阻燃防电弧面料的制造工艺及其对防护性能的影响
一、引言
随着电力工业、石油化工、冶金、航天等高危行业的快速发展，作业人员面临电弧闪络（Arc Flash）和高温火焰等突发性热危害的风险日益增加。据美国国家消防协会（NFPA）统计，每年因电弧事故导致的烧伤人数超过2000人，其中严重烧伤占比超过70%。为有效保障作业人员安全，阻燃防电弧面料（Flame Retardant and Arc-Resistant Fabric）作为个体防护装备（PPE）的核心材料，已成为现代职业安全防护体系中的关键组成部分。
阻燃防电弧面料不仅需具备优异的阻燃性能，还必须在电弧能量冲击下保持结构完整性，减少热传导，防止二次燃烧，并具备良好的舒适性与耐久性。其制造工艺直接影响面料的防护等级、力学性能和使用寿命。本文系统阐述阻燃防电弧面料的原材料选择、织造结构、后整理技术及其对防护性能的影响，结合国内外研究进展与实际应用案例，深入分析关键工艺参数与性能指标之间的关系。
二、阻燃防电弧面料的基本定义与防护机理
2.1 基本定义
阻燃防电弧面料是一种专为抵御高温火焰和电弧放电设计的特种功能性纺织品，能够在短时间内承受高达8–40 cal/cm²的电弧能量而不发生熔融、滴落或引燃，同时有效阻隔热量传递，保护穿着者皮肤免受二级烧伤。
根据国际电工委员会（IEC）标准IEC 61482-1-1，防电弧服装需通过电弧测试（Open Arc Test），并根据其电弧防护能力（ATPV值或Ebt值）划分防护等级。
2.2 防护机理
阻燃防电弧面料的防护作用主要依赖于以下三种机制：
- 热反射与热阻隔：面料表层在高温下迅速碳化，形成致密炭层，阻止热量向内传导。
- 自熄性：材料本身具有极限氧指数（LOI）≥28%，在移除火源后能迅速自熄，避免持续燃烧。
- 非熔融性：在高温下不熔融滴落，避免造成二次烫伤。
三、主要原材料及其性能对比
阻燃防电弧面料的性能基础取决于其纤维原料的选择。目前主流纤维可分为天然阻燃纤维、改性纤维和高性能合成纤维三大类。
| 纤维类型 | 代表材料 | 极限氧指数（LOI） | 热分解温度（℃） | 电弧防护等级（ATPV, cal/cm²） | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 芳纶（Meta-aramid） | Nomex®（杜邦） | 29–32 | 500 | 8–12 | 高热稳定性，自熄性好 | 成本高，染色困难 |
| 芳纶（Para-aramid） | Kevlar® | 28–30 | 550 | 10–14 | 高强度，抗切割 | 易光降解 |
| 阻燃粘胶（FR-Viscose） | Lenzing FR® | 32–35 | 350 | 6–9 | 吸湿性好，舒适 | 强度较低 |
| 聚苯并咪唑（PBI） | PBI Gold® | 41 | 600 | 12–18 | 超高热稳定性 | 价格昂贵 |
| 聚四氟乙烯（PTFE）涂层 | Gore-Tex® AR | — | >327（熔点） | 可达20 | 防水透气，耐化学 | 易磨损 |
| 改性涤纶（FR-PET） | Trevira CS® | 30–32 | 400 | 6–8 | 成本低，易加工 | 高温下可能收缩 |
资料来源：杜邦公司技术手册（2021）；Lenzing AG产品白皮书（2022）；IEC 61482-2:2018标准
从上表可见，芳纶类纤维（如Nomex®）因其优异的综合性能，成为高端防电弧服装的首选材料。而Trevira CS®等改性涤纶则在中低端市场广泛应用，兼顾成本与基本防护。
四、制造工艺流程及关键技术
阻燃防电弧面料的制造涉及纤维选择、纺纱、织造、后整理等多个环节，各阶段工艺参数对最终性能具有决定性影响。
4.1 纤维混纺技术
为平衡成本、舒适性与防护性能，常采用多纤维混纺策略。常见混纺比例见下表：
| 混纺组合 | 典型比例 | ATPV（cal/cm²） | 应用场景 |
|---|---|---|---|
| Nomex®/Kevlar®/PBI | 93/5/2 | 14–16 | 高压变电站作业服 |
| FR-Viscose/Tencel® | 70/30 | 8–10 | 石油化工日常防护 |
| FR-PET/Cotton | 65/35 | 6–8 | 电力巡检人员工作服 |
| Nomex®/Carbon Fiber | 95/5（导电纱） | 12–14 | 防静电+防电弧一体化 |
文献支持：Zhang et al., Textile Research Journal, 2020, 90(15): 1789–1801
混纺中加入导电纤维（如碳纤维或不锈钢纤维）可提升面料的静电消散能力，防止静电积聚引发火花，进一步提升安全性。
4.2 织造结构设计
织物结构直接影响其热防护性能和力学强度。常见的织造方式包括平纹、斜纹和缎纹，其性能对比如下：
| 织造方式 | 密度（根/英寸） | 克重（g/m²） | 热防护指数（TPP） | 透气性（mm/s） | 适用等级 |
|---|---|---|---|---|---|
| 平纹 | 110×80 | 220 | 12–14 | 80–100 | Level 1–2 |
| 斜纹 | 100×70 | 240 | 14–16 | 60–80 | Level 2–3 |
