焊接防護(hù)面料的研究現(xiàn)狀與開發(fā)方向

徐炎炎 蔡普寧 權(quán)國明 孫凱飛 劉 琳

（陜西省紡織科學(xué)研究院有限公司，陜西西安，710038）

焊接技術(shù)在現(xiàn)代制造業(yè)的快速發(fā)展中發(fā)揮著不可替代的作用。焊接過程產(chǎn)生影響人體健康的有害因素可分為物理有害因素和化學(xué)有害因素，物理有害因素有焊渣飛濺、電焊弧光、電磁波、熱輻射及放射線等，化學(xué)有害因素有電焊煙塵和有害氣體等。焊接工人長期在電焊弧光照射、高溫、焊渣飛濺、熱輻射等條件下作業(yè)，身體很容易受到傷害，造成塵肺、電光性眼炎、一氧化碳中毒、放射性疾病、電光性皮炎及金屬煙熱等焊接職業(yè)病。因此，焊接工人在進(jìn)行電焊作業(yè)時必須采取防護(hù)措施。目前，化學(xué)危害因素的防護(hù)主要采用除塵系統(tǒng)和佩戴獨立的呼吸系統(tǒng)實現(xiàn)，物理危害因素的防護(hù)主要通過個體防護(hù)用品實現(xiàn)。個體焊接防護(hù)用品包括焊接防護(hù)服、防護(hù)面罩、焊接披肩、防護(hù)手套等，其防護(hù)作用在很大程度上都得依賴于焊接防護(hù)面料的性能，因此開發(fā)高效防護(hù)焊接面料是提升焊接防護(hù)安全的必要手段。

本研究通過梳理分析焊接防護(hù)面料的防護(hù)需求，總結(jié)了焊接防護(hù)面料的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀，并展望了焊接防護(hù)面料的研發(fā)方向，為高效焊接防護(hù)面料的開發(fā)提供參考。

1 焊接防護(hù)面料的防護(hù)需求

焊接技術(shù)的誕生已有數(shù)千年歷史，雖然人們不斷通過技術(shù)改進(jìn)提高焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率，降低勞動強(qiáng)度和改善勞動環(huán)境，但依然會產(chǎn)生一定形式的危害因素。現(xiàn)代工業(yè)中使用最多的是電弧焊，從電弧焊的分類、特點以及主要危害因素分析中發(fā)現(xiàn)，電弧焊的主要物理危害因素是電焊火花飛濺和電焊弧光。

電焊作業(yè)過程中會形成大量的電焊火花飛濺，其實就是熔融的金屬焊條熔滴（滑落到衣服或人體時溫度在500 ℃～700 ℃），其對人體的主要傷害是熔融金屬燙傷，同時高溫的金屬熔滴可能會引起火災(zāi)，并對人體造成燒傷。為防止焊接火花引起火災(zāi)，焊接場所應(yīng)避免使用易燃材料，且焊接工人必須穿戴具有防熔融金屬滴沖擊功能的阻燃防護(hù)服。

焊接時，在兩電極之間的氣體介質(zhì)中會產(chǎn)生強(qiáng)烈而持久的電焊弧光，其中包含高強(qiáng)度的紅外線（占能量的35%）、可見光（占能量的3%）和紫外線（占能量的62%）等。紅外線主要通過光產(chǎn)生熱效應(yīng)而對人體造成危害，引起熱輻射相關(guān)的職業(yè)病，如中暑、熱灼傷等；紫外線主要通過光化學(xué)作用對人體產(chǎn)生危害，主要損傷眼睛和裸露的皮膚，引起電光性眼炎、慢性瞼緣炎和皮膚紅斑癥等［1］。因此，對于電焊弧光輻射防護(hù)，要防止輻射熱和紫外線對人體造成的傷害。

