高档阻燃防护服的设计探讨*

刘呈坤 贺海军

(1. 东华大学纺织学院，上海，201620；2. 西安工程大学纺织与材料学院，西安，710048；3. 山东如意集团，济宁，272073)



高档阻燃防护服的设计探讨*

刘呈坤1,2,3贺海军2

(1. 东华大学纺织学院，上海，201620；2. 西安工程大学纺织与材料学院，西安，710048；3. 山东如意集团，济宁，272073)

介绍了阻燃防护服的相关评价方法及标准。概述了阻燃防护服有关的研究成果，从纤维材料的选择、纱线的设计以及防护服的服用舒适性三个方面对高档阻燃防护服的设计进行了讨论，并指出了目前阻燃防护服设计中存在的问题和需要改进之处。

阻燃防护服，设计，阻燃性能，服用舒适性

据资料统计，世界上大约有20%以上的火灾事故都是由纺织品燃烧引起的，美国火灾死亡人数每年约8 000余人，其中主要是源自床上用品、家具装饰用品和服装用品引起的火灾[1]。因此，纺织品的阻燃功能对消除火灾隐患，延缓火势蔓延，降低人们生命财产和国有资产的损失都极为重要。

近年来，世界各国积极开展阻燃纺织品方面的技术研究，并制定了相应的纺织品燃烧性能测定方法、标准和应用法规等。

我国标准GB 8965.1—2009《防护服装 阻燃防护 第1部分：阻燃服》规定的面料阻燃性能分为A、B、C三级。 A级面料适用于使用者从事有明火、散发火花、在熔融金属附近操作有辐射热和对流热的场合穿用的阻燃服。A级面料要求洗涤50次后续燃和阴燃时间均小于2 s，损毁长度不大于5 cm；要求洗涤50次后与皮肤直接接触的热防护系数(TPP)≥126 kW·s/m2，皮肤与服装间有空隙的TPP≥250 kW·s/m2。B级面料适用于使用者从事有明火、散发火花、有易燃物质并有发火危险的场所穿用的阻燃服，要求洗涤50次后续燃和阴燃时间均小于2 s，损毁长度不大于10 cm。C级面料适用于临时或不长期使用的使用者从事在有易燃物质并有发火危险的场所穿用的阻燃服，要求洗涤12次后续燃和阴燃时间均小于5 s，损毁长度不大于15 cm。三个等级的面料均不允许有熔融滴落。

国外有关防护服的标准也有很多，如美国的16 CFR 1610和NFPA 2112、欧盟的EN531、日本的JISL1091、德国的DIN23320和澳大利亚的AS 4824—2001等标准。总后勤部军需装备研究所教授级高工施楣梧博士指出，这些标准有的更加严格，诸如采用了更加接近实际使用状态的专用测试方法。我国阻燃防护服标准与国外标准所列的阻燃要求虽较接近，但内容上还需更加完善，这样才能与国际接轨。

阻燃面料大致可分为两类：一类是利用阻燃整理剂对织物进行阻燃整理得到的整理型阻燃面料；另一类是以阻燃纤维(包括改性阻燃纤维和本质阻燃纤维)为原料进行纯纺或者与其他纤维混纺，再经织造染整加工得到的阻燃面料。目前国内除消防服为了与国际接轨，部分采用芳纶面料外，其他行业的个体安全防护服基本上还是以采用经阻燃整理的棉布或涤纶面料为主，普遍存在洗涤后阻燃性能显著下降、使用寿命短、耐高温性能差、强度特别是撕破强度低、舒适性能差等缺点，因此通常不作为高档阻燃产品使用。另外，针对阻燃剂的致癌性和毒性问题，联合国卫生组织曾委托欧美的3家检测公司进行了测定分析，最后得出相同的结论：除了锆系和铌系阻燃剂之外，其他所有有机阻燃剂全部具有致癌性。因此，美国和欧盟禁止在本国生产整理型阻燃纺织品和禁止整理型阻燃纺织品进入美国市场[1]。基于此背景，本文将重点讨论以阻燃纤维为原料加工的阻燃面料。

