基于燃烧假人试验评价聚酰亚胺纤维在灭火防护服上的应用

韩 泉，王 瑾，夏燕茂

（1.江苏奥神新材料股份有限公司，江苏 连云港 222000；2.江苏省灌云中等专业学校，江苏 连云港 222000）

消防员灭火防护服是保障消防员在消防救援中免受灼伤和高温伤害的重要装备之一。作为消防员的最后一道安全防护，消防员灭火防护服的作用至关重要，其材料选择、款型设计评价方法也随着时代发展和科技进步而不断改进和提高。本研究基于燃烧假人试验的测试方法，客观、全面地评价一种新的高性能纤维—甲纶聚酰亚胺纤维在灭火防护服中的应用优势。

1 聚酰亚胺材料介绍

1.1 甲纶聚酰亚胺纤维介绍

聚酰亚胺是分子主链上含有酰亚胺基团的一类高分子聚合物，是综合性能最佳的有机高分子材料之一。甲纶Suplon®是江苏奥神新材料股份有限公司生产的聚酰亚胺纤维，采用全球首创干法纺丝聚酰亚胺纤维生产工艺，原液着色，品质优异，生产高效，过程环保，极限氧指数高达38%，属于不燃材料；耐高低温，5%失重温度高达570 ℃；耐候性能极好，紫外辐射不褪色、不衰减，适用于灭火防护服及其他阻燃防护纺织品[1]。

1.2 灭火防护服的主要材料

消防员灭火防护服一般由4层面料组成，分别为防火层（外层）、防水透气层、隔热层和舒适层。外层的主要功能是防火阻燃；防水透气层用于防止外部液体渗入内部，同时能将人体产生的热气排出；隔热层的主要作用是隔离体外高温热传导和热辐射；舒适层舒适柔软且有吸湿排汗的功能。目前，为了减重，也可以选择3层结构，就是将防水透气层和隔热层组合为一层。

国际上的消防员灭火防护服面料主要由高性能纤维材料制成，包括间位芳纶纤维、对位芳纶纤维、PBI纤维、PBO纤维等。近年来，我国的消防员灭火防护服材料也由后整理阻燃棉逐渐转变为芳纶纤维、PBI纤维等。一些企业开始研发、推广聚酰亚胺纤维在灭火防护服及其他消防装备中的应用并取得了一定的进展。

1.3 甲纶聚酰亚胺面料在灭火防护服中的应用

本研究选用的灭火防护服面料是基于甲纶聚酰亚胺纤维开发的4层面料，分别是外层面料（采用原液着色甲纶聚酰亚胺纤维的双层复合面料）、防水透气层（采用甲纶聚酰亚胺纤维水刺无纺布覆PTFE膜）、隔热层（采用甲纶聚酰亚胺纤维水刺无纺布）、舒适层（采用甲纶聚酰亚胺纤维混纺面料），结构如图1所示[2]。

图1 甲纶聚酰亚胺纤维混纺面料结构示意

2 燃烧假人试验

2.1 主要评价方法

全面、客观地测试和评价灭火防护服的热防护性能是促进灭火防护服发展的一个重要基础。目前，消防服装的性能评价可分为织物性能测评和服装整体性能评价两方面，织物性能评价有热防护性能（Thermal Protective Performance，TPP）法、辐射热防护性能（Radiant Protective Performance，RPP）法和热蓄积测试服（Stored Energy Tester，SET），通常以人体皮肤达到二度烧伤的时间为标准。服装整体评价包括防护性和舒适工效性评价，其中，燃烧假人是当前公认的能客观、全面地评估服装整体热防护性能的专用设备，利用燃烧假人模拟灭火防护服在实际火场中的穿着状况，通过模拟热流量、燃烧时间和火焰分布，预测人体皮肤达到二度和三度烧伤的部位和程度，对服装的整体热防护性能进行评价[3]。

2.2 对比测试

本研究在4层面料结构的基础上进行研究分析，测试选择的灭火防护服由同一厂家生产，同一款式，不同面料，分别为甲纶聚酰亚胺4层面料和某型号芳纶4层面料。在XF 10—2014《消防员灭火防护服》[4]行业标准条件下测试，甲纶灭火防护服的TPP值为40.2，测试用芳纶灭火防护服TPP值为41.0。TPP测试结果相近，但芳纶灭火防护服略高。燃烧假人试验的测试标准为BS EN ISO 13506-1：2017，测试条件见表1。

表1 测试条件

图2和图3分别为甲纶灭火防护服和测试用芳纶灭火防护服在燃烧试验前后的外观表现。甲纶灭火防护服燃烧后尺寸几乎无变化，表面完好，服装仍保持柔软，可顺利穿脱。测试用芳纶灭火防护服燃烧后收缩严重，面料炭化、开裂严重，无法正常穿脱，测试结束后需要剪开袖口才能顺利脱下。

图2 甲纶灭火防护服试验前后

图3 测试用某现行芳纶灭火防护服试验前后

将试验数据整理成表2。甲纶灭火防护服对应的总烧伤面积为15.28%；测试用芳纶灭火防护服对应的总烧伤面积为53.34%。此处头部和脚部未做防护，烧伤面积不在计算范围内。从试验数据反映的烧伤面积来看，甲纶灭火防护服对应的总烧伤面积比测试用芳纶灭火防护服对应的烧伤面积小了38.06%。

表2 烧伤面积对比

3 结论分析

从数据来看，测试用芳纶灭火防护服的TPP值更高，这主要是因为芳纶面料在TPP测试时遇热炭化收缩导致热通量减少。然而，在燃烧假人测试中，面料炭化开裂后，会大大降低热防护性能，同时面料收缩严重也会减少面料各层之间的空气，导致隔热效果下降。甲纶灭火防护服正是因为聚酰亚胺材料本身的耐温性更高，阻燃等级更高，在明火测试过程中仍能保持面料和服装的完整性，持续提供防护，所以，假人烧伤面积远小于芳纶灭火防护服。

XF 10—2014《消防员灭火防护服》对灭火防护服的整体热防护性能、面料阻燃性能、热稳定性、面料及辅料的强力等物理性能都提出了具体的要求。面料生产企业可以通过结构调整补充强力，但是耐烧蚀性能由材料本身的特性决定，甲纶聚酰亚胺面料的高氧指数、高炭化分解温度和极小的损毁长度反映了这一特性，这也是甲纶聚酰亚胺面料的优势所在。

通过燃烧假人试验，客观、全面地反映了甲纶聚酰亚胺纤维在灭火防火服中的应用优势，提升了整体热防护性能，是开发灭火防护服的理想材料。