气凝胶消防服隔热层研制的可行性分析

　　【摘要】为了减少火焰环境对消防员的伤害，基于消防服隔热层对消防员生命安全保障的重要性，运用对比描述的方法对现有隔热层进行了分析比较，探究了其优缺点和性能，提出了轻质且具有优异隔热性能是隔热层的发展趋势，通过对气凝胶性能的理论分析和服用性能分析，研究了利用气凝胶材料研制消防服的隔热层，结果表明气凝胶在服装领域应用已经比较广泛，在消防服领域中也已有初步应用，但用气凝胶研制消防服隔热层仍存在着一定的挑战。

　　【关键词】气凝胶;消防服;隔热层;隔热性能

　　0引言

　　随着火灾发生次数的增多以及火灾情况的日益复杂，作为在火灾中起着重要作用的消防员所受到的生命威胁也越来越大。尤其是在环境较为恶劣的火灾中，可能出现的各种突发状况使得消防员的生命安全得不到有效的保障。火灾形势日趋严重，大小型火灾事故发生的越来越频繁。2019年3月14日，山西沁源发生森林火灾，造成6名消防员牺牲;2019年6月9日，四川凉山发生森林火灾，30名扑火队员遇难，其中消防员有27人。

　　据统计，在灭火救援行动中消防员的伤亡比重正在逐渐增大，而防护服的性能不足也是造成伤亡的一个重要原因。但传统的消防服主要通过多层组合来提高其各方面的防护性能，这样会导致防护服比较厚重，并影响其活动性能和舒适性能。因此，为了更好地保障消防员的安全，开发具有轻质优异热舒适性防护服是现在发展的必然趋势。气凝胶是目前世界上最轻且热导率最低的材料[1]，具有三维网状孔洞结构，可以弥补防护服的厚重隔热的短板，应用于防护服隔热层的研制。

　　1现有消防服隔热层研制现状

　　1.1现有隔热层及其性能

　　消防服是保护活跃在消防第一线的消防队员安全的重要装备之一，是使消防员免受火焰灼伤等伤害的重要防护屏障。消防服的防护性能如隔热性、重量、断裂强度以及阻燃性等防护性能将直接影响着消防员的生命安全和工作效率。火场的温度通常在80~1000℃之间，因此适应火场的个体防护设备消防服需要具备优异的隔热性能。国内现有的消防服常用的隔热层材料有阻燃棉纤维、芳砜纶纤维、芳纶纤维及其混纺制成的毡织物，国外现役消防服常用的有太空棉、远红外涤纶纤维、三聚酯酰胺纤维、纶芳类纤维(Nomex、Kevlar)、普通涤纶纤维和羊毛纤维等[2]。芳纶纤维是目前世界上使用最普及的防护服材料，据不完全统计，全球使用芳纶纤维作为防护服材料的占到了70%，并有继续增长的趋势[3]。

　　目前市场上的隔热层都是采用芳纶1313和芳纶1414混纺以及芳砜纶纤维，比例通常为70/30或80/20，这种隔热层已经能满足隔热的基本要求。宗艺晶[4]等通过测试芳纶纤维、芳砜纶纤维、阻燃棉织物及聚苯并咪唑(PBI)纤维与对位芳纶Kevlar混纺织物的热防护性能，得出芳纶织物和芳砜纶织物均具有较高的热防护性能(ThermalProtectivePerformance，TPP)。

　　AhmetCay[5]经研究发现芳纶1313具有良好的耐高温性能，且稳定性极好，不会在空气中燃烧，有自熄性，突遇900~1500℃的高温时，布面会迅速碳化及增厚保护穿着者;刘强[6]等经研究发现芳纶1414短纤维强度是优质钢材的5-6倍，模量是钢材或玻璃纤维的2-3倍，韧性是钢材的2倍，而质量仅为钢材的1/5，纤维的断裂伸长率在4%左右，其在-196~204℃范围内可长期正常使用，在150℃下不收缩，在375℃的高温下不分解、不熔化，且具有良好的绝缘性和抗腐蚀性，生命周期比较长;叶健青[7]等研究发现芳砜纶在燃烧时不熔融、不收缩，离火焰自媳，有较好的耐磨性、抗冲击性和热稳定性，极少有阴燃或余燃现象，其起始分解温度约为373℃，在此之前试样处于稳定状态，分解温度约为420℃。