2 焊接防護(hù)面料的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀

2.1 焊接防護(hù)面料的發(fā)展歷程

早期的焊接防護(hù)面料是單位面積質(zhì)量超過400 g/m2的棉帆布，熔融焊渣濺落在服裝上后，被棉帆布上的凹凸交叉點漫反射回去，有一定的防護(hù)功效。但這類服裝厚重且不阻燃，一旦被引燃，容易導(dǎo)致人體大面積燒傷。隨后，人們將棉帆布進(jìn)行阻燃后處理，使面料具有了一定的阻燃性。但是其阻燃耐久性較差，隨著使用時間的增長和洗滌次數(shù)的增多，其阻燃性會大幅下降，增加了焊接作業(yè)人員的安全風(fēng)險。同時，熔融的金屬焊渣溫度較高，容易使面料上出現(xiàn)破洞，增加了電焊工人被焊渣灼傷的風(fēng)險。后來，加入阻燃劑的牛皮或者牛皮與棉后阻燃帆布拼接防護(hù)服逐漸進(jìn)入市場，使焊接防護(hù)效果得到了提高，但此類面料仍舊比較厚重，單位面積質(zhì)量多在350 g/m2以上，服裝的透氣性、靈活性和舒適性都比較差，不適于長期作業(yè)穿著。

近年來，隨著人們安全防護(hù)意識的提高和高性能纖維的涌現(xiàn)，人們開始從防護(hù)面料的阻燃性能、抗熔融金屬沖擊性能、熱防護(hù)性能以及防紫外線輻射等方面開始探索研發(fā)新型焊接防護(hù)面料。

2.2 焊接防護(hù)面料的阻燃性研究

面料的阻燃性可以通過使用本質(zhì)阻燃纖維（如芳綸、聚酰亞胺等）、阻燃改性纖維、阻燃纖維與普通纖維混紡紗以及織物阻燃后整理等實現(xiàn)［2］。純本質(zhì)阻燃纖維面料的阻燃性雖然較好，但成本較高，因此研究較多的是纖維混紡紗和織物阻燃后整理技術(shù)。

在纖維共混阻燃方面，蘭紅艷等［3］以芳砜綸、羊毛、阻燃粘膠為原料，開發(fā)了一款電焊服面料；該面料的各項性能均滿足GB 8965.2—2009《防護(hù)服裝阻燃防護(hù)第2 部分：焊接服》要求，其中阻燃性符合B 級要求，抗熔融金屬沖擊性、熱穩(wěn)定性以及熱防護(hù)性符合A 級要求，且該面料具有毛織物的風(fēng)格和穿著舒適性。沈卓穎等［4］測試了多個阻燃織物樣本的阻燃性能、力學(xué)性能、透氣性、透濕性等，結(jié)果表明：75%腈氯綸、23%芳綸1313和2%防靜電纖維的混紡面料阻燃性良好，可適用于多個防護(hù)領(lǐng)域。趙書林等［5］將芳綸和阻燃粘膠按不同混紡比制成織物并進(jìn)行垂直燃燒試驗，發(fā)現(xiàn)混紡織物比各自純紡織物阻燃性好，且混紡織物手感柔軟，吸濕透氣性好。

在織物后整理方面，XU L 等［6］在棉織物表面接枝了有機(jī)硅、有機(jī)磷及三嗪類阻燃劑，使織物極限氧指數(shù)由18.3%上升至26.3%。LING C 等［7］在無溶劑環(huán)境下以接枝法構(gòu)建了磷氮協(xié)效阻燃體系，經(jīng)50 次洗滌后織物的極限氧指數(shù)仍高達(dá)29.3%，賦予了織物高效、耐久阻燃的同時實現(xiàn)了無鹵、無甲醛環(huán)保阻燃。李靜等［8］將溶膠-凝膠法與浸軋烘焙法相結(jié)合，使磷氮硅系阻燃劑在棉織物表層形成耐久涂層，實現(xiàn)了面料的耐久阻燃。

總之，雖然通過纖維共混阻燃和織物后整理可以實現(xiàn)面料較好的阻燃效果，但目前市場上實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化并推廣應(yīng)用于焊接防護(hù)領(lǐng)域的相關(guān)產(chǎn)品還不多。

