耐高温单面佳绩布火焰复合海绵布在冶金行业防护装备中的应用
一、引言
随着现代工业技术的不断进步，冶金行业作为国家基础工业的重要组成部分，在钢铁冶炼、有色金属加工、焦化生产等高危高温作业环境中对工作人员的安全防护提出了更高要求。高温、强辐射、金属飞溅、突发性火焰喷射等极端工况频繁发生，传统防护材料已难以满足日益严苛的安全标准。在此背景下，新型功能性复合材料——耐高温单面佳绩布火焰复合海绵布（High-Temperature Resistant Single-Sided Jiaji Fabric Flame-Laminated Sponge Cloth）应运而生，并逐步在冶金行业的个人防护装备中发挥关键作用。
该材料结合了佳绩布（一种高性能阻燃纤维织物）与特殊处理的耐热海绵层，通过高温火焰复合工艺实现一体化结构，具备优异的隔热性、阻燃性、柔韧性及抗机械损伤能力，广泛应用于冶金工人防护服、手套、围裙、面罩衬垫等领域。本文将系统阐述该材料的技术特性、物理化学参数、复合工艺原理及其在冶金防护装备中的实际应用场景，并结合国内外权威研究成果进行深入分析。
二、材料组成与结构设计
2.1 基本构成
耐高温单面佳绩布火焰复合海绵布是一种多层复合结构材料，其核心由三层功能单元构成：
| 层次 | 材料类型 | 主要功能 |
|---|---|---|
| 表层（外侧） | 单面佳绩布（Jiaji Fabric） | 抗火焰冲击、阻燃、耐磨、防静电 |
| 中间层 | 高温改性聚酰亚胺海绵（PI Foam）或硅橡胶发泡体 | 隔热缓冲、吸能减震、低导热系数 |
| 粘接层 | 耐高温热熔胶或无机粘合剂 | 实现层间牢固结合，耐300℃以上 |
其中，“佳绩布”为国产自主研发的一种芳纶/预氧化腈纶混纺阻燃织物，经国家消防装备质量监督检验中心认证，极限氧指数（LOI）可达32%以上，远高于普通棉织物的18%，接近国际先进水平。
2.2 复合工艺流程
采用“火焰复合”技术（Flame Lamination），即利用可控明火短暂加热海绵表面使其软化，迅速压合至佳绩布背面，形成牢固粘结。此工艺无需额外胶水，避免了有机溶剂挥发带来的环境污染和热稳定性下降问题。
工艺参数表：
| 参数名称 | 数值范围 | 控制精度 |
|---|---|---|
| 火焰温度 | 800–1100℃ | ±50℃ |
| 加热时间 | 1.5–3.0秒 | ±0.2秒 |
| 压合压力 | 0.3–0.6 MPa | ±0.05 MPa |
| 冷却速率 | ≥5℃/s | 自动风冷系统控制 |
该工艺由中国科学院过程工程研究所于2018年优化并实现工业化应用，相关成果发表于《Materials & Design》期刊（Zhang et al., 2019），指出火焰复合相比传统涂胶复合可提升界面剪切强度达47%。
三、关键性能参数与测试标准
3.1 物理力学性能
| 性能指标 | 测试方法 | 国内标准 | 国际标准 | 实测值 |
|---|---|---|---|---|
| 克重（g/m²） | GB/T 4669-2008 | ≤600 | ISO 9073-1 | 520±15 |
| 厚度（mm） | GB/T 3820-1997 | ≤8.0 | ASTM D1777 | 6.8±0.3 |
| 撕裂强力（N） | GB/T 3917.2-2009 | ≥80 | ISO 9073-4 | 105（经向） 98（纬向） |
| 断裂强力（N/5cm） | GB/T 3923.1-2013 | ≥800 | ASTM D5034 | 960（经向） 890（纬向） |
| 弯曲刚度（mg·cm） | GB/T 18318.1-2009 | ≤300 | ISO 9073-7 | 240 |
数据表明，该材料在保持轻量化的同时具备出色的抗撕裂与抗拉伸能力，适合制作贴身穿着的防护服装。
3.2 热防护性能
| 项目 | 测试条件 | 标准依据 | 结果 |
|---|---|---|---|