高档阻燃防护服除了应具有必要的拉伸、撕裂、耐磨、染色和耐洗性等常规性能外，更重要的是要求其具有良好的阻燃隔热性以及服用舒适性。综合性能良好的阻燃防护服既可以保证穿着者自身的生命安全，又可以保证执行任务时的专注度，从而最大限度地提高救灾效率。本文将从纤维材料的选择、纱线的设计以及防护服的服用舒适性三个方面对高档阻燃防护服的设计进行讨论。

1 纤维选择

阻燃纤维通常分为两类：本质阻燃纤维和改性阻燃纤维。

本质阻燃纤维就是指在250～300 ℃温度范围内可长期使用的纤维，纤维柔软、有弹性且具有一定的加工性能。重点是指一些梯形结构、金属螯合、分子高度交联或芳杂环类高聚物以及大分子中含有卤素的高聚物，如聚丙烯腈预氧化(PO)纤维、间位芳纶(芳纶1313，PMIA纤维)、对位芳纶(芳纶1414，PPTA纤维)、聚芳酯(PAR)纤维、芳砜纶(PSA纤维)、聚苯硫醚(PPS)纤维、聚酰胺-酰亚胺(PAI)纤维、聚酰亚胺(PI)纤维、三聚氰胺-甲醛(MF)纤维、聚苯并咪唑(PBI)纤维、聚醚醚酮(PEEK)纤维、聚芳噁二唑(POD)纤维、聚四氟乙烯(PTFE)纤维、聚醚(PEI)纤维和酚醛(PN)纤维等阻燃纤维[2-3]，其中用量相对较多的是芳纶。传统芳纶的分子结构排列紧密，制成的面料质硬，穿着不舒适，且玻璃化温度高达270 ℃，染料分子不易进入，上染率较低，特别是深颜色的染色牢度较差，使用常规染色方法很难使芳纶染上满意的颜色。我国应用的芳纶大部分是本色纤维，但如果想用其开发高档阻燃面料，染色和舒适性问题是必须要面对和解决的问题[4-5]。解决芳纶着色问题的主要途径有两个：一是在纺丝液中直接加入色母粒，生产有色芳纶，该方法的优点是色牢度较好，但其鲜艳度较差，成本较高；二是通过对纤维表面进行物理和化学改性，以增大其比表面积并引入亲水性基团，使得纤维对染料的亲和力增加，从而提高上染率及色牢度。张颖[6]利用低温等离子体对芳纶表面进行改性，研究了处理前后物理性能及染色性能的变化。结果表明，通过改性，芳纶表面引入了亲水性基团，使用阳离子分散染料对其进行染色，K/S值有所提高，水洗色牢度可达到3级，湿摩擦色牢度达到2～3级，240 ℃温度条件下5 min色变不大于3级，且改性后的力学性能基本保持不变。沈丽等[7]利用低温氧等离子体对芳纶1313纱线表面进行改性。结果发现：由于纤维表面被刻蚀，增加了纤维之间的抱合力，使得纱线的强力得到提高；在纤维表面引入了含氧基团，加之纤维比表面积的增加，使纱线的亲水能力增强，染色性能改善。

除了染色困难，芳纶还存在抗紫外线能力较差的问题。这是由于芳纶大分子链上含有大量的酰胺基，在紫外光照射下容易发生断链，进而引起力学性能的下降，特别是在氧原子和紫外光的共同作用下，对其性能影响更大。有研究人员利用共聚改性的方法提高芳纶的抗紫外线性能，但该方法会在一定程度上破坏大分子链的原始结构[5]。与芳纶不同，PEI阻燃纤维却对紫外线具有很强的吸收作用，而且能轻易上染，成本低廉，柔韧性好，完全适合户外穿着使用，符合可持续发展的需要[8]。

