本文對(duì)熱防護(hù)作用的形式、熱防護(hù)纖維材料、熱防護(hù)織物的加工和測(cè)試方法等進(jìn)行了分析探討，并介紹了一些新型熱防護(hù)材料以及熱防護(hù)材料發(fā)展的新領(lǐng)域。

1 熱防護(hù)作用的實(shí)質(zhì)

熱 防護(hù)的實(shí)質(zhì)是降低熱轉(zhuǎn)移速度，使外界的高熱較慢地轉(zhuǎn)移至皮膚 [1]。在熱防護(hù)過程中，熱防護(hù)材料充當(dāng)一種介質(zhì)，介于熱源和人體之間，其目的就是要使熱源所產(chǎn)生的高溫對(duì)人體的損害程度減至zui小[2]。根據(jù)熱轉(zhuǎn)移方式 的不同，熱防護(hù)可分為三類: 傳導(dǎo)熱防護(hù)、對(duì)流熱防護(hù)和輻射熱防護(hù)。

1·1傳導(dǎo)熱防護(hù)

傳導(dǎo)熱防護(hù)常常指對(duì)熔融金屬的防護(hù)， 在高爐和澆注臺(tái) 邊工作的工人，以及金屬加工廠鑄工和熔煉車間的工人會(huì)接觸到熔融的金屬。熔融鐵的溫度在1500℃左右，熔融鋁的溫度在700℃左右，這些高溫物質(zhì)都是人 體難以承受的。當(dāng)熔融的金屬濺到熱塑性基布上時(shí)會(huì)粘附在織物上，導(dǎo)致高熱量通過基布引起嚴(yán)重?zé)齻?，故傳?dǎo)熱防護(hù)織物的隔熱性能是十分重要的。要達(dá)到較好的 隔熱效果，紡織材料需要具備兩方面的性能: 一是要有盡量低的導(dǎo)熱系數(shù)，以降低熱量從織物一側(cè)傳到另一側(cè)的速度，使受防護(hù)對(duì)象接受的熱量減少，升溫速度慢，從而保證正常工作；二是要求熱防護(hù)材料具有 較大的熱容，這樣，熱防護(hù)材料自身溫度每升高一度吸收的熱量相對(duì)較多，這一方面降低了材料溫度升高的速度，另一方面減輕了材料自身的熱負(fù)荷。表1[3]列 出了一些纖維的熱傳導(dǎo)度數(shù)據(jù)，可以看出天然纖維的熱傳導(dǎo)度一般較低，尤其是羊毛纖維，其軸向的熱傳導(dǎo)度僅為0.48j.m.K.s.正因?yàn)槿绱?，天然纖維 具有更好的保溫和隔熱作用。

表l 熱傳導(dǎo)度數(shù)據(jù)

非 織造布是較好的傳導(dǎo)熱防護(hù)材料，這是因?yàn)榉强椩觳冀Y(jié)構(gòu)蓬松，內(nèi)部所含空氣較多，而空氣的熱傳導(dǎo)率僅為纖維材料的十分之一，從而降低了熱量的傳播速度。傳導(dǎo) 熱防護(hù)織物必須采用非熱塑性、熱傳導(dǎo)率低的纖維；受熱后應(yīng)*炭化，以起隔熱作用；織物表面光滑，以避免熔融金屬被截留于纖維或紗線的空隙間[4]。

1·2輻射熱防護(hù)

輻 射熱傳導(dǎo)即熱量以輻射的形式傳播，它是一種非接觸式導(dǎo)熱方式，不 需要任何物質(zhì)作為媒介，熱量以電磁波的形式傳遞。距離直徑 0.5m，15OO℃的火爐3m處的輻射熱高達(dá)4.2kw/m2，該能量超過使人體皮膚灼燒能量值的2倍，故鋼鐵工人熱*的抗輻射熱性能是十分重要 的。減少輻射熱對(duì)人體造成傷害的*方法是提高防護(hù)織物表面的反射性能，可采用在織物表面涂上拋光金屬薄膜的方法。例如在織物表面涂金屬鋁膜后，織物約能 反射90%的輻射熱，其余的能量為基布所吸收，由于暴露時(shí)間決定基布的zui終衰變，所以為基布選擇纖維應(yīng)非常小心，保證安全，不能選用高溫下易熔融、粘附軟 化的纖維。

1·3 對(duì)流熱防護(hù)

