【摘要】為了減少火焰環(huán)境對消防員的傷害，基于消防服隔熱層對消防員生命安全保障的重要性，運用對比描述的方法對現(xiàn)有隔熱層進行了分析比較，探究了其優(yōu)缺點和性能，提出了輕質(zhì)且具有優(yōu)異隔熱性能是隔熱層的發(fā)展趨勢，通過對氣凝膠性能的理論分析和服用性能分析，研究了利用氣凝膠材料研制消防服的隔熱層，結(jié)果表明氣凝膠在服裝領(lǐng)域應(yīng)用已經(jīng)比較廣泛，在消防服領(lǐng)域中也已有初步應(yīng)用，但用氣凝膠研制消防服隔熱層仍存在著一定的挑戰(zhàn)。

　　【關(guān)鍵詞】氣凝膠;消防服;隔熱層;隔熱性能

　　0引言

　　隨著火災(zāi)發(fā)生次數(shù)的增多以及火災(zāi)情況的日益復(fù)雜，作為在火災(zāi)中起著重要作用的消防員所受到的生命威脅也越來越大。尤其是在環(huán)境較為惡劣的火災(zāi)中，可能出現(xiàn)的各種突發(fā)狀況使得消防員的生命安全得不到有效的保障。火災(zāi)形勢日趨嚴重，大小型火災(zāi)事故發(fā)生的越來越頻繁。2019年3月14日，山西沁源發(fā)生森林火災(zāi)，造成6名消防員犧牲;2019年6月9日，四川涼山發(fā)生森林火災(zāi)，30名撲火隊員遇難，其中消防員有27人。

　　據(jù)統(tǒng)計，在滅火救援行動中消防員的傷亡比重正在逐漸增大，而防護服的性能不足也是造成傷亡的一個重要原因。但傳統(tǒng)的消防服主要通過多層組合來提高其各方面的防護性能，這樣會導(dǎo)致防護服比較厚重，并影響其活動性能和舒適性能。因此，為了更好地保障消防員的安全，開發(fā)具有輕質(zhì)優(yōu)異熱舒適性防護服是現(xiàn)在發(fā)展的必然趨勢。氣凝膠是目前世界上最輕且熱導(dǎo)率最低的材料[1]，具有三維網(wǎng)狀孔洞結(jié)構(gòu)，可以彌補防護服的厚重隔熱的短板，應(yīng)用于防護服隔熱層的研制。

　　1現(xiàn)有消防服隔熱層研制現(xiàn)狀

　　1.1現(xiàn)有隔熱層及其性能

　　消防服是保護活躍在消防第一線的消防隊員安全的重要裝備之一，是使消防員免受火焰灼傷等傷害的重要防護屏障。消防服的防護性能如隔熱性、重量、斷裂強度以及阻燃性等防護性能將直接影響著消防員的生命安全和工作效率。火場的溫度通常在80~1000℃之間，因此適應(yīng)火場的個體防護設(shè)備消防服需要具備優(yōu)異的隔熱性能。國內(nèi)現(xiàn)有的消防服常用的隔熱層材料有阻燃棉纖維、芳砜綸纖維、芳綸纖維及其混紡制成的氈織物，國外現(xiàn)役消防服常用的有太空棉、遠紅外滌綸纖維、三聚酯酰胺纖維、綸芳類纖維(Nomex、Kevlar)、普通滌綸纖維和羊毛纖維等[2]。芳綸纖維是目前世界上使用最普及的防護服材料，據(jù)不完全統(tǒng)計，全球使用芳綸纖維作為防護服材料的占到了70%，并有繼續(xù)增長的趨勢[3]。

　　目前市場上的隔熱層都是采用芳綸1313和芳綸1414混紡以及芳砜綸纖維，比例通常為70/30或80/20，這種隔熱層已經(jīng)能滿足隔熱的基本要求。宗藝晶[4]等通過測試芳綸纖維、芳砜綸纖維、阻燃棉織物及聚苯并咪唑(PBI)纖維與對位芳綸Kevlar混紡織物的熱防護性能，得出芳綸織物和芳砜綸織物均具有較高的熱防護性能(ThermalProtectivePerformance，TPP)。