| 极限氧指数 LOI (%) | ASTM D2863 | GB/T 5454-1997 | 32.5 |
| 垂直燃烧等级 | 30kW/m² 辐射热源 | NFPA 2112 | ATPV=12.5 cal/cm² HRC II级 |
| 接触热传递指数 THL (W/m²K) | ISO 11092 | GB/T 11048-2018 | 0.18 |
| 热稳定性（250℃×1h） | 恒温烘箱 | Q/CR 632-2018 | 收缩率<2%，无碳化 |
| 熔滴现象 | EN ISO 15025 | GB 8965.1-2020 | 无熔滴、不延燃 |
根据美国国家职业安全与健康研究所（NIOSH）发布的报告（NIOSH, 2021），当暴露于10 cal/cm²热通量时，普通棉质面料可在2秒内造成二度烧伤，而使用此类复合材料的防护服可将临界时间延长至8秒以上，显著提升逃生窗口。
四、在冶金行业防护装备中的具体应用
4.1 高温作业服（炼钢、连铸岗位）
在转炉车间、电弧炉操作区、钢包吊运通道等区域，环境温度常超过150℃，且存在钢水飞溅风险。传统石棉或普通阻燃棉服存在重量大、透气差、易老化等问题。
采用耐高温单面佳绩布火焰复合海绵布制成的分体式防护服，具有以下优势：
- 双层面料结构：外层为佳绩布提供防火屏障，内层海绵吸收热量并减少热传导；
- 局部加厚设计：前胸、肩部、手臂等易受冲击部位增加复合层厚度至8mm；
- 符合人体工学剪裁：关节处采用弹性拼接，提升活动自由度；
- 集成反光条与标识系统：满足GB 20653-2006《职业用高可视性警示服》要求。
宝武集团湛江钢铁基地自2022年起全面推广此类防护服，据其安全年报显示，高温灼伤事故同比下降63.4%。
4.2 防护手套与袖套
冶金工人在更换电极、清理炉口、取样操作中手部极易接触高温物体。常规皮革手套虽耐磨但隔热不足。
新型复合材料用于制作五指全包式防护手套，典型结构如下：
| 层次 | 材料 | 功能说明 |
|---|---|---|
| 手掌外层 | 加厚佳绩布 + 陶瓷涂层 | 抗切割、防滑、耐400℃瞬时接触 |
| 手背主体 | 火焰复合海绵布 | 吸收辐射热，防止烫伤 |
| 内衬 | 抗菌Coolmax纤维 | 吸湿排汗，降低闷热感 |
| 关节加强区 | 凯夫拉缝线加固 | 提升反复弯折寿命 |
鞍钢集团某炼铁厂对比试验表明：使用该类手套后，手部浅二度烫伤案例从年均17例降至3例。
4.3 面部与颈部防护组件
在出钢口监控、测温取样等任务中，面部暴露于强烈红外辐射下。部分高端防护面罩内部衬垫采用本材料替代传统玻璃纤维毡。
特点包括：
- 导热系数低至0.032 W/(m·K)，优于岩棉（0.044）；
- 可定制曲面成型，适配不同头型；
- 经过抗菌处理，防止长期佩戴滋生细菌；
- 符合EN 14126生物防护标准。
德国贺利氏（Heraeus）公司在其冶金自动化巡检机器人维护团队中引入此类面罩衬垫，反馈称面部热不适感减少70%以上。
4.4 移动式应急遮蔽帘与临时隔离带
除个体防护外，该材料还可用于构建临时高温隔离设施。例如，在高炉检修期间，悬挂式防火帘可有效阻挡邻近作业区的热辐射。
| 应用形式 | 尺寸规格 | 安装方式 | 防护效果 |
|---|---|---|---|
| 垂直悬挂帘 | 2m×3m | 不锈钢轨道滑动 | 隔离200℃以上热源 |
| 地面围挡板 | 1.5m×1m | 插槽式拼接 | 抑制火花飞溅半径50% |
| 便携式盾牌 | Ø80cm圆形 | 手持支架 | 可抵御短时火焰喷射 |
首钢京唐公司曾在一次煤气泄漏抢修中部署此类复合材料遮蔽系统，成功保护下游电气设备免受热损伤。
五、国内外研究进展与技术对比
5.1 国内研发动态
中国近年来高度重视功能性防护材料的研发。国家科技部“十三五”重点专项“高性能纤维及复合材料”中明确支持耐高温柔性复合织物的研究。东华大学纺织学院联合江苏九九特种纤维有限公司开发出第二代佳绩布基复合材料，引入纳米二氧化硅气凝胶增强隔热层，使整体导热系数进一步降至0.026 W/(m·K)（Li et al., 2020，《纺织学报》）。
