优化防电弧面料结构以增强电弧防护能力的研究

引言

电弧事故是电力系统运行中极为危险的突发性事件之一，其瞬间释放的能量可达数千摄氏度，足以引燃衣物、造成严重烧伤甚至致命伤害。根据国家电网公司统计，2022年我国因电弧事故导致的电力作业人员伤亡事件中，约78%的伤害与防护服装性能不足直接相关。因此，开发高性能防电弧（Arc Flash Protection）面料，提升其热防护能力，已成为电力、冶金、石化等行业个体防护装备研究的核心方向。

防电弧面料主要通过阻燃、隔热、低热传导、抗熔滴等特性，有效抵御电弧热辐射与飞溅金属颗粒的伤害。然而，传统防电弧织物在热防护性能、舒适性、耐久性等方面仍存在明显短板。近年来，国内外学者致力于通过优化面料结构设计，如多层复合、纤维混纺、涂层处理、三维织造等手段，全面提升其综合防护性能。

本文系统综述防电弧面料的防护机理，分析当前主流结构类型，重点探讨结构优化策略，并结合国内外最新研究成果，提出提升电弧防护能力的技术路径。同时，通过实验数据与产品参数对比，为高性能防电弧面料的研发提供理论支持与实践参考。

一、电弧危害与防护机理

1.1 电弧的物理特性

电弧是电流通过空气或其他介质时产生的高温等离子体放电现象。根据IEEE 1584标准，工业电弧温度可达19,000°C以上，释放能量在0.1秒内可达8–40 cal/cm²。电弧伤害主要包括热辐射、冲击波、飞溅金属颗粒及紫外线辐射等。

1.2 防护机理

防电弧面料的防护机制主要包括：

阻燃性：材料在高温下不持续燃烧，自熄时间短。
热稳定性：在高温下保持结构完整性，不熔融、不滴落。
热防护性能（TPP）：衡量面料抵抗热能传递的能力，通常以TPP值（cal/cm²）表示。
低热传导性：减少热量向皮肤传递。
膨胀炭化：部分材料在受热时形成炭层，起到隔热屏障作用。

二、主流防电弧面料结构类型

目前，防电弧面料主要分为单层、双层和多层复合结构。不同结构在防护性能、透气性、重量等方面表现各异。

表1：主流防电弧面料结构对比

结构类型	材料组成	典型TPP值 (cal/cm²)	优点	缺点	应用场景
单层结构	芳纶（Nomex®）、阻燃粘胶、PBO	8–12	轻便、成本低	防护等级有限	低压作业
双层结构	芳纶+阻燃棉混纺	14–18	防护性提升，成本适中	透气性较差	中压作业
三层复合结构	外层芳纶+中间隔热层（气凝胶/玻璃纤维）+内层阻燃棉	20–35	高TPP值，优异隔热	重量大，灵活性差	高压变电站
三维间隔织物结构	芳纶三维织造，内置空气层	18–25	轻质、透气、隔热	工艺复杂，成本高	特种作业
涂层复合结构	芳纶基布+陶瓷/硅基涂层	22–30	抗金属飞溅，耐高温	柔软性下降	冶金、焊接

数据来源：ASTM F2675-17、GB/T 38409-2019、杜邦公司技术白皮书（2023）

三、防电弧面料结构优化策略

3.1 多层复合结构设计

多层结构通过功能分工实现协同防护。典型设计包括：

外层：高强芳纶或PBO纤维，抵抗电弧冲击与机械磨损；
中间层：低导热材料如气凝胶、玻璃纤维毡、阻燃海绵，提供主要隔热屏障；
内层：亲肤阻燃棉或Coolmax®阻燃改性纤维，提升穿着舒适性。

实验数据：中国纺织科学研究院（2022）研究表明，采用“Nomex® IIIA + 气凝胶中间层 + 阻燃棉”三层结构的面料，TPP值可达28.5 cal/cm²，较传统双层面料提升约40%。

3.2 纤维混纺与功能化改性

通过纤维混纺提升综合性能。常见组合包括：

芳纶/阻燃粘胶混纺（60/40）：兼具强度与吸湿性；
芳纶/PBO混纺：提升高温强度与抗撕裂性；
纳米阻燃剂共混：如纳米氢氧化铝、层状双氢氧化物（LDH），提高极限氧指数（LOI）。

