高檔阻燃防護服的設計探討*

劉呈坤 賀海軍

(1. 東華大學紡織學院，上海，201620；2. 西安工程大學紡織與材料學院，西安，710048；3. 山東如意集團，濟寧，272073)

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高檔阻燃防護服的設計探討*

劉呈坤1,2,3賀海軍2

(1. 東華大學紡織學院，上海，201620；2. 西安工程大學紡織與材料學院，西安，710048；3. 山東如意集團，濟寧，272073)

介紹了阻燃防護服的相關評價方法及標準。概述了阻燃防護服有關的研究成果，從纖維材料的選擇、紗線的設計以及防護服的服用舒適性三個方面對高檔阻燃防護服的設計進行了討論，并指出了目前阻燃防護服設計中存在的問題和需要改進之處。

阻燃防護服，設計，阻燃性能，服用舒適性

據資料統計，世界上大約有20%以上的火災事故都是由紡織品燃燒引起的，美國火災死亡人數每年約8 000余人，其中主要是源自床上用品、家具裝飾用品和服裝用品引起的火災[1]。因此，紡織品的阻燃功能對消除火災隱患，延緩火勢蔓延，降低人們生命財產和國有資產的損失都極為重要。

近年來，世界各國積極開展阻燃紡織品方面的技術研究，并制定了相應的紡織品燃燒性能測定方法、標準和應用法規等。

我國標準GB 8965.1—2009《防護服裝 阻燃防護 第1部分：阻燃服》規定的面料阻燃性能分為A、B、C三級。 A級面料適用于使用者從事有明火、散發火花、在熔融金屬附近操作有輻射熱和對流熱的場合穿用的阻燃服。A級面料要求洗滌50次后續燃和陰燃時間均小于2 s，損毀長度不大于5 cm；要求洗滌50次后與皮膚直接接觸的熱防護系數(TPP)≥126 kW·s/m2，皮膚與服裝間有空隙的TPP≥250 kW·s/m2。B級面料適用于使用者從事有明火、散發火花、有易燃物質并有發火危險的場所穿用的阻燃服，要求洗滌50次后續燃和陰燃時間均小于2 s，損毀長度不大于10 cm。C級面料適用于臨時或不長期使用的使用者從事在有易燃物質并有發火危險的場所穿用的阻燃服，要求洗滌12次后續燃和陰燃時間均小于5 s，損毀長度不大于15 cm。三個等級的面料均不允許有熔融滴落。

國外有關防護服的標準也有很多，如美國的16 CFR 1610和NFPA 2112、歐盟的EN531、日本的JISL1091、德國的DIN23320和澳大利亞的AS 4824—2001等標準。總后勤部軍需裝備研究所教授級高工施楣梧博士指出，這些標準有的更加嚴格，諸如采用了更加接近實際使用狀態的專用測試方法。我國阻燃防護服標準與國外標準所列的阻燃要求雖較接近，但內容上還需更加完善，這樣才能與國際接軌。

阻燃面料大致可分為兩類：一類是利用阻燃整理劑對織物進行阻燃整理得到的整理型阻燃面料；另一類是以阻燃纖維(包括改性阻燃纖維和本質阻燃纖維)為原料進行純紡或者與其他纖維混紡，再經織造染整加工得到的阻燃面料。目前國內除消防服為了與國際接軌，部分采用芳綸面料外，其他行業的個體安全防護服基本上還是以采用經阻燃整理的棉布或滌綸面料為主，普遍存在洗滌后阻燃性能顯著下降、使用壽命短、耐高溫性能差、強度特別是撕破強度低、舒適性能差等缺點，因此通常不作為高檔阻燃產品使用。另外，針對阻燃劑的致癌性和毒性問題，聯合國衛生組織曾委托歐美的3家檢測公司進行了測定分析，最后得出相同的結論：除了鋯系和鈮系阻燃劑之外，其他所有有機阻燃劑全部具有致癌性。因此，美國和歐盟禁止在本國生產整理型阻燃紡織品和禁止整理型阻燃紡織品進入美國市場[1]。基于此背景，本文將重點討論以阻燃纖維為原料加工的阻燃面料。