改性阻燃纤维就是在本身不阻燃的聚合物中加入少量的阻燃单体，通过共混、共聚、接枝以及辐照交联等方法制成的具有阻燃性能的纤维。该方法工艺简单，可纺性好，成本较低，易于工业化，因此应用较多。为了同时考虑到防护服的热调节舒适性，研究人员也有将阻燃单体和相变材料共混制得纳米级的阻燃相变微胶囊，然后再纺制蓄热调温阻燃纤维[9-10]。改性阻燃纤维也存在缺点，如：阻燃单体含量的提高虽然能提高阻燃性能，但却会在一定程度上降低阻燃纤维的强度；部分产品还存在熔融滴落的现象。目前已实现工业化且应用较多的改性阻燃纤维主要有腈氯纶、阻燃黏胶纤维、阻燃腈纶(PAN纤维)、阻燃维纶(PVA纤维)、阻燃涤纶(PET纤维)和阻燃锦纶(PA纤维)等[11]。兰精热防护纤维就是一种植入阻燃介质，采用Modal工艺生产的改性阻燃黏胶纤维。该纤维可以和其他许多高性能纤维进行混纺，如美国杜邦的Nomex纤维、日本帝人的Conex纤维，以及我国烟台氨纶的NewStar Meta-aramid纤维、上海市合成纤维研究所的PSA纤维等。兰精热防护纤维是由奥地利兰精公司本地生产的，对于中国市场来说价格相对偏高，但在阻燃类纤维中其价格还是低于本白间位芳纶，属于中等价位纤维，因而将具有很好的应用前景。这既可有效降低防护服的生产成本，又能提高防护服的舒适感。

阻燃抗熔滴是改性阻燃纤维领域一个非常活跃的研究方向。辐射处理作为一种节能、环保、易产业化的冷加工技术，可以使被处理的聚合物形成网状交联结构，从而有效改善纤维抗熔滴的性能。施楣梧等[12]研究了经γ射线辐照交联的三聚氰胺/PA 6纤维的抗熔滴和热降解行为。结果表明，辐照交联可以大幅提高体系的成炭量，且燃烧后的炭层结构致密，从而最终有效改善了热塑性阻燃纤维的熔融滴落现象。

防护服的燃烧性能不仅与纺织面料本身的结构有关，更取决于纤维自身的结构和性能。现有的阻燃标准测试体系主要是针对面料的测试，而针对纤维的阻燃性能测试方法和标准还是空白。这就在一定程度上制约了阻燃纤维产品的研发和推广。如果每次都需要将纤维纺成纱织成布，然后再能进行燃烧性能检测，则将使整个实验周期变长、成本变高。因此，制定必要的纤维阻燃性能检测标准，并在此基础上开发阻燃性持久、赋予高性能和多功能、价格适中的高档阻燃耐高温纤维，将会成为未来人们研究的重要课题。

2 纱线设计

对于阻燃性能要求较高的阻燃制品，欧美一些国家倾向于使用高性能纤维直接纯纺织造。制成的产品其耐高温和阻燃隔热性能均来自纤维自身，因此产品的防护性能不会因洗涤或穿着次数的增加而减弱。美国目前很多消防队员使用的就是PBI纤维纯纺面料，其阻燃隔热性能较佳，但价格昂贵(约是芳纶1313的4～5倍)，因而该面料很难在我国国内推广使用。除了成本因素外，部分阻燃产品还存在一旦着火，烟雾太大(如腈氯纶)以及熔融滴落(如热塑性阻燃纤维)的现象。中国工程院院士周国泰认为：要满足不同使用场合及不同层次用户的需求，仅利用一种纤维开发纯纺阻燃产品的方法是行不通的，选用不同种类、不同价位的纤维原料进行混纺，取长补短才是未来阻燃制品开发的主要思路。混纺既可以达到降低成本的目的，又可以利用纤维性能的优势互补，实现阻燃防护服功能性、舒适性和经济性的有机统一。杭州西湖科技有限公司工程师段胜伟指出，目前国内常见的阻燃面料绝大部分是采用2～3种纤维混纺，未来可考虑在保证可纺性的基础上利用5种甚至6种不同的纤维进行混纺，通过充分利用不同纤维的不同性能，才能制造出阻燃耐用、发烟量少、染色性好、舒适以及价位更趋合理的高性能面料。因此，企业开发阻燃产品时可通过纱线结构设计实现协同效应，使得阻燃产品在具有良好阻燃性、隔热性、舒适性、耐久性和染色性等性能的同时，兼顾低烟、无毒、无熔滴等特性[13]。

