礦用納米吸能防沖擊服防護機理研究

衛(wèi)琛浩，史雅娜，黨文龍，馬 嘯，高一可，李 超，李盟潔，李茂慶

(陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710100)

0 引言

我國能源工業(yè)中，煤炭是主體能源，煤礦工人數(shù)也是全球最多，由于受地質(zhì)環(huán)境的影響，95%的煤礦作業(yè)是地下開采。作為一種特殊環(huán)境的職業(yè)，礦井作業(yè)人員要長期處于距地面幾百米以下的礦井中進行工作[1]，而大多數(shù)煤礦現(xiàn)場作業(yè)條件差、黑暗潮濕、工作面狹窄，還時刻伴隨著瓦斯、煤塵、水、火、頂板等災(zāi)害的威脅[2-3]。因此，為保障廣大煤礦從業(yè)人員的生命安全，使用預(yù)防職業(yè)危害的有效防護用品顯得尤為重要。

近年來隨著我國煤礦開采深度的增加，沖擊地壓問題越來越突出，沖擊地壓的發(fā)生嚴(yán)重威脅煤礦作業(yè)人員的人身安全[4]。沖擊地壓是指煤礦井巷或工作面周圍煤(巖)體由于彈性變形能的瞬時釋放而產(chǎn)生的突然、劇烈破壞的動力現(xiàn)象。沖擊地壓發(fā)生時會產(chǎn)生強烈的沖擊波并以突然、猛烈的形式將煤巖體拋出，導(dǎo)致作業(yè)人員被砸傷、掩埋甚至致死[5-8]。目前現(xiàn)有防護服雖種類繁多，但還沒有專門針對井下沖擊地壓而設(shè)計的防護服。

針對煤礦井下沖擊地壓的問題，課題組設(shè)計開發(fā)了一種新型礦用納米吸能防沖擊服，經(jīng)過防護機理分析、材料選擇、多方試驗檢測和對比，防沖擊服各項指標(biāo)均滿足煤礦安全生產(chǎn)規(guī)定要求，發(fā)生緊急情況時能夠有效保護井下作業(yè)人員的人身安全。

1 防沖擊服結(jié)構(gòu)及防護機理

長期從事礦井工作會存在一定的安全風(fēng)險，像沖擊地壓的發(fā)生會直接危害人的生命安全，因此，在特定的工作場景下需要裝備防沖擊服。目前防沖擊服的形式雖多樣，但大多數(shù)都存在多種問題：從活動功能來看，礦井作業(yè)人員在工作時勞動幅度大，防護服穿著不靈活，不易穿脫，穿著后不能夠?qū)崿F(xiàn)兩臂的自由運動、以及人體的跪、跳、蹲、跑、轉(zhuǎn)體等活動，在工作過程中極不方便[9]；從功能性來看，為了提供沖擊吸能和穩(wěn)定性，往往會增加金屬材質(zhì)，在危險發(fā)生時金屬碎片會直接導(dǎo)致風(fēng)險增加?？傮w來說，目前現(xiàn)有的防護服不能夠滿足靈活性和防護性能的整體要求，導(dǎo)致防護服相對笨重，實用性差。基于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗沖擊性能的綜合考慮，需對防護服進行新的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

美國學(xué)者GOLDMAN R F在功能服裝設(shè)計研制過程中提出“4F”原則，即Fashion(時尚性)、Fit(適合性)、Feel(舒適性)、Function(功能性)[10]。因此新型防沖擊服結(jié)構(gòu)結(jié)合人體工學(xué)，采用模塊化設(shè)計，如圖1所示，其由內(nèi)襯板嵌套構(gòu)成，內(nèi)襯板由多個組合護板通過選用合適面料將其包覆縫制；組合護板由抗壓板和緩沖層組成，整體具有多層緩沖吸能效果?？箟喊宀捎幂p質(zhì)高強度復(fù)合材料，抗沖擊力強；緩沖層貼近人體一側(cè)，采用納米吸能材料制成納米吸能緩沖層。目前關(guān)于納米吸能材料已有大量的研究，它是一種非牛頓流體，主要由納米多孔材料和非浸潤性功能液體組成，吸能密度可達到30 J/g以上，常規(guī)狀態(tài)下為均勻可流動液體。吸能機理如圖2所示，在外力沖擊作用時，外界動能會迫使非浸潤性功能液體流入納米多孔材料孔道內(nèi)部，將外力機械功轉(zhuǎn)化為固體-液體的界面能和摩擦熱能，外力撤銷后，功能液體流出納米孔道，材料可多次重復(fù)利用。這樣在受到?jīng)_擊力的時候可以瞬時響應(yīng)，逐層緩沖耗能，最終將沖擊載荷耗散在緩沖層，實現(xiàn)了礦井作業(yè)人員的有效防護?；诖耍瑢⒎雷o性、功能性融入礦井作業(yè)勞動中，考慮服裝舒適性的同時，貼合人體，注入靈活性，不影響彎腰下蹲等動作，使得井下作業(yè)人員穿著作業(yè)時更加安全、方便、高效。

