基于燃燒假人試驗(yàn)評(píng)價(jià)聚酰亞胺纖維在滅火防護(hù)服上的應(yīng)用

韓 泉，王 瑾，夏燕茂

（1.江蘇奧神新材料股份有限公司，江蘇 連云港 222000；2.江蘇省灌云中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 連云港 222000）

消防員滅火防護(hù)服是保障消防員在消防救援中免受灼傷和高溫傷害的重要裝備之一。作為消防員的最后一道安全防護(hù)，消防員滅火防護(hù)服的作用至關(guān)重要，其材料選擇、款型設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)方法也隨著時(shí)代發(fā)展和科技進(jìn)步而不斷改進(jìn)和提高。本研究基于燃燒假人試驗(yàn)的測(cè)試方法，客觀、全面地評(píng)價(jià)一種新的高性能纖維—甲綸聚酰亞胺纖維在滅火防護(hù)服中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

1 聚酰亞胺材料介紹

1.1 甲綸聚酰亞胺纖維介紹

聚酰亞胺是分子主鏈上含有酰亞胺基團(tuán)的一類高分子聚合物，是綜合性能最佳的有機(jī)高分子材料之一。甲綸Suplon?是江蘇奧神新材料股份有限公司生產(chǎn)的聚酰亞胺纖維，采用全球首創(chuàng)干法紡絲聚酰亞胺纖維生產(chǎn)工藝，原液著色，品質(zhì)優(yōu)異，生產(chǎn)高效，過程環(huán)保，極限氧指數(shù)高達(dá)38%，屬于不燃材料；耐高低溫，5%失重溫度高達(dá)570 ℃；耐候性能極好，紫外輻射不褪色、不衰減，適用于滅火防護(hù)服及其他阻燃防護(hù)紡織品[1]。

1.2 滅火防護(hù)服的主要材料

消防員滅火防護(hù)服一般由4層面料組成，分別為防火層（外層）、防水透氣層、隔熱層和舒適層。外層的主要功能是防火阻燃；防水透氣層用于防止外部液體滲入內(nèi)部，同時(shí)能將人體產(chǎn)生的熱氣排出；隔熱層的主要作用是隔離體外高溫?zé)醾鲗?dǎo)和熱輻射；舒適層舒適柔軟且有吸濕排汗的功能。目前，為了減重，也可以選擇3層結(jié)構(gòu)，就是將防水透氣層和隔熱層組合為一層。

國(guó)際上的消防員滅火防護(hù)服面料主要由高性能纖維材料制成，包括間位芳綸纖維、對(duì)位芳綸纖維、PBI纖維、PBO纖維等。近年來(lái)，我國(guó)的消防員滅火防護(hù)服材料也由后整理阻燃棉逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉季]纖維、PBI纖維等。一些企業(yè)開始研發(fā)、推廣聚酰亞胺纖維在滅火防護(hù)服及其他消防裝備中的應(yīng)用并取得了一定的進(jìn)展。

1.3 甲綸聚酰亞胺面料在滅火防護(hù)服中的應(yīng)用

本研究選用的滅火防護(hù)服面料是基于甲綸聚酰亞胺纖維開發(fā)的4層面料，分別是外層面料（采用原液著色甲綸聚酰亞胺纖維的雙層復(fù)合面料）、防水透氣層（采用甲綸聚酰亞胺纖維水刺無(wú)紡布覆PTFE膜）、隔熱層（采用甲綸聚酰亞胺纖維水刺無(wú)紡布）、舒適層（采用甲綸聚酰亞胺纖維混紡面料），結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

圖1 甲綸聚酰亞胺纖維混紡面料結(jié)構(gòu)示意

2 燃燒假人試驗(yàn)

2.1 主要評(píng)價(jià)方法

全面、客觀地測(cè)試和評(píng)價(jià)滅火防護(hù)服的熱防護(hù)性能是促進(jìn)滅火防護(hù)服發(fā)展的一個(gè)重要基礎(chǔ)。目前，消防服裝的性能評(píng)價(jià)可分為織物性能測(cè)評(píng)和服裝整體性能評(píng)價(jià)兩方面，織物性能評(píng)價(jià)有熱防護(hù)性能（Thermal Protective Performance，TPP）法、輻射熱防護(hù)性能（Radiant Protective Performance，RPP）法和熱蓄積測(cè)試服（Stored Energy Tester，SET），通常以人體皮膚達(dá)到二度燒傷的時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)。服裝整體評(píng)價(jià)包括防護(hù)性和舒適工效性評(píng)價(jià)，其中，燃燒假人是當(dāng)前公認(rèn)的能客觀、全面地評(píng)估服裝整體熱防護(hù)性能的專用設(shè)備，利用燃燒假人模擬滅火防護(hù)服在實(shí)際火場(chǎng)中的穿著狀況，通過模擬熱流量、燃燒時(shí)間和火焰分布，預(yù)測(cè)人體皮膚達(dá)到二度和三度燒傷的部位和程度，對(duì)服裝的整體熱防護(hù)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)[3]。