施楣梧等[14]利用羊毛、阻燃羊毛、POD纤维、芳纶1313、阻燃黏胶纤维和有机导电短纤维进行交叉混配制备纤维束小样，并对比了样品的燃烧状态，目的是寻找兼具良好阻燃效果和毛型感的纤维混比配方。结果表明，采用约20%左右的羊毛纤维与其他阻燃纤维进行混纺，可以制成具有良好阻燃效果的毛型阻燃面料，且发现混入普通羊毛和混入阻燃羊毛在阻燃性能上没有明显的差异。

张晓芳[15]将转杯纺纱技术应用到阻燃纱线的开发中，成功纺制了芳纶1313/阻燃PAN纤维的混纺纱线，并将其试织成面料，测试了织物的力学性能、阻燃性能以及舒适性能。结果表明，各项指标均达到了阻燃防护服标准的要求。

赵丽丽等[16]利用芳纶1313和高支澳毛，采用紧密纺纱技术，探讨了制备混纺高支纱的生产工艺。研究表明，芳纶1313混纺比为20%时，既可以大大降低原料成本，又能保证服用舒适性能和阻燃特性达到较高的水平。

Ferreira等[17]利用摩擦纺纱方式制备了三种混纺比例的芯层为芳纶、皮层为羊毛的复合纱线，其羊毛/芳纶混纺比分别为50/50、 70/30和80/20，并利用其在横机上织成片状针织物，研究了织物的耐切割性能、阻燃性能、染色性能和抗紫外线性能。结果表明，耐切割性能、阻燃性能和抗紫外线性能均随芳纶含量的增加而提高。织物是利用酸性染料进行染色的，对位于皮层的羊毛上染，无需考虑芳纶的含量，这就可以根据实际需要将纱线染成相应的颜色。该皮芯结构纤维可以回避芳纶由于高玻璃化温度和高结晶度带来的难以上染的问题。

刘建凤[18]利用PO纤维、中长芳纶1313和羊毛混纺制得的粗纱作为外包纤维，PET长丝作为芯丝纺制不同包覆比的包芯纱，并进而织制阻燃织物。该工艺不仅可以增强纱线强力，提高纤维可纺性，而且还可以降低成本，形成良好的织物外观和服用舒适性。研究了包覆比对织物阻燃性能的影响。结果表明，包覆比为79.7%和88.06%的包芯纱织物的极限氧指数分别为25.4%和28.9%。前者具有离火自熄的性能，而后者已属于难燃纺织品的范畴。

汪永明等[19]采用对PSA纤维和羊毛分别染色、分别成条进行条并的方式生产PSA/羊毛色纺纱。结果表明，生产的14.6 tex的PSA/羊毛(80/20)混纺纱线强力和色牢度均达到标准要求，对应的混纺织物颜色鲜艳，手感柔软，服用性能和阻燃性能均佳。

李向红等[20]通过对PSA纤维和芳纶1313进行抗静电预处理，并配合开清棉、梳理、并条、粗纱、细纱和络筒各工序工艺的严格调整，成功纺制出了能满足用于加工消防服的机织面料用纱性能要求的42 tex PSA/芳纶1313混纺纱。

姬洪等[21-22]利用磷系共聚阻燃PET纤维与芳纶1313两种纤维制备混纺纱线，探讨了混纺纱线的吸湿和耐热性能。结果表明，随着芳纶1313含量的增加，混纺纱线的吸湿性能和耐热性能都随之提高。芳纶1313的混入可以形成坚韧的焦炭层，能隔绝氧气，提高阻燃特性，还能为改性阻燃PET纤维提供有效的支架保护，从而防止熔滴的产生。当芳纶1313质量分数为30%～40%时，熔滴现象基本消失。

鞠海虹等[23]利用可环保降解且吸湿透气的天然阻燃海藻纤维和芳纶混纺成纱，织制了一种兼具安全和舒适性的防护阻燃面料，并对力学性能、阻燃性能以及导湿透气性能进行了测试。结果显示，当混纺比为30/70时，混纺面料可以同时具备较好的强力、优良的阻燃和吸湿透气性，从而在保证阻燃的前提下，提高阻燃面料的服用舒适性。

