氣凝膠消防服隔熱層研制的可行性分析

楊 帆 魯 義，2副教授 施式亮教授 王金鵬 王禹博

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭411201；

2.湖南科技大學(xué) 南方煤礦瓦斯與頂板災(zāi)害預(yù)防控制安全生產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭411201)

0 引言

隨著火災(zāi)發(fā)生次數(shù)的增多以及火災(zāi)情況的日益復(fù)雜，作為在火災(zāi)中起著重要作用的消防員所受到的生命威脅也越來(lái)越大。尤其是在環(huán)境較為惡劣的火災(zāi)中，可能出現(xiàn)的各種突發(fā)狀況使得消防員的生命安全得不到有效的保障?；馂?zāi)形勢(shì)日趨嚴(yán)重，大小型火災(zāi)事故發(fā)生的越來(lái)越頻繁。2019年3月14日，山西沁源發(fā)生森林火災(zāi)，造成6名消防員犧牲；2019年6月9日，四川涼山發(fā)生森林火災(zāi)，30名撲火隊(duì)員遇難，其中消防員有27人。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在滅火救援行動(dòng)中消防員的傷亡比重正在逐漸增大，而防護(hù)服的性能不足也是造成傷亡的一個(gè)重要原因。但傳統(tǒng)的消防服主要通過(guò)多層組合來(lái)提高其各方面的防護(hù)性能，這樣會(huì)導(dǎo)致防護(hù)服比較厚重，并影響其活動(dòng)性能和舒適性能。因此，為了更好地保障消防員的安全，開(kāi)發(fā)具有輕質(zhì)優(yōu)異熱舒適性防護(hù)服是現(xiàn)在發(fā)展的必然趨勢(shì)。氣凝膠是目前世界上最輕且熱導(dǎo)率最低的材料[1]，具有三維網(wǎng)狀孔洞結(jié)構(gòu)，可以彌補(bǔ)防護(hù)服的厚重隔熱的短板，應(yīng)用于防護(hù)服隔熱層的研制。

1 現(xiàn)有消防服隔熱層研制現(xiàn)狀

1.1 現(xiàn)有隔熱層及其性能

消防服是保護(hù)活躍在消防第一線的消防隊(duì)員安全的重要裝備之一，是使消防員免受火焰灼傷等傷害的重要防護(hù)屏障。消防服的防護(hù)性能如隔熱性、重量、斷裂強(qiáng)度以及阻燃性等防護(hù)性能將直接影響著消防員的生命安全和工作效率?；饒?chǎng)的溫度通常在80～1000℃之間，因此適應(yīng)火場(chǎng)的個(gè)體防護(hù)設(shè)備消防服需要具備優(yōu)異的隔熱性能。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的消防服常用的隔熱層材料有阻燃棉纖維、芳砜綸纖維、芳綸纖維及其混紡制成的氈織物，國(guó)外現(xiàn)役消防服常用的有太空棉、遠(yuǎn)紅外滌綸纖維、三聚酯酰胺纖維、綸芳類(lèi)纖維(Nomex、Kevlar)、普通滌綸纖維和羊毛纖維等[2]。芳綸纖維是目前世界上使用最普及的防護(hù)服材料，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球使用芳綸纖維作為防護(hù)服材料的占到了70%，并有繼續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)[3]。目前市場(chǎng)上的隔熱層都是采用芳綸1313和芳綸1414混紡以及芳砜綸纖維，比例通常為 70/30或80/20，這種隔熱層已經(jīng)能滿足隔熱的基本要求。宗藝晶[4]等通過(guò)測(cè)試芳綸纖維、芳砜綸纖維、阻燃棉織物及聚苯并咪唑(PBI)纖維與對(duì)位芳綸 Kevlar混紡織物的熱防護(hù)性能，得出芳綸織物和芳砜綸織物均具有較高的熱防護(hù)性能(Thermal Protective Performance，TPP)；Ahmet Cay[5]經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)芳綸1313具有良好的耐高溫性能，且穩(wěn)定性極好，不會(huì)在空氣中燃燒，有自熄性，突遇900～1500℃的高溫時(shí)，布面會(huì)迅速碳化及增厚保護(hù)穿著者；劉強(qiáng)[6]等經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)芳綸1414短纖維強(qiáng)度是優(yōu)質(zhì)鋼材的5-6 倍，模量是鋼材或玻璃纖維的2-3倍，韌性是鋼材的2倍，而質(zhì)量?jī)H為鋼材的1/5，纖維的斷裂伸長(zhǎng)率在4%左右，其在-196～204℃范圍內(nèi)可長(zhǎng)期正常使用，在 150℃下不收縮，在375℃的高溫下不分解、不熔化，且具有良好的絕緣性和抗腐蝕性，生命周期比較長(zhǎng)；葉健青[7]等研究發(fā)現(xiàn)芳砜綸在燃燒時(shí)不熔融、不收縮，離火焰自媳，有較好的耐磨性、抗沖擊性和熱穩(wěn)定性，極少有陰燃或余燃現(xiàn)象，其起始分解溫度約為373℃，在此之前試樣處于穩(wěn)定狀態(tài)，分解溫度約為420℃。