　　AhmetCay[5]經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)芳綸1313具有良好的耐高溫性能，且穩(wěn)定性極好，不會在空氣中燃燒，有自熄性，突遇900~1500℃的高溫時，布面會迅速碳化及增厚保護穿著者;劉強[6]等經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)芳綸1414短纖維強度是優(yōu)質(zhì)鋼材的5-6倍，模量是鋼材或玻璃纖維的2-3倍，韌性是鋼材的2倍，而質(zhì)量僅為鋼材的1/5，纖維的斷裂伸長率在4%左右，其在-196~204℃范圍內(nèi)可長期正常使用，在150℃下不收縮，在375℃的高溫下不分解、不熔化，且具有良好的絕緣性和抗腐蝕性，生命周期比較長;葉健青[7]等研究發(fā)現(xiàn)芳砜綸在燃燒時不熔融、不收縮，離火焰自媳，有較好的耐磨性、抗沖擊性和熱穩(wěn)定性，極少有陰燃或余燃現(xiàn)象，其起始分解溫度約為373℃，在此之前試樣處于穩(wěn)定狀態(tài)，分解溫度約為420℃。

　　1.2現(xiàn)有隔熱層的不足

　　美國海軍蒸汽服裝，日本過熱蒸汽防護服，以及法國對熱防護的研究，都是以服裝的厚重?zé)o死角來換取絕對的熱防護，防護服幾乎覆蓋全身。以縫制拉鏈的方式來達到無縫隙結(jié)構(gòu)，甚至于縫制時產(chǎn)生的針孔都用耐熱性防水劑堵死。雖說防護隔熱方面性能一流，但是舒適性與靈活性大幅降低，不適合火場救援[8]。嚴成等[9]人公布了一種甲綸Su￣plon聚酰亞胺纖維設(shè)計織制的防護服隔熱層面料，較于傳統(tǒng)的纖維防護服隔熱層，TPP測試結(jié)果更加優(yōu)越，但是目前，國內(nèi)能實現(xiàn)聚酰亞胺纖維產(chǎn)業(yè)化及銷售的企業(yè)較少，所以并不具備普及性。芳綸纖維是世界上使用最普及的材料，但其價格昂貴，所以在實際應(yīng)用時常與其他阻燃纖維混紡織造以降低成本。

　　芳砜綸纖維具有良好的耐腐蝕性和耐熱性，但強度不大，耐撕破力不強，芳綸纖維的缺點是抗壓縮強度和抗扭轉(zhuǎn)性能差，不耐紫外光和不耐水[10];近幾年，由于氣凝膠優(yōu)異的隔熱性能和超低密度，部分團隊開始研究SiO2氣凝膠型隔熱層，研究表明，采用SiO2氣凝膠作為隔熱層的消防服導(dǎo)熱系數(shù)僅為現(xiàn)役消防服的1/4，重量僅為現(xiàn)役消防服的1/3。

　　2氣凝膠

　　氣凝膠最早是由美國科學(xué)工作者S􀅰Kistler在1931年制得的一種具有超高孔隙率的三維納米多孔材料[11]，其多孔率可達80%~99.8%，具有低密度、低折射率、高比表面積等特征。氣凝膠是世界上密度最小的固體[12]，也是世界上最輕的固體，已入選吉尼斯世界紀錄。同時具有非常良好的隔熱性能，一寸厚的氣凝膠相當于20-30塊普通玻璃的隔熱效果，熔點高達到1000℃，最高能承受1400℃的高溫。

　　目前氣凝膠的種類已有很多，包括硅系、碳系、硫系、金屬氧化物系和金屬系等，一般最常見的是硅氣凝膠，綜合性能較好，其中應(yīng)用領(lǐng)域和范圍最廣的是SiO2氣凝膠。目前可以直接買到氣凝膠成品，其種類和參數(shù)不同，價格也不相同，價格一般為150~500元/斤，在實驗室中也可以通過化學(xué)方法制作氣凝膠，但制作過程比較繁瑣。氣凝膠原材料主要有兩種宏觀表現(xiàn)形式，即氣凝膠粉末和氣凝膠塊，純的氣凝膠脆性很大、抗壓性差，可以通過添加其他材料來改善性能使其應(yīng)用更加廣泛。氣凝膠材料的組成成分絕大部分是氣體，具有極高的孔隙率，隔熱性能優(yōu)異，熱能損失較小，其常溫常壓在空氣中的熱傳導(dǎo)率一般為0.0015~0.0020。

　　3氣凝膠在服裝領(lǐng)域中的應(yīng)用

　　早期，由于氣凝膠的力學(xué)性能比較差，將其運用于服裝領(lǐng)域相對困難。但由于其優(yōu)越的熱防護性能，很多學(xué)者不斷研究。美國航天局旗下一家公司率先在氣凝膠衣服生產(chǎn)工藝取得突破，通過增韌技術(shù)，將氣凝膠結(jié)合到纖維中使其變得柔韌，出現(xiàn)了氣凝膠柔性材料，打開了氣凝膠通往服裝領(lǐng)域的大門。意大利服裝公司CorpoNove生產(chǎn)了冬季極端寒冷條件下的氣凝膠夾克[13];NASA阿斯彭氣凝膠公司(AspenAerogels)制作了氣凝膠太空服[14];2009年，阿斯彭公司與加拿大一家公司合作，共同研發(fā)了一種氣凝膠纖維，名為“零夾層”，對這種材料進行測試后，發(fā)現(xiàn)隔熱保暖效果非常好[15]。

