國內外防電弧織物標準研究

孫啟龍 孫茂軍 丁健梅 唐 虹 張成蛟

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

1 電弧的危害

電弧實質是一種氣體放電現(xiàn)象。當電壓超過空氣（絕緣介質）的擊穿電壓時，空氣被電離，形成等離子體，同時瞬間釋放出巨大能量。電弧的危害主要有三種表現(xiàn)。一種是熱效應：電弧瞬間放電產(chǎn)生巨大的焦耳熱，電弧核心溫度可超過10 000℃，電弧通道周圍空氣被瞬間加熱后體積迅速膨脹，形成高熱氣流，其中包含金屬電極的熔融飛濺物，可直接造成裸露皮膚的嚴重灼傷，或者點燃可燃性衣物，抑或導致滌綸、錦綸等衣物熔融黏附于皮膚，造成嚴重燒傷。因此，熱效應是電弧危害的主要表現(xiàn)。另一種是沖擊波效應：電弧放電在電弧通道內釋放巨大的焦耳熱，使電弧通道以超音速向外膨脹、擠壓電弧通道周圍的氣體，產(chǎn)生沖擊波，沖擊波超壓可導致人員鼓膜充血或者造成聽覺傷害，劇烈的沖擊波可直接導致人體內臟器官損傷。在通常的電弧事故中沖擊波超壓相對較小，不是主要傷害。最后一種是強紫外效應：電弧熱效應導致氣體、金屬等原子發(fā)生能級躍遷，釋放出各種頻段的電磁波，其中含有大量的紫外線；紫外線穿透性能較差，只要皮膚表面衣物不破裂，即可形成有效防護。

電弧事故難以預測，且電弧事故常造成重大的人身傷害［1］。據(jù)統(tǒng)計，法國電氣事故平均每年125起，其中電弧事故占77%，造成永久殘疾占21%，死亡事件30起，住院治療達153人次，非住院治療34人次。防電弧服可以有效降低電弧事故對人體造成的傷害，在歐美等發(fā)達國家已經(jīng)得到了廣泛應用［2］。隨著社會的發(fā)展和安全意識的提高，電弧防護用品在我國也逐漸得到了應用。

2 防電弧織物的開發(fā)現(xiàn)狀及國內外標準要求

2.1 防電弧織物的開發(fā)現(xiàn)狀

對防電弧織物有以下要求：具有良好的阻燃性能，在電弧熱效應作用下不被點燃；具有良好的隔熱性能，較大的緊度可以減少熾熱空氣的透過，較大的厚度和多層結構可以減少熱量的傳導，提升面料的隔熱性能；在熱流沖擊作用下不產(chǎn)生破裂，否則易導致電弧防護失效。

防電弧織物破裂緣于三個方面：織物受熱碳化后強度下降；沖擊波的超壓作用對織物進行破壞；織物在高熱作用下產(chǎn)生劇烈熱收縮，形成內應力，導致織物損傷。

國內一般采用具有永久阻燃性能的原料制備防電弧織物，通常采用間位芳綸、對位芳綸、聚酰亞胺纖維、阻燃腈氯綸、阻燃粘膠、導電纖維等混紡制備。間位芳綸阻燃性能較好，受電弧熱流作用后迅速收縮碳化，產(chǎn)生較厚的碳化層，具有良好的隔熱性能；同時纖維具有較高的強度，摻量較大時可以提高織物的整體強力，從而保證織物在電弧熱流沖擊作用下不破裂。對位芳綸強度高，熱收縮率小，少量對位芳綸的摻入對織物力學性能影響不大，但是可以作為“骨架材料”，提高織物的高溫尺寸穩(wěn)定性。阻燃腈氯綸阻燃性能良好，纖維價格低，在電弧熱流沖擊作用下產(chǎn)生大量不燃氣體，可對電弧熱流產(chǎn)生“對沖”作用，從而對電弧熱進行有效防護。阻燃粘膠吸濕性能好，可大幅度提高織物的舒適性能；導電纖維可以增強織物的防靜電性能，解決間位芳綸、對位芳綸等易產(chǎn)生靜電的問題。

除永久阻燃防電弧織物以外，國外也大量采用阻燃棉、阻燃錦綸的混紡防電弧織物。純紡的阻燃棉和阻燃錦綸織物在高熱作用下分別表現(xiàn)為表面迅速碳化和表面迅速熔融，在厚度制約下難以形成有效的電弧防護，然而阻燃棉、阻燃錦綸的混紡織物在電弧高熱作用下形成碳和熔融錦綸混合物，可以保證混紡織物在高熱作用下仍具有一定強度，不至于破裂。但是與上述永久阻燃防電弧織物相比，同樣防護等級的阻燃棉、阻燃錦綸混紡防電弧織物更厚，但具有更低的價格，更有利于防電弧產(chǎn)品的推廣應用。

