消防装备:消防员灭火防护服的研发现状及发展趋势

发布时间:2020-12-30点击量:148

摘要:

探讨消防员灭火防护服的研发现状及发展趋势。介绍了国内外消防员灭火防护服的发展现状;对三个标准的整体热防护性能、阻燃性能、耐热性能和耐静水压性能进行了对比和分析,包括美国的 NFPA1971:2018《Stangard on Protective Ensembles for Strucral Fire Fighting and Proximity Fire Fighting》、欧盟的 BS EN 469:2014《Protective Clothing for Firefightingters—Performance Requirements for Protective Clothing for Firefighting》和我国的 GA 10—2014《消防员灭火防护服》。对消防员灭火防护服的研发方向进行了展望。认 为:消防员灭火防护服应进一步提高热防护性能,减少整体质量,增加舒适性,引入多功能性及高科技智能技术,实现综合防护。

关键词: 

消防员灭火防护服;芳纶;聚酰亚胺;热防护性能;阻燃性能;耐热性能;耐静水压;综合防护

随着时代的发展和科技的进步,人类社会进入了一个科技和经济高速发展的时代;伴随而来的火灾情况也日益频繁和复杂,对于在灭火过程中肩负着扑救火灾和保证人民生命财产安全的消防人员的生命威胁也愈来愈大。在恶劣而复杂的火灾现场,突发的危险情况随时都有可能发生,威胁着消防人员的生命安全。消防员灭火防护服是消防人员在灭火救援中免受伤害的最主要和最有效的防护装备[1]。面对复杂多变的火灾情况,作为消防人员最后一道安全防护——消防员灭火防护服,其作用至关重要。消防员灭火防护服的材料和款式以及服装整体的防护性能,随着时代的发展和产品加工工艺技术的革新而不断改进和提高。

1 国内外消防员灭火防护服的发展现状

1. 1 国外发展现状

目前,国际上的消防员灭火防护服通常由多层面料结构组成,由外及内分别为外层、防水透气层、隔热层和内衬[2]。外层面料主要由高性能纤维材料制成,包括芳纶 1414 纤维、芳纶 1313 纤 维、PBI 纤维、PBO 纤维等;以 PBI 纤维为主要原材料做成的面料受到国外市场的广泛关注和欢迎,如 PBI GoldPBI MatrixPBI Max 等。采用PBI 纤维为主要材料做成的防护织物与其他热防护织物相比,其防火性能好,经久耐用;其中,PBIMax 为新款消防员灭火防护服的外层面料具有高度的舒适性和柔韧性,同时暴露于较高的热和火焰下无收缩和破裂。防水透气层主要作用不仅是使穿着者内环境中排出的水汽通过,而且还能阻挡外在环境中液态水的进入,同时起到挡风和减少热量渗入;一般采用非织造布和阻燃 PTFE 的复合材料复合而成。隔热层面料主要由立体网眼针织物或非织造材料制作;内衬也称作舒适层,具备穿着舒适性和阻燃性能,一般为芳纶纤维和阻燃粘胶纤维的混纺机织物。

1. 2 国内发展现状

我国对消防员灭火防护服的研究起步较晚,但经过科研工作者多年的不断探索,已经在消防员灭火防护服的材料组合、新结构、新工艺及后整理工艺上取得了较大的进步。近年来,我国的消防员灭火防护服材料由后整理阻燃棉逐渐转变为芳纶,改善了消防员灭火防护服经过多次洗涤后丧失阻燃防火性能,同时提高了面料的强力和耐磨性能。芳纶纤维的生产企业主要有美国杜邦公司、日本帝人公司和我国的烟台泰和新材料公司等。

外层面料在结构上采用双层或者多层结构,增加织物热防护性能的同时,提高了织物的撕破强力。除芳纶纤维以外,在其他高性能阻燃耐高温纤维应用上面也有突破和创新,其中陕西元丰纺织技术研究有限公司开发的外层面料是采用芳纶和聚酰亚胺混纺制成的双层面料,面料的耐高温防护性能和拉伸撕破强力均十分优异。