1.2 現(xiàn)有隔熱層的不足

美國(guó)海軍蒸汽服裝，日本過(guò)熱蒸汽防護(hù)服，以及法國(guó)對(duì)熱防護(hù)的研究，都是以服裝的厚重?zé)o死角來(lái)?yè)Q取絕對(duì)的熱防護(hù)，防護(hù)服幾乎覆蓋全身。以縫制拉鏈的方式來(lái)達(dá)到無(wú)縫隙結(jié)構(gòu)，甚至于縫制時(shí)產(chǎn)生的針孔都用耐熱性防水劑堵死。雖說(shuō)防護(hù)隔熱方面性能一流，但是舒適性與靈活性大幅降低，不適合火場(chǎng)救援[8]。嚴(yán)成等[9]人公布了一種甲綸Suplon聚酰亞胺纖維設(shè)計(jì)織制的防護(hù)服隔熱層面料，較于傳統(tǒng)的纖維防護(hù)服隔熱層，TPP測(cè)試結(jié)果更加優(yōu)越，但是目前，國(guó)內(nèi)能實(shí)現(xiàn)聚酰亞胺纖維產(chǎn)業(yè)化及銷(xiāo)售的企業(yè)較少，所以并不具備普及性。芳綸纖維是世界上使用最普及的材料，但其價(jià)格昂貴，所以在實(shí)際應(yīng)用時(shí)常與其他阻燃纖維混紡織造以降低成本。芳砜綸纖維具有良好的耐腐蝕性和耐熱性，但強(qiáng)度不大，耐撕破力不強(qiáng)，芳綸纖維的缺點(diǎn)是抗壓縮強(qiáng)度和抗扭轉(zhuǎn)性能差，不耐紫外光和不耐水[10]；近幾年，由于氣凝膠優(yōu)異的隔熱性能和超低密度，部分團(tuán)隊(duì)開(kāi)始研究SiO2氣凝膠型隔熱層，研究表明，采用SiO2氣凝膠作為隔熱層的消防服導(dǎo)熱系數(shù)僅為現(xiàn)役消防服的1/4，重量?jī)H為現(xiàn)役消防服的1/3。

2 氣凝膠

氣凝膠最早是由美國(guó)科學(xué)工作者S·Kistler在1931年制得的一種具有超高孔隙率的三維納米多孔材料[11]，其多孔率可達(dá)80%～99.8%，具有低密度、低折射率、高比表面積等特征。氣凝膠是世界上密度最小的固體[12]，也是世界上最輕的固體，已入選吉尼斯世界紀(jì)錄。同時(shí)具有非常良好的隔熱性能，一寸厚的氣凝膠相當(dāng)于20-30塊普通玻璃的隔熱效果，熔點(diǎn)高達(dá)到1000℃，最高能承受1400℃的高溫。目前氣凝膠的種類(lèi)已有很多，包括硅系、碳系、硫系、金屬氧化物系和金屬系等，一般最常見(jiàn)的是硅氣凝膠，綜合性能較好，其中應(yīng)用領(lǐng)域和范圍最廣的是SiO2氣凝膠。目前可以直接買(mǎi)到氣凝膠成品，其種類(lèi)和參數(shù)不同，價(jià)格也不相同，價(jià)格一般為150～500元/斤，在實(shí)驗(yàn)室中也可以通過(guò)化學(xué)方法制作氣凝膠，但制作過(guò)程比較繁瑣。氣凝膠原材料主要有兩種宏觀表現(xiàn)形式，即氣凝膠粉末和氣凝膠塊，純的氣凝膠脆性很大、抗壓性差，可以通過(guò)添加其他材料來(lái)改善性能使其應(yīng)用更加廣泛。氣凝膠材料的組成成分絕大部分是氣體，具有極高的孔隙率，隔熱性能優(yōu)異，熱能損失較小，其常溫常壓在空氣中的熱傳導(dǎo)率一般為0.0015～0.0020。