圖1 礦用納米吸能防沖擊服

圖2 納米吸能材料吸能機理

2 防沖擊服的材料選擇

礦用防護服的設(shè)計應(yīng)遵循功能服裝的設(shè)計原則，同時也應(yīng)結(jié)合特殊而復(fù)雜的工作環(huán)境，所以防沖擊服的服裝材料選擇非常重要[11-12]。本款防沖擊服所采用的材料遵循MT/T 843—1999《礦工普通工作服》的要求，同時保證在《煤炭工業(yè)職工勞動防護用品發(fā)放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的使用期限內(nèi)，滿足防火、防水、防靜電的“三防”要求，以最大限度保障礦井作業(yè)人員作業(yè)勞動的安全性、舒適度。

礦用納米吸能防沖服所涉及的材料有面料、抗壓板和緩沖材料等。面料選用超高分子量聚乙烯纖維，這種纖維具有高剪切強度、耐沖擊和高模量的特殊屬性，在面對外力或者銳器威脅時可耐沖擊，同時作為面料，耐疲勞、耐摩擦性能優(yōu)良。在面料包覆的內(nèi)襯組合護板，其中抗壓板選用輕質(zhì)纖維增強塑料，該種材料除了可抗沖擊以外，加工工藝簡單，可用于大規(guī)模生產(chǎn)；同時在模塊化的抗壓板背部粘連緩沖層。緩沖層則采用柔性材料封裝新型納米吸能材料研制而成。在外力沖擊作用時，納米吸能材料面對非線性、高速沖擊甚至多次沖擊時，緩沖吸能效果優(yōu)異。目前該材料的研制已滿足阻燃抗靜電性能，可在礦井底下使用。

3 防沖擊服的性能研究

3.1 測試標(biāo)準(zhǔn)

目前適用于國內(nèi)防護服的性能測試標(biāo)準(zhǔn)為MT/T 843—1999《礦工普通工作服》和GB/T 12014—2019《防護服裝防靜電服》，包括了防護服的防護面積、防靜電能力、面料斷裂強度、耐磨性能和衣片的縫紉強力。

3.2 測試儀器和設(shè)備

測試委托國家安全生產(chǎn)徐州勞動防護用品檢測檢驗中心，測試涉及的儀器有：XQB 46-10加熱型全自動洗衣機、YG741型縮水率烘箱、YG026型織物強力機、落球沖擊試驗儀、Y522型圓盤式織物耐磨機和ZC-90G型高絕緣電阻測量儀。

3.3 試驗結(jié)果分析

3.3.1 基本性能評價

試驗參照標(biāo)準(zhǔn)MT/T 843—1999《礦工普通工作服》和GB/T 12014—2019《防護服裝防靜電服》檢測本礦用納米吸能防沖擊服的基本性能，主要通過對防護面積、面料斷裂強力、耐磨性能、衣片縫紉強力進行評價，通過測試得出，礦用納米吸能防沖擊服符合礦井作業(yè)人員穿戴的基本要求，基本性能達標(biāo)?；拘阅茉u價見表1。

