焊接防护面料的研究现状与开发方向

徐炎炎 蔡普宁 权国明 孙凯飞 刘 琳

（陕西省纺织科学研究院有限公司，陕西西安，710038）

焊接技术在现代制造业的快速发展中发挥着不可替代的作用。焊接过程产生影响人体健康的有害因素可分为物理有害因素和化学有害因素，物理有害因素有焊渣飞溅、电焊弧光、电磁波、热辐射及放射线等，化学有害因素有电焊烟尘和有害气体等。焊接工人长期在电焊弧光照射、高温、焊渣飞溅、热辐射等条件下作业，身体很容易受到伤害，造成尘肺、电光性眼炎、一氧化碳中毒、放射性疾病、电光性皮炎及金属烟热等焊接职业病。因此，焊接工人在进行电焊作业时必须采取防护措施。目前，化学危害因素的防护主要采用除尘系统和佩戴独立的呼吸系统实现，物理危害因素的防护主要通过个体防护用品实现。个体焊接防护用品包括焊接防护服、防护面罩、焊接披肩、防护手套等，其防护作用在很大程度上都得依赖于焊接防护面料的性能，因此开发高效防护焊接面料是提升焊接防护安全的必要手段。

本研究通过梳理分析焊接防护面料的防护需求，总结了焊接防护面料的发展历程与现状，并展望了焊接防护面料的研发方向，为高效焊接防护面料的开发提供参考。

1 焊接防护面料的防护需求

焊接技术的诞生已有数千年历史，虽然人们不断通过技术改进提高焊接质量和生产效率，降低劳动强度和改善劳动环境，但依然会产生一定形式的危害因素。现代工业中使用最多的是电弧焊，从电弧焊的分类、特点以及主要危害因素分析中发现，电弧焊的主要物理危害因素是电焊火花飞溅和电焊弧光。

电焊作业过程中会形成大量的电焊火花飞溅，其实就是熔融的金属焊条熔滴（滑落到衣服或人体时温度在500 ℃～700 ℃），其对人体的主要伤害是熔融金属烫伤，同时高温的金属熔滴可能会引起火灾，并对人体造成烧伤。为防止焊接火花引起火灾，焊接场所应避免使用易燃材料，且焊接工人必须穿戴具有防熔融金属滴冲击功能的阻燃防护服。

焊接时，在两电极之间的气体介质中会产生强烈而持久的电焊弧光，其中包含高强度的红外线（占能量的35%）、可见光（占能量的3%）和紫外线（占能量的62%）等。红外线主要通过光产生热效应而对人体造成危害，引起热辐射相关的职业病，如中暑、热灼伤等；紫外线主要通过光化学作用对人体产生危害，主要损伤眼睛和裸露的皮肤，引起电光性眼炎、慢性睑缘炎和皮肤红斑症等［1］。因此，对于电焊弧光辐射防护，要防止辐射热和紫外线对人体造成的伤害。

2 焊接防护面料的发展历程与现状

2.1 焊接防护面料的发展历程

早期的焊接防护面料是单位面积质量超过400 g/m2的棉帆布，熔融焊渣溅落在服装上后，被棉帆布上的凹凸交叉点漫反射回去，有一定的防护功效。但这类服装厚重且不阻燃，一旦被引燃，容易导致人体大面积烧伤。随后，人们将棉帆布进行阻燃后处理，使面料具有了一定的阻燃性。但是其阻燃耐久性较差，随着使用时间的增长和洗涤次数的增多，其阻燃性会大幅下降，增加了焊接作业人员的安全风险。同时，熔融的金属焊渣温度较高，容易使面料上出现破洞，增加了电焊工人被焊渣灼伤的风险。后来，加入阻燃剂的牛皮或者牛皮与棉后阻燃帆布拼接防护服逐渐进入市场，使焊接防护效果得到了提高，但此类面料仍旧比较厚重，单位面积质量多在350 g/m2以上，服装的透气性、灵活性和舒适性都比较差，不适于长期作业穿着。

近年来，随着人们安全防护意识的提高和高性能纤维的涌现，人们开始从防护面料的阻燃性能、抗熔融金属冲击性能、热防护性能以及防紫外线辐射等方面开始探索研发新型焊接防护面料。

2.2 焊接防护面料的阻燃性研究

面料的阻燃性可以通过使用本质阻燃纤维（如芳纶、聚酰亚胺等）、阻燃改性纤维、阻燃纤维与普通纤维混纺纱以及织物阻燃后整理等实现［2］。纯本质阻燃纤维面料的阻燃性虽然较好，但成本较高，因此研究较多的是纤维混纺纱和织物阻燃后整理技术。