高檔阻燃防護服除了應具有必要的拉伸、撕裂、耐磨、染色和耐洗性等常規性能外，更重要的是要求其具有良好的阻燃隔熱性以及服用舒適性。綜合性能良好的阻燃防護服既可以保證穿著者自身的生命安全，又可以保證執行任務時的專注度，從而最大限度地提高救災效率。本文將從纖維材料的選擇、紗線的設計以及防護服的服用舒適性三個方面對高檔阻燃防護服的設計進行討論。

1 纖維選擇

阻燃纖維通常分為兩類：本質阻燃纖維和改性阻燃纖維。

本質阻燃纖維就是指在250～300 ℃溫度范圍內可長期使用的纖維，纖維柔軟、有彈性且具有一定的加工性能。重點是指一些梯形結構、金屬螯合、分子高度交聯或芳雜環類高聚物以及大分子中含有鹵素的高聚物，如聚丙烯腈預氧化(PO)纖維、間位芳綸(芳綸1313，PMIA纖維)、對位芳綸(芳綸1414，PPTA纖維)、聚芳酯(PAR)纖維、芳砜綸(PSA纖維)、聚苯硫醚(PPS)纖維、聚酰胺-酰亞胺(PAI)纖維、聚酰亞胺(PI)纖維、三聚氰胺-甲醛(MF)纖維、聚苯并咪唑(PBI)纖維、聚醚醚酮(PEEK)纖維、聚芳噁二唑(POD)纖維、聚四氟乙烯(PTFE)纖維、聚醚(PEI)纖維和酚醛(PN)纖維等阻燃纖維[2-3]，其中用量相對較多的是芳綸。傳統芳綸的分子結構排列緊密，制成的面料質硬，穿著不舒適，且玻璃化溫度高達270 ℃，染料分子不易進入，上染率較低，特別是深顏色的染色牢度較差，使用常規染色方法很難使芳綸染上滿意的顏色。我國應用的芳綸大部分是本色纖維，但如果想用其開發高檔阻燃面料，染色和舒適性問題是必須要面對和解決的問題[4-5]。解決芳綸著色問題的主要途徑有兩個：一是在紡絲液中直接加入色母粒，生產有色芳綸，該方法的優點是色牢度較好，但其鮮艷度較差，成本較高；二是通過對纖維表面進行物理和化學改性，以增大其比表面積并引入親水性基團，使得纖維對染料的親和力增加，從而提高上染率及色牢度。張穎[6]利用低溫等離子體對芳綸表面進行改性，研究了處理前后物理性能及染色性能的變化。結果表明，通過改性，芳綸表面引入了親水性基團，使用陽離子分散染料對其進行染色，K/S值有所提高，水洗色牢度可達到3級，濕摩擦色牢度達到2～3級，240 ℃溫度條件下5 min色變不大于3級，且改性后的力學性能基本保持不變。沈麗等[7]利用低溫氧等離子體對芳綸1313紗線表面進行改性。結果發現：由于纖維表面被刻蝕，增加了纖維之間的抱合力，使得紗線的強力得到提高；在纖維表面引入了含氧基團，加之纖維比表面積的增加，使紗線的親水能力增強，染色性能改善。

除了染色困難，芳綸還存在抗紫外線能力較差的問題。這是由于芳綸大分子鏈上含有大量的酰胺基，在紫外光照射下容易發生斷鏈，進而引起力學性能的下降，特別是在氧原子和紫外光的共同作用下，對其性能影響更大。有研究人員利用共聚改性的方法提高芳綸的抗紫外線性能，但該方法會在一定程度上破壞大分子鏈的原始結構[5]。與芳綸不同，PEI阻燃纖維卻對紫外線具有很強的吸收作用，而且能輕易上染，成本低廉，柔韌性好，完全適合戶外穿著使用，符合可持續發展的需要[8]。