表1 礦用納米吸能防沖擊服基本性能評價

3.3.2 防靜電能力

煤礦生產(chǎn)過程中重復(fù)觸碰、分離的作業(yè)動作往復(fù)會產(chǎn)生摩擦，這會使得作業(yè)設(shè)備產(chǎn)生靜電，當(dāng)該靜電點位達到上千上萬伏時，會累積大批量電荷，大于一定標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量后會產(chǎn)生火花或者放電等情況。此時靜電火花最小值比周圍可燃瓦斯氣體的臨界值大時，會發(fā)生火災(zāi)或者爆炸等安全事故，這會直接威脅礦井工作人員的人身安全，同時給煤礦企業(yè)帶來極大損失，因此礦井作業(yè)人員防護服的防靜電能力很重要[13-15]。文中通過參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12014—2019《防護服裝防靜電服》進行對比測試點對點電阻，用來評估礦用納米吸能防沖擊服的防靜電能力。

從表2中可以看出，礦用納米吸能防沖擊服的點對點電阻相對于普通防護服明顯更大，這是因為在礦用納米吸能防沖擊服的材料選擇時，完全考慮了礦井工作情況，選用材料包括自主研發(fā)的納米吸能材料配方均滿足阻燃抗靜電的要求。從礦用納米吸能防沖擊服的最外層至最內(nèi)層表面形成科學(xué)合理的抗靜電分子層，強化表面的平滑性，大大減小摩擦，降低靜電荷出現(xiàn)的概率。

表2 防靜電能力檢測

3.3.3 抗沖擊性能

針對上述提出的抗沖擊地壓問題，對比測試礦用納米吸能防沖擊服的抗沖擊性能和穩(wěn)定性。測試使用不同質(zhì)量的落錘，從1 m高度自由下落，沖擊防護服正面，觀察防護服的變化。

通過對比測試發(fā)現(xiàn)，普通防護服在面對質(zhì)量為1 kg、2 kg的落錘時，無破裂、無穿透；當(dāng)面對質(zhì)量為3 kg的落錘時，普通防護服出現(xiàn)破裂、穿透，如圖3所示。然而礦用納米吸能防沖擊服在面對質(zhì)量為1 kg、2 kg、3 kg、4 kg、5 kg的落錘時，無破裂、無穿透；當(dāng)面對質(zhì)量為6 kg的落錘時，礦用納米吸能防沖擊服內(nèi)襯板未發(fā)現(xiàn)破裂與穿透，拆開面料發(fā)現(xiàn)抗壓板面出現(xiàn)輕微破裂、輕微穿透，納米吸能緩沖層未出現(xiàn)破裂、穿透，如圖4所示。

圖3 普通防護服樣品抗沖擊試驗前后對比

圖4 礦用納米吸能防沖擊服樣品抗沖擊試驗前后對比

出現(xiàn)該種情況是因為礦用納米吸能防沖擊服按照人體工學(xué)，采用模塊化設(shè)計，利用抗壓板和納米吸能緩沖層層層緩沖遞減，尤其是當(dāng)沖擊力到達貼近人體側(cè)的納米吸能緩沖層時，內(nèi)置的納米吸能材料可以瞬時將沖擊力轉(zhuǎn)化為固體-液體的界面能和摩擦熱能，將沖擊載荷耗散在緩沖層，實現(xiàn)了礦井工人的個體防護。

4 結(jié)語

(1)針對礦井沖擊地壓和礦井作業(yè)人員作業(yè)勞動存在的問題，設(shè)計開發(fā)出一款礦用納米吸能防沖擊服，該防沖擊服結(jié)合人體工學(xué)，采用模塊化設(shè)計，由超高分子量聚乙烯纖維包覆內(nèi)襯板縫制而成；同時內(nèi)襯板由多個組合護板構(gòu)成，而組合護板是由抗壓板和納米吸能緩沖層組成，具有多層緩沖吸能效果。整個礦用納米吸能防沖擊服在受到外力沖擊時，從外到內(nèi)層層緩沖，尤其當(dāng)沖擊能量緩沖至最內(nèi)納米吸能緩沖層時，可瞬時吸能，減緩沖擊能量，最大程度地保障礦井作業(yè)人員在復(fù)雜工況下的安全性和舒適性，實現(xiàn)人體防護。

(2)針對礦用納米吸能防沖擊服進行的測試，其滿足基本防護服性能要求；同時對比普通防護服，其防沖擊服表現(xiàn)出優(yōu)異的抗沖擊性能和穩(wěn)定性?？傊@種防沖擊服結(jié)合新材料開發(fā)應(yīng)用，針對具體問題，為極端環(huán)境下工作的作業(yè)人員所必備的防護服提供了一種研究思路及方向。