| 双层斜纹 | 120×90 | 280 | 18–22 | 40–60 | Level 3–4 |
数据来源：中国纺织工业联合会《防护服装 电弧防护 第1部分：通用技术要求》（GB 8965.1-2020）
研究表明，高密度织造可显著提升面料的热阻值，但会牺牲透气性。因此，高端产品常采用双层结构：外层为高密度芳纶织物，内层为吸湿排汗的阻燃粘胶，实现“外防热、内舒适”的协同效应。
4.3 后整理工艺
后整理是提升阻燃防电弧性能的关键环节，主要包括以下几种技术：
（1）阻燃涂层处理
采用磷酸酯类或氮磷协效阻燃剂对织物进行浸轧焙烘处理，形成耐久性阻燃层。典型工艺参数如下：
| 工艺步骤 | 参数设置 |
|---|---|
| 浸轧液浓度 | 15–20% |
| 焙烘温度 | 160–180℃ |
| 焙烘时间 | 2–3分钟 |
| 水洗牢度 | ≥3级（GB/T 3921） |
参考文献：Wang et al., Fire and Materials, 2019, 43(6): 678–689
（2）纳米改性技术
近年来，纳米二氧化硅（SiO₂）、层状双氢氧化物（LDH）等无机纳米材料被引入后整理过程。研究表明，在织物表面构建纳米多孔结构可显著提升热反射率和炭层稳定性。
例如，东华大学研究团队（Li et al., 2021）通过溶胶-凝胶法在Nomex®织物表面沉积SiO₂纳米层，使ATPV值从12.5提升至16.3 cal/cm²，且经50次洗涤后仍保持90%以上性能。
（3）拒水拒油整理
为提升面料在潮湿环境下的防护性能，常采用含氟类整理剂进行三防处理（防水、防油、防污）。但需注意，过量氟化物可能影响阻燃剂的迁移与分布，需优化配比。
五、关键性能指标与测试标准
阻燃防电弧面料的性能评估需依据国际与国家标准进行系统测试。主要测试项目及标准如下：
| 测试项目 | 测试标准 | 方法简述 | 合格要求 |
|---|---|---|---|
| 垂直燃烧性能 | GB/T 5455 / ASTM D6413 | 垂直放置试样，接触火焰12秒 | 损毁长度≤150mm，续燃时间≤2s |
| 极限氧指数（LOI） | GB/T 5454 / ISO 4589-2 | 测定材料在氧气-氮气混合气中维持燃烧的最低氧浓度 | ≥28% |
| 电弧防护性能（ATPV） | IEC 61482-1-1 / ASTM F2679 | 使用电弧测试仪模拟电弧放电，测定二度烧伤能量阈值 | 根据防护等级要求（6–40 cal/cm²） |
| 热防护性能（TPP） | NFPA 2112 / ASTM F2700 | 通过热辐射与对流复合热源测试，计算热透过时间 | ≥6 cal/cm² |
| 撕破强力 | GB/T 3917.3 / ISO 9073-4 | 梯形法测定织物抗撕裂能力 | ≥25N（经向），≥20N（纬向） |
| 洗涤耐久性 | GB/T 12490 / AATCC 135 | 模拟50次家庭洗涤后测试阻燃性能 | 洗后损毁长度≤150mm |
标准来源：国家标准化管理委员会（SAC）；美国材料与试验协会（ASTM）；国际电工委员会（IEC）
值得注意的是，IEC 61482-1-1标准中规定的“开弧测试”（Open Arc Test）已成为国际公认的电弧防护评价方法。测试中使用4电极电弧发生器，模拟真实电弧环境，能量范围通常为4–40 cal/cm²，测试后评估面料的热传导、破损程度及ATPV值。
六、制造工艺对防护性能的影响分析
6.1 纤维选择对阻燃性的影响
不同纤维的化学结构决定了其热解行为。芳纶分子链中含有大量苯环和酰胺键，热解时生成稳定的芳香炭层，有效隔绝热量。而普通涤纶在高温下会熔融滴落，极易引燃周边材料。
据英国利兹大学研究（Holloway et al., Polymer Degradation and Stability, 2018），Nomex®在400℃下质量损失率仅为15%，而普通涤纶在250℃即开始剧烈分解，释放可燃气体。
6.2 织物结构对热防护性能的影响
织物的孔隙率、厚度和紧度直接影响热传导速率。研究表明，织物克重每增加50 g/m²，TPP值可提升约2–3 cal/cm²。但过高的克重会导致穿着者热应激风险上升。
德国Hohenstein研究所（2020）通过红外热成像技术发现，双层织物在电弧冲击下外层迅速碳化，内层温度上升缓慢，热延迟时间比单层织物延长1.8秒，显著提升逃生时间。
6.3 后整理工艺对耐久性的影响
阻燃剂的耐洗性是衡量面料实用性的重要指标。传统磷氮系阻燃剂在多次洗涤后易流失，导致防护性能下降。而采用反应型阻燃剂（如Pyrovatex CP）可通过共价键与纤维结合，显著提升耐久性。
日本帝人公司（Teijin）开发的“Teijinconex® Neo”采用新型交联技术，经100次ISO 6330标准洗涤后，LOI值仅下降1.2%，远优于传统产品。
七、国内外典型产品与应用案例
7.1 国外知名品牌
| 品牌 | 国家 | 主打产品 | 核心技术 | ATPV值（cal/cm²） |
|---|---|---|---|---|
| DuPont™ Nomex® | 美国 | Nomex® IIIA（95% Nomex®, 5% Kevlar®） | 芳纶混纺，高热稳定性 | 12–14 |
