w 消防服热防护性能研究_标准集团(香港)有限公司>

消防服热防护性能研究

[2015-06-12 09:16]

消防服是保护战斗在第一线的消防人员自身安全的重要防护装备。在高温或超高温条件下,具有优良热防护性能的消防服可以避免热源对人体造成伤害。对于消防服的评价,国内外均已制订了相关的产品标准和测试标准,如美国NFPAl971建筑物火灾用灭火防护服标准…、我国GA 10—2000消防员灭火防护服标准忙1和GA 634_2006消防员隔热防护服标准H1等。根据这些标准,消防服材料普遍采用多层织物组合,通常由外及内依次为:外层、防水透气层、隔热层和舒适层。其中,外层织物直接与火源接触,阻燃性能是基本要求H J。对于织物或多层织物组合系统,热防护性能(thermalprotective performance,TPP)是评价其综合热防护性能的关键指标…,表征了对于火灾中强烈对流热和辐射热的防护性能。消防服的外层织物由于直接面对热源,其性状对消防服的热防护性能有重要影响。当前用在消防服上的外层织物品类日益增多,不仅有国外生产的阻燃耐高温纤维织物,也有国内企业开发的阻燃耐高温纤维织物。本文将研究消防服用外层织物的热防护性能,比较分析目前消防服用国内外生产的不同纤维类型外层织物之间的性能差异,以及外层织物的热防护性能与其面密度、厚度、燃烧前后质量变化等因素之间的关系,为消防服外层织物的合理选用以及热防护性能设计提供科学依据。

1 实验
1.1试样
本文研究所采用的试样(如表1)均来自于消防服产品中普遍使用的织物品类,既有国外企业生产的间位芳纶Nomex和对位芳纶Kevlar(美国杜邦公司)、聚苯并咪唑(PBI)纤维(美国空气力学材料实验室,AFNL)的织物,也有国内企业研发的具有自主知识产权的间位芳纶New Star(烟台氨纶有限公司)、芳砜纶Tanlon(上海特氨纶纤维有限公司)等阻燃耐高温纤维的织物,如表l所示。编号E1~E4的织物为间位芳纶与少量Kevlar、抗静电碳纤维混纺的织物(简称芳纶类织物)或纯间位芳纶织物,其中E1~E3织物采用的间位芳纶是Nomex,E4织物采用纯间位芳纶New Star;编号Fl~F3的织物采用的是Tanlon(简称芳砜纶类织物);编号Gl—G4的织物为国产阻燃棉织物(简称阻燃棉类织物);编号H1、H2的织物为PBI与Kevlar等混纺的织物(简称PBI/芳纶类织物)。

1.2实验方法
国际上普遍使用TPP值评价织物的热防护性能,通过对织物表面导致人体二度烧伤所需热能的测定来评价织物的总体热防护性能¨J。TPP值越高,织物的热防护性能越好。本文实验按照NFPAl971标准进行,采用美国CSI公司生产的TPP-026型号热防护性能测试仪。实验时总热流量设定为8.4 J/(cm2·s),试样大小为150 mm×150 mm。
实验时将试样水平放置在设定热流量的热源上面,在规定的距离内,热源由热对流和热辐射两种不同形式发热,其中50%为热对流,50%为热辐射。置于试样后的量热计温度值随热源作用的时间而变化,从而测量出造成人体皮肤二度烧伤所需要的时间,并以此评价服装的相对热防护能力。实验中采用计算机数据采集软件程序精确记录铜制校准热量计的温度七升。将温度上升的速率,或者沿时间轴的温度下降速率与热量计常数相结合进行热流量的计算。rrPP值即为施加的热流量和已记录的基于二度烧伤所需耐热时间的乘积。热防护性能测试仪的构造简图如图l所示。

1.png

2.png

二、结果与讨论
2.1热防护性能试验结果织物试样在热防护性能试验中的测试结果及其质量变化如表2所示。

3.png

2.2 TPP值比较分析
由表2可知,Hl具有最高的11PlP值,表明了该织物充分利用了高性能纤维PBI与Kelvar的优良热防护性能,是消防服用外层织物的最佳选择之一。由于综合性能优异,H1是当前美国应用最为广泛的消防防护服外层织物。芳纶和芳砜纶织物均具有较高的11PP值,总体上随着其织物厚度的增加而增加;我国自主研发的Tanlon织物和NewStar芳纶织物热防护性能已接近被广泛使用和认可的耐高温纤维Nomex织物,它们在热防护性能方面并无显著差异。对于阻燃棉织物,特别是G1和G3,其TPP值与其较大的厚度是密切关联的。在相同的厚度及面密度条件下,阻燃棉织物的热防护性能不及芳纶织物和芳砜纶织物突出。综合表2中各类外层织物的TPP测试结果,芳纶织物、芳砜纶织物以及PBI纤维织物因为其自身的化学结构成为具有良好的耐热性、阻燃性和热防护性的永久型阻燃织物,相比于通过阻燃后整理加工而成的阻燃棉织物热防护性能更好。

