消防避火服用柔性復合材料的熱防護性能研究

消防避火服是指消防員短期穿越高溫明火火場,搶救人員和重要物資的最高等級熱防護服裝,其外層織物需要具備反射輻射熱、耐明火和隔熱等多項熱防護性能。在高溫火場中,輻射熱占據火場總熱流量的80%,其波長在0.4-20 μm范圍內,又稱為熱射線,為提升消防避火服在高溫火場中的防護效率,需重點對熱射線進行防護。同時,在高溫火場中,外層織物直接接觸高溫明火,容易導致織物脆化,性狀發生改變,使消防避火服防護效果減弱甚至喪失,極易造成消防員在火場中被高溫灼傷,降低救援效率,甚至危及消防官兵的生命安全。因此,急需加強消防避火服外層織物的熱防護性能,開發外層織物的替代材料,以彌補現有外層材料輻射熱防護能力差、耐明火能力不足和隔熱效率低等缺陷,大幅提升消防避火服的熱防護效率。為深入對比分析結構和性能參數對材料熱防護性能的影響,更為科學合理地設計和制備消防避火服外層用柔性復合材料,本研究基于國際通用的熱防護性能測試設備TPP701D型熱防護性能測試儀的測試環境,建立織物、涂層(單層、雙層和三層涂層)柔性復合材料熱防護性能模型,模型運算結果與實測結果擬合度較好。根據模擬和測試結果可知,在相同厚度的條件下,三層涂層柔性復合材料因具備耐輻射熱層、阻燃隔熱層和氣凝膠絕熱層等三層結構間的正向協同效應優勢,其熱防護性能明顯優于單、雙層涂層柔性復合材料。通過對模擬結果進行對比分析可知,三層涂層柔性復合材料的熱防護性能對耐輻射熱層的熱射線反射率和氣凝膠絕熱層厚度的變化最為敏感,對此兩項結構和性能參數進行優化是提升材料熱防護性能的捷徑。通過對比現有消防避火服外層用織物材料的熱射線反射率、高溫熱穩定性和達到二級燒傷所需時間(即TPP time)等熱防護性能指標,確立具備較好高溫熱穩定性能的玄武巖纖維織物作為消防避火服外層織物的優選材料,并對其存在的輻射熱防護效率較低、隔熱能力較差等功能缺陷進行分析,提出采用功能涂層的方式對其熱防護性能缺陷進行優化。依據模擬計算結果,選取納米二氧化硅和納米級六鈦酸鉀晶須等具備良好熱射線反射率的功能填料以及二氧化硅氣凝膠、空心陶瓷微珠等導熱系數很低的隔熱功能填料,制備熱防護性能優良的單、多層涂層柔性復合材料,探討各填料種類與含量對所制備柔性復合材料熱防護性能的影響機理。通過研究發現,反射功能填料的禁帶寬度和其在受熱面分布狀態是決定材料熱射線反射率的重要因素。隔熱功能填料內部靜止空氣所占體積比是影響其熱防護性能的主要因素,該類填料還應具備較高的軟化點溫度,保證材料在高溫下的結構和功能的穩定性。依據模擬與實測結果,確定具備耐輻射熱層、阻燃隔熱層和氣凝膠絕熱層等相互間存在正向協同效應的三層涂層柔性復合材料作為消防避火服外層優選方案,優化了柔性復合材料的結構和填料配比。測試結果表明,所制備三層涂層柔性復合材料樣品具備較為優異的熱防護性能,同時兼具良好的柔性和耐老化性能。通過與現有消防避火服外層織物進行對比后發現,所制備三層涂層柔性復合材料樣品的熱防護性能有了顯著提升。通過本研究,確立了消防避火服外層材料的優化設計方法,并分析了各功能填料的作用機理,制備出具備良好熱防護性能的柔性復合材料,為提升現有消防避火服外層材料熱防護性能、確保消防員深入高溫明火火場實施救援的行動安全提供了可行方案。