材料科學:消防服靠什么來“避火”?

材料科學:消防服靠什么來“避火”? | 2020-09-29

  有句話叫“水火無情”,無論是洪水還是火災,它們帶來的危害都是人體無法直接承受的。但對于消防員來說,危險的火焰正是他們工作中必須要打交道的對象,因此為了保護自身,“消防服”這種重要的防護裝備是絕不可少的。

  一件合格的消防避火服,需要在高溫明火條件下確保消防員在施救的8-10min時間內具備穿越火場的能力,并且能夠保持人體皮膚表面溫度低于44℃。為了具備這種能力,消防服一般都會有多層結構,并且每一層都有屬于它的功效,主要可分為外表層、防水透氣層、隔熱層和舒適層。各層面料名稱及所需特性要求可見下表——顯然,前三層是最為關鍵的部分。

  外表層織物的選擇

  防服的外表層是與火和熱直接接觸的一層,它的作用是在不損壞消防服整體防護功能的前提下抵御外來的火或熱,即防火、隔熱,因此多使用耐高溫纖維面料制作而成,主要有玄武巖纖維、碳纖維、高硅氧玻璃纖維等。

  防水透氣層織物的選擇

  防水透氣層緊靠阻燃層織物,起到防水、防止蒸汽和有害化學物質滲透的作用。同時,消防員在救火時活動量大,出汗多,所以消防服在滿足防水要求的同時,還必須具有透濕汽性,以使汗液能及時排出。

  MiaoTian,ZhaoliWang等人通過簡化的三維立體模型建立起來的單層和多層的織物模型,研究了在閃火情況下各層及皮膚表面的溫度,發現在消防服多層織物體系中,防水透氣層是最有效的保護層。目前防水透氣層多是采用膜+阻燃基布/棉布組織而成,最常見的有PTFE膜、PE膜等等。

  隔熱層織物的選擇

  隔熱層主要的功能是保溫隔熱,保持消防員自身的溫度阻礙外面高溫對其傷害,隔熱層對多層織物的綜合熱防護性能起著重要的作用。隔熱層多是用耐高溫的纖維經針刺工藝針刺而成的針刺氈,常見的有芳綸針刺氈等。

  不過隨著消防服研究的不斷發展,人們對消防服功能的要求也在不斷提高,消防服所用的材料也在悄然改變。近年來,研究人員探索了多種方式以提升材料的隔熱效果,其中以氣凝膠和空心微珠的隔熱效果較為可靠。

  氣凝膠隔熱材料

  氣凝膠特殊的介孔和微孔結構駐留了更多的空氣,使其具備很小的導熱系數,在常溫下可以有效地防護熱輻射,但溫度升高后,其隔熱性能下降,為提升其高溫下的熱防護性能,通常需加入遮光劑10%。由于該類材料機械強度較低,一般需加入纖維增強體或以隔熱添加劑的方式整理到織物中。哈爾濱工業大學景偉制備的石墨烯海綿擁有99.7%的孔隙率,導熱系數接近空氣的0.023W/m-K,屬于耐高溫性能優越的高效隔熱材料。

  空心玻璃微珠隔熱材料

  劉欣將低熱膨脹率的鈦酸鋁材料制備成了鈦酸鋁空心微珠,將鈦酸鋁的耐高溫性能與空心微珠的結構的隔熱性能相結合,得到了性能良好的隔熱保溫材料。靳濤等經過試驗研究發現,空心玻璃微珠的粒徑越大,隔熱效果越差。張輝等在涂層中加入不同種類的空心玻璃微珠,對織物進行了涂層整理,實驗結果表明,質量相同時,玻璃微珠的直徑越小,復合織物的熱防護性能越好。

  消防服的功能設計一直是國內外學者們研究的熱點,預計未來還會有更多的新型智能的材料投入使用,如相變材料、氣凝膠材料、形狀記憶合金材料等。通過人性化的設計,將這些材料的優勢發揮到最大化,為消防人員提供更好的熱防護性能必將是消防服的未來發展模式。

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