改性阻燃纖維就是在本身不阻燃的聚合物中加入少量的阻燃單體，通過共混、共聚、接枝以及輻照交聯等方法制成的具有阻燃性能的纖維。該方法工藝簡單，可紡性好，成本較低，易于工業化，因此應用較多。為了同時考慮到防護服的熱調節舒適性，研究人員也有將阻燃單體和相變材料共混制得納米級的阻燃相變微膠囊，然后再紡制蓄熱調溫阻燃纖維[9-10]。改性阻燃纖維也存在缺點，如：阻燃單體含量的提高雖然能提高阻燃性能，但卻會在一定程度上降低阻燃纖維的強度；部分產品還存在熔融滴落的現象。目前已實現工業化且應用較多的改性阻燃纖維主要有腈氯綸、阻燃黏膠纖維、阻燃腈綸(PAN纖維)、阻燃維綸(PVA纖維)、阻燃滌綸(PET纖維)和阻燃錦綸(PA纖維)等[11]。蘭精熱防護纖維就是一種植入阻燃介質，采用Modal工藝生產的改性阻燃黏膠纖維。該纖維可以和其他許多高性能纖維進行混紡，如美國杜邦的Nomex纖維、日本帝人的Conex纖維，以及我國煙臺氨綸的NewStar Meta-aramid纖維、上海市合成纖維研究所的PSA纖維等。蘭精熱防護纖維是由奧地利蘭精公司本地生產的，對于中國市場來說價格相對偏高，但在阻燃類纖維中其價格還是低于本白間位芳綸，屬于中等價位纖維，因而將具有很好的應用前景。這既可有效降低防護服的生產成本，又能提高防護服的舒適感。

阻燃抗熔滴是改性阻燃纖維領域一個非常活躍的研究方向。輻射處理作為一種節能、環保、易產業化的冷加工技術，可以使被處理的聚合物形成網狀交聯結構，從而有效改善纖維抗熔滴的性能。施楣梧等[12]研究了經γ射線輻照交聯的三聚氰胺/PA 6纖維的抗熔滴和熱降解行為。結果表明，輻照交聯可以大幅提高體系的成炭量，且燃燒后的炭層結構致密，從而最終有效改善了熱塑性阻燃纖維的熔融滴落現象。

防護服的燃燒性能不僅與紡織面料本身的結構有關，更取決于纖維自身的結構和性能。現有的阻燃標準測試體系主要是針對面料的測試，而針對纖維的阻燃性能測試方法和標準還是空白。這就在一定程度上制約了阻燃纖維產品的研發和推廣。如果每次都需要將纖維紡成紗織成布，然后再能進行燃燒性能檢測，則將使整個實驗周期變長、成本變高。因此，制定必要的纖維阻燃性能檢測標準，并在此基礎上開發阻燃性持久、賦予高性能和多功能、價格適中的高檔阻燃耐高溫纖維，將會成為未來人們研究的重要課題。

2 紗線設計

對于阻燃性能要求較高的阻燃制品，歐美一些國家傾向于使用高性能纖維直接純紡織造。制成的產品其耐高溫和阻燃隔熱性能均來自纖維自身，因此產品的防護性能不會因洗滌或穿著次數的增加而減弱。美國目前很多消防隊員使用的就是PBI纖維純紡面料，其阻燃隔熱性能較佳，但價格昂貴(約是芳綸1313的4～5倍)，因而該面料很難在我國國內推廣使用。除了成本因素外，部分阻燃產品還存在一旦著火，煙霧太大(如腈氯綸)以及熔融滴落(如熱塑性阻燃纖維)的現象。中國工程院院士周國泰認為：要滿足不同使用場合及不同層次用戶的需求，僅利用一種纖維開發純紡阻燃產品的方法是行不通的，選用不同種類、不同價位的纖維原料進行混紡，取長補短才是未來阻燃制品開發的主要思路。混紡既可以達到降低成本的目的，又可以利用纖維性能的優勢互補，實現阻燃防護服功能性、舒適性和經濟性的有機統一。杭州西湖科技有限公司工程師段勝偉指出，目前國內常見的阻燃面料絕大部分是采用2～3種纖維混紡，未來可考慮在保證可紡性的基礎上利用5種甚至6種不同的纖維進行混紡，通過充分利用不同纖維的不同性能，才能制造出阻燃耐用、發煙量少、染色性好、舒適以及價位更趨合理的高性能面料。因此，企業開發阻燃產品時可通過紗線結構設計實現協同效應，使得阻燃產品在具有良好阻燃性、隔熱性、舒適性、耐久性和染色性等性能的同時，兼顧低煙、無毒、無熔滴等特性[13]。

