李 俠 唐 虹 張成蛟

（1.南通大學(xué)，江蘇南通，226019；

2.安全防護(hù)用特種纖維復(fù)合材料研發(fā)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，江蘇南通，226019）

電弧事故中所產(chǎn)生的高熱能量是嚴(yán)重爆燃事故的3 倍～4 倍（甚至更高），瞬時(shí)溫度高達(dá)13 000 ℃左右，容易對(duì)人體造成嚴(yán)重傷害［1-2］。個(gè)體電弧防護(hù)產(chǎn)品作為人體的最后一道防線，在發(fā)生電弧事故時(shí)可為工作人員提供逃離的時(shí)間，避免或減少電弧熱傷害，保護(hù)生命安全［3］。目前對(duì)于電弧防護(hù)的研究主要集中在電弧傷害機(jī)理、電弧測(cè)試方法和標(biāo)準(zhǔn)條件的評(píng)估，但對(duì)防電弧服的功能性和舒適性缺乏系統(tǒng)的研究。針對(duì)這一現(xiàn)狀，本文回顧和總結(jié)了防電弧服的分類和常用材料，并就防電弧材料的開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀和影響防護(hù)性能的因素作以闡述，以期為個(gè)體電弧防護(hù)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和研究提供參考。

1 防電弧服的分類和常用材料

1.1 防電弧服的分類

防電弧服主要用于保護(hù)可能發(fā)生電弧傷害場(chǎng)所的人員，避免或減輕電弧散發(fā)出的熱輻射以及飛濺融化物所造成的傷害［4］。按服裝款式，防電弧服分為兩類，即上下分開(kāi)式和上下連體式。按服裝面料的結(jié)構(gòu)，可分為單層、雙層和多層三類。按防電弧等級(jí)可分為四類：Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)屬于輕型防護(hù)服，采用單層面料，多用于日常防護(hù)；Ⅲ級(jí)和Ⅳ級(jí)屬于重型防護(hù)服，采用多層面料組合，這兩類防電弧服用于特殊的電氣操作中［5］。防電弧服在工作環(huán)境中常與其他防電弧用品配套使用，如頭罩和面屏、手套、內(nèi)衣和鞋靴等；此外還有防墜落安全帶、防電弧雨衣、冬服和聽(tīng)力保護(hù)設(shè)備等產(chǎn)品［6］。

1.2 防電弧服的常用材料

防電弧織物必須具備出色的耐熱性、阻燃性、不熔融、H 級(jí)電絕緣、永久性防火和耐洗滌等性能［7］。遇到電弧爆炸時(shí)，防電弧服材料應(yīng)能迅速炭化，形成致密的碳化膜，阻止熱量向防護(hù)服內(nèi)部傳遞，從而將人體皮膚與電弧熱能的接觸傷害降至最低［8］。防電弧織物按其作用機(jī)理主要分為兩類：后整理阻燃類和本質(zhì)阻燃類［9］。目前制備防電弧織物的纖維主要有腈氯綸、阻燃粘膠、芳綸1313、芳綸1414 和錦綸等。

腈氯綸在燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的煙氣，可以有效隔絕空氣中的氧氣，隔絕電離空氣并防止持續(xù)燃燒，提高織物的電弧量級(jí)值（Arc Thermal Performance Value，以下簡(jiǎn)稱ATPV）［10］。阻燃粘膠具有吸濕性好、易染色及防靜電等特點(diǎn)，在與火花短時(shí)間接觸或有火險(xiǎn)時(shí)，能快速起到保護(hù)作用［11］。芳綸1313 具有優(yōu)異的阻燃耐高溫性能，且纖維強(qiáng)度較高，伸長(zhǎng)較大，可提高織物的斷裂、撕破強(qiáng)力［12］。芳綸1414 具有高耐熱性、高抗拉強(qiáng)度和彈性模量，受熱變形?。?3］?？椢镏屑尤敕季]1414 可以保證熱穩(wěn)定性，并提高織物在電弧發(fā)生時(shí)的材料破裂閾能（Material Breakopen Threshold Energy，以下簡(jiǎn)稱Ebt值）。錦綸具有良好的力學(xué)性能和耐熱耐磨性能，混入錦綸可提高織物的強(qiáng)度和耐磨性能［14］；同時(shí)其軟化溫度較低，遇到高溫軟化后能快速填補(bǔ)織物中的空隙，提高隔熱性能，但錦綸不具有阻燃性，因此含量不易過(guò)高。