在纤维共混阻燃方面，兰红艳等［3］以芳砜纶、羊毛、阻燃粘胶为原料，开发了一款电焊服面料；该面料的各项性能均满足GB 8965.2—2009《防护服装阻燃防护第2 部分：焊接服》要求，其中阻燃性符合B 级要求，抗熔融金属冲击性、热稳定性以及热防护性符合A 级要求，且该面料具有毛织物的风格和穿着舒适性。沈卓颖等［4］测试了多个阻燃织物样本的阻燃性能、力学性能、透气性、透湿性等，结果表明：75%腈氯纶、23%芳纶1313和2%防静电纤维的混纺面料阻燃性良好，可适用于多个防护领域。赵书林等［5］将芳纶和阻燃粘胶按不同混纺比制成织物并进行垂直燃烧试验，发现混纺织物比各自纯纺织物阻燃性好，且混纺织物手感柔软，吸湿透气性好。

在织物后整理方面，XU L 等［6］在棉织物表面接枝了有机硅、有机磷及三嗪类阻燃剂，使织物极限氧指数由18.3%上升至26.3%。LING C 等［7］在无溶剂环境下以接枝法构建了磷氮协效阻燃体系，经50 次洗涤后织物的极限氧指数仍高达29.3%，赋予了织物高效、耐久阻燃的同时实现了无卤、无甲醛环保阻燃。李静等［8］将溶胶-凝胶法与浸轧烘焙法相结合，使磷氮硅系阻燃剂在棉织物表层形成耐久涂层，实现了面料的耐久阻燃。

总之，虽然通过纤维共混阻燃和织物后整理可以实现面料较好的阻燃效果，但目前市场上实现产业化并推广应用于焊接防护领域的相关产品还不多。

2.3 焊接防护面料的抗熔融金属冲击性研究

抗熔融金属冲击性是焊接防护面料重要的防护性能指标。王斌等［9］设计开发了一种防护服用织物抗熔融金属冲击性能测试仪器，通过分析测试结果，可有针对性地设计开发面料，为焊接防护面料的开发奠定了较好的研究基础。刘琳等［10］测试了6 种具有代表性样品的防熔融铝液冲击性，结果发现：羊毛/阻燃粘胶面料的防护效果最好，布面不收缩、不黏附。分析认为这是由于羊毛/阻燃粘胶混纺产品充分利用了羊毛鳞片的弹性，可将熔融金属液体碎化，且阻燃粘胶遇高温熔融金属后迅速炭化，使熔融金属液体快速滑落，从而降低了穿着人员被烫伤的风险。基于此，刘琳等［11］又设计了60%阻燃粘胶、20%羊毛、10%锦纶、8%对位芳纶和2%导电纤维混纺防熔融金属飞溅面料，并按照精梳毛纺工艺完成了生产加工，测试分析发现该面料表现出了良好的阻燃性能，且具有一定的耐洗涤性，在特定的环境中对熔融金属溶液具有良好的防护性能。张生辉等［12］介绍了一款防熔融金属飞溅面料（55% 阻燃粘胶、25%羊毛和20%其他功能性纤维混纺）的设计思路、结构特点、染整工艺流程和生产实践要点，指出在开发防熔融金属飞溅面料时应选择具有易炭化、抗熔融金属冲击、抗热收缩、阻燃、抗热传递等功能的纤维。李文辉等［13］阐述分析了熔融金属喷溅防护的原理，认为在确保面料瞬时阻燃性的前提下，应尽量减少熔融金属在面料上的附着量和附着时间，使熔融金属快速滑落，缩短熔融金属与面料在同一位置的接触时间，减少熔融金属在面料上的热传导量，从而避免烫伤穿着人员。

上述研究主要针对的是冶金行业产生的大量熔融金属喷溅防护，与焊接所产生的少量高温金属液体飞溅，即熔融金属滴冲击防护是有所区别的。其主要表现在两方面，一是产生的熔融金属量不同，二是冶金熔融金属喷溅过程中没有弧光辐射。因此，在开发焊接防护面料时，可以借鉴熔融金属喷溅防护面料的设计原理，同时也必须从焊接防护的角度出发，重视少量熔融金属滑脱性、阻燃隔热性以及紫外线防护性能等的综合性能。

