全棉针织阻燃绒布料在消防防护服中的热防护性能研究
引言
随着城市化进程的加快和火灾事故频发，消防员在执行灭火救援任务中面临高温、火焰、热辐射等多重热危害。因此，消防防护服作为消防员人身安全的第一道屏障，其热防护性能至关重要。近年来，随着材料科学的发展，阻燃织物在消防服中的应用日益广泛。其中，全棉针织阻燃绒布料因其兼具舒适性、透气性与一定的阻燃性能，逐渐成为研究热点。
传统消防防护服多采用芳纶、间位芳纶（如Nomex）、聚苯并咪唑（PBI）等高性能合成纤维，虽然具备优异的热稳定性与阻燃性，但存在成本高、穿着不舒适、吸湿性差等缺点。相比之下，全棉针织阻燃绒布料以天然棉纤维为基础，通过化学改性或后整理技术赋予其阻燃功能，在保证一定热防护性能的同时，显著提升了穿着舒适性。
本文系统研究全棉针织阻燃绒布料在消防防护服中的热防护性能，结合国内外相关研究成果，分析其材料特性、热防护机制、性能测试方法及实际应用前景，并通过实验数据与文献对比，探讨其在现代消防装备中的可行性与优化方向。
一、全棉针织阻燃绒布料的基本特性
1.1 材料构成与结构特点
全棉针织阻燃绒布料是以100%棉纤维为原料，采用针织工艺编织而成的绒面织物。其表面经过起绒处理，形成细密的绒毛层，具有良好的保暖性与柔软触感。为实现阻燃功能，通常采用以下两种技术路径：
- 化学改性法：将棉纤维与阻燃剂（如磷酸酯类、含氮磷化合物）进行共价结合，使纤维本身具备永久阻燃性。
- 后整理法：通过浸轧—烘燥—焙烘工艺将阻燃剂（如Pyrovatex CP、Proban）施加于织物表面，形成阻燃层。
目前，国内广泛采用Proban工艺处理全棉织物，该工艺通过四羟甲基氯化磷（THPC）与尿素反应，在纤维内部形成交联网络，赋予织物耐久阻燃性能。
1.2 主要产品参数
下表列出了典型全棉针织阻燃绒布料的主要物理与化学性能参数：
| 参数项 | 指标值 | 测试标准 |
|---|---|---|
| 纤维成分 | 100%棉（阻燃处理） | GB/T 2910.1-2009 |
| 克重（g/m²） | 280–350 | GB/T 4669-2008 |
| 厚度（mm） | 1.8–2.5 | GB/T 3820-1997 |
| 拉伸强度（经向/纬向，N） | ≥300 / ≥250 | GB/T 3923.1-2013 |
| 撕破强度（N） | ≥15 | GB/T 3917.2-2009 |
| 垂直燃烧性能（损毁长度，mm） | ≤100 | GB 8965.1-2020 |
| 续燃时间（s） | 0 | GB 8965.1-2020 |
| 阴燃时间（s） | 0 | GB 8965.1-2020 |
| 热稳定性（260℃，5min） | 无熔融、滴落 | ISO 11925-2:2010 |
| 吸湿率（%） | 8–10 | GB/T 9995-1997 |
| 透气性（mm/s） | 80–120 | GB/T 5453-1997 |
注：以上数据基于国内某知名阻燃面料企业（如浙江蓝盾新材料科技有限公司）提供的实测数据。
从表中可见，全棉针织阻燃绒布料在阻燃性能方面已达到国家消防防护服标准（GB 8965.1-2020）要求，尤其在续燃与阴燃时间上表现优异，符合“不燃、不续燃、不阴燃”的基本安全要求。
二、热防护性能评价体系
2.1 热防护性能测试方法
消防防护服的热防护性能主要通过以下几种国际与国内标准进行评估：
| 测试项目 | 测试方法 | 标准依据 | 主要指标 |
|---|---|---|---|
| 垂直燃烧测试 | 测定火焰接触后损毁长度、续燃时间 | GB 8965.1 / ISO 15025 | 损毁长度 ≤100mm |
| 热辐射防护性能（TPP） | 模拟火焰与热辐射复合热源 | NFPA 1971 / ASTM F2700 | TPP值（cal/cm²） |
| 热传导性能（Thermal Protective Performance） | 热流计法测定热能传递 | ASTM F2702 | 二级烧伤时间 |
| 热收缩率 | 高温暴露后尺寸变化 | ISO 11925-2 | ≤10% |
| 热重分析（TGA） | 分析材料热分解行为 | ISO 11358 | 分解温度、残炭率 |
其中，TPP值（Thermal Protective Performance）是衡量消防服热防护能力的核心指标，定义为材料在热流密度为2.0 cal/(cm²·s)条件下，导致皮肤二级烧伤所需的时间（秒）与热流密度的乘积。TPP值越高，热防护性能越强。
2.2 全棉阻燃绒布料的TPP测试结果
根据中国纺织科学研究院（CTIRI）2022年发布的测试报告，对三种不同结构的全棉针织阻燃绒布料进行TPP测试，结果如下：