2 防電弧服的研究現(xiàn)狀

2.1 防電弧材料的開(kāi)發(fā)研究

目 前，美 國(guó)Du Pont 公 司 的Nomex ⅢA 和ProteraTM防電弧專用織物在國(guó)際上應(yīng)用較多，其中ProteraTM織物由65%阻燃腈氯綸、28%芳綸1313、5%芳綸1414 和2%導(dǎo)電纖維組成，其不但具有優(yōu)異的防護(hù)效果，還具有良好的舒適性，廣泛應(yīng)用于阻燃防護(hù)和電弧防護(hù)領(lǐng)域，占據(jù)著行業(yè)的高端市場(chǎng)。近年來(lái)，國(guó)外學(xué)者對(duì)于防電弧材料的開(kāi)發(fā)研究主要集中在新型材料和涂層織物方面。ORTELLI 等人設(shè)計(jì)了一種基于金屬氧化物納米粒子和生物大分子的新型耐用膨脹型阻燃涂料，并將其應(yīng)用于棉織物上，結(jié)果顯示：相對(duì)于未處理的棉織物，涂層棉織物測(cè)試結(jié)束時(shí)的殘留物明顯更高［15］。AHMAD 等人將不同配比的玻璃纖維添加到基本膨脹型涂料配方中，開(kāi)發(fā)出了8 種膨脹型制劑，探究對(duì)提高其隔熱性能的影響，結(jié)果顯示：含有7.0%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）玻璃纖維的配方FG08 在耐火測(cè)試中的效果更好，同時(shí)增強(qiáng)了涂層的隔熱性能［16］。此外，BECK 等人研究了涂料對(duì)聚酯-棉混紡織物的熱穩(wěn)定性、阻燃性和洗滌耐久性的影響。分析表明：與未處理的織物相比，涂層織物質(zhì)量損失5%時(shí)的溫度提高30 ℃，峰值放熱速率和總放熱降低了77%和75%，經(jīng)過(guò)12 次洗滌循環(huán)后，處理后的織物仍顯示出良好的阻燃性能［17］。SONEE 等人通過(guò)兩組阻燃粘膠間位芳綸和阻燃粘膠錦綸66 間位芳綸試驗(yàn)，探究阻燃混紡織物對(duì)熱防護(hù)性能的影響。結(jié)果顯示：混紡織物中的纖維含量與阻燃性和耐熱性之間存在一定的關(guān)系［18］。

國(guó)內(nèi)主要集中于防電弧混紡織物的研發(fā)，其中，張生輝等人分別以阻燃腈氯綸棉芳綸1414、阻燃腈氯綸芳綸1313 芳綸1414 和棉錦綸（經(jīng)后整理）開(kāi)發(fā)出同為240 g/m2的防電弧織物，前兩種織物的強(qiáng)力達(dá)到了我國(guó)電力行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)織物的要求［19］。李凍等人通過(guò)紡制不同混紡比的阻燃腈氯綸芳綸1313 POD 芳綸1414 混紡織物，探討POD 纖維對(duì)防電弧織物舒適性和防護(hù)性能的影響，發(fā)現(xiàn)POD 纖維耐磨性是芳綸1313 的兩倍，透濕性增加了35%［20］。沈劍等人對(duì)比了8 種阻燃材料的混紡面料在電弧閃爆熱防護(hù)領(lǐng)域的綜合表現(xiàn)，認(rèn)為含有芳砜綸的材料在該應(yīng)用領(lǐng)域可適應(yīng)國(guó)內(nèi)外的標(biāo)準(zhǔn)性能要求［21］。此外，也有學(xué)者合成了一種含有銀納米顆粒的聚氨酯-銀-聚氨酯夾層微結(jié)構(gòu)的耐磨導(dǎo)電聚酯織物，這種涂層織物的質(zhì)量損失僅為1.28%［22］。