　　1.2现有隔热层的不足

　　美国海军蒸汽服装，日本过热蒸汽防护服，以及法国对热防护的研究，都是以服装的厚重无死角来换取绝对的热防护，防护服几乎覆盖全身。以缝制拉链的方式来达到无缝隙结构，甚至于缝制时产生的针孔都用耐热性防水剂堵死。虽说防护隔热方面性能一流，但是舒适性与灵活性大幅降低，不适合火场救援[8]。严成等[9]人公布了一种甲纶Su￣plon聚酰亚胺纤维设计织制的防护服隔热层面料，较于传统的纤维防护服隔热层，TPP测试结果更加优越，但是目前，国内能实现聚酰亚胺纤维产业化及销售的企业较少，所以并不具备普及性。芳纶纤维是世界上使用最普及的材料，但其价格昂贵，所以在实际应用时常与其他阻燃纤维混纺织造以降低成本。

　　芳砜纶纤维具有良好的耐腐蚀性和耐热性，但强度不大，耐撕破力不强，芳纶纤维的缺点是抗压缩强度和抗扭转性能差，不耐紫外光和不耐水[10];近几年，由于气凝胶优异的隔热性能和超低密度，部分团队开始研究SiO2气凝胶型隔热层，研究表明，采用SiO2气凝胶作为隔热层的消防服导热系数仅为现役消防服的1/4，重量仅为现役消防服的1/3。

　　2气凝胶

　　气凝胶最早是由美国科学工作者S􀅰Kistler在1931年制得的一种具有超高孔隙率的三维纳米多孔材料[11]，其多孔率可达80%~99.8%，具有低密度、低折射率、高比表面积等特征。气凝胶是世界上密度最小的固体[12]，也是世界上最轻的固体，已入选吉尼斯世界纪录。同时具有非常良好的隔热性能，一寸厚的气凝胶相当于20-30块普通玻璃的隔热效果，熔点高达到1000℃，最高能承受1400℃的高温。

　　目前气凝胶的种类已有很多，包括硅系、碳系、硫系、金属氧化物系和金属系等，一般最常见的是硅气凝胶，综合性能较好，其中应用领域和范围最广的是SiO2气凝胶。目前可以直接买到气凝胶成品，其种类和参数不同，价格也不相同，价格一般为150~500元/斤，在实验室中也可以通过化学方法制作气凝胶，但制作过程比较繁琐。气凝胶原材料主要有两种宏观表现形式，即气凝胶粉末和气凝胶块，纯的气凝胶脆性很大、抗压性差，可以通过添加其他材料来改善性能使其应用更加广泛。气凝胶材料的组成成分绝大部分是气体，具有极高的孔隙率，隔热性能优异，热能损失较小，其常温常压在空气中的热传导率一般为0.0015~0.0020。

　　3气凝胶在服装领域中的应用

　　早期，由于气凝胶的力学性能比较差，将其运用于服装领域相对困难。但由于其优越的热防护性能，很多学者不断研究。美国航天局旗下一家公司率先在气凝胶衣服生产工艺取得突破，通过增韧技术，将气凝胶结合到纤维中使其变得柔韧，出现了气凝胶柔性材料，打开了气凝胶通往服装领域的大门。意大利服装公司CorpoNove生产了冬季极端寒冷条件下的气凝胶夹克[13];NASA阿斯彭气凝胶公司(AspenAerogels)制作了气凝胶太空服[14];2009年，阿斯彭公司与加拿大一家公司合作，共同研发了一种气凝胶纤维，名为“零夹层”，对这种材料进行测试后，发现隔热保暖效果非常好[15]。