對(duì)流熱防護(hù)實(shí)際上是指對(duì)火焰的熱防護(hù)。氣體從火焰或高溫物體獲得能量后密度發(fā)生變化，產(chǎn)生對(duì) 流運(yùn)動(dòng)，溫度高 的氣體攜帶著能量流向溫度低的區(qū)域，實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞，這一傳遞過程便生成了對(duì)流熱。消防服就用于這種環(huán)境下。在滅火過程中消防員暴露在熱空氣中，為降低消 防員被燒傷的危險(xiǎn)，消防服的外層織物和內(nèi)層襯墊材料應(yīng)使用耐熱、阻燃的織物。熱防護(hù)織物阻燃原理如圖1所示。

在 實(shí)際應(yīng)用中，有兩種方式可以提高織物的阻燃性能:(1)在纖維中加入化學(xué)添加劑或?qū)椢镞M(jìn)行阻燃處理，即以吸附沉積、化學(xué)鍵合、非極性范德華力結(jié)合或粘結(jié) 作用，使阻燃劑固著在織物或紗線上，以獲得阻燃效果。(2)提高纖維中高聚物的熱穩(wěn)定性，即提高裂解溫度抑制可燃?xì)怏w的產(chǎn)生，增加炭化程度，使纖維不易著 火燃燒。

2 熱防護(hù)材料

2·1 有機(jī)纖維

常見的有機(jī)纖維是芳香族聚酰胺 纖維即芳綸。 芳香族聚酰胺纖維在較高溫度下，能夠保持固有的穩(wěn)定性、非常低的收縮率和非常高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。以典型的凱夫拉為例，凱夫拉纖維高溫下軸向收縮，橫向膨 脹，它具有較好的熱穩(wěn)定性，由其化學(xué)結(jié)構(gòu)式 (如下)可知，纖維中不存在磷和鹵素等易燃的化學(xué)元素，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能耐高溫，受熱后不易分解出可燃物質(zhì)，也不易生成煙霧，僅發(fā)生炭化。故此類*可為被 防護(hù)者提供足夠的時(shí)間逃離火場(chǎng)，同時(shí)防止內(nèi)層衣服被點(diǎn)燃[1]。市場(chǎng)上常見的對(duì)位芳香族聚酰胺有美國(guó)杜邦公司的Kevlar系列、荷蘭阿克蘇公司的 Twaron系列以及日本帝

人公司的Technora系列等[2]。

2·2 無機(jī)纖維

目 前，可用于制作熱防護(hù)織物的無機(jī)纖維種類很多，已獲得廣泛應(yīng)用的無機(jī)纖維有: 玻璃纖維、氧化鋁纖維、石英纖維、碳 (石墨)纖維、碳化硅纖維、含鈦碳化硅纖維、氮化硅纖維、氮化硼纖維等。無機(jī)纖維的阻燃和耐熱性更好，它們適宜在1000℃以上高溫下使用。一般耐高溫纖 維由SiO2或Al2O3、SiC、B之類的物質(zhì)組成。表2列出了國(guó)內(nèi)外廣泛使用的耐高溫?zé)o機(jī)纖維的各項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)。

無機(jī)纖維中應(yīng)用zui廣泛 的莫過于 玻璃纖維。用于熱防護(hù)領(lǐng)域的玻璃纖維一般都是經(jīng)過特殊處理的耐高溫玻璃纖維，如石英纖維。它的軟化點(diǎn)溫度高達(dá)1250℃，且熱膨脹系數(shù)小；高硅氧玻璃纖維 的耐熱性接近石英纖維；鋁硅酸鹽玻璃纖維的軟化溫度高達(dá)1760℃，zui高使用溫度可達(dá)1260℃[5]。

碳纖維也是一種具有良好耐熱性能的纖維，它是由有機(jī)纖維經(jīng)炭化而制成的。碳纖維的熱膨脹具有各項(xiàng)異性的特點(diǎn)，高溫下軸向收縮，橫向膨脹；在空氣中，當(dāng)溫度高于400℃時(shí)會(huì)出現(xiàn)明顯的氧化，

表2 常見熱防護(hù)織物用無機(jī)纖維的品質(zhì)指標(biāo)

在不接觸空氣或氧化氣體時(shí)，碳纖維具有突出的耐熱性，1500℃時(shí)強(qiáng)度才開始下降[2]。市場(chǎng)上的碳纖維主要有美國(guó)聯(lián)合碳公司的Thomel系列、塞蘭尼公司的GV-70、赫耳克里士公司的Magnamite-A。