　　Shaid[16]等人通過在羊毛芳綸混紡織物中加入疏水性氣凝膠納米顆粒，得到了加入2%的氣凝膠納米顆粒可增加68.64%的熱阻但降低45.46%的透氣性，并且氣凝膠顆粒涂在織物內(nèi)層或表面的性能也明顯不同。據(jù)研究表明，3mm氣凝膠厚度保暖效果優(yōu)于40mm厚的羽絨。目前，氣凝膠與面料的結(jié)合技術(shù)已有成效，但開發(fā)的氣凝膠產(chǎn)品主要應(yīng)用于御寒保暖等方面，利用隔熱性能方面的生產(chǎn)產(chǎn)品幾乎沒有，以隔熱性能為主的氣凝膠型消防服也尚待研究。

　　4氣凝膠在消防服中應(yīng)用的初步探索

　　Shaid[17]等人在消防服隔熱層的一面涂上了硅系氣凝膠粉末，結(jié)果表明改善后的隔熱層具有良好的熱防護性;Jin[18]等人通過對經(jīng)氣凝膠處理和未經(jīng)氣凝膠處理的消防服進行人體假人測試，結(jié)果表明經(jīng)氣凝膠處理的消防服的熱防護性能比未經(jīng)處理的高;張興娟[19]等在中國較早的提出了氣凝膠在消防服中的應(yīng)用，在SiO2氣凝膠服裝的可行性分析中提到，將氣凝膠隔熱材料應(yīng)用到現(xiàn)役消防服織物中。

　　用氣凝膠填充的隔熱消防服的重量比傳統(tǒng)消防服的重量降低70%以上，可使消防服裝更為輕薄，從而減輕消防戰(zhàn)士的負擔(dān)。任乾乾[20]等研究了SiO2氣凝膠的防火隔熱組合面料，將面料分為灼燒面的熱面和試樣背面的冷面，通過酒精噴燈灼傷實驗，將組合面料的熱面在450℃的高溫火焰下灼燒50s，其冷面的溫度不超過40℃，得出此SiO2氣凝膠防火隔熱組合面料可以隔開400℃以上高溫的結(jié)論。Qi[21]等人將氣凝膠應(yīng)用于消防服中，結(jié)果顯示在相同的熱輻射下，填充氣凝膠的消防服的背面溫度比原樣的低100℃，但在暴露期間會有一個短暫的溫度跳躍，并且消防服重量降低了24.3%，驗證了氣凝膠在消防服中運用的可行性。

　　5結(jié)論

　　(1)目前有相當一部分消防員在救援過程中死于熱應(yīng)激，一方面是因為消防服的隔熱性能不夠，另一方面是消防服比較厚重，因此，改善消防服的隔熱層對保障消防員的生命安全有著重要的作用。氣凝膠密度小且隔熱性能優(yōu)異，可用于消防服隔熱層的研制。(2)用氣凝膠材料研制消防服的隔熱層還面臨著許多難題，比如氣凝膠的脆性大，力學(xué)性能較差，且在高溫環(huán)境下，氣凝膠的多孔結(jié)構(gòu)會發(fā)生坍塌，熱導(dǎo)率會上升等，這些都導(dǎo)致其防護性能受到影響，因此，在未來的研究中，要更多的向著服用性能靠攏。

　　參考文獻

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

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　　[7]葉健青.芳砜綸織物的阻燃性能和隔熱性能的研究[D].上海:東華大學(xué)，2005

　　消防論文投稿刊物：《消防界》以倡導(dǎo)“全民消防、生命至上”為使命：以“普及消防知識，推廣國內(nèi)外先進消防工作經(jīng)驗，全力提升全民消防安全意識”為基本職責(zé);圍繞消防安全教育宣傳工作和消防應(yīng)用技術(shù)的主攻方向，跟蹤消防技術(shù)發(fā)展的前沿，普及各類消防知識，宣傳消防新技術(shù)，傳播消防新信息，推介消防新產(chǎn)品，搭建消防輿論宣傳教育平臺，促進火災(zāi)預(yù)防和減少火災(zāi)危害，保護公民與公共財產(chǎn)安全。