另外，防電弧織物還包括防電弧雨衣織物，通常由防電弧織物經(jīng)PVC、PU涂層處理或與PU等防水透氣膜復合而成。除防電弧性能以外，還具有防水、透濕、防風等性能，而且經(jīng)涂層和覆膜后織物的防電弧性能較原織物得到顯著提高，在國外市場得到了廣泛的應用。

2.2 國內外防電弧織物標準要求

我國防電弧織物的相關技術標準只有DL/T 320—2019《個人電弧防護用品通用技術要求》（以下簡稱DL/T 320—2019）［3］。該標準既規(guī)定了電弧危害評估方法和電弧防護用品的選配方法，還對防電弧服、防電弧手套、防電弧面罩等提出了技術要求，其中對防電弧服織物的阻燃性能、高溫尺寸穩(wěn)定性能、機械性能和電弧防護性等提出了具體要求。

在 國 外 ，NFPA 70E—2018《Standard for Electrical Safety in the Workplace》（以下簡稱NF?PA 70E—2018）詳細描述了電弧危害評估方法和電弧防護用品的選配方法，而防電弧服織物阻燃、機械等相關性能要求則由ASTM F1506?20—2020《Standard Performance Specification for Flame Resistant and Electric Arc Rated Protective Clothing Worn by Workers Exposed to Flames and Electric Arcs》以下簡稱（ASTM F1506?20—2020）和IEC 61482?2—2018《Live Working Pro?tective Clothing against the Thermal Hazards of An Electric Arc Part 2：Requirements》（以下 簡稱IEC 61482?2—2018）進行了描述。此外，ASTM F1891—2019《Standard Specification for Arc and Flame Resistant Rainwear》（ 以 下 簡 稱ASTM F1891—2019）規(guī)定防電弧雨衣面料的技術要求［4?7］。

DL/T 320—2019配置原則：可能面臨電弧能量大于6 cal/cm2的人員或進入可能有電弧危害區(qū)域的人員；防護織物分4級，1級（6 cal/cm240 cal/cm2，Ebt>40 cal/cm2，單位面積質量≤600 g/m2）。

NFPA 70E—2018配置原則：可能暴露在入射能量大于1.2 cal/cm2的電弧危害中的人員；防護織物分4級，1級：4 cal/cm2≤A T P V和Ebt兩者之間較小值<8 cal/cm2；2級：8 cal/cm2≤A T P V和Ebt兩者之間較小值<25 cal/cm2；3級：25 cal/cm2≤A T P V和Ebt兩者之間較小值<40 cal/cm2；4級：A T P V和Ebt兩者之間較小值≥40 cal/cm2。

DL/T 320—2019對單層防護織物性能要求。洗前阻燃性能要求：損毀長度≤100 mm，續(xù)燃時間≤2 s，測試標準GB/T 5455—2014《紡織品燃燒性能垂直方向損毀長度、陰燃和續(xù)燃時間的測定》。洗后阻燃性能要求：按照GB/T 17595—1998《紡織品 織物燃燒試驗前的家庭洗滌程序》洗滌?烘干100次后，損毀長度≤100 mm，續(xù)燃時間≤2 s（同時要求應采用本質阻燃材料）。對斷裂強力的要求：單位面積質量≤200 g/m2，斷裂強力300 N；200 g/m2<單位面積質量≤290 g/m2，斷裂強力450 N；測試標準GB/T 3923.2—2013《紡織品織物拉伸性能第2部分：斷裂強力的測定（抓樣法）》。對撕破強力的要求：單位面積質量≤200 g/m2，撕破強力25 N；200 g/m2<單位面積質量≤290 g/m2，撕破強力40 N；測試標準GB/T 3917.3—2009《紡織品 織物撕破性能 第3部分梯形試樣撕破強力的測定》。對耐磨性能的要求：單位面積質量≤200 g/m2，耐磨性能300圈；200 g/m2<單位面積質量≤290 g/m2，耐磨性能400圈；測試標準GB/T 30314—2013《橡膠或塑料涂覆織物耐磨性的測定泰伯法》。高溫尺寸穩(wěn)定性≤10%，測試標準GA10—2014《消防員滅火防護服》。洗滌尺寸穩(wěn)定性在±2.5%以內，測試標準GB/T 8630—2013《紡織品 洗滌和干燥后尺寸變化的測定》。