防水透气层主要是阻止外面的水汽进入人体,同时将人体产生的汗液排出去,目前国内采用阻燃非织造布和阻燃 PTFE 膜复合组成。隔热层主要是隔绝热源,避免消防员受到外面高温的伤害,多采用耐高温阻燃纤维经针刺工艺制成的针刺毡,常见的有芳纶针刺毡。蔡普宁等研制的芳纶 1414 缝编复合毡不仅具有优异的力学性能,而且热防护性能优良,是一种理想的消防服隔热层材料[3]。

隔热层在后整理工艺上采用气凝胶涂层整理可增加织物的隔热效果。气凝胶是一种低密度、高孔隙率的纳米多孔非晶态固体材料,也属于一种非常好的隔热材料。张兴娟等提出了将二氧化硅气凝胶用于消防员灭火防护服隔热层材料的可行性,研究结果表明:其可以有效降低隔热层的导热性能,同时消防员灭火防护服的质量和厚度可以降低 70% 以上[45]。

舒适层主要是贴近人的身体,具有舒适性和阻燃性,一般采用芳纶纤维和阻燃粘胶纤维混纺制成的机织物。陕西元丰纺织技术研究有限公司在一般舒适层面料的基础上,引入了本质抗菌材料,通过充分发挥纤维之间的协同效应,开发了一款阻燃抗菌舒适型新产品;该面料不但具有很好的阻燃性能,还具有良好的抗菌性和穿着舒适性。

2 国内外消防员灭火防护服标准对比

欧美等发达国家对消防员灭火防护服的研究较早,目前已制定并实施了一系列完善的消防员灭火防护服标准和测试方法。美国的标准为NFPA 19712018Stangard on Protective Ensembles for Strucral Fire Fighting and Proximity FireFighting》(以下简称 NFPA 1971),欧盟的标准为BS EN 4692014Protective Clothing for FirefightingtersPerformance Requirements for Protective Clothing for Firefighting》(以 下 简 称 BS EN469)。我国对消防员灭火防护服的研究起步较晚,在其开发、设计、生产和性能测试评价等方面尚未形成系统的标准和方法。随着科技的进步和加工技术的不断提高,以及人们对消防人员在火灾救援中个人安全防护问题的重视程度的增强,相关标准在不断更新和完善。目前,我国采用的消防员灭火防护服标准主要是 GA 102014《消防员灭火防护服》(以下简称 GA 10);该标准比较详细地规定了消防员灭火防护服的阻燃性能、隔热性能的评价指标,可较全面地反应和评价消防员灭火防护服的综合热防护性能。

2. 1 整体热防护性能

消防员灭火防护服的环境热威胁通常来自火焰、爆炸等过程对流热、辐射热以及接触受热物体时的热传导。消防员灭火防护服的热防护作用是减少热流透过服装传递到皮肤上,以最大限度减少皮肤烧伤,为消防人员提供宝贵的安全工作时间[6]。GA 10 规定了消防员灭火防护服应由外层、防水透气层、隔热层和舒适层等组成,其整体质量不应大于 3. 5 kg,整体热防护性能 TPP值不应小于 28. 0,且无熔融、脆裂和收缩现象[7]。NFPA 1971 规定了消防员灭火防护服应由外层、防水透气层、隔热层等组成的复合材料;该复合材料可以是单层也可以是多层,其整体热防护性能 TPP 值不应小于 35. 08]。BS EN 469 规定了消防员灭火防护服可以由多层复合材料制成,也可以是多层面料联合制成,只要服装性能达到标准中规定的性能要求即可;其热防护性能分别在火焰直接烘烤和热辐射条件下测量消防员灭火防护服的传热能力,以衡量防护服的隔热性能[9]。其具体分级见表 1