2.3 焊接防護(hù)面料的抗熔融金屬沖擊性研究

抗熔融金屬沖擊性是焊接防護(hù)面料重要的防護(hù)性能指標(biāo)。王斌等［9］設(shè)計開發(fā)了一種防護(hù)服用織物抗熔融金屬沖擊性能測試儀器，通過分析測試結(jié)果，可有針對性地設(shè)計開發(fā)面料，為焊接防護(hù)面料的開發(fā)奠定了較好的研究基礎(chǔ)。劉琳等［10］測試了6 種具有代表性樣品的防熔融鋁液沖擊性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：羊毛/阻燃粘膠面料的防護(hù)效果最好，布面不收縮、不黏附。分析認(rèn)為這是由于羊毛/阻燃粘膠混紡產(chǎn)品充分利用了羊毛鱗片的彈性，可將熔融金屬液體碎化，且阻燃粘膠遇高溫熔融金屬后迅速炭化，使熔融金屬液體快速滑落，從而降低了穿著人員被燙傷的風(fēng)險。基于此，劉琳等［11］又設(shè)計了60%阻燃粘膠、20%羊毛、10%錦綸、8%對位芳綸和2%導(dǎo)電纖維混紡防熔融金屬飛濺面料，并按照精梳毛紡工藝完成了生產(chǎn)加工，測試分析發(fā)現(xiàn)該面料表現(xiàn)出了良好的阻燃性能，且具有一定的耐洗滌性，在特定的環(huán)境中對熔融金屬溶液具有良好的防護(hù)性能。張生輝等［12］介紹了一款防熔融金屬飛濺面料（55% 阻燃粘膠、25%羊毛和20%其他功能性纖維混紡）的設(shè)計思路、結(jié)構(gòu)特點、染整工藝流程和生產(chǎn)實踐要點，指出在開發(fā)防熔融金屬飛濺面料時應(yīng)選擇具有易炭化、抗熔融金屬沖擊、抗熱收縮、阻燃、抗熱傳遞等功能的纖維。李文輝等［13］闡述分析了熔融金屬噴濺防護(hù)的原理，認(rèn)為在確保面料瞬時阻燃性的前提下，應(yīng)盡量減少熔融金屬在面料上的附著量和附著時間，使熔融金屬快速滑落，縮短熔融金屬與面料在同一位置的接觸時間，減少熔融金屬在面料上的熱傳導(dǎo)量，從而避免燙傷穿著人員。

上述研究主要針對的是冶金行業(yè)產(chǎn)生的大量熔融金屬噴濺防護(hù)，與焊接所產(chǎn)生的少量高溫金屬液體飛濺，即熔融金屬滴沖擊防護(hù)是有所區(qū)別的。其主要表現(xiàn)在兩方面，一是產(chǎn)生的熔融金屬量不同，二是冶金熔融金屬噴濺過程中沒有弧光輻射。因此，在開發(fā)焊接防護(hù)面料時，可以借鑒熔融金屬噴濺防護(hù)面料的設(shè)計原理，同時也必須從焊接防護(hù)的角度出發(fā)，重視少量熔融金屬滑脫性、阻燃隔熱性以及紫外線防護(hù)性能等的綜合性能。

2.4 焊接防護(hù)面料的熱防護(hù)性能研究

焊接弧光中的紅外光會釋放大量的熱能并對人體造成慢性熱傷害。趙仁平等［14］公開了一種高阻燃隔熱焊接服面料，織物組織為經(jīng)二重，表層經(jīng)紗為聚酰亞胺纖維，里層經(jīng)紗為聚酰亞胺纖維和阻燃粘膠混紡紗，緯紗是芳綸1313 和阻燃粘膠混紡紗。該面料具有永久阻燃、高強(qiáng)度以及良好的舒適性，同時這種結(jié)構(gòu)增加了織物厚度，進(jìn)一步提高了織物的隔熱性。代國亮等［15］公開了一種基于高比熱容物質(zhì)的電焊防護(hù)面料，該面料是在阻燃織物的正面施加高吸水涂層組合物（包含油性聚氨酯、交聯(lián)劑、高吸水樹脂、分散劑、木質(zhì)素粉等），在織物背面做拒水整理；在使用前，用水對正面高吸水涂層進(jìn)行噴淋或噴霧（施加量為100 g/m2～300 g/m2），使接觸該面料的電焊火花快速熄滅，熱量被快速轉(zhuǎn)移，從而減少到達(dá)皮膚的熱量，保護(hù)皮膚免受灼傷。朱士鳳等［16］公開了一種具有石墨烯涂層的電焊防護(hù)服面料，其制備方法：將石墨烯溶液充分分散后加入到固色劑溶液中，再將所配制的石墨烯混合溶液涂覆到阻燃基布上；使用該方法制備的電焊防護(hù)服面料具有優(yōu)異的防熔融金屬滴落升溫功能（15 滴熔融金屬滴落后的升溫不超過37 ℃）。

上述幾種技術(shù)中，聚酰亞胺和石墨烯的成本較高，正面施加高吸水涂層的使用可行性還有待實踐驗證，但都為高效熱防護(hù)焊接面料的開發(fā)提供了較好的研究思路。