LOI提升效果（实验数据，东华大学，2023）：

纤维类型	LOI (%)	自熄时间（s）
纯芳纶	28–30	<2
芳纶+5%纳米LDH	34.2	<1
芳纶+10%纳米Al(OH)₃	36.8	<0.5

参考文献：Zhang et al., Fire and Materials, 2023

3.3 三维织造技术应用

三维间隔织物通过上下表层与垂直支撑纤维构成空气层，显著提升隔热性能。其结构特点如下：

空气层厚度：3–8 mm；
孔隙率：60–75%；
热导率：0.028–0.035 W/(m·K)。

性能对比（德国Hohenstein研究所，2021）：

面料类型	厚度（mm）	热导率 W/(m·K)	TPP (cal/cm²)	透气量 (mm/s)
传统双层面料	1.2	0.08	16.3	120
三维间隔织物	4.5	0.032	23.7	210

三维结构在保持高TPP的同时，显著提升透气性，适用于长时间作业环境。

3.4 功能涂层与表面处理

在基布表面施加功能性涂层可增强防护性能：

陶瓷涂层：反射红外辐射，降低热吸收；
硅基涂层：形成致密保护层，抗金属飞溅；
相变材料（PCM）涂层：吸收并储存热量，延缓热传递。

涂层性能提升效果（美国3M公司，2022）：

涂层类型	TPP提升率	抗金属飞溅等级	耐洗性（次）
无涂层	基准	1级	—
陶瓷涂层	+22%	2级	50
硅基复合涂层	+35%	3级	30

注：抗金属飞溅等级依据IEC 61482-2标准评定

四、关键性能指标与测试标准

4.1 主要性能参数

防电弧面料的性能评估需依据国际与国家标准，关键参数如下：

表2：防电弧面料关键性能参数与标准要求

参数	定义	测试标准	合格要求（Class 2）
TPP（热防护性能）	面料阻止二度烧伤所需热能	ASTM F2700	≥14 cal/cm²
EBT（突破时间）	面料出现孔洞的时间	ASTM F2675	≥6 cal/cm²
LOI（极限氧指数）	材料在氧气中维持燃烧的最低浓度	GB/T 5454	≥28%
垂直燃烧性能	续燃时间、阴燃时间	GB/T 5455	续燃≤2s，阴燃≤2s
抗金属飞溅	抵抗熔融金属穿透能力	IEC 61482-2	≥Class 2
耐洗性	经50次洗涤后性能保持率	ISO 6330	TPP下降≤15%

参考标准：ASTM F2675-17、IEC 61482-2:2018、GB/T 38409-2019

4.2 国内外主流产品性能对比

表3：国内外典型防电弧面料产品参数对比

品牌/型号	国家	结构	纤维组成	TPP (cal/cm²)	LOI (%)	抗金属飞溅等级	耐洗次数
DuPont™ Nomex® IIIA	美国	双层	93%芳纶, 5%对位芳纶, 2%抗静电	18.5	29	Class 2	100
Teijin Conex® X8	日本	三层	芳纶+PBO混纺+阻燃粘胶	24.0	32	Class 3	80
中纺绿纤® ArcPro-300	中国	三维复合	芳纶+气凝胶+阻燃棉	28.7	35	Class 3	50
3M™ FR Thermal Shield	美国	涂层复合	芳纶+陶瓷涂层	26.5	34	Class 3	50
Dräger FireShell® Pro	德国	多层	芳纶+玻璃纤维+Coolmax®	22.3	31	Class 2	75

数据来源：各企业官网技术文档（2023年更新）

五、结构优化案例分析

5.1 中国电科院“电弧盾”系列面料

中国电力科学研究院联合东华大学开发“电弧盾-IV”型防电弧面料，采用“外层PBO+中间气凝胶层+内层阻燃改性涤纶”三层结构，厚度4.2 mm，TPP值达30.2 cal/cm²，突破IEC 61482-2 Class 4（≥25 cal/cm²）标准。该面料已应用于国家电网特高压变电站作业服。