ASTM F1506?20—2020對單層防護織物性能要求。洗前阻燃性能要求：損毀長度≤152 mm，續(xù)燃時間≤2 s，測試標準ASTM D6413—2008《Standard Test Method for Flame Resistance of Textiles（Vertical Test）》。洗后阻燃性能要求：按 照AATCC 135—2018《Dimensional Changes of Fabrics after Home Laundering》洗滌?烘干25次后損毀長度≤152 mm，續(xù)燃時間≤2 s。對斷裂強力的要求：101 g/m2≤單位面積質量≤200 g/m2，斷裂強力134 N；201 g/m2≤單位面積質量≤290 g/m2，斷裂強力179 N；單位面積質量≥291 g/m2，斷裂強力223 N，測試標準ASTM D5034—2009《Standard Test Method for Breaking Strength and Elongation of Textile Fabrics（Grab Test）》。對撕破強力的要求：101 g/m2≤單位面積質量≤200 g/m2，撕破強力11 N；201 g/m2≤單位面積質量≤290 g/m2，斷裂強力18 N；單位面積質量≥291 g/m2，撕破強力22 N，測試標準ASTM D1424—2019《Standard Test Method for Tearing Strength of Fabrics by Falling Pendulum（Elmendorf Type）Apparatus》。洗滌尺寸穩(wěn)定性≤3%，測試標準AATCC 135—2018《Dimension?al Changes of Fabrics after Home Laundering》。

IEC 61482?2—2018對單層防護織物性能要求。阻燃性能要求：洗滌?烘干5次后，不能燃燒至頂部或任意邊緣，無破洞形成，無燃燒或熔融滴落物，陰燃時間≤2 s，續(xù)燃時間≤2 s，測試標準ISO 15025—2000《Protective Clothing Protection against Heat and Flame Method of Test for Limit?ed Flame Spread》。對斷裂強力的要求：單位面積質量≤220 g/m2，斷裂強力250 N；單位面積質量>220 g/m2，斷裂強力400 N；測試標準ISO 13934?1—2013《Textiles Tensile Properties of Fabrics Part1：Determination of Maximum Force and Elongation at Maximum Force Using the Strip Method》。對撕破強力的要求：單位面積質量≤220 g/m2，撕破強力10 N；單位面積質量>220 g/m2，撕破強力15 N，測試標準ISO 13937?2—2000《Textiles Tear Properties of Fabrics Part 2：Determination of Tear Force of Trouser Shaped Test Specimens（Single Tear Method）》。高溫尺寸穩(wěn)定性≤5%，測試標準ISO 17493—2016《Clothing and Equipment for Protection against Heat Test Method for Convective Heat Resistance Using a Hot Air Circulating Oven》。洗滌尺寸穩(wěn)定性在±3%，測試標準ISO 5077—2007《Tex?tiles Determination of Dimensional Change in Washing and Drying》。

從以上標準的性能要求可以看出，國外對防電弧紡織品的使用要求更加嚴格，可能暴露在入射能量大于1.2 cal/cm2的電弧危害中的人員都需要配置防電弧服裝，而國內則要求可能面臨電弧能量大于6 cal/cm2的人員或進入可能有電弧危害區(qū)域的人員配置防電弧服裝。同時，國內對防電弧織物的防護級別劃分要求與國外標準存在明顯不同，國外只對織物的A T P V和Ebt之間的較小值進行要求，而國內標準對A T P V、Ebt和單位面積質量同時做出了嚴格的要求，且明顯高于國外標準。雖然測試標準略有不同，但還是可以看出國內標準對防電弧織物阻燃性能、力學性能、洗滌尺寸穩(wěn)定性等的要求顯著高于國外標準；國內標準還要求防電弧織物采用本質阻燃材料，而國外標準則沒有相關要求。根據(jù)標準要求，國內產(chǎn)品必須采用間位芳綸、對位芳綸等價格較高的纖維原料，而國外則出現(xiàn)了阻燃棉、阻燃錦綸混紡織物、PVC涂層阻燃棉、阻燃腈氯綸面料等性價比較高的產(chǎn)品。

3 國內外防電弧織物防護性能評價方法

防電弧織物的電弧防護性能評價方法主要評價紡織品對電弧熱的防護效果，其測試原理如圖1所示。分別利用織物前、后的熱流計測試入射電弧能量和透過織物電弧能量，進而分析得到電弧防護性能。