2.2 對(duì)比測(cè)試

本研究在4層面料結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究分析，測(cè)試選擇的滅火防護(hù)服由同一廠家生產(chǎn)，同一款式，不同面料，分別為甲綸聚酰亞胺4層面料和某型號(hào)芳綸4層面料。在XF 10—2014《消防員滅火防護(hù)服》[4]行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)條件下測(cè)試，甲綸滅火防護(hù)服的TPP值為40.2，測(cè)試用芳綸滅火防護(hù)服TPP值為41.0。TPP測(cè)試結(jié)果相近，但芳綸滅火防護(hù)服略高。燃燒假人試驗(yàn)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為BS EN ISO 13506-1：2017，測(cè)試條件見表1。

表1 測(cè)試條件

圖2和圖3分別為甲綸滅火防護(hù)服和測(cè)試用芳綸滅火防護(hù)服在燃燒試驗(yàn)前后的外觀表現(xiàn)。甲綸滅火防護(hù)服燃燒后尺寸幾乎無(wú)變化，表面完好，服裝仍保持柔軟，可順利穿脫。測(cè)試用芳綸滅火防護(hù)服燃燒后收縮嚴(yán)重，面料炭化、開裂嚴(yán)重，無(wú)法正常穿脫，測(cè)試結(jié)束后需要剪開袖口才能順利脫下。

圖2 甲綸滅火防護(hù)服試驗(yàn)前后

圖3 測(cè)試用某現(xiàn)行芳綸滅火防護(hù)服試驗(yàn)前后

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理成表2。甲綸滅火防護(hù)服對(duì)應(yīng)的總燒傷面積為15.28%；測(cè)試用芳綸滅火防護(hù)服對(duì)應(yīng)的總燒傷面積為53.34%。此處頭部和腳部未做防護(hù)，燒傷面積不在計(jì)算范圍內(nèi)。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)反映的燒傷面積來(lái)看，甲綸滅火防護(hù)服對(duì)應(yīng)的總燒傷面積比測(cè)試用芳綸滅火防護(hù)服對(duì)應(yīng)的燒傷面積小了38.06%。

表2 燒傷面積對(duì)比

3 結(jié)論分析

從數(shù)據(jù)來(lái)看，測(cè)試用芳綸滅火防護(hù)服的TPP值更高，這主要是因?yàn)榉季]面料在TPP測(cè)試時(shí)遇熱炭化收縮導(dǎo)致熱通量減少。然而，在燃燒假人測(cè)試中，面料炭化開裂后，會(huì)大大降低熱防護(hù)性能，同時(shí)面料收縮嚴(yán)重也會(huì)減少面料各層之間的空氣，導(dǎo)致隔熱效果下降。甲綸滅火防護(hù)服正是因?yàn)榫埘啺凡牧媳旧淼哪蜏匦愿撸枞嫉燃?jí)更高，在明火測(cè)試過程中仍能保持面料和服裝的完整性，持續(xù)提供防護(hù)，所以，假人燒傷面積遠(yuǎn)小于芳綸滅火防護(hù)服。

XF 10—2014《消防員滅火防護(hù)服》對(duì)滅火防護(hù)服的整體熱防護(hù)性能、面料阻燃性能、熱穩(wěn)定性、面料及輔料的強(qiáng)力等物理性能都提出了具體的要求。面料生產(chǎn)企業(yè)可以通過結(jié)構(gòu)調(diào)整補(bǔ)充強(qiáng)力，但是耐燒蝕性能由材料本身的特性決定，甲綸聚酰亞胺面料的高氧指數(shù)、高炭化分解溫度和極小的損毀長(zhǎng)度反映了這一特性，這也是甲綸聚酰亞胺面料的優(yōu)勢(shì)所在。

通過燃燒假人試驗(yàn)，客觀、全面地反映了甲綸聚酰亞胺纖維在滅火防火服中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，提升了整體熱防護(hù)性能，是開發(fā)滅火防護(hù)服的理想材料。