3 氣凝膠在服裝領(lǐng)域中的應(yīng)用

早期，由于氣凝膠的力學(xué)性能比較差，將其運(yùn)用于服裝領(lǐng)域相對(duì)困難。但由于其優(yōu)越的熱防護(hù)性能，很多學(xué)者不斷研究。美國(guó)航天局旗下一家公司率先在氣凝膠衣服生產(chǎn)工藝取得突破，通過(guò)增韌技術(shù)，將氣凝膠結(jié)合到纖維中使其變得柔韌，出現(xiàn)了氣凝膠柔性材料，打開(kāi)了氣凝膠通往服裝領(lǐng)域的大門(mén)。意大利服裝公司Corpo Nove生產(chǎn)了冬季極端寒冷條件下的氣凝膠夾克[13]；NASA阿斯彭氣凝膠公司(Aspen Aerogels)制作了氣凝膠太空服[14]；2009年，阿斯彭公司與加拿大一家公司合作，共同研發(fā)了一種氣凝膠纖維，名為“零夾層”，對(duì)這種材料進(jìn)行測(cè)試后，發(fā)現(xiàn)隔熱保暖效果非常好[15]。Shaid[16]等人通過(guò)在羊毛芳綸混紡織物中加入疏水性氣凝膠納米顆粒，得到了加入2%的氣凝膠納米顆?？稍黾?8.64%的熱阻但降低45.46%的透氣性，并且氣凝膠顆粒涂在織物內(nèi)層或表面的性能也明顯不同。據(jù)研究表明，3mm氣凝膠厚度保暖效果優(yōu)于40mm厚的羽絨。

目前，氣凝膠與面料的結(jié)合技術(shù)已有成效，但開(kāi)發(fā)的氣凝膠產(chǎn)品主要應(yīng)用于御寒保暖等方面，利用隔熱性能方面的生產(chǎn)產(chǎn)品幾乎沒(méi)有，以隔熱性能為主的氣凝膠型消防服也尚待研究。

4 氣凝膠在消防服中應(yīng)用的初步探索

Shaid[17]等人在消防服隔熱層的一面涂上了硅系氣凝膠粉末，結(jié)果表明改善后的隔熱層具有良好的熱防護(hù)性；Jin[18]等人通過(guò)對(duì)經(jīng)氣凝膠處理和未經(jīng)氣凝膠處理的消防服進(jìn)行人體假人測(cè)試，結(jié)果表明經(jīng)氣凝膠處理的消防服的熱防護(hù)性能比未經(jīng)處理的高；張興娟[19]等在中國(guó)較早的提出了氣凝膠在消防服中的應(yīng)用，在SiO2氣凝膠服裝的可行性分析中提到，將氣凝膠隔熱材料應(yīng)用到現(xiàn)役消防服織物中，用氣凝膠填充的隔熱消防服的重量比傳統(tǒng)消防服的重量降低70%以上，可使消防服裝更為輕薄，從而減輕消防戰(zhàn)士的負(fù)擔(dān)。任乾乾[20]等研究了SiO2氣凝膠的防火隔熱組合面料，將面料分為灼燒面的熱面和試樣背面的冷面，通過(guò)酒精噴燈灼傷實(shí)驗(yàn)，將組合面料的熱面在450℃的高溫火焰下灼燒50s，其冷面的溫度不超過(guò)40℃，得出此SiO2氣凝膠防火隔熱組合面料可以隔開(kāi)400℃以上高溫的結(jié)論。Qi[21]等人將氣凝膠應(yīng)用于消防服中，結(jié)果顯示在相同的熱輻射下，填充氣凝膠的消防服的背面溫度比原樣的低100℃，但在暴露期間會(huì)有一個(gè)短暫的溫度跳躍，并且消防服重量降低了24.3%，驗(yàn)證了氣凝膠在消防服中運(yùn)用的可行性。

5 結(jié)論

(1)目前有相當(dāng)一部分消防員在救援過(guò)程中死于熱應(yīng)激，一方面是因?yàn)橄婪母魺嵝阅懿粔颍硪环矫媸窍婪容^厚重，因此，改善消防服的隔熱層對(duì)保障消防員的生命安全有著重要的作用。氣凝膠密度小且隔熱性能優(yōu)異，可用于消防服隔熱層的研制。

(2)用氣凝膠材料研制消防服的隔熱層還面臨著許多難題，比如氣凝膠的脆性大，力學(xué)性能較差，且在高溫環(huán)境下，氣凝膠的多孔結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生坍塌，熱導(dǎo)率會(huì)上升等，這些都導(dǎo)致其防護(hù)性能受到影響，因此，在未來(lái)的研究中，要更多的向著服用性能靠攏。