3 服用舒适性

消防员等人员穿着的阻燃防护服虽然可以提供较好的热防护性能，但如果由于服装通透性等因素而导致在服装-人体所构成的微环境中积聚过多的热和湿，必然会使得消防员在灭火战斗过程中体温急剧上升，从而感到不舒服，因此必须将阻燃防护服的热防护性和舒适性放在同等重要的地位。然而，传统阻燃防护服在设计时考虑更多的是阻燃防护服的阻燃性，而较少注重产品的舒适性。阻燃织物的结构(纱线结构、经纬密度和织物组织等)除了影响阻燃隔热等功能性外，还与织物的重量、拉伸性能、弯曲性能、折皱弹性、悬垂性、刚柔性和透气透湿性等有关。美国美利肯公司李叔隆博士曾指出，对于同一等级的防火产品来说，其重量越轻，手感越舒适，则越能被使用者接受。因此，面对防火性能和舒适性能存在的矛盾，为使织物既能达到最佳的防护性能，又能赋予产品优良的舒适性能，加强织物的结构设计研究也许是一个非常有效的途径[24-25]。

目前阻燃防护服面料的结构设计通常是依据标准GA10—2002《消防员灭火防护服》制定的。面料主要由4层构成，由外及内分别是阻燃外层、防水透湿层、隔热层和舒适衬里层。阻燃外层多采用阻燃纤维织物(如芳纶1313织物)，具有耐高温、阻燃等性能；防水透湿层通常选用PTFE薄膜，阻挡外层高温熔滴侵入，同时还要具备透湿性；隔热层采用隔热性能优良的材料，起阻挡外热作用；舒适衬里层靠近人体，可以使用较为柔软的棉机织或针织面料等，保证阻燃防护面料的舒适感。这种多层结构设计使防护服具有较高的热阻，可极大提高服装的隔热性能，但是高热阻和防水性会降低防护服的透湿性，阻碍汗水的导出和挥发。另外，各层织物之间还存在容易撕裂的缺点。因此，为提高现有国产阻燃防护服的热湿舒适性能，降低穿着人员生理荷载和心理不适感，需从整体设计出发，开发阻燃和舒适性能兼具的防护服面料。

谭冬宜等[26]采用阻燃芳纶/黏胶纤维混纺纱作为表经表纬，普通纯棉纱线作为里经里纬，设计织造了5种表层阻燃、里层舒适的阻燃双层机织物试样，并对其进行阻燃和舒适性能测试。结果表明，设计的5种双层织物阻燃效果均完全符合标准GB 8965.1—2009的要求，且试样的里层舒适性能达到了服用要求。

沈兰萍等[27]利用织物结构的变化，采用双层表里接结组织，设计出了一种双层阻燃防护织物，外层采用强度高、耐磨性好和弹性好的阻燃PET长丝，以保证织物挺括不皱、结实耐穿，而内层选择吸湿强且柔软性好的棉纱为原料，这样既能满足防护服的阻燃隔热性能要求，又能提高其服用舒适性能。

吕海荣等[28]对比了阻燃防护服实现防水透湿性能的几种方案，包括采用高密织物、微孔膜层压/涂层织物、致密亲水膜层压/涂层织物和复合膜层压/涂层织物等。

漆政昆等[29]采用多元回归分析方法综合评价消防服各层材料的热湿舒适性能。结果表明，织物的吸湿速率与厚度、面密度以及经纬密度有关。织物的透湿率主要取决于织物的面密度和经纬密度，而干燥率则主要取决于织物的经纬密度和热导率。以黑色PSA纤维为外层材料、Gore-Tex为防水透气层材料、Nomex针刺毡为隔热层材料、Nomex/FR Viscose 50/50为舒适层材料的消防服热湿舒适性最好。

