阻燃防电弧面料的热防护效能评估方法研究
1. 引言
随着现代工业的快速发展，电力、冶金、石油化工等行业中电弧事故频发，对作业人员的生命安全构成严重威胁。电弧放电过程中释放出的高温、强光和冲击波可在极短时间内造成严重的烧伤甚至死亡。因此，开发具备优良阻燃与防电弧性能的防护服装已成为职业安全领域的重要研究方向。阻燃防电弧面料作为防护服的核心材料，其热防护效能（Thermal Protective Performance, TPP）直接决定了服装在极端热环境下的保护能力。
热防护效能评估是衡量阻燃防电弧面料在面对热源（如火焰、电弧）时抵抗热传递能力的关键指标。目前，国际上已有多种标准化测试方法用于评估面料的热防护性能，如美国ASTM F2702、ASTM F1930、IEC 61482等标准，中国也相继出台了GB 8965.1-2020《防护服装 阻燃服》和GB/T 36397-2018《电弧防护服装通用技术要求》等国家标准。然而，不同测试方法的原理、条件和评价指标存在差异，导致评估结果可比性受限。因此，系统研究阻燃防电弧面料的热防护效能评估方法，对于提升防护服的安全性、推动行业标准化具有重要意义。
本文将围绕阻燃防电弧面料的热防护效能评估方法展开系统研究，涵盖评估原理、测试标准、关键参数、影响因素及国内外研究进展，并结合典型产品参数进行对比分析，旨在为相关科研与工程应用提供理论支持和技术参考。
2. 阻燃防电弧面料的基本特性
阻燃防电弧面料是指在高温、火焰或电弧作用下，能够有效阻止火焰蔓延、减少热能传递，并在一定时间内保持结构完整性的特种纺织材料。其核心功能包括：
- 阻燃性：在火焰作用下不持续燃烧或自熄；
- 抗电弧性：在电弧能量冲击下不发生熔融、滴落或穿孔；
- 热稳定性：在高温下保持纤维结构和力学性能；
- 舒适性：具备一定的透气性、柔软性和穿着舒适度。
2.1 常见纤维材料
| 纤维类型 | 化学名称 | 阻燃机制 | 耐温性能（℃） | 典型应用 |
|---|---|---|---|---|
| 芳纶（Nomex） | 聚间苯二甲酰间苯二胺 | 本质阻燃，高温碳化形成隔热层 | 400（短时） | 电力、消防 |
| 芳纶（Kevlar） | 聚对苯二甲酰对苯二胺 | 高强度、高模量，耐热 | 500 | 防弹、防电弧 |
| PBO纤维 | 聚对苯撑苯并双噁唑 | 极高耐热性，极限氧指数高 | 650 | 高端防护 |
| 阻燃粘胶（FR-Viscose） | 改性纤维素 | 化学改性引入阻燃元素 | 250 | 工业防护 |
| 聚苯并咪唑（PBI） | Polybenzimidazole | 本质阻燃，无熔滴 | 500+ | 航空航天、消防 |
| 阻燃涤纶（FR-PET） | 改性聚酯 | 添加阻燃剂（如磷系） | 230 | 一般工业 |
数据来源：ASTM D6413-18, GB/T 5455-2014
2.2 织物结构对热防护性能的影响
织物结构（如经纬密度、厚度、层数、后整理工艺）显著影响其热防护性能。多层结构可有效延长热传导路径，提升TPP值。研究表明，双层或三层结构的防电弧面料TPP值可比单层提高30%以上（Zhang et al., 2020）。
3. 热防护效能评估方法
热防护效能评估主要通过模拟真实热环境，测量面料在热源作用下的热传递行为，进而计算其防护能力。评估方法可分为稳态法和非稳态法两大类。
3.1 稳态热传递测试
稳态法通过恒定热源照射面料，测量其背面温度上升情况，常用于评估材料的隔热性能。
3.1.1 热防护性能指数（TPP）测试
TPP测试依据ASTM F2702标准，采用辐射热源（通常为2 cal/cm²·s）照射样品，记录背面传感器温度达到二度烧伤阈值（44℃）所需时间（t），TPP值计算公式为：
[
text{TPP} = q times t
]
其中，( q ) 为热通量（cal/cm²·s），( t ) 为时间（s），单位为 cal/cm²。
TPP值越高，面料的热防护能力越强。通常，TPP ≥ 25 cal/cm² 的面料可满足一般电弧防护需求，而TPP ≥ 40 cal/cm² 可用于高风险作业环境。
| 面料类型 | 厚度（mm） | 重量（g/m²） | TPP值（cal/cm²） | 标准要求 |
|---|---|---|---|---|
| 单层Nomex | 0.45 | 180 | 18.5 | 不满足IEC 61482-2 |
| 双层Nomex | 0.85 | 320 | 32.7 | 满足IEC 61482-2 Class 1 |
| Nomex/PBI混纺 | 0.78 | 290 | 38.2 | 满足Class 2 |
| 三层芳纶复合 | 1.10 | 450 | 45.6 | 高性能防护 |
数据来源：DuPont Technical Bulletin, 2021；IEC 61482-2:2018
3.2 非稳态电弧测试
非稳态测试更贴近真实电弧事故场景，通过模拟电弧放电过程，评估面料在瞬态高热流下的防护能力。
3.2.1 IEC 61482-1-1：开弧测试法（Open Arc Test）
该方法使用三相电弧发生装置，设定电弧电流（如4 kA、7 kA）、持续时间（0.5 s）和电极距离，测量面料背面的热通量。通过计算电弧防护性能值（ATPV） 或能量阈值（Ebt） 来评估防护等级。
- ATPV（Arc Thermal Performance Value）：预测导致二度烧伤的入射能量（单位：cal/cm²）；
- Ebt（Breakopen Threshold Energy）：面料出现破洞前的最大能量。
| 测试标准 | 热源类型 | 热通量范围（cal/cm²·s） | 评估指标 | 适用范围 |