| Teijinconex® | 日本 | Teijinconex® Z | 改性聚芳酰胺，高LOI | 14–16 |
| Lenzing FR® | 奥地利 | Lenzing FR®/Tencel®混纺 | 阻燃粘胶，环保可降解 | 8–10 |
| Westex® | 美国 | UltraSoft® FR | FR棉与芳纶混纺 | 6–12 |
资料来源：各公司官网技术文档（2023）
7.2 国内代表性企业
| 企业 | 产品系列 | 技术特点 | 符合标准 |
|---|---|---|---|
| 江苏九九久科技 | 超细旦芳纶织物 | 自主研发芳纶纤维，克重低至200g/m² | GB 8965.1-2020, IEC 61482 |
| 山东如意集团 | 阻燃天丝混纺面料 | 采用FR-Tencel®与芳纶混纺 | GB/T 21926 |
| 江苏蓝天环保 | 纳米复合防电弧布 | SiO₂/Al₂O₃纳米涂层，提升反射率 | 企业标准Q/320481KFA001-2021 |
国内企业在原材料国产化方面取得显著进展。例如，江苏九九久已实现间位芳纶（Metaramid）的规模化生产，打破杜邦长期垄断，产品性能接近Nomex® Type 4。
八、未来发展趋势
- 智能响应型面料：集成温度传感器与变色材料，实现电弧预警与损伤评估。
- 生物基阻燃纤维：开发来源于木质素、壳聚糖的可降解阻燃材料，提升环保性。
- 超轻量化设计：通过纳米纤维膜与气凝胶复合，实现克重<180 g/m²的同时保持高ATPV。
- 数字化制造：利用AI优化织造参数，实现个性化防护装备定制。
据《中国个体防护装备产业发展蓝皮书（2023）》预测，到2028年，全球阻燃防电弧面料市场规模将突破120亿美元，年均增长率达8.5%，其中亚太地区将成为最大增长极。
参考文献
- 杜邦公司. Nomex® Product Guide 2021. Wilmington, DE: DuPont Performance Materials, 2021.
- Lenzing AG. Lenzing FR® Technical Datasheet. Lenzing, Austria: Lenzing AG, 2022.
- 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 open arc under controlled laboratory conditions. Geneva: International Electrotechnical Commission, 2019.
- GB 8965.1-2020. 防护服装 阻燃服 第1部分：通用技术要求. 北京: 中国标准出版社, 2020.
- Zhang, Y., Wang, Q., & Li, J. "Thermal protective performance of aramid-based fabrics for arc flash protection." Textile Research Journal, 2020, 90(15): 1789–1801.
- Wang, L., Chen, X., & Liu, Y. "Durable flame retardant finishing of cotton fabric with phosphorus-nitrogen synergistic system." Fire and Materials, 2019, 43(6): 678–689.
- Li, H., Zhao, M., & Xu, W. "Enhancement of arc resistance of Nomex fabric by sol-gel derived SiO₂ coating." Materials & Design, 2021, 205: 109732.
- Holloway, P.J., Horrocks, A.R., & Kandola, B.K. "Thermal degradation mechanisms of meta-aramid fibres." Polymer Degradation and Stability, 2018, 156: 1–10.
- Hohenstein Institute. Thermal Protection Performance of Multi-layer Protective Fabrics. Report No. Hohenstein-2020-TPP-001, 2020.
- 中国纺织工业联合会. 中国个体防护装备产业发展蓝皮书（2023）. 北京: 中国纺织出版社, 2023.
- ASTM F2679-18. Standard Test Method for Determining the Arc Rating of Materials for Wearing Apparel for Use by Electrical Workers Exposed to Electric Arc. West Conshohocken, PA: ASTM International, 2018.
- Teijin Limited. Teijinconex® Neo Technical Brochure. Tokyo: Teijin Group, 2022.
（全文约3,650字）
