沖擊氣流作用下防電弧面料透氣量與ATPV關(guān)系研究

李 躍，孫茂軍，陳 強(qiáng)，吳元方，孫啟龍，王 茹

（1.海寧昱品環(huán)保材料有限公司，浙江 海寧 314400；2.南通大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，江蘇 南通 226019）

電弧爆燃會(huì)產(chǎn)生巨大熱量，極易點(diǎn)燃衣物，對(duì)皮膚造成熱灼傷。因此，電力工人在超過200 V電壓下作業(yè)時(shí)[1]，要使用電弧防護(hù)裝備[2]。防電弧服比普通阻燃防護(hù)服更能抵御電弧爆燃的高熱和沖擊波，減少對(duì)人身的傷害[3]。因此，對(duì)防電弧面料的研發(fā)具有重要意義。

電弧的形成一般可分為4個(gè)階段[4]：壓縮階段、膨脹階段、排放階段和熱效應(yīng)階段。與靜態(tài)燃燒不同，電弧爆燃會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波，而沖擊波攜帶的高能熱空氣更容易透過織物，對(duì)人體造成灼傷。因此，研究電弧爆燃時(shí)透過防電弧面料的氣體量十分重要。

在電弧防護(hù)性能測試方面，美國和歐洲早已制定了防電弧紡織材料測試標(biāo)準(zhǔn)，例如ASTM F1959/F1959M[5]、NFPA 70E[6]、IEEE 1854[7]等。加拿大和西班牙也建立了比較完備的電弧防護(hù)性能測試實(shí)驗(yàn)室。國內(nèi)尚沒有建立電弧防護(hù)性能測試機(jī)構(gòu)，也缺少相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)與配備規(guī)范，對(duì)我國防電弧面料的開發(fā)已經(jīng)形成了阻礙。

電弧熱性能值（Arc Thermal Performance Value，ATPV）是指入射到單位面積上的能量有50%的可能性使足夠的熱量穿透材料引起二度燒傷的最小能量值[8]，是防電弧面料的重要性能指標(biāo)。ATPV越大，電弧防護(hù)性能越好。本研究旨在得到防電弧面料防護(hù)性能的間接評(píng)價(jià)方法，自制了電弧爆燃沖擊波模擬裝置，研究了不同ATPV的防電弧面料在沖擊氣流作用下透過氣體量之間的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

模擬電弧沖擊波實(shí)驗(yàn)裝置包括氣流發(fā)生裝置、試樣固定裝置和氣體收集裝置（圖1），氣流發(fā)生裝置包括儲(chǔ)氣罐，儲(chǔ)氣罐上裝有壓力表、進(jìn)氣閥、出氣閥和沖擊氣流出口；試樣固定裝置包括基座、橡膠墊和壓板，橡膠墊與壓板留有中心孔，測試樣品位于橡膠墊與壓板之間；氣體收集裝置由單向閥和氣體收集軟袋構(gòu)成，采用排液法測試透過氣體量。

圖1 模擬電弧沖擊波實(shí)驗(yàn)裝置

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

進(jìn)行電弧防護(hù)性能測試時(shí)，需要洗滌3次預(yù)處理，所以本實(shí)驗(yàn)先將7種防電弧面料洗滌3次后，切制成8 cm×8 cm，每種面料各剪3塊，10種試樣的詳細(xì)信息如表1所示。

表1 防電弧面料的性能指標(biāo)

將試樣固定于壓板和橡膠墊之間，打開氣泵和進(jìn)氣閥，向儲(chǔ)氣罐內(nèi)注入氣體，當(dāng)壓力表的指針指到4 bar（大約為電弧爆炸產(chǎn)生的壓力）時(shí)，停止注氣，確認(rèn)單向閥為打開狀態(tài)且氣體收集軟袋里的空氣被排凈后，迅速按動(dòng)出氣閥，使高壓沖擊氣流沖向試樣，進(jìn)入氣體收集軟袋內(nèi)，立即關(guān)閉氣體收集裝置的單向閥，防止氣體回流；取下氣體收集軟袋，將其連接到測量裝置的導(dǎo)管上，將軟管伸入倒置的量筒中，打開單向閥，擠壓氣體收集軟袋，將袋內(nèi)的氣體壓入量筒中，當(dāng)氣體排凈后取出量筒中的軟管，讀取量筒上的數(shù)據(jù)并記錄。

2 結(jié)果與分析

根據(jù)表1和測試結(jié)果進(jìn)行繪圖，得出防電弧面料在沖擊氣流作用下的透氣量與ATPV之間的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 沖擊氣流作用下的透氣量與ATPV之間的關(guān)系

從圖2可以看出，在10種防電弧面料中，有8種ATPV與沖擊氣流作用下的透氣量呈近似負(fù)線性關(guān)系。隨著防電弧面料在沖擊氣流作用下的透氣量減小，防護(hù)面料的ATPV呈上升趨勢(shì)。其中，試樣8為雙層組織，雖然面密度較大，但是組織結(jié)構(gòu)相對(duì)松散，在氣流沖擊下透過氣體較多，但是其雙層結(jié)構(gòu)可有效減少熱傳導(dǎo)量，從而擁有較高的電弧防護(hù)性能值。試樣9與所得規(guī)律偏離的原因尚不明確，有待進(jìn)一步研究。實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)量還不足，目前可以得到的結(jié)論是：在本實(shí)驗(yàn)中，80%的防電弧面料符合“高壓沖擊氣流作用下的透氣量越小，ATPV越大”的規(guī)律。

3 結(jié)語

本課題通過模擬電弧爆燃沖擊波，研究了防電弧面料在沖擊氣流作用下的透氣量與ATPV之間的關(guān)系，10種面料中有8種滿足“高壓沖擊氣流作用下的透氣量越小，ATPV越大”的特征，有助于電弧防護(hù)性能的間接評(píng)價(jià)，缺點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)不足。