防爆服的防護(hù)性能及其研究進(jìn)展

王慧玲，唐 虹，高 強(qiáng)（南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院，江蘇南通 226000）

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防爆服的防護(hù)性能及其研究進(jìn)展

王慧玲，唐 虹，高 強(qiáng)
（南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院，江蘇南通 226000）

摘 要易燃易爆危險(xiǎn)品事故影響大，給人們生命和生活帶來了較大影響，在爆炸中能起到防護(hù)作用的防爆服是保護(hù)人們生命的重要手段并且愈來愈引起人們的關(guān)注。本文對防爆服的分類、防護(hù)機(jī)理、材料特征及防護(hù)性能進(jìn)行了介紹，并概述了國內(nèi)外的防爆服的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢，在此基礎(chǔ)上對未來防爆服的應(yīng)用和研究提出了建議。

關(guān)鍵詞防爆服；防護(hù)機(jī)理；防護(hù)性能；材料特征

投稿日期：2016-04-12

0 前言

防爆服［1］又稱為防爆盔甲服，主要用于有可能發(fā)生爆炸的環(huán)境中，如戰(zhàn)爭、消防救援、煤礦救援等高危環(huán)境中，更廣泛地用于防暴和大規(guī)模暴亂的鎮(zhèn)壓等領(lǐng)域。在一些特定的比如戰(zhàn)爭、救火、抵制暴亂等高危環(huán)境中，一般的防護(hù)服裝并不能很好地對工作人員進(jìn)行保護(hù)作用，而相比于普通防護(hù)服，防爆服具有高強(qiáng)度、耐高溫、防紫外線、耐腐蝕、高模量、防輻射和阻燃等性能優(yōu)勢，能夠有效地對特種環(huán)境下作業(yè)的人體進(jìn)行保護(hù)。

目前，我國工業(yè)生產(chǎn)中的爆炸、火災(zāi)、劇毒化學(xué)泄露等災(zāi)難性事故時(shí)有發(fā)生，如2015年812天津塘沽危險(xiǎn)品倉庫爆炸事故牽動(dòng)民心，事故造成85人死亡，400余人受傷；恐怖分子利用爆炸、生化毒氣襲擊等各種手段危害公眾安全的威脅逐漸增加，如911恐怖襲擊事件，遇難人員2996人，6291人受傷。這些事故嚴(yán)重危害了人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會影響。為了防止更多更大更嚴(yán)重的事故發(fā)生，近些年我國對防爆服的研發(fā)予以很大的重視，也取得一定的進(jìn)展，但是和發(fā)達(dá)國家相比仍存在巨大差異。故需要對現(xiàn)有的防爆服的防護(hù)性能及其材料進(jìn)行研究，進(jìn)而提高我國防爆服的研發(fā)水平，達(dá)到更好的保護(hù)工作人員的目的。

1 防爆服的防護(hù)性能

1.1 防爆服的分類

1.1.1 硬質(zhì)防爆服

硬質(zhì)防暴服［2］由防暴頭盔、護(hù)肩、護(hù)背、護(hù)胸、護(hù)襠、護(hù)臂、護(hù)肘、護(hù)手背、護(hù)大腿、護(hù)膝、護(hù)小腿和護(hù)腳等部分組成。結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。硬質(zhì)防爆服防能夠有效防護(hù)高速破片、沖擊波超壓及高溫對人體的傷害。由于其防護(hù)區(qū)域大、重量大，因此人員穿著后行動(dòng)不太靈活方便，容易影響執(zhí)勤效率。

1.1.2 軟質(zhì)防爆服

軟質(zhì)防爆服由防爆頭盔、防爆上衣及防爆褲構(gòu)成。軟質(zhì)防爆服也可以起到全身防護(hù)的效果，能有效地防止碎片四散、抗高壓、高溫、且具有高度舒適、靈活方便的特點(diǎn)，但防爆效果不如硬質(zhì)防爆服好。如圖2所示是北京MK5軟質(zhì)防爆服的細(xì)節(jié)示意圖，是當(dāng)前防護(hù)能力最好的軟質(zhì)防爆服，整體采用夾克衫設(shè)計(jì)，使穿著人員靈活方便，執(zhí)勤效率大大提高。