可以看出,三个标准在服装整体热防护性能测试要求上,NFPA 1971 的要求大于 GA 10 的要求,但 GA 10 对服装整体质量做了明确要求,而NFPA 1971 未提到。BA EN 469 的测试方法不同,不能与另两个标准进行比较,其也未提到服装整体质量要求。

2. 2 阻燃性能

阻燃性能是对消防员灭火防护服最基本的性能要求。GA 10 NFPA 1971 对面料的阻燃性能测试要求相同,BS EN 469 因测试方法不同不能同等比较。GA 10 对外层、隔热层和舒适层的阻燃性能要求为:损毁长度≤100 mm,续燃时间≤2 s,无熔融、滴落现象;对防水透气层无要求。BS EN 469 对外层、隔热层和舒适层的阻燃性能要求为:火焰最底端不能燃烧蔓延至试样顶端或垂直边沿,无熔融、滴落,任何方向不能形成≥5 mm 孔洞,阴燃时间≤2 s,续燃时间≤2 s;对防水透气层无要求。NF100 mm,续燃时间≤ 2 s,无熔融、滴落现象。

2. 3 耐热性能

耐热性能是对服装组成材料经热性能试验后材料表面变化情况的反应。GA 10 对外层、防水 透 气 层 和 隔 热 层 的 耐 热 性 能 要 求 为 :(260± 5)℃处理 5 min 热收缩≤10%,试样表面应无明显变化;对舒适层的要求为:(180±5)℃处理 5 min热收缩≤10%,试样表面应无明显变化。BS EN469 对耐热性能的要求为:(180±5)℃处理 5 min热收缩≤5%,不点燃、熔化。NFPA 1971 对耐热性能的要求为:260 ~268 ℃处理 5 min 热收缩≤10%,试样表面应无明显变化。可以看出,在服装材料耐热性能测试中,GA 10 NFPA 1971的要求基本相同,均比 BS EN 469 的要求高。

2. 4 耐静水压和热湿舒适性能

防水透气层是用于阻止水向隔热层渗透同时又能排出水蒸气的防护部分。GA 10 对防水透气层的耐静水压要求为≥50 kPaBS EN 469 对防水透气层的耐静水压要求为:1 <20 kPa2 级≥20 kPaNFPA 1971 对防水透气层的耐静水压要求为≥172 kPa。可以看出,对于防水透气层的耐静水压,NFPA 1971 的要求大于 GA 10 的要求,BS EN 469 的要求最小。

服装生理舒适性的指标有:热阻、湿阻和总热损失[10]。对于服装的热舒适性能,NFPA 1971要 求 防 护 服 的 总 热 损 失 不 低 于 205 W/m2BSEN 469 规 定 了 消 防 员 灭 火 防 护 服 的 湿 阻30 m2·Pa/W<1 级 ≤45 m2·Pa/W ,二 级 ≤30 m2·Pa/W,而 GA 10 没有对服装整体的舒适性提出要求 ,只 要 求 防 水 透 气 层 的 透 湿 率 不应 小 于 5 000 g/m2·24 h)。

三个标准对消防员灭火防护服的防护性能和热湿舒适性能指标有差异,体现了不同的防护理念。研发人员在开发相关产品时,针对不同的标准要求,可以有方向和针对性地进行开发。

3 消防员灭火防护服的研发方向

3. 1 提高热防护性能

生命大于一切,这个生命不仅包含遭受火灾的人民群众的生命,还包含深入火灾现场进行火灾救援的消防人员的生命。消防员灭火防护服,作为消防人员面对恶劣而复杂的火灾时的最后一道防护,其作用尤为重要;消防员灭火防护服整体的热防护性能提高一分,消防人员的安全系数就会提高一分。消防员灭火防护服作为防护性服装,热防护性能要求始终是设计开发消防员灭火防护服时最主要的基本要求,满足了这一性能要求后,才有进一步研究其他性能需求的必要性。其中,GA 10 经过了 3 次修订,对热防护性能方面的要求一再提高,逐渐向国际高标准看齐,体现了生命大于一切、防护至上的理念。