施楣梧等[14]利用羊毛、阻燃羊毛、POD纖維、芳綸1313、阻燃黏膠纖維和有機導電短纖維進行交叉混配制備纖維束小樣，并對比了樣品的燃燒狀態，目的是尋找兼具良好阻燃效果和毛型感的纖維混比配方。結果表明，采用約20%左右的羊毛纖維與其他阻燃纖維進行混紡，可以制成具有良好阻燃效果的毛型阻燃面料，且發現混入普通羊毛和混入阻燃羊毛在阻燃性能上沒有明顯的差異。

張曉芳[15]將轉杯紡紗技術應用到阻燃紗線的開發中，成功紡制了芳綸1313/阻燃PAN纖維的混紡紗線，并將其試織成面料，測試了織物的力學性能、阻燃性能以及舒適性能。結果表明，各項指標均達到了阻燃防護服標準的要求。

趙麗麗等[16]利用芳綸1313和高支澳毛，采用緊密紡紗技術，探討了制備混紡高支紗的生產工藝。研究表明，芳綸1313混紡比為20%時，既可以大大降低原料成本，又能保證服用舒適性能和阻燃特性達到較高的水平。

Ferreira等[17]利用摩擦紡紗方式制備了三種混紡比例的芯層為芳綸、皮層為羊毛的復合紗線，其羊毛/芳綸混紡比分別為50/50、 70/30和80/20，并利用其在橫機上織成片狀針織物，研究了織物的耐切割性能、阻燃性能、染色性能和抗紫外線性能。結果表明，耐切割性能、阻燃性能和抗紫外線性能均隨芳綸含量的增加而提高。織物是利用酸性染料進行染色的，對位于皮層的羊毛上染，無需考慮芳綸的含量，這就可以根據實際需要將紗線染成相應的顏色。該皮芯結構纖維可以回避芳綸由于高玻璃化溫度和高結晶度帶來的難以上染的問題。

劉建鳳[18]利用PO纖維、中長芳綸1313和羊毛混紡制得的粗紗作為外包纖維，PET長絲作為芯絲紡制不同包覆比的包芯紗，并進而織制阻燃織物。該工藝不僅可以增強紗線強力，提高纖維可紡性，而且還可以降低成本，形成良好的織物外觀和服用舒適性。研究了包覆比對織物阻燃性能的影響。結果表明，包覆比為79.7%和88.06%的包芯紗織物的極限氧指數分別為25.4%和28.9%。前者具有離火自熄的性能，而后者已屬于難燃紡織品的范疇。

汪永明等[19]采用對PSA纖維和羊毛分別染色、分別成條進行條并的方式生產PSA/羊毛色紡紗。結果表明，生產的14.6 tex的PSA/羊毛(80/20)混紡紗線強力和色牢度均達到標準要求，對應的混紡織物顏色鮮艷，手感柔軟，服用性能和阻燃性能均佳。

李向紅等[20]通過對PSA纖維和芳綸1313進行抗靜電預處理，并配合開清棉、梳理、并條、粗紗、細紗和絡筒各工序工藝的嚴格調整，成功紡制出了能滿足用于加工消防服的機織面料用紗性能要求的42 tex PSA/芳綸1313混紡紗。

姬洪等[21-22]利用磷系共聚阻燃PET纖維與芳綸1313兩種纖維制備混紡紗線，探討了混紡紗線的吸濕和耐熱性能。結果表明，隨著芳綸1313含量的增加，混紡紗線的吸濕性能和耐熱性能都隨之提高。芳綸1313的混入可以形成堅韌的焦炭層，能隔絕氧氣，提高阻燃特性，還能為改性阻燃PET纖維提供有效的支架保護，從而防止熔滴的產生。當芳綸1313質量分數為30%～40%時，熔滴現象基本消失。

鞠海虹等[23]利用可環保降解且吸濕透氣的天然阻燃海藻纖維和芳綸混紡成紗，織制了一種兼具安全和舒適性的防護阻燃面料，并對力學性能、阻燃性能以及導濕透氣性能進行了測試。結果顯示，當混紡比為30/70時，混紡面料可以同時具備較好的強力、優良的阻燃和吸濕透氣性，從而在保證阻燃的前提下，提高阻燃面料的服用舒適性。