1.2 防爆服的防護(hù)機(jī)理

防爆服是一套由硬軟兩種裝甲系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)合材料制品［3］，這兩種裝甲系統(tǒng)共同發(fā)揮作用，以抵抗爆炸發(fā)生后對人體主要構(gòu)成的兩種威脅：沖擊波和彈片。防爆服堅(jiān)固的外層裝甲是抵御沖擊波威脅的首要防線。這層堅(jiān)硬的材料能抵擋部分超壓沖擊波的能量，同時(shí)也能抵御飛射的爆炸物碎片。但是，超壓沖擊波還是會不可避免地穿透堅(jiān)固的裝甲層，并進(jìn)而接觸到一種由合成橡膠制成的“隔絕材料”，其旨在盡可能吸收大部分沖擊波的能量，使沖擊波的能量在通過后大為降低。在隔絕層的貼身處還有使用柔軟的化學(xué)纖維制成的軟性鎧甲。這一保護(hù)層主要被當(dāng)做一般性的防彈衣看待，它能阻擋貫穿了外層裝甲的碎片，從而保護(hù)人體免受傷害。

1.3 防爆服的安全技術(shù)指標(biāo)［4］

表1　防爆服的安全技術(shù)指標(biāo)

1.4 防爆服的材料特征

防爆服中含有多種高性能纖維［5］，防爆服的外層材料采用高強(qiáng)涂層面料，環(huán)保無毒；其各防護(hù)層部件的耐高溫性能、耐刺穿性能、抗沖擊性、能量吸收性能以及阻燃性能均要滿足相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。國際上比較通用的防爆服結(jié)構(gòu)分為防沖擊外層、防彈防刺層、阻燃層、防水透氣層、隔熱層［6］（如圖3）。下面就從這五層所用的材料進(jìn)行介紹。

1.4.1 防沖擊外層

防沖擊外層能夠防爆服堅(jiān)固的外層抵擋超壓沖擊波的能量，同時(shí)也要能抵御飛射的爆炸物碎片。防沖擊外層材料主要采用超高分子量聚乙烯纖維［7］，其具有良好的耐沖擊性、柔軟彎曲性以及耐磨性能，吸收能量較強(qiáng)，并且是目前世界上數(shù)一數(shù)二的強(qiáng)力最高的高性能纖維材料，能達(dá)到優(yōu)質(zhì)鋼的15倍，在防爆服中具有輕柔、防破甲和穿甲的性能。

1.4.2 防彈防刺層

防沖擊外層雖然能抵擋部分超壓沖擊波的能量，但是，超壓沖擊波還是會穿透堅(jiān)固的外層，并進(jìn)而接觸到里面的防彈防刺層，這一保護(hù)層可以阻擋貫穿了外層裝甲的碎片，起到防彈防刺的效果。這層材料主要采用芳綸纖維［8］，它的強(qiáng)度比碳纖維高，質(zhì)量比玻璃纖維、碳纖維都輕，熱膨脹系數(shù)低，抗疲勞性好。且密度是鋼絲的1/5，強(qiáng)度是鋼絲的5倍，能在-192～182℃的范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的尺寸和性能，不會燃燒不會熔融，這種材料具有較高的應(yīng)變速率敏感性，即其可以隨著沖擊速度的增加而變得更堅(jiān)硬。

1.4.3 阻燃層

芳砜綸纖維（PSA）［9］，即聚砜基酰胺纖維，是上海市紡織科學(xué)研究院和上海市合成纖維研究所共同研究和生產(chǎn)的一種耐高溫纖維，由對苯二甲酰氯和二氨基二苯砜及二氨基二苯砜為主要原料聚合后，溶解于二甲基乙酰胺中，然后經(jīng)濕紡工藝或干紡工藝加工而成，其具有優(yōu)異的耐熱特性，在防爆服中起到了較好阻燃效果。

1.4.4 防水透氣層

防水透氣層是為了防止爆炸現(xiàn)場有腐蝕性液體或熱氣的進(jìn)入，通常為涂層或防水面料。并且爆炸現(xiàn)場溫度高、熱量大，人體排汗量多，如果防爆服不透氣就會使人體感到悶熱、窒息，嚴(yán)重影響戰(zhàn)斗力。目前解決該問題的方法是采用復(fù)合微孔四氟乙烯膜［10］的阻燃布，微孔四氟乙烯膜本身是耐高溫的，能阻擋水的通過而又暢通地排出汗蒸氣。