2.2 影響防護(hù)性能的其他因素研究

織物的電弧防護(hù)性能除了受到紡織材料本身特性的影響，還受到其他多種因素，如織物組織、污染物、織物顏色以及熱等離子體等的影響。

關(guān)于織物組織的影響，HOAGLAND 在其著作中總結(jié)到，就機(jī)織物而言，雙面斜紋組織是防電弧性能最好的組織之一；平紋組織也被幾種知名防電弧織物采用［23］。對(duì)于針織物，有其獨(dú)特的測(cè)試要求和織物響應(yīng)；雙面針織物開(kāi)始被開(kāi)發(fā)使用，通常是與不熔融的纖維和高能見(jiàn)度的聚合物纖維混織。李凍等人對(duì)3 種防電弧織物的拉伸、透氣、透濕、阻燃、熱穩(wěn)定、熱防護(hù)及電弧防護(hù)性能進(jìn)行比較分析，探討了織物原料和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其舒適性和防護(hù)性能的影響。結(jié)果顯示：原料種類對(duì)防護(hù)性能影響最顯著，雙層結(jié)構(gòu)可有效地提高防電弧織物的熱防護(hù)性能（Thermal Protective Performance，以下簡(jiǎn)稱TPP）和ATPV值，尤其是ATPV值增加最為顯著，ATPV值超過(guò)單層織物的3 倍［24］。

通過(guò)日常使用，防護(hù)服可能被工業(yè)污染物附著或染色。HOAGLAND 等人研究了潮濕污染物、導(dǎo)電和非導(dǎo)電性粉塵及易燃液體等幾類污染物及污染物組合對(duì)電弧防護(hù)性能的影響［25］。研究表明：汗液等潮濕的污染物會(huì)降低防護(hù)服的防護(hù)性能，但能有效避免阻燃材料燃燒；潮濕的非阻燃服裝仍會(huì)被引燃，同時(shí)可能引起更嚴(yán)重的熱燒傷，甚至死亡。相關(guān)學(xué)者后續(xù)又用20%左右質(zhì)量的水分模擬汗液，探究水分（汗液）對(duì)暴露于電弧下多層服裝系統(tǒng)性能的影響［26］。研究發(fā)現(xiàn)：隨著服裝系統(tǒng)中水分含量的增加，Ebt值可能會(huì)上升，但燒傷保護(hù)值可能會(huì)下降；織物顏色對(duì)織物防電弧性能也是有影響的。ASTM 早期委員會(huì)對(duì)未染色布和海軍藍(lán)布的研究表明：織物的顏色對(duì)電弧評(píng)級(jí)影響不大。另外SWEETING 等人研究發(fā)現(xiàn)［27］：電弧產(chǎn)生時(shí)等離子體云的行為控制著服裝和受害者的熱暴露，因此分析等離子體云和織物之間的相互作用與簡(jiǎn)單的輻射有很大的不同；特別是在紫外光譜中，電弧防護(hù)服裝的顏色決定了被反射、吸收和透射的光的比例。當(dāng)光的頻率和服裝的顏色影響到能量的吸收時(shí)，熱等離子體對(duì)服裝的影響不存在等效性質(zhì)。此外，了解熱等離子體與防電弧材料的相互作用對(duì)于設(shè)計(jì)有效防電弧和阻燃合成纖維織物至關(guān)重要。ISHIDAL 等人［28］通過(guò)熱等離子體輻照技術(shù)研究了熱等離子體與聚酰胺、聚酯苯酚和芳族聚酰胺等合成纖維之間的相互作用；從屏蔽熱流的角度研究了聚合物燒蝕的兩個(gè)特征：迅速響應(yīng)和耐久性。結(jié)果表明，聚酰胺纖維同時(shí)具有迅速的響應(yīng)和長(zhǎng)期的耐用性。

3 防電弧產(chǎn)品相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

1990 年以來(lái)，電弧防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)一直在發(fā)展，美國(guó)對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究較早也較系統(tǒng)、完善［29］。美國(guó)職業(yè)安全和健康署利用杜克公司早期的研究成果發(fā)布了OSHA 標(biāo)準(zhǔn)；1997 年，美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)發(fā)布了電弧測(cè)試方法，引發(fā)了眾多國(guó)家對(duì)電弧防護(hù)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和測(cè)試。目前巴西、秘魯、俄羅斯、南非和新西蘭等國(guó)家正積極編撰電弧閃光相關(guān)法律。我國(guó)2011 年發(fā)布電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 320—2010《個(gè)人電弧產(chǎn)品防護(hù)用品通用技術(shù)要求》，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有待出臺(tái)。目前國(guó)際上與服裝及電弧閃光用PPE 電弧防護(hù)性能要求相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)如下。