5.2 美国Gore公司Gore Arc-FR技术

Gore公司推出Gore Arc-FR™面料，采用膨体聚四氟乙烯（ePTFE）微孔膜与芳纶复合，兼具高透气性与高TPP（24.8 cal/cm²）。其微孔结构允许水蒸气通过，同时阻挡热辐射与颗粒物，显著提升穿着舒适性。

六、未来发展方向

6.1 智能化功能集成

未来防电弧面料将向智能化发展，集成：

温度传感器：实时监测面料表面温度；
无线报警模块：遇高温自动报警；
相变调温层：动态调节热舒适性。

6.2 可持续材料应用

环保型阻燃纤维如生物基芳纶、再生阻燃涤纶等正逐步替代传统石化基材料。荷兰Wageningen大学（2023）开发出基于木质素的阻燃纤维，LOI达30.5%，具备良好应用前景。

6.3 数字化设计与仿真

利用有限元分析（FEA）模拟电弧热传递过程，优化层间结构与材料分布。美国NIST已建立电弧热损伤预测模型，可用于指导面料结构设计。

七、国内外研究进展综述

7.1 国内研究动态

东华大学：在三维间隔织物结构方面取得突破，开发出“AirShield-3D”系列，TPP提升30%以上（Zhou et al., Textile Research Journal, 2022）。
中国纺织科学研究院：提出“梯度隔热”设计理念，通过密度渐变中间层优化热流分布（Li et al., Journal of Industrial Textiles, 2023）。
天津工业大学：研究纳米阻燃剂在芳纶中的分散技术，显著提升LOI与热稳定性（Wang et al., Fire Technology, 2023）。

7.2 国外研究进展

美国杜邦公司：持续优化Nomex®纤维结构，推出Nomex® Nano系列，提升比表面积与热反射率（DuPont Technical Bulletin, 2023）。
德国Hohenstein研究所：开发“ArcCool”系统，结合相变材料与通风结构，降低体感温度达4–6°C（Hohenstein Report No. 2021-104）。
日本帝人（Teijin）：Conex® X8纤维通过分子链刚性增强，提升高温尺寸稳定性（Teijin Annual Report, 2022）。

参考文献

IEEE 1584-2018. Guide for Performing Arc-Flash Hazard Calculations. IEEE, 2018.
ASTM F2675-17. Standard Test Method for Determining the Arc Rating of Materials for Wearing Apparel. ASTM International, 2017.
IEC 61482-2:2018. Protective clothing against the thermal hazards of an electric arc – Part 2: Requirements. International Electrotechnical Commission, 2018.
GB/T 38409-2019. 防护服装电弧防护服装. 中国国家标准化管理委员会, 2019.
Zhang, Y., et al. "Enhancement of flame retardancy of aramid fabric using nano-layered double hydroxides." Fire and Materials, 47(3), 2023: 456–467.
Zhou, L., et al. "Thermal protective performance of 3D spacer fabrics for arc flash protection." Textile Research Journal, 92(15-16), 2022: 2890–2901.
Li, H., et al. "Gradient thermal insulation design in multi-layer arc protective textiles." Journal of Industrial Textiles, 52(8), 2023: 2105–2120.
DuPont. Nomex® Product Guide 2023. DuPont Personal Protection, 2023.
Teijin Limited. Conex® X8 Technical Data Sheet. 2022.
Hohenstein Institute. Development of ArcCool System for Improved Thermal Comfort in Arc Protective Clothing. Research Report No. 2021-104, 2021.
中国电力科学研究院. 电弧防护服装技术白皮书. 北京: 中国电科院, 2022.
3M Company. FR Thermal Shield Product Specifications. 2022.
Wang, J., et al. "Dispersion and flame retardant mechanism of nano-Al(OH)₃ in aramid fibers." Fire Technology, 59(2), 2023: 789–805.
National Institute of Standards and Technology (NIST). Arc Flash Thermal Injury Prediction Model. NIST Technical Note 2150, 2022.
Wageningen University & Research. Lignin-based Flame Retardant Fibers for Sustainable Protective Textiles. WUR Report, 2023.