1.4.5 隔熱層

據(jù)資料表明，爆炸現(xiàn)場的溫度較高，因此防爆服應(yīng)具有良好的隔熱性能，包括防直接灼燒的熱傳導(dǎo)性能和防輻射熱的滲透性能。PBO纖維［11］在熱分解溫度可已達(dá)到650℃，是熱穩(wěn)定性最高的纖維，對于遭遇到爆炸的高能量高溫度有很好的防御作用，而且可以起到隔絕熱量的作用。

2 防爆服的國內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)展情況

國內(nèi)外在對防爆服研究上都做了不同程度的研究，國內(nèi)防爆服的研究在新領(lǐng)域、新技術(shù)與新裝備方面欠缺，在防護(hù)的深度和廣度上存在局限性。關(guān)于防爆服的研究發(fā)展總體來講，國外的研究要比國內(nèi)成熟，主要表現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)化、材料研究及測試標(biāo)準(zhǔn)方面。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)化研究

在防爆服的標(biāo)準(zhǔn)化［12］研究方面，我國的防爆服標(biāo)準(zhǔn)化體系不完善，而西方各國生產(chǎn)的防爆服裝種類齊全，防爆服性能檢測方法標(biāo)準(zhǔn)也很完備，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，已經(jīng)形成了比較完善的標(biāo)準(zhǔn)化體系。如德國防爆服的標(biāo)準(zhǔn)及檢測［13］，在德國任何從事生產(chǎn)個(gè)體防護(hù)裝備的公司都必須遵照ISO9001安全體系標(biāo)準(zhǔn)，并應(yīng)符合歐盟規(guī)定的可測試環(huán)境管理標(biāo)準(zhǔn)，在擊打測試上，德國采用測試標(biāo)準(zhǔn)VPAM-KDIW2004中第8點(diǎn)描述的有棱角的投擲，在刺傷測試上德國采用測試標(biāo)準(zhǔn)VPAM-KDIW2004中第5點(diǎn)描述的道具或第6點(diǎn)描述的釘子。而我國在耐沖擊性能檢驗(yàn)上［14］，是采用直徑為96mm，質(zhì)量為7.5kg的球頭型鋼柱，自1.63m的高度向受試部件的中心位置自由下落撞擊，該部位不應(yīng)受損開裂。在防刺性能的測試上，用GA68規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)刀具，以20J動(dòng)能垂直刺入防護(hù)部件，刀尖不應(yīng)穿透。

2.2 材料研究

在防爆服的材料研究方面，國內(nèi)外都對防爆服的相關(guān)材料進(jìn)行了研究。在上世紀(jì)90年代初，日本學(xué)者Hitota 等［15］研制的聚氨基甲酸乙酯樹脂在復(fù)合材料中應(yīng)用有較好的防水透濕功能，可有效防止人體熱損傷，散熱散濕，穿著舒適。國內(nèi)學(xué)者文小潔［16］對相變材料用量以及環(huán)境溫差對防護(hù)服熱防護(hù)效果的影響進(jìn)行了研究，得出了相變材料用量與相變調(diào)溫服防護(hù)效果的關(guān)系并從人體實(shí)際感受的角度對舒適性及相變調(diào)溫效果進(jìn)行了評價(jià)。目前這些研究的材料已經(jīng)廣泛用于消防防爆服、野地作戰(zhàn)防爆服、電磁輻射防爆服、排爆防爆服等等。

2.3 測試標(biāo)準(zhǔn)

