)印花單元橫向調(diào)節(jié)機構(gòu)和斜向調(diào)節(jié)機構(gòu)，有效解決了印花機機構(gòu)間隙不穩(wěn)定影響對花精度的問題，同時采用一種伺服控制的升降系統(tǒng)，有效解決了定位精度問題。

該項目于2017 年5 月通過中國紡織工業(yè)聯(lián)合會鑒定，認為該技術(shù)整體達到國際先進水平，其中可變?nèi)我饣ɑ匮b置及控制技術(shù)達到國際領(lǐng)先水平。項目獲陜西省科學(xué)技術(shù)進步獎一等獎、西安市科學(xué)技術(shù)獎一等獎。目前已授權(quán)專利3 項，申請專利4 項，具有較好的推廣應(yīng)用價值。