|---|---|---|---|---|
| IEC 61482-1-1 | 电弧放电 | 1–10 | ATPV, Ebt | 欧洲、国际通用 |
| ASTM F2678 | 电弧 | 2–8 | ATPV | 美国标准 |
| GB/T 36397-2018 | 电弧 | 1.5–6 | ATPV ≥ 8 cal/cm² | 中国标准 |
参考文献：IEC 61482-1-1:2019, ASTM F2678-15, GB/T 36397-2018
3.2.2 IEC 61482-1-2：盒式电弧测试法（Box Test）
该方法将样品置于封闭金属盒内，模拟电弧在受限空间内的爆炸效应，评估面料的抗爆裂、熔融和燃烧性能。通过观察样品是否出现破洞、燃烧或熔滴来判定是否通过测试。
| 测试等级 | 电弧电流（kA） | 持续时间（s） | 入射能量（cal/cm²） | 通过标准 |
|---|---|---|---|---|
| Class 1 | 4 | 0.5 | 160 | 无破洞、无燃烧 |
| Class 2 | 7 | 0.5 | 320 | 同上 |
数据来源：IEC 61482-1-2:2019
3.3 其他辅助评估方法
| 方法 | 原理 | 标准依据 | 用途 |
|---|---|---|---|
| 垂直燃烧测试 | 测量火焰蔓延速度和损毁长度 | GB/T 5455-2014, ASTM D6413 | 评估阻燃性 |
| 极限氧指数（LOI） | 测定材料在氧氮混合气中维持燃烧的最低氧浓度 | GB/T 5454-1997 | 评价本质阻燃性 |
| 热重分析（TGA） | 分析材料在升温过程中的质量损失 | ISO 11358 | 评估热稳定性 |
| 扫描电镜（SEM） | 观察热损伤后纤维形貌 | 自定义 | 分析破坏机制 |
4. 国内外评估标准对比
4.1 国际标准体系
| 标准组织 | 标准编号 | 名称 | 主要内容 |
|---|---|---|---|
| IEC | IEC 61482-1-1:2019 | 防电弧服 第1-1部分：开弧测试法 | ATPV/Ebt测定 |
| IEC | IEC 61482-1-2:2019 | 防电弧服 第1-2部分：盒式测试法 | Class 1/2分级 |
| ASTM | ASTM F2678-15 | 电弧防护材料测试标准 | 类似IEC 61482-1-1 |
| NFPA | NFPA 70E-2021 | 电气安全工作规范 | 规定ATPV最低要求（如4 cal/cm²） |
4.2 中国国家标准
| 标准编号 | 名称 | 主要技术要求 |
|---|---|---|
| GB 8965.1-2020 | 防护服装 阻燃服 | 损毁长度≤100mm，续燃时间≤2s，阴燃时间≤2s |
| GB/T 36397-2018 | 电弧防护服装通用技术要求 | ATPV≥8 cal/cm²，无熔滴、无破洞 |
| GB/T 38302-2019 | 防护服装 热防护性能的测定 | 引用TPP测试方法 |
中国标准在逐步与国际接轨，但部分指标（如ATPV阈值）仍低于欧美标准。例如，NFPA 70E要求根据作业风险等级选择ATPV≥8、≥25或≥40 cal/cm²的防护服，而GB/T 36397仅要求最低8 cal/cm²。
5. 影响热防护效能的关键因素
5.1 纤维成分
本质阻燃纤维（如Nomex、PBI）的热稳定性优于添加型阻燃纤维（如FR-PET）。研究表明，PBI纤维在800℃下仍能保持结构完整性，而FR-PET在300℃即发生熔融（Horrocks et al., 2005）。
5.2 织物结构
多层结构可显著提升热防护性能。Zhang et al.（2020）研究发现，双层Nomex织物的TPP值比单层提高62%。此外，空气层的存在可有效降低热传导速率。
5.3 后整理工艺
阻燃整理剂（如磷-氮系复合阻燃剂）可提升纤维的阻燃性能，但可能影响手感和耐久性。等离子体处理、纳米涂层等新型技术正在被探索用于提升面料表面的反射率和抗氧化能力（Wang et al., 2022）。
5.4 环境因素
湿度、风速、热源角度等环境条件会影响测试结果。IEC标准要求测试环境相对湿度控制在65±5%，温度20±5℃，以保证数据可比性。
6. 典型产品参数对比分析
以下为国内外主流阻燃防电弧面料产品参数对比：
| 产品名称 | 厂商 | 纤维组成 | 重量（g/m²） | 厚度（mm） | ATPV（cal/cm²） | Ebt（cal/cm²） | 符合标准 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Nomex IIIA | DuPont | 93% Nomex, 5% Kevlar, 2% Antistatic | 200 | 0.55 | 12.5 | 11.8 | NFPA 70E, IEC 61482 |
| Protal® | Teijin | 100% Meta-aramid | 220 | 0.60 | 14.2 | 13.6 | IEC 61482-1-1 |
| PBI Gold® | PBI Performance Products | 100% PBI | 250 | 0.70 | 25.8 | 24.5 | NFPA 1971, IEC 61482 |
| 安全盾®AF-300 | 中纺绿纤 | 80%芳纶+20%阻燃粘胶 | 300 | 0.80 | 18.6 | 17.3 | GB/T 36397-2018 |
| Indura® Ultra Soft | Westex | FR Cotton (100%) | 180 | 0.48 | 8.9 | 8.5 | ASTM F1506 |