ASTM F1959《服裝材料電弧熱性能值的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法》測(cè)試內(nèi)容：測(cè)量阻燃織物為在電弧環(huán)境下的穿著者提供的熱防護(hù)程度，電弧熱防護(hù)值越高，織物的防護(hù)性能越強(qiáng)；如果電弧熱防護(hù)值不能達(dá)到，則確定損壞測(cè)試織物的能量值。ASTM F 2178《防電弧面罩產(chǎn)品的電弧級(jí)別和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的試驗(yàn)方法》測(cè)試內(nèi)容：測(cè)定防電弧面罩產(chǎn)品的電弧級(jí)別和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格。IEC 61482-1-1《帶電作業(yè)防護(hù)服-防電弧熱損傷 第1 部分測(cè)試方法1》測(cè)試內(nèi)容：測(cè)試阻燃服裝電弧等級(jí)，規(guī)定了ATPV或Ebt的測(cè)試方法。IEC 61482-l-2《帶電作業(yè)防電弧熱危害的防護(hù)服第1 部分：測(cè)試方法2》測(cè)試內(nèi)容：評(píng)定服裝和材料在封閉和直接電弧下的防電弧等級(jí)。IEC 61482-2《帶電作業(yè)防電弧熱危害的防護(hù)服第2 部分》測(cè)試內(nèi)容：性能要求。ASTM F 1958《用人體模型模擬在電弧暴露情況下非阻燃面料的可燃性的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法》測(cè)試內(nèi)容：用于確定導(dǎo)致10%純棉或其他可燃纖維制成的防護(hù)服會(huì)燃燒的電弧能量，只用于測(cè)定可燃纖維。ASTM F 1506《暴露于瞬時(shí)電弧和有關(guān)熱力危害中的電工穿著的阻燃防護(hù)服所采用的紡織品材料的性能標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》測(cè)試內(nèi)容：規(guī)定了ATPV值或Ebt值的測(cè)試方法。ASTM F 2757《清洗火焰、耐熱和耐電弧服裝及維護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)指南》測(cè)試內(nèi)容：確定了耐熱、防電弧服裝清洗及維護(hù)方法。

4 防電弧服的發(fā)展趨勢(shì)

總體而言，國(guó)外對(duì)防電弧服防護(hù)性能的研究在材料開(kāi)發(fā)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)、標(biāo)準(zhǔn)制定和檢測(cè)儀器等方面目前處于領(lǐng)先地位；國(guó)內(nèi)電弧防護(hù)研究多專注于防電弧紡織材料的開(kāi)發(fā)，防電弧服主要依靠進(jìn)口，影響防電弧織物的防電弧性能因素有待深入研究，行業(yè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)體系尚不健全。為了促進(jìn)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和高新安全防護(hù)技術(shù)的應(yīng)用，為電力作業(yè)人員提供質(zhì)量可靠、性能優(yōu)異的防電弧服，今后需側(cè)重以下三方面的研究。

（1）功能性方面。芳綸多組分織物及芳綸系列織物等永久性阻燃織物將得到推廣和使用，以長(zhǎng)期、有效地保護(hù)人員安全；新型材料，如碳化丙烯腈纖維、膨脹型和發(fā)光型材料以及金屬納米顆粒SbO3，在纖維聚合物中的應(yīng)用對(duì)于電弧防護(hù)材料領(lǐng)域有著巨大前景。

（2）舒適性方面。防護(hù)性與舒適性是一對(duì)矛盾關(guān)系，如何制造兩種性能兼?zhèn)涞姆离娀】椢铮绾握{(diào)節(jié)目前防電弧織物的舒適性與防護(hù)性比重等問(wèn)題還有待解決。未來(lái)可能會(huì)通過(guò)應(yīng)用疏水/親水混合物和納米技術(shù)尋求二者之間的平衡。