3 服用舒適性

消防員等人員穿著的阻燃防護服雖然可以提供較好的熱防護性能，但如果由于服裝通透性等因素而導致在服裝-人體所構成的微環境中積聚過多的熱和濕，必然會使得消防員在滅火戰斗過程中體溫急劇上升，從而感到不舒服，因此必須將阻燃防護服的熱防護性和舒適性放在同等重要的地位。然而，傳統阻燃防護服在設計時考慮更多的是阻燃防護服的阻燃性，而較少注重產品的舒適性。阻燃織物的結構(紗線結構、經緯密度和織物組織等)除了影響阻燃隔熱等功能性外，還與織物的重量、拉伸性能、彎曲性能、折皺彈性、懸垂性、剛柔性和透氣透濕性等有關。美國美利肯公司李叔隆博士曾指出，對于同一等級的防火產品來說，其重量越輕，手感越舒適，則越能被使用者接受。因此，面對防火性能和舒適性能存在的矛盾，為使織物既能達到最佳的防護性能，又能賦予產品優良的舒適性能，加強織物的結構設計研究也許是一個非常有效的途徑[24-25]。

目前阻燃防護服面料的結構設計通常是依據標準GA10—2002《消防員滅火防護服》制定的。面料主要由4層構成，由外及內分別是阻燃外層、防水透濕層、隔熱層和舒適襯里層。阻燃外層多采用阻燃纖維織物(如芳綸1313織物)，具有耐高溫、阻燃等性能；防水透濕層通常選用PTFE薄膜，阻擋外層高溫熔滴侵入，同時還要具備透濕性；隔熱層采用隔熱性能優良的材料，起阻擋外熱作用；舒適襯里層靠近人體，可以使用較為柔軟的棉機織或針織面料等，保證阻燃防護面料的舒適感。這種多層結構設計使防護服具有較高的熱阻，可極大提高服裝的隔熱性能，但是高熱阻和防水性會降低防護服的透濕性，阻礙汗水的導出和揮發。另外，各層織物之間還存在容易撕裂的缺點。因此，為提高現有國產阻燃防護服的熱濕舒適性能，降低穿著人員生理荷載和心理不適感，需從整體設計出發，開發阻燃和舒適性能兼具的防護服面料。

譚冬宜等[26]采用阻燃芳綸/黏膠纖維混紡紗作為表經表緯，普通純棉紗線作為里經里緯，設計織造了5種表層阻燃、里層舒適的阻燃雙層機織物試樣，并對其進行阻燃和舒適性能測試。結果表明，設計的5種雙層織物阻燃效果均完全符合標準GB 8965.1—2009的要求，且試樣的里層舒適性能達到了服用要求。

沈蘭萍等[27]利用織物結構的變化，采用雙層表里接結組織，設計出了一種雙層阻燃防護織物，外層采用強度高、耐磨性好和彈性好的阻燃PET長絲，以保證織物挺括不皺、結實耐穿，而內層選擇吸濕強且柔軟性好的棉紗為原料，這樣既能滿足防護服的阻燃隔熱性能要求，又能提高其服用舒適性能。

呂海榮等[28]對比了阻燃防護服實現防水透濕性能的幾種方案，包括采用高密織物、微孔膜層壓/涂層織物、致密親水膜層壓/涂層織物和復合膜層壓/涂層織物等。

漆政昆等[29]采用多元回歸分析方法綜合評價消防服各層材料的熱濕舒適性能。結果表明，織物的吸濕速率與厚度、面密度以及經緯密度有關。織物的透濕率主要取決于織物的面密度和經緯密度，而干燥率則主要取決于織物的經緯密度和熱導率。以黑色PSA纖維為外層材料、Gore-Tex為防水透氣層材料、Nomex針刺氈為隔熱層材料、Nomex/FR Viscose 50/50為舒適層材料的消防服熱濕舒適性最好。