郑春琴[30]对芳纶/棉混纺织物、阻燃PAN纤维/棉混纺织物、阻燃PET纤维/棉混纺织物、阻燃黏胶纤维/羊毛混纺织物和阻燃纯棉织物等5种隔热阻燃面料进行了热防护性能和热湿舒适性能研究。对于热防护性能，分别测试了单层和多层结构面料的TPP值；对于热湿舒适性能，采用出汗暖体假人“Walter”测试单层和多层阻燃隔热面料的热阻和湿阻。结果发现：单层结构面料的热防护性能均未达到国标规定，而多层结构面料均达到了阻燃防护服对于热防护性能的基本要求；阻燃黏胶纤维/羊毛混纺织物不适合用于防火类服装。同时，作者利用瑞典干态暖体假人“Tore”和出汗暖体假人“Walter”进行对比实验，提出了出汗暖体假人“Walter”的热阻和湿阻修正公式。

王敏等[31]指出，如果将燃烧假人和暖体假人结合使用，防护服的热防护性能和舒适性能的整体测试将更加客观全面，从而可以更好地指导防护服款式结构的设计。

崔志英[32]采用12种常用的阻燃服用外层织物，包括NomexIIIA、PBI/Kevlar、Kermel、PSA、芳纶和阻燃棉织物等，防水透湿层选用Nomex以及阻燃棉与PTFE膜的层压织物，隔热层为Nomex毡、PSA毡和芳纶毡织物，利用混合正交方法进行试样组合，并分别对其进行热防护性能(TPP值)和透湿性能(WVTR)测试。结果表明：组合织物体系中各层织物对热防护性能的影响程度是外层>防水层>隔热层；组合织物体系中各层织物对透湿性能的影响程度是防水层>隔热层>外层。同时，作者还研究了在总热流量相同、对流/辐射构成比例不同的热源下，织物的热防护性能及热量在织物中传递的机理；研究了水分含量对织物热防护性能的影响规律；建立了消防服多层组合织物体系热防护性能的预测模型。

姚波等[33]选用外层为PBI/Kevlar、芳纶/阻燃棉(FR Cotton)、NomexIIIA、芳纶1313，防水透气层为PTFE面料和聚氨酯(TPU)涂层织物，隔热层为PSA针刺毡和芳纶水刺毡的多层织物组合试样进行热防护、隔热、透湿透气性能的分析研究。结果表明，多层织物组合的厚度、面密度、透气率与多层织物组合系统的热防护性能都存在着明显的正线性相关性，其中以厚度的影响最大。防水透气层织物对多层织物组合系统的透气透湿性起着主导的作用，而外层与隔热层织物的影响相对较小。

4 结语

综上所述，阻燃防护服面料的阻燃性能再好，但如果服装结构设计不合理，服装的服用舒适性及其功能性的发挥必然会受到影响，也就不能称之为高档阻燃防护服。因此，高档阻燃防护服的生产需要从阻燃纤维的选择、纱线的设计、面料的开发、服装的结构设计，甚至到测试工作等各方面进行全方位的考虑，这是一个完整的开发过程，如果任何一个环节出现问题，都势必会影响产品的最终质量。未来的高档阻燃防护服应该兼顾性能、价格和环保等方面，是一种结构设计合理、触感良好、穿着舒适、价格低廉、应用普及的产品。只有这样的产品才有长盛不衰的生命力，才有广阔的市场，才能创造出更大的社会效益。

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Discussion on design of high-end flame-retardant protective clothing

LiuChengkun1, 2, 3,HeHaijun2

(1. College of Textiles, Donghua University; 2. School of Textile and Materials, Xi’an Polytechnic University; 3. Shandong Ruyi Textile Co., Ltd.)

The evaluation method and standard of flame retardant protective clothing were introduced. The relevant research results were summarized. Design of high-end flame retardant protective clothing in three aspects including selection of fiber materials, design of yarn and comfortability was discussed. The problems and improvement in the design of flame retardant protective clothing were pointed out.

flame-retardant protective clothing, design, flame resistance, comfortability

*陕西省教育厅重点实验室科研计划项目(13JS035)；西安工程大学博士科研启动基金项目(BS1107)

2015-01-31；修改稿：2015-03-17

刘呈坤，男，1981年生，副教授，西安工程大学纺织与材料学院副院长。主要研究方向为纺织材料与纺织品设计。

TS941.731+.3

A

1004-7093(2015)07-0028-06