2.5 焊接防護(hù)面料的防紫外輻射研究

目前關(guān)于焊接防護(hù)面料防紫外輻射性能的研究較少。STEFAN Bauer［17］基于太陽紫外線防護(hù)因子的思想提出了一種改進(jìn)的焊接防護(hù)因子，研究后發(fā)現(xiàn)影響焊接防護(hù)因子的主要因素是紡織品的紫外線透過率。周琦［18］提出織物孔隙率越低，防紫外線效果越好；織物顏色越深，對紫外線防護(hù)性能越好。上述研究基本處于理論探討和試驗室研究階段，且價格較貴，推廣難度大。市場迫切需求阻燃、隔熱且抗熔融金屬沖擊性能較好的焊接防護(hù)面料。

3 焊接防護(hù)面料的研發(fā)方向

3.1 提高阻燃性

提高焊接防護(hù)面料的阻燃性主要有兩個途徑：一是利用阻燃纖維，通過纖維復(fù)配、紡紗、織造等技術(shù)，開發(fā)高性價比的本質(zhì)阻燃焊接防護(hù)面料；二是開發(fā)綠色環(huán)保且具有耐洗性的新型阻燃劑，通過層層自組裝、溶膠-凝膠、雙層固化以及等離子體沉積等新技術(shù)完成織物阻燃后整理［19］。

3.2 提高抗熔融金屬沖擊性

要提高面料的抗熔融金屬沖擊性目前有兩種思路。一是采用耐高溫纖維阻止熔融金屬飛濺顆粒，使面料具有較佳的防護(hù)效果。選用的纖維耐高溫溫度至少要達(dá)到500 ℃，如PBO 纖維（熱分解溫度可達(dá)650 ℃）、PBI 纖維（熱分解溫度可達(dá)600 ℃）等。二是采用對熔融金屬具有較好滑脫性的纖維材料（如阻燃粘膠、羊毛等），并采用有助于熔融金屬滑落的織物組織，使熔融金屬顆粒能快速從衣服上滑落，從而實現(xiàn)防護(hù)效果。

3.3 提高熱防護(hù)性能

熱防護(hù)性能與織物的材料、單位面積質(zhì)量、厚度、織物密度以及織物組織都有直接關(guān)系。因此，提升面料的熱防護(hù)性可以從纖維原材料選用和織物規(guī)格設(shè)計兩方面考慮。選擇原材料時首先要考慮耐熱性好、導(dǎo)熱系數(shù)小的阻燃纖維（如聚酰亞胺、阻燃?xì)饽z纖維等）；在進(jìn)行織物規(guī)格設(shè)計時可以考慮使用雙層、多層結(jié)構(gòu)，通過增加面料中的空氣層來提高其熱防護(hù)性能和阻燃性能［20］。

3.4 實現(xiàn)綜合防護(hù)

隨著人們安全防護(hù)意識的提高，對安全防護(hù)裝備提出了更高的要求。要提高個體焊接防護(hù)服裝的安全性能，必須實現(xiàn)綜合防護(hù)。可以從原材料選擇、紗線結(jié)構(gòu)、織物規(guī)格以及新型加工方法4個方面入手，綜合考慮防護(hù)面料的阻燃性、熱防護(hù)性、抗熔融金屬沖擊性能以及舒適性等，開發(fā)滿足GB 8965.2—2009《防護(hù)服裝阻燃防護(hù) 第2 部分：焊接服》A 級要求或 ISO 11611—2015《Protective Clothing for Use in Welding and Allied Processes》Class2 要求的舒適型焊接防護(hù)服面料，解決市場上現(xiàn)有焊接防護(hù)面料性能單一、安全防護(hù)性差、舒適性欠佳等問題。

4 結(jié)語

通過總結(jié)和分析焊接防護(hù)面料的防護(hù)需求、發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)目前對焊接防護(hù)面料的研究主要集中在阻燃、熱防護(hù)等單一功能方面，而對其阻燃性、抗熔融金屬沖擊性、隔熱性、防紫外線輻射性以及服用舒適性等復(fù)合功能的系統(tǒng)研究還相對較少。焊接防護(hù)面料在今后的研究開發(fā)中，應(yīng)在實現(xiàn)阻燃熱防護(hù)的同時，提高其抗熔融金屬沖擊性和防紫外線輻射性能，重點開發(fā)集多功能于一體的新型焊接防護(hù)面料。