鄭春琴[30]對芳綸/棉混紡織物、阻燃PAN纖維/棉混紡織物、阻燃PET纖維/棉混紡織物、阻燃黏膠纖維/羊毛混紡織物和阻燃純棉織物等5種隔熱阻燃面料進行了熱防護性能和熱濕舒適性能研究。對于熱防護性能，分別測試了單層和多層結構面料的TPP值；對于熱濕舒適性能，采用出汗暖體假人“Walter”測試單層和多層阻燃隔熱面料的熱阻和濕阻。結果發現：單層結構面料的熱防護性能均未達到國標規定，而多層結構面料均達到了阻燃防護服對于熱防護性能的基本要求；阻燃黏膠纖維/羊毛混紡織物不適合用于防火類服裝。同時，作者利用瑞典干態暖體假人“Tore”和出汗暖體假人“Walter”進行對比實驗，提出了出汗暖體假人“Walter”的熱阻和濕阻修正公式。

王敏等[31]指出，如果將燃燒假人和暖體假人結合使用，防護服的熱防護性能和舒適性能的整體測試將更加客觀全面，從而可以更好地指導防護服款式結構的設計。

崔志英[32]采用12種常用的阻燃服用外層織物，包括NomexIIIA、PBI/Kevlar、Kermel、PSA、芳綸和阻燃棉織物等，防水透濕層選用Nomex以及阻燃棉與PTFE膜的層壓織物，隔熱層為Nomex氈、PSA氈和芳綸氈織物，利用混合正交方法進行試樣組合，并分別對其進行熱防護性能(TPP值)和透濕性能(WVTR)測試。結果表明：組合織物體系中各層織物對熱防護性能的影響程度是外層>防水層>隔熱層；組合織物體系中各層織物對透濕性能的影響程度是防水層>隔熱層>外層。同時，作者還研究了在總熱流量相同、對流/輻射構成比例不同的熱源下，織物的熱防護性能及熱量在織物中傳遞的機理；研究了水分含量對織物熱防護性能的影響規律；建立了消防服多層組合織物體系熱防護性能的預測模型。

姚波等[33]選用外層為PBI/Kevlar、芳綸/阻燃棉(FR Cotton)、NomexIIIA、芳綸1313，防水透氣層為PTFE面料和聚氨酯(TPU)涂層織物，隔熱層為PSA針刺氈和芳綸水刺氈的多層織物組合試樣進行熱防護、隔熱、透濕透氣性能的分析研究。結果表明，多層織物組合的厚度、面密度、透氣率與多層織物組合系統的熱防護性能都存在著明顯的正線性相關性，其中以厚度的影響最大。防水透氣層織物對多層織物組合系統的透氣透濕性起著主導的作用，而外層與隔熱層織物的影響相對較小。

4 結語

綜上所述，阻燃防護服面料的阻燃性能再好，但如果服裝結構設計不合理，服裝的服用舒適性及其功能性的發揮必然會受到影響，也就不能稱之為高檔阻燃防護服。因此，高檔阻燃防護服的生產需要從阻燃纖維的選擇、紗線的設計、面料的開發、服裝的結構設計，甚至到測試工作等各方面進行全方位的考慮，這是一個完整的開發過程，如果任何一個環節出現問題，都勢必會影響產品的最終質量。未來的高檔阻燃防護服應該兼顧性能、價格和環保等方面，是一種結構設計合理、觸感良好、穿著舒適、價格低廉、應用普及的產品。只有這樣的產品才有長盛不衰的生命力，才有廣闊的市場，才能創造出更大的社會效益。

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Discussion on design of high-end flame-retardant protective clothing

LiuChengkun1, 2, 3,HeHaijun2

(1. College of Textiles, Donghua University; 2. School of Textile and Materials, Xi’an Polytechnic University; 3. Shandong Ruyi Textile Co., Ltd.)

The evaluation method and standard of flame retardant protective clothing were introduced. The relevant research results were summarized. Design of high-end flame retardant protective clothing in three aspects including selection of fiber materials, design of yarn and comfortability was discussed. The problems and improvement in the design of flame retardant protective clothing were pointed out.

flame-retardant protective clothing, design, flame resistance, comfortability

*陜西省教育廳重點實驗室科研計劃項目(13JS035)；西安工程大學博士科研啟動基金項目(BS1107)

2015-01-31；修改稿：2015-03-17

劉呈坤，男，1981年生，副教授，西安工程大學紡織與材料學院副院長。主要研究方向為紡織材料與紡織品設計。

TS941.731+.3

A

1004-7093(2015)07-0028-06