2.4 焊接防护面料的热防护性能研究

焊接弧光中的红外光会释放大量的热能并对人体造成慢性热伤害。赵仁平等［14］公开了一种高阻燃隔热焊接服面料，织物组织为经二重，表层经纱为聚酰亚胺纤维，里层经纱为聚酰亚胺纤维和阻燃粘胶混纺纱，纬纱是芳纶1313 和阻燃粘胶混纺纱。该面料具有永久阻燃、高强度以及良好的舒适性，同时这种结构增加了织物厚度，进一步提高了织物的隔热性。代国亮等［15］公开了一种基于高比热容物质的电焊防护面料，该面料是在阻燃织物的正面施加高吸水涂层组合物（包含油性聚氨酯、交联剂、高吸水树脂、分散剂、木质素粉等），在织物背面做拒水整理；在使用前，用水对正面高吸水涂层进行喷淋或喷雾（施加量为100 g/m2～300 g/m2），使接触该面料的电焊火花快速熄灭，热量被快速转移，从而减少到达皮肤的热量，保护皮肤免受灼伤。朱士凤等［16］公开了一种具有石墨烯涂层的电焊防护服面料，其制备方法：将石墨烯溶液充分分散后加入到固色剂溶液中，再将所配制的石墨烯混合溶液涂覆到阻燃基布上；使用该方法制备的电焊防护服面料具有优异的防熔融金属滴落升温功能（15 滴熔融金属滴落后的升温不超过37 ℃）。

上述几种技术中，聚酰亚胺和石墨烯的成本较高，正面施加高吸水涂层的使用可行性还有待实践验证，但都为高效热防护焊接面料的开发提供了较好的研究思路。

2.5 焊接防护面料的防紫外辐射研究

目前关于焊接防护面料防紫外辐射性能的研究较少。STEFAN Bauer［17］基于太阳紫外线防护因子的思想提出了一种改进的焊接防护因子，研究后发现影响焊接防护因子的主要因素是纺织品的紫外线透过率。周琦［18］提出织物孔隙率越低，防紫外线效果越好；织物颜色越深，对紫外线防护性能越好。上述研究基本处于理论探讨和试验室研究阶段，且价格较贵，推广难度大。市场迫切需求阻燃、隔热且抗熔融金属冲击性能较好的焊接防护面料。

3 焊接防护面料的研发方向

3.1 提高阻燃性

提高焊接防护面料的阻燃性主要有两个途径：一是利用阻燃纤维，通过纤维复配、纺纱、织造等技术，开发高性价比的本质阻燃焊接防护面料；二是开发绿色环保且具有耐洗性的新型阻燃剂，通过层层自组装、溶胶-凝胶、双层固化以及等离子体沉积等新技术完成织物阻燃后整理［19］。

3.2 提高抗熔融金属冲击性

要提高面料的抗熔融金属冲击性目前有两种思路。一是采用耐高温纤维阻止熔融金属飞溅颗粒，使面料具有较佳的防护效果。选用的纤维耐高温温度至少要达到500 ℃，如PBO 纤维（热分解温度可达650 ℃）、PBI 纤维（热分解温度可达600 ℃）等。二是采用对熔融金属具有较好滑脱性的纤维材料（如阻燃粘胶、羊毛等），并采用有助于熔融金属滑落的织物组织，使熔融金属颗粒能快速从衣服上滑落，从而实现防护效果。

3.3 提高热防护性能

热防护性能与织物的材料、单位面积质量、厚度、织物密度以及织物组织都有直接关系。因此，提升面料的热防护性可以从纤维原材料选用和织物规格设计两方面考虑。选择原材料时首先要考虑耐热性好、导热系数小的阻燃纤维（如聚酰亚胺、阻燃气凝胶纤维等）；在进行织物规格设计时可以考虑使用双层、多层结构，通过增加面料中的空气层来提高其热防护性能和阻燃性能［20］。

3.4 实现综合防护

随着人们安全防护意识的提高，对安全防护装备提出了更高的要求。要提高个体焊接防护服装的安全性能，必须实现综合防护。可以从原材料选择、纱线结构、织物规格以及新型加工方法4个方面入手，综合考虑防护面料的阻燃性、热防护性、抗熔融金属冲击性能以及舒适性等，开发满足GB 8965.2—2009《防护服装阻燃防护 第2 部分：焊接服》A 级要求或 ISO 11611—2015《Protective Clothing for Use in Welding and Allied Processes》Class2 要求的舒适型焊接防护服面料，解决市场上现有焊接防护面料性能单一、安全防护性差、舒适性欠佳等问题。

4 结语

通过总结和分析焊接防护面料的防护需求、发展历程和研究现状，发现目前对焊接防护面料的研究主要集中在阻燃、热防护等单一功能方面，而对其阻燃性、抗熔融金属冲击性、隔热性、防紫外线辐射性以及服用舒适性等复合功能的系统研究还相对较少。焊接防护面料在今后的研究开发中，应在实现阻燃热防护的同时，提高其抗熔融金属冲击性和防紫外线辐射性能，重点开发集多功能于一体的新型焊接防护面料。