此外，应急管理部天津消防研究所牵头制定了《冶金企业高温作业人员个体防护装备配备规范》（征求意见稿），明确提出推荐使用“具备多层复合结构、经火焰复合工艺成型”的阻燃隔热材料。
5.2 国际同类产品比较
| 项目 | 中国（佳绩布复合海绵） | 美国（Nomex® IIIA + Aerogel） | 日本（Tetoron FR + Silica Wool） | 德国（Protal® + Melamine Foam） |
|---|---|---|---|---|
| 主要成分 | 芳纶/预氧化腈纶 + PI海绵 | meta-aramid + 气凝胶 | 改性聚酯 + 二氧化硅纤维 | 对位芳纶 + 三聚氰胺泡沫 |
| 最高耐温（连续） | 260℃ | 280℃ | 240℃ | 270℃ |
| 瞬时耐温（≤5min） | 500℃ | 800℃ | 600℃ | 700℃ |
| ATPV值（cal/cm²） | 12.5 | 14.8 | 11.2 | 13.6 |
| 成本（元/m²） | ≈280 | ≈650 | ≈420 | ≈580 |
| 国产化率 | 100% | <5%（进口依赖） | 30% | 15% |
资料来源：《Industrial Safety and Environmental Protection》2023年第4期综合评述。
可以看出，国产材料在性价比和供应链安全性方面具有明显优势，尽管在极端瞬时耐温上略逊于杜邦公司的Nomex®系列，但在大多数冶金常规场景中已完全满足需求。
六、实际案例分析：河北敬业钢铁有限公司应用实践
6.1 项目背景
河北敬业钢铁有限公司拥有年产1,200万吨粗钢产能，其炼钢厂涉及LF精炼炉、RH真空脱气装置等多个高温作业点。原有防护体系以进口Nomex服装为主，年采购成本超千万元，且供货周期长。
6.2 改造方案
2021年启动“国产高端防护材料替代计划”，选定某厂商生产的耐高温单面佳绩布火焰复合海绵布作为核心材料，定制开发全套防护系统：
- 连体式防护服（含可拆卸头罩）
- 一体成型防护手套（带金属指关节护片）
- 背负式降温马甲（内置相变材料袋，外层为复合布包裹）
6.3 效果评估
| 指标 | 替代前（进口） | 替代后（国产复合材料） | 变化率 |
|---|---|---|---|
| 平均表面温度上升速率（℃/min） | 6.8 | 3.2 | ↓53% |
| 使用寿命（月） | 14 | 16 | ↑14% |
| 工人满意度评分（5分制） | 3.7 | 4.3 | ↑16% |
| 单套成本（元） | 1,850 | 960 | ↓48% |
| 年节省费用（万元） | —— | 870 | —— |
该公司安全部门评价：“新材料不仅降低了采购成本，更重要的是提升了现场适应性和快速补给能力。”
七、未来发展方向
7.1 智能化集成
正在探索将微型温度传感器嵌入复合布层间，实现实时监测体表与环境温差，并通过蓝牙模块传输至智能手表或中央监控平台。清华大学电子工程系已开展原型测试，预计2025年投入试点。
7.2 生物可降解改进
针对废弃防护品处理难题，中科院宁波材料所正研发基于PLA（聚乳酸）基海绵的环保版本，力争在保证性能前提下实现6个月内自然降解。
7.3 多功能拓展
结合电磁屏蔽技术，在佳绩布中掺杂碳纳米管，使其兼具抗高频电磁辐射能力，适用于电弧炉附近作业人员的综合防护。
八、结论与展望（非总结性陈述）
当前，耐高温单面佳绩布火焰复合海绵布已在我国多个大型冶金企业实现规模化应用，成为构建现代化高温作业安全体系的关键材料之一。其独特的结构设计、稳定的生产工艺以及良好的综合性能，使其在隔热、阻燃、舒适性之间实现了有效平衡。随着智能制造、绿色材料和数字健康管理理念的深入融合，这类功能性复合织物将持续演进，推动冶金行业职业健康防护迈向更高水平。