3. 2 减少整体质量,增加舒适性

消防员在深入复杂而多变的火灾现场进行火灾救援时,不仅要面对高温湿热的火灾现场,还要背负整套灭火防护服及灭火救援装备。这些消防装备在保护消防员的生命安全时,也增加了消防员在深入火灾现场进行火灾救援的身体负担和心理负担,增加了消防员在火灾现场进行火灾救援的难度。在保证消防员灭火防护服整体防护性能的条件下,未来应实现消防员灭火防护服整体质量的轻质化,并提高其舒适性,提高服装散发热量的效果,以有效减轻消防员在深入火灾一线进行火灾救援的身体负担和心理负担,增加消防员作业的灵活性,提高消防人员在火灾一线进行救援的作业效率[11]。

3. 3 多功能性及高科技智能技术的引入

科技的进步,时代的发展,人民生活水平的不断提高,衍生了城市构造的不断变化和越来越多高层建筑物的出现,与此同时也带来了火灾发生原因的复杂多样化趋势[1213]。面对越来越复杂多变的火灾现场,消防员灭火防护服相应地也要增加更多的功能,比如消防员在火场中的定位和人体生理指标、环境温度、有害气体的监测等。通过实现消防员灭火防护服的多功能性和引入高科技智能技术,可以为深入火灾一线进行救援工作的消防员提供全面的信息帮助和指引,更有效地提高现场救援的作业效率,保护消防员的生命安全。

3. 4 实现综合防护

消防员灭火防护服作为消防员面对火灾危害的最后一道防护,其防护作用无可替代。随着科技的进步和社会的快速发展,面对复杂而多变的火灾情况,对消防员灭火防护服的要求也越来越高。消防员灭火防护服将不断向智能化、全面化、高性能化方向发展,逐渐实现单一危险因素防护到多种危害因素的综合防护,同时注重人体工效学,兼顾热防护性能和热湿舒适性能。

参考文献:

1] 韩海云 . 中欧消防员灭火防护服标准比较[J. 消防科技与技术,2010298):718-721.

2] 崔琳琳,单毓馥 .美国灭火消防服的发展现状[J.纺织科技进展,20144):9-11.

3] 蔡普宁,林娜,赵领航 . 消防服用芳纶隔热层面料的热防护性能研究[J. 产业用纺织品,2015336):21-24.

4] 张兴娟,孔祥明,杨春信 . 气凝胶消防服概念研究[J.中国个体防护装备,20113):15-17.

5] 韩伦,赵晓明 . 消防服用织物热防护性能的研究现状[J. 成 都 纺 织 高 等 科 学 校 学 报 ,2016333):

222-228.

6] 李莎莎,李俊 . 消防服性能测评技术及其综合评价原则[J.服装学报,201723):212-217.

7] 公安部消防局 . 消防员灭火防护服:GA 102014S.北京:中国标准出版社,20141-18.

8American Standard .NFPA 19712018 Stangard onProtective Ensembles for Strucral Fire Fighting andProximity Fire FightingS.2018.

9British Standard .BS EN 4692014 Protective Clothing for FirefightingtersPerformance Requirements for Protective Clothing for FirefightingS.2014.

10] 李利君,宋国文,李睿,等 . 消防员防护服面料的热湿舒适性[J.纺织学报,2017383):122-125.

11] 李世雄,林娜,赵雷,等 . 轻质高效消防灭火防护服材料发展现状及趋势[J.棉纺织技术,2018469):81-84.

12] 陈秋平,郭旭 . 我国消防服行业现状及未来发展趋势[J.中国个体防护装备,20143):22-24.

13] 朱毅峰 . 消防员灭火防护服用复合面料的开发[J.上海纺织科技,2014427):44-45.

 

来源:《棉纺织技术》2020年4月 第48卷 第4期
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