圖1 電弧防護性能測試原理圖

目前防電弧織物防護性能測試標準主要有ASTM F1959/F1959M—2012《Standard Test Method for Determining the Arc Rating of Materi?als for Clothing》（ 以 下 簡 稱ASTM F1959/F1959M—2012）、IEC 61482?1?1—2009《Live Working Protective Clothing against the Thermal Hazards of an Electric Arc Part 1?1：Test Meth?ods-Method 1：Determination of the Arc Rating（A T P VorEBT50）of Flame Resistant Materials for Clothing》（以 下 簡 稱IEC 61482?1?1—2009）和IEC 61482?1?2—2014《Live Working Protective Clothing against the Thermal Hazards of an Elec?tric Arc Part 1?2：Test Methods?Method 2：Deter?mination of Arc Protection Class of Material and Clothing by Using a Constrained and Directed Arc（Box Test）》（以 下 簡 稱IEC 61482?1?2—2014）等［8?10］。國內尚無電弧防護性能測試裝置，所以也沒有建立相關測試標準，只是在DL/T 320—2019中簡單描述了類似于ASTM F1959/F1959M—2012的測試方法。

國外測試機構，如西班牙Aitex研究所、加拿大Kinectrics公司等可提供測試服務。測試標準ASTM F1959/F1959M—2012和IEC 61482?1?1—2009測試方法基本一致，測試時利用開放空間中產(chǎn)生的電弧對面料進行測試，利用透過織物電弧能量和斯托爾曲線判斷是否會產(chǎn)生二級燒傷，利用統(tǒng)計方法得到A T P V，即入射的電弧能量有50%的可能導致熱能透過織物造成II度燒傷的能量值；利用統(tǒng)計方法得到面料的Ebt，即入射的電弧能量有50%的可能導致織物破裂的能量值。一般至少需要7次燃弧試驗得到至少20個有效測試結果才能統(tǒng)計得到A T P V。二者的主要差異在于：IEC 61482?1?1—2009測試試樣需要采用ISO 6330—2012《Textiles—Domestic Washing and Drying Procedures for Textile Testing》水洗方式處理，而ASTM F1959/F1959M—2012測試試樣則需要采用AATCC 135—2018《Dimensional Changes of Fabrics after Home Laundering》水 洗方式處理。

IEC 61482?1?2—2014采用有約束的定向電弧進行測試，在一面開口的長方體箱中產(chǎn)生電弧對織物進行測試，測試等級只有Class1和Class2兩種。該測試為合格性測試，只反映所測面料是否達到Class1和Class2等級，一般至少需要4次燃弧試驗，得到至少4個有效測試結果，再分析是否達到測試等級。Class1和Class2等級具體測試指標有電流值、電壓值、燃弧時間和電源頻率。

4 結論

本研究介紹了電弧的危害，分析了電弧防護織物需要具備的性能和各組分纖維在電弧防護中的作用，對比了國內外防電弧織物標準要求和測試標準及評價方法，可以得出以下結論。

（1）DL/T 320—2019從電力行業(yè)使用者角度對防電弧織物提出了要求，與國外標準相比使用要求相對較低，國外標準要求可能暴露在入射能量大于1.2 cal/cm2的電弧危害中的人員都需要配置防電弧服裝，而國內則要求可能面臨電弧能量大于6 cal/cm2的人員或進入可能有電弧危害區(qū)域的人員需要配置防電弧服裝。

（2）DL/T 320—2019對產(chǎn)品性能要求高于國外標準。例如阻燃性能、力學性能、洗滌尺寸穩(wěn)定性等的性能要求顯著高于國外標準；DL/T 320—2019明確要求采用本質阻燃材料，而國外標準則無該要求；國內外標準對防電弧織物的分級存在顯著不同，國內標準對防電弧織物的A T P V值、Ebt和單位面積質量同時提出要求，國外標準只對A T P V值和Ebt二者中的較小值進行了規(guī)定。

（3）國內尚無電弧防護性能測試裝置，國外標準ASTM F1959/F1959M—2012、IEC 61482?1?1—2009和IEC 61482?1?2—2014，前二者采用開放空間中產(chǎn)生的電弧對面料進行測試，得到A T P V值和Ebt；而IEC 61482?1?2—2014采用有約束的定向電弧進行測試，判斷樣品是否達到Class1或Class2。

目前，由于國外送檢周期長且價格昂貴，已經(jīng)顯著影響了國內防電弧織物的開發(fā)，測試裝置的開發(fā)已經(jīng)迫在眉睫；在引進國外技術的同時，可以考慮在現(xiàn)有電力設備燃弧測試裝置基礎上進行技術改造，以適用于防電弧織物的性能測試；此外，應積極探索電弧防護性能與織物其他物理性能之間關系，在送檢前進行預估，以減少研發(fā)費用。為了更快推廣防電弧紡織品的應用，開發(fā)性價比更高的防電弧織物十分重要，但是目前的國內標準要求高，不利于高性價比產(chǎn)品的開發(fā)，所以國內標準與國際標準的接軌也將成為電弧防護領域的重要工作。