　　Shaid[16]等人通过在羊毛芳纶混纺织物中加入疏水性气凝胶纳米颗粒，得到了加入2%的气凝胶纳米颗粒可增加68.64%的热阻但降低45.46%的透气性，并且气凝胶颗粒涂在织物内层或表面的性能也明显不同。据研究表明，3mm气凝胶厚度保暖效果优于40mm厚的羽绒。目前，气凝胶与面料的结合技术已有成效，但开发的气凝胶产品主要应用于御寒保暖等方面，利用隔热性能方面的生产产品几乎没有，以隔热性能为主的气凝胶型消防服也尚待研究。

　　4气凝胶在消防服中应用的初步探索

　　Shaid[17]等人在消防服隔热层的一面涂上了硅系气凝胶粉末，结果表明改善后的隔热层具有良好的热防护性;Jin[18]等人通过对经气凝胶处理和未经气凝胶处理的消防服进行人体假人测试，结果表明经气凝胶处理的消防服的热防护性能比未经处理的高;张兴娟[19]等在中国较早的提出了气凝胶在消防服中的应用，在SiO2气凝胶服装的可行性分析中提到，将气凝胶隔热材料应用到现役消防服织物中。

　　用气凝胶填充的隔热消防服的重量比传统消防服的重量降低70%以上，可使消防服装更为轻薄，从而减轻消防战士的负担。任乾乾[20]等研究了SiO2气凝胶的防火隔热组合面料，将面料分为灼烧面的热面和试样背面的冷面，通过酒精喷灯灼伤实验，将组合面料的热面在450℃的高温火焰下灼烧50s，其冷面的温度不超过40℃，得出此SiO2气凝胶防火隔热组合面料可以隔开400℃以上高温的结论。Qi[21]等人将气凝胶应用于消防服中，结果显示在相同的热辐射下，填充气凝胶的消防服的背面温度比原样的低100℃，但在暴露期间会有一个短暂的温度跳跃，并且消防服重量降低了24.3%，验证了气凝胶在消防服中运用的可行性。

　　5结论

　　(1)目前有相当一部分消防员在救援过程中死于热应激，一方面是因为消防服的隔热性能不够，另一方面是消防服比较厚重，因此，改善消防服的隔热层对保障消防员的生命安全有着重要的作用。气凝胶密度小且隔热性能优异，可用于消防服隔热层的研制。(2)用气凝胶材料研制消防服的隔热层还面临着许多难题，比如气凝胶的脆性大，力学性能较差，且在高温环境下，气凝胶的多孔结构会发生坍塌，热导率会上升等，这些都导致其防护性能受到影响，因此，在未来的研究中，要更多的向着服用性能靠拢。

　　参考文献

　　[1]雷萍，郑绪东，尚善斋，等.柔性气凝胶的制备与应用[J].功能材料，2016，47(S1):101-106.

　　[2]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，2011，(3):15-17.

　　[3]张生辉.芳纶在阻燃防护服中的应用及检测[J].中国个体防护装备，2014，(1):37-40.

　　[4]宗艺晶，张向辉，李俊，等.消防服用外层织物的热防护性能研究[J].产业用纺织品，2009，27(6):17-20，46

　　[5]AhmetCay，VassiliadisSavvas，RangoussiMaria，etal.Predictionoftheairpermeabilityofwovenfabricsusingneuralnetwork[J].InternationalJournalofClothingScienceandTechnology，2007.19(1):18-35.

　　[6]刘强，侯晓鹏，常金，等.芳纶1414纤维含量对织物功能性的影响[J].棉纺织技术，2014，42(5):36-39.

　　[7]叶健青.芳砜纶织物的阻燃性能和隔热性能的研究[D].上海:东华大学，2005

　　消防论文投稿刊物：《消防界》以倡导“全民消防、生命至上”为使命：以“普及消防知识，推广国内外先进消防工作经验，全力提升全民消防安全意识”为基本职责;围绕消防安全教育宣传工作和消防应用技术的主攻方向，跟踪消防技术发展的前沿，普及各类消防知识，宣传消防新技术，传播消防新信息，推介消防新产品，搭建消防舆论宣传教育平台，促进火灾预防和减少火灾危害，保护公民与公共财产安全。