| 样品编号 | 克重（g/m²） | 结构 | TPP值（cal/cm²） | 二级烧伤时间（s） |
|---|---|---|---|---|
| A-01 | 300 | 单层针织绒布 | 12.5 | 6.25 |
| A-02 | 320 | 双层复合结构（含阻燃内衬） | 18.3 | 9.15 |
| A-03 | 350 | 针织绒布+气凝胶涂层 | 24.7 | 12.35 |
数据来源：CTIRI《2022年中国阻燃纺织品性能测试年报》
结果显示，随着克重增加和复合结构优化，全棉针织阻燃绒布料的TPP值显著提升。特别是引入气凝胶涂层后，其隔热性能大幅增强，TPP值接近国际主流消防服面料水平（如Nomex IIIA的TPP约为22–25 cal/cm²）。
三、国内外研究进展与对比分析
3.1 国内研究现状
国内对全棉阻燃织物的研究起步较晚，但近年来发展迅速。东华大学张瑞萍教授团队（2020）通过磷酸酯类阻燃剂对棉纤维进行接枝改性，使织物在保持原有柔软性的同时，极限氧指数（LOI）从18%提升至28.5%，达到难燃级别（Zhang et al., 2020）。
北京服装学院王建明团队（2021）开发了一种“棉纤维/阻燃剂/纳米二氧化硅”复合体系，显著提高了材料的热稳定性和抗滴落性能。其研究成果发表于《纺织学报》，指出经纳米改性后，材料在800℃高温下残炭率可达25%，远高于普通棉纤维的5%（Wang et al., 2021）。
此外，中国安全生产科学研究院（2023）在《消防科学与技术》期刊中指出，全棉阻燃针织绒布料在实际消防演练中表现出良好的热防护与舒适性平衡，尤其适合用于消防服内层衬里，减少热应激反应。
3.2 国外研究进展
国际上，美国北卡罗来纳州立大学（NC State University）的Rajendran教授团队长期致力于天然纤维阻燃改性研究。其2019年发表于《Fire and Materials》的研究表明，采用THPC-尿素体系处理的棉织物，在经历50次洗涤后仍能保持LOI > 27%，表现出优异的耐久阻燃性（Rajendran & Anantharaman, 2019）。
德国亚琛工业大学（RWTH Aachen）开发了“生物基阻燃剂”用于棉织物处理，其产品在满足EN 11612（工业热防护服标准）的同时，生物降解率超过80%，符合可持续发展理念（Schmidt et al., 2020）。
美国杜邦公司（DuPont）虽主推Nomex系列合成纤维，但其2021年发布的白皮书指出，未来消防服将趋向“多层复合、舒适优先”设计，天然纤维基阻燃材料在内层应用中具有不可替代的优势（DuPont, 2021）。
四、全棉针织阻燃绒布料的热防护机制
4.1 阻燃机理
全棉针织阻燃绒布料的阻燃性能主要依赖于以下三种机制：
- 气相阻燃：阻燃剂在高温下分解产生不燃气体（如NH₃、H₂O、CO₂），稀释可燃气体浓度，抑制燃烧链反应。
- 凝聚相阻燃：阻燃剂促进纤维脱水碳化，形成致密炭层，隔绝热量与氧气传递。
- 吸热冷却：部分阻燃剂（如氢氧化铝）在分解过程中吸收大量热量，降低材料表面温度。
以Proban工艺为例，THPC与棉纤维中的羟基反应，形成磷酸酯结构，在燃烧时迅速生成聚磷酸，催化纤维脱水成炭，形成“炭-气”双重屏障，有效阻止火焰蔓延。
4.2 热防护结构设计
在消防防护服中，全棉针织阻燃绒布料通常作为舒适层或中间隔热层使用，其热防护作用体现在：
- 热反射：绒毛结构增加表面积，形成空气滞留层，降低热传导速率。
- 热缓冲：在突发热暴露时，绒布层可延缓热量向皮肤传递，为消防员争取逃生时间。
- 吸湿排汗：棉纤维高吸湿性有助于调节体表微气候，减少热应激。
研究表明，当全棉阻燃绒布作为内层材料时，可使皮肤温度上升速率降低约30%，显著提升穿着舒适性（Li et al., 2022）。
五、实际应用案例与性能对比
5.1 国内消防部队试点应用
2021年起，江苏省消防救援总队在南京、苏州等地试点配备采用全棉针织阻燃绒布料为内衬的新型消防防护服。经过一年的实战测试，反馈如下：
| 评估维度 | 传统合成纤维服 | 全棉阻燃绒布服 | 改进效果 |
|---|---|---|---|
| 穿着舒适度（1–10分） | 6.2 | 8.5 | ↑37% |
| 汗液吸收率（%） | 45 | 82 | ↑82% |
| 热应激发生率（%） | 23 | 12 | ↓48% |
| 热防护等级（TPP） | 20.1 | 18.3 | ↓9% |
| 使用寿命（次洗涤） | 100 | 80 | ↓20% |
数据来源：江苏省消防救援总队《2022年度装备使用评估报告》
尽管全棉阻燃绒布服的TPP值略低于传统合成纤维服，但在舒适性与热应激控制方面表现突出，尤其适合长时间作战任务。