（3）標(biāo)準(zhǔn)方面。防電弧服的選用必須基于電弧能量的大小，而電弧能量的大小需要結(jié)合電壓、距離和空氣相對(duì)濕度等進(jìn)行計(jì)算。將選用對(duì)應(yīng)防護(hù)級(jí)別的防護(hù)服要求寫(xiě)入運(yùn)行操作規(guī)程的防電弧服國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)即將出臺(tái)，給予作業(yè)人員以有效指導(dǎo)，改變防電弧織物只能依靠國(guó)外檢測(cè)的局面，促進(jìn)我國(guó)電弧防護(hù)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和檢測(cè)。

西安工程大學(xué)科研成果展示

項(xiàng)目名稱：

新型可變?nèi)我饣ɑ囟嘤猛緢A網(wǎng)印花機(jī)

項(xiàng)目簡(jiǎn)介：

我國(guó)高檔印花機(jī)需求量在逐年增加，花布市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，利潤(rùn)下降，同時(shí)歐美高檔印花機(jī)價(jià)格昂貴，國(guó)內(nèi)大多數(shù)廠家購(gòu)買(mǎi)困難。目前印染廠60%以上設(shè)備為舊機(jī)型，產(chǎn)品檔次壓力、生產(chǎn)效率、環(huán)保壓力使得現(xiàn)有設(shè)備難以滿足企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)需求，因此，功能更齊全、性價(jià)比更高的圓網(wǎng)印花機(jī)將會(huì)具有較高的競(jìng)爭(zhēng)力。

項(xiàng)目研究的新型可變?nèi)我饣ɑ囟嘤猛緢A網(wǎng)印花機(jī)，可以較好的幫助國(guó)內(nèi)印染企業(yè)解決電機(jī)同步問(wèn)題以及全自動(dòng)對(duì)花問(wèn)題，同時(shí)具有任意可變花回、超大花回等功能，滿足印花機(jī)高速度、高精度的需求，有效的增加了生產(chǎn)的效率、提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。同時(shí)打破國(guó)外企業(yè)的技術(shù)壟斷，滿足國(guó)內(nèi)企業(yè)迫切的市場(chǎng)需求，此課題的完成對(duì)我國(guó)印染行業(yè)印花水平的提升具有重要的戰(zhàn)略意義。

該設(shè)備具體參數(shù)：印花幅寬1 800 mm～3 200 mm ；最大印花寬度1 620 mm～3 050 mm；印 花 套 色 數(shù)4～20 套 色；印 花 花回640 mm～820 mm～914 mm～1 018 mm～1 680 mm～2 412 mm～3 624 mm；對(duì)花精度±0.1 mm；工藝車(chē)速4 m/min～100 m/min；刮印方式 磁棒、刮刀兩用。適用于梭織布、針織布、彈力布、各種絨布、搖粒絨、珊瑚絨、法蘭絨、毛圈布、毛巾、編織布、各類床毯。亮點(diǎn)：采用刮刀和磁棒任意搭配組合，有效的提高了生產(chǎn)工藝的靈活性；開(kāi)發(fā)新型可變?nèi)我饣ɑ匾约按蠡ɑ氐挠』▎卧ㄟ^(guò)伺服系統(tǒng)精密抬升網(wǎng)架改變網(wǎng)頭中心，達(dá)到變換花回的目的，此種方式一鍵實(shí)現(xiàn)更換，操作簡(jiǎn)便，能滿足客戶多品種的靈活性需求；采用種承載式螺桿機(jī)構(gòu)的圓網(wǎng)印花單元橫向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和斜向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，有效解決了印花機(jī)機(jī)構(gòu)間隙不穩(wěn)定影響對(duì)花精度的問(wèn)題，同時(shí)采用一種伺服控制的升降系統(tǒng)，有效解決了定位精度問(wèn)題。

該項(xiàng)目于2017 年5 月通過(guò)中國(guó)紡織工業(yè)聯(lián)合會(huì)鑒定，認(rèn)為該技術(shù)整體達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，其中可變?nèi)我饣ɑ匮b置及控制技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。項(xiàng)目獲陜西省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、西安市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。目前已授權(quán)專利3 項(xiàng)，申請(qǐng)專利4 項(xiàng)，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。