2.3燃烧后试样表面外观变化
织物试样经TPP燃烧试验后的表面外观如表3所示,不同品类的阻燃耐高温纤维织物经燃烧后表面外观存在较大差异。从织物的尺寸稳定性分析,芳纶织物(E1~FA)、阻燃棉类织物(G1一G4)以及PBI/Kevlar类织物(H1~H2)都具有较好的尺寸稳定性,燃烧后织物没有产生明显收缩,而我国自主开发的芳砜纶织物(Fl~F3)的经纬向尺寸变化较明显,收缩较大,表明芳砜纶的热稳定性还有待进一步提高。从织物的表面性状分析,我国生产的New Star芳纶织物(E4)燃烧后表面有脆化现象,出现孔洞,其织物的TPP测试值不能充分评价其基本的热防护性能;阻燃棉类织物(Gl~G4)表面也出现面积相对较大的焦糊状硬块,脆化现象较严重;而PBI/Kevlar类织物(HI—H2)表面只出现轻微褪色,织物的物理性能基本完好,表明该高性能纤维具有突出的物理及化学稳定性。结合表2分析可知,阻燃棉类织物中具有较小TPP值的G2、G4试样的表面焦化面积均大于G1、G3,表明燃烧后织物表面外观变化与织物的1'PP值以及织物厚度具有一定的相关性。在同品类织物中TPP值越小、厚度越薄的织物燃烧后的焦化面积越大,表面外观变化越显著。另外,纤维本身的化学性能是影响织物燃烧后表面外观变化的决定性因素,芳纶类试样、芳砜纶试样、阻燃棉类试样、PBI/芳纶类试样各自表现出不同外观变化特征。

4.png

2.4热防护性能试验前后试样的质量变化
在TPP试验过程中织物试样的质量不断减少,即织物燃烧后有质量损失,表2中记录了热防护性能试验中织物试样燃烧前后质量的变化及质鼍损失率的情况。其中芳砜纶类、芳纶类和PBI/芳纶混纺类试样燃烧前后质量损失率较小,且平均值接近,都集中在5%一10%之间;质量损失最多的是阻燃棉类试样,平均质量损失率在20%~25%之间。通过阻燃后整理加工方式而具有阻燃性能的阻燃棉织物接触到热源后,织物中的阻燃气体、阻燃剂等耗尽以后会散发大量的热气体、热焦油、烟等,造成质鼍损失大而减弱了热防护效果,因而织物的热防护性能也较差,即TPP值较低;自身具有稳定的化学结构的芳纶织物、芳砜纶织物以及PBI纤维织物接触热源的过程中物质转化和散失少,质量损失少,相应热防护性能好,即TPP值较高。可见,在接触到猛火等热源过程中织物的质量损失率越小,越有利于发挥其热防护性能。总之,织物热防护性能实验中织物试样直接面对的是对流热和辐射热,同时试样背面的温度的上升还与织物的传导热防护性能相关。因此,织物的热防护性能来自于织物防护对流热、辐射热和传导热的综合因素。它与纤维类型、纤维的分布排列形式、空气/体积比率、孑L洞率、特别是单个孔径的尺寸,以及织物厚度、面密度、密度、表面性状都有密切关联。就本研究中的消防服用的四类外层织物而言,其热防护性能有较大差异,都随着织物的面密度及厚度的增加而提高。尽管织物面密度大、厚度厚,对于整体热防护性性能而言是有利的,但是也增加了服装的整体重量,可能增加了对穿着者的体热散失的阻碍、加剧了体热蓄积,因此消防服用外层织物的选择还需综合考虑热防护性能之外的其他因素,特别是尺寸稳定性、热收缩率、外观变化等。


三、结论
本文就消防服用四类外层织物芳纶织物、芳砜纶织物、阻燃棉织物及PBI纤维与对位芳纶的混纺织物等的热防护性能进行了比较研究。研究发现,PBI纤维与Kevlar的混纺织物的热防护性能最好,芳纶织物和芳砜纶织物均具有较高的TPP值。研究表明我国自主研发的Tanlon织物和New Star间位芳纶织物热防护性能已接近被广泛使用和认可的耐高温纤维Nomex织物,在热防护性能方面并无显著差异,但在燃烧后外观稳定性方面不足。在TPP试验过程中,织物试样燃烧前后存在质量损失的现象。通过阻燃后整理加工方式而具有阻燃性能的阻燃棉织物燃烧后质量损失大,热防护性能较差;自身具有稳定的化学结构的芳纶织物、芳砜纶织物以及PBI纤维织物,在接触热源的过程中质量损失少,相应热防护性能好。本研究中的消防服用四类外层织物的热防护性能随着织物的面密度及厚度的增加而提高。


更多关于   消防服热防护性能测试仪:http://www.refanghu.com/productlist/list-5-1.html