在防爆服的測試標(biāo)準(zhǔn)方面，國外George Havenith［17］等在消防服面料性能測試的基礎(chǔ)上，對服裝整體的熱防護(hù)性進(jìn)行測試與評價(jià)。在氣溫為±60℃、相對濕度低于 15% 的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，受試者穿上實(shí)驗(yàn)服（帶有呼吸裝備） 從事適度的工作（沿著變化的方向行走（±3.5 km/h） ，在室內(nèi)跨過矮凳（±225 W / m2），以受試著的忍耐時(shí)間、蒸發(fā)散熱量以及干熱獲取等作為測評防護(hù)性能的指標(biāo)。國內(nèi)張超等［18］通過對國外防爆服的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)研，總結(jié)性能測試標(biāo)準(zhǔn)的共性內(nèi)容，分別從性能測試方法、試驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)步驟以及人體模型和測試報(bào)告等方面進(jìn)行研究，提出了我國研制相關(guān)性能測試技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的建議。

3 防爆服的發(fā)展趨勢

目前防爆服可以實(shí)現(xiàn)阻燃、抗紫外線輻射、抗生物侵蝕、防電磁輻射、防生化侵蝕等等功能［19-22］，但是隨著新的高危環(huán)境的不斷變化，對于防爆服的各項(xiàng)防護(hù)要求也越來越高。防爆服將在防護(hù)功能和材料方面、防爆服的舒適性方面、以及防爆服智能化方面有著全面的發(fā)展。

3.1 在防護(hù)性能和材料方面

近年來隨著軍事武器、極端氣候的不斷發(fā)展，防爆服的防護(hù)性能也會為了適應(yīng)更大的危險(xiǎn)環(huán)境，使得工作人員在高危環(huán)境下更為安全。現(xiàn)在廣泛用于國防軍事領(lǐng)域和航空航天的高性能纖維可以通過新技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用到防爆服的材料中，以便實(shí)現(xiàn)新的防護(hù)功能。例如可以通過不斷對不同性能的纖維混紡或交織研究來充分發(fā)揮各類高性能纖維的性能特點(diǎn)，以提高防爆服的綜合性能。

3.2 防爆服的舒適性方面

防爆服的舒適性能與材料的手感、成分、重量、透氣透濕性能以及保濕隔熱性能等有關(guān)，隨著科技的發(fā)展、新型加工技術(shù)和高性能纖維的摻入，防爆服將會更加舒適，材料的重量、透氣透濕性能以及手感將會大大優(yōu)化，同時(shí)可以更好的調(diào)節(jié)溫度，增強(qiáng)溫敏性，同時(shí)對纖維選擇、織物的設(shè)計(jì)和優(yōu)化等環(huán)節(jié)有更加嚴(yán)格綜合的考慮。采取計(jì)算機(jī)智能模擬“人體-服裝-環(huán)境”系統(tǒng)之間的熱濕交換傳遞以及人體的舒適感和靈活度。

3.3 防爆服的智能化應(yīng)用方面

隨著相變材料、無線電技術(shù)、納米技術(shù)的不斷成熟，防爆服可以結(jié)合計(jì)算機(jī)系統(tǒng)使其更加智能化。例如在高性能的防爆服中加入微電子系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)地反饋穿著者所處的環(huán)境狀況，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自我調(diào)節(jié)，由電子技術(shù)和防爆服加工技術(shù)結(jié)合制備出的電子化智能防爆服除了具有多種防護(hù)功能外，還會具有保健和生命安全防護(hù)作用。充分利用智能纖維，如應(yīng)用形狀記憶纖維的形變避免人體燙傷；再如采用變色纖維可以達(dá)到偽裝的作用等。

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The Protective Performance and Research Progress of Explosion-proof Suit

WANG Hui-ling， TANG Hong， GAO Qiang
（NanTong University，Jiangsu Nantong，226019，China）

AbstractThe accident of inflammable and plosive goods has a great influence， and it affects people's life and living greatly. The explosion-proof suit， which has protection function in the explosion， is an important means to protect people's life and is more and more concerned by people. This paper introduces the classification， protective mechanism，material feature and protective performance of the explosion-proof suit. Then， the paper also discusses the research progress and development trend of the explosion-proof suit in domestic and overseas. Based on this， the paper proposes some suggestions on the application and research of the future explosion-proof suit.

Key wordsexplosion-proof suit；protective mechanism；protective performance；material feature

中圖分類號：TS941.7

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：王慧玲（1993—），江蘇南通人，碩士研究生，研究方向：功能性服裝。

通訊作者：高 強(qiáng)，Email:1145374197@.qq.com。