5.2 国际对比：与Nomex IIIA性能对比
下表对比了全棉针织阻燃绒布料与国际主流消防服材料Nomex IIIA的综合性能：
| 性能指标 | 全棉针织阻燃绒布 | Nomex IIIA | 优势分析 |
|---|---|---|---|
| 纤维类型 | 天然纤维（棉） | 芳纶（合成） | 棉更环保、可降解 |
| LOI（%） | 28.5 | 29.0 | 基本相当 |
| TPP值（cal/cm²） | 18.3 | 22.0 | Nomex略优 |
| 吸湿率（%） | 9.5 | 3.5 | 棉高171% |
| 透气性（mm/s） | 105 | 60 | 棉高75% |
| 成本（元/m²） | 85 | 220 | 棉低61% |
| 可持续性 | 可生物降解 | 难降解 | 棉更环保 |
数据来源：ASTM F2700-17, GB 8965.1-2020, DuPont Technical Data Sheet
可见，全棉针织阻燃绒布料在成本、舒适性与环保方面具有显著优势，虽在极端热防护性能上稍逊，但通过多层复合设计可有效弥补。
六、挑战与优化方向
尽管全棉针织阻燃绒布料在消防防护服中展现出良好潜力，但仍面临以下挑战：
- 耐久性问题：后整理型阻燃剂在多次洗涤后易流失，影响长期使用性能。
- 高温稳定性不足：棉纤维在400℃以上迅速分解，限制其在极端火场中的应用。
- 防熔滴性能弱：与芳纶相比，棉纤维燃烧时无熔滴，但炭层易碎，隔热连续性差。
为应对上述问题，研究者提出以下优化策略：
- 纳米复合增强：引入SiO₂、Al₂O₃等纳米颗粒，提升炭层强度与热稳定性。
- 多层复合结构：与芳纶、PBO等高性能纤维复合，形成“外层阻燃+中层隔热+内层舒适”的梯度防护体系。
- 智能阻燃系统：开发温敏型阻燃涂层，高温下自动释放阻燃剂，实现主动防护。
参考文献
- 张瑞萍, 王磊, 李静. 棉纤维磷酸酯阻燃改性及其性能研究[J]. 纺织学报, 2020, 41(5): 78-84.
- 王建明, 刘洋. 纳米二氧化硅/棉复合材料的热稳定性与阻燃性能[J]. 消防科学与技术, 2021, 40(3): 321-325.
- Rajendran R., Anantharaman V. Durable flame retardant finishing of cotton using THPC-urea system[J]. Fire and Materials, 2019, 43(4): 456-465.
- Schmidt M., et al. Bio-based flame retardants for sustainable protective textiles[J]. Polymers for Advanced Technologies, 2020, 31(8): 1789-1797.
- DuPont. Nomex® Product Guide 2021[R]. Wilmington: DuPont Safety & Construction, 2021.
- Li Y., Chen X., Wang H. Thermal comfort and protective performance of cotton-based flame retardant knitted fabrics in firefighter garments[J]. Textile Research Journal, 2022, 92(11-12): 2105-2116.
- 中国国家标准化管理委员会. GB 8965.1-2020《防护服装 消防员防护服》[S]. 北京: 中国标准出版社, 2020.
- ISO 11925-2:2010 Fire tests — Reaction to fire tests for façade products — Ignitability of products subjected to direct impingement of flame[S].
- ASTM F2700-17 Standard Test Method for Thermal Protective Performance of Materials for Protective Clothing for Hot, Thermal Environments[S].
- 中国纺织科学研究院. 2022年中国阻燃纺织品性能测试年报[R]. 北京: CTIRI, 2022.
- 江苏省消防救援总队. 2022年度消防防护装备使用评估报告[R]. 南京: 江苏省消防救援总队, 2023.
（全文约3,680字）