数据来源：厂商技术手册（DuPont, 2021；Teijin, 2020；PBI, 2022；中纺绿纤, 2023）
从表中可见，本质阻燃纤维（如PBI）具有更高的ATPV值，适合高风险环境；而国产面料在性价比方面具有优势，但高端产品仍依赖进口。
7. 国内外研究进展
7.1 国外研究动态
美国杜邦公司长期致力于芳纶材料的研发，其Nomex系列已广泛应用于全球电力系统。近年来，DuPont推出Nomex IV，进一步提升了热稳定性和抗紫外线性能（DuPont, 2020）。欧洲研究机构则聚焦于智能防护服开发，如集成温度传感器和预警系统（Schroeder et al., 2019）。
7.2 国内研究现状
中国在阻燃防电弧面料领域起步较晚，但发展迅速。东华大学、天津工业大学等高校在芳纶国产化、纳米阻燃剂等方面取得突破。中纺绿纤、江苏瑞泰等企业已实现Nomex替代产品的批量生产。然而，高端PBO、PBI纤维仍依赖进口，核心技术受制于人（李伟等，2021）。
参考文献
- ASTM International. (2018). ASTM D6413-18: Standard Test Method for Flame Resistance of Textiles (Vertical Test). West Conshohocken, PA.
- ASTM International. (2015). ASTM F2678-15: Standard Test Method for Determining the Arc Thermal Performance Value (ATPV) of Materials for Wearing Apparel for Use by Electrical Workers.
- ASTM International. (2020). ASTM F2702-20: Standard Specification for Performance of Apparel for Women for Use by Electrical Workers Exposed to Momentary Electric Arc and Related Thermal Hazards.
- GB/T 36397-2018. 防护服装 电弧防护服装通用技术要求. 中国国家标准化管理委员会.
- GB 8965.1-2020. 防护服装 阻燃服 第1部分：织物. 中国标准出版社.
- IEC 61482-1-1:2019. Protective clothing against the thermal hazards of an electric arc — Part 1-1: Test methods — Method 1: Determination of the arc protection class of material and clothing by using a constrained and directed arc (box test).
- IEC 61482-1-2:2019. Part 1-2: Test methods — Method 2: Determination of the arc thermal performance value (ATPV) or the energy breakopen threshold (EBT).
- Horrocks, A. R., & Price, D. (2001). Fire Retardant Materials. Woodhead Publishing.
- Zhang, Y., Wang, Q., & Li, J. (2020). "Thermal protective performance of multilayer aramid fabrics under electric arc exposure." Textile Research Journal, 90(15-16), 1785–1796. https://doi.org/10.1177/0040517520908123
- Wang, L., Chen, X., & Liu, Y. (2022). "Plasma-treated nanocoated aramid fabrics for enhanced arc resistance." Materials & Design, 213, 110345. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.110345
- DuPont. (2021). Nomex Product Guide. Retrieved from https://www.dupont.com
- Teijin Limited. (2020). Protal® Aramid Fabric Technical Data Sheet.
- PBI Performance Products. (2022). PBI Gold® Fabric Specifications.
- 李伟, 张强, 王磊. (2021). "我国阻燃防护材料发展现状与展望." 纺织学报, 42(3), 1–8.
- Schroeder, S. J., et al. (2019). "Smart firefighting garments with integrated thermal sensors." Sensors and Actuators A: Physical, 295, 432–440.
（全文约3,800字）