3 熱防護(hù)織物的加工方法 

3·1 純紡法 

歐 美國(guó)家傾向于采用具有良好阻 燃耐熱作用的高性能纖維制成純紡織物。如Nomex，BPI均具有良好的耐熱性、阻燃性和服用性。由于高性能纖維純紡織物的防護(hù)性能來自于纖維本身，故其 防護(hù)作用不會(huì)隨洗滌和穿著而降低，但纖維價(jià)格高，而且高分子材料結(jié)晶度高，染色困難，這在一定程度上抑制了純紡*產(chǎn)品的發(fā)展[6]。 

3·2 混紡法 

3·2·1 耐熱阻燃纖維混紡法 

將 兩種阻燃、隔熱纖維進(jìn)行混紡，所得織物的耐熱性能可以優(yōu)于由其中任何一種纖維純紡制得的織物，例如Nomex純紡織物和Verel純紡織物的限氧指數(shù)均在 29.5左右，而用Nomex與Verel混紡，當(dāng)混紡樣品中含50%或75%Nomex時(shí)，織物的限氧指數(shù)上升到32。該方法不但可以降低產(chǎn)品 成本，還可以提高織物的美觀性。 

3·2·2 耐熱阻燃纖維與普通纖維混紡法

用耐高溫阻燃纖維與普通纖維混紡也可以得到具有 熱防護(hù)性能 的織物，如用棉與Nomex混紡制成阻燃織物。由于普通纖維不具有耐熱阻燃性能，故需要對(duì)坯布進(jìn)行阻燃處理。這種混紡熱防護(hù)織物價(jià)格相對(duì)較低，而且由于天 然纖維柔軟，吸濕性強(qiáng)，故*穿著舒適，但其耐熱性相對(duì)較差。

3·3 復(fù)合層壓法 

3·3·1 焰熔層壓工藝 

焰 熔層壓工藝是 指將聚氨酯泡沫塑料薄片經(jīng)火焰灼燒，使其發(fā)生熔融裂解產(chǎn)生粘性物質(zhì)，從而將不同的織物層壓在一起成為復(fù)合織物的工藝過程。該復(fù)合織物對(duì)傳導(dǎo)熱 (熔融金屬)、對(duì)流熱 (火焰)，以及輻射熱均有良好的防護(hù)作用。需要指出的是，在生產(chǎn)過程中要合理控制聚氨酯泡沫塑料薄 片的厚度，否則，經(jīng)焰熔層壓后會(huì)殘留一層聚氨酯泡沫塑料，聚氨酯泡沫塑料受熱會(huì)燃燒，導(dǎo)致整個(gè)復(fù)合物性能下降。是聚氨酯泡沫塑料薄片在焰熔過程中* 分解為粘性物質(zhì)，這樣不僅提高了復(fù)合織物整體阻燃性，而且使粘合強(qiáng)度大大提高。 

3·3·2 粘合層壓工藝 

粘合層壓工藝 是利用粘合劑將 兩種織物復(fù)合在一起。為提高粘合強(qiáng)度，必須選擇適當(dāng)?shù)恼韯┖驼砉に噷?duì)織物進(jìn)行預(yù)處理。對(duì)于棉織物來說，需要降低其臨界表面張力，從而使粘合劑能均勻鋪 展于織物表面而不滲入織物內(nèi)部。對(duì)于玻璃纖維織物來說，在復(fù)合前應(yīng)將在紡絲制造過程中涂于玻璃纖維表面的浸潤(rùn)劑去除。此外，為進(jìn)一步提高復(fù)合材料的粘合強(qiáng) 度，玻璃纖維在紡絲后常涂覆偶聯(lián)劑[7]。 

3·4 表面涂層法 

表面涂層是指在織物表面進(jìn)行有機(jī)耐高溫聚合物涂層，以提 高材料的整體熱 防護(hù)性能。這種方式可以有效地防護(hù)對(duì)流熱和輻射熱?？椢锏耐繉臃馑懒藷釟饬?、火焰、輻射線直接進(jìn)入織物的通道，消除了織物多孔的致命弱點(diǎn)。由于涂層阻擋了 大部分熱量，材料中的熱轉(zhuǎn)移以傳導(dǎo)為主。又由于纖維的導(dǎo)熱系數(shù)相當(dāng)?shù)?，而空氣的?dǎo)熱系數(shù)又僅為纖維的約十分之一，而且后者的體積含量一般高達(dá)70%- 90%，所以會(huì)使材料整體的熱轉(zhuǎn)移在單位時(shí)間內(nèi)大幅下降[8]，對(duì)被防護(hù)者起到良好的保護(hù)作用。3·5 雙層或多層織物

實(shí)驗(yàn)證明，相同重量 時(shí)，雙 層織物的熱防護(hù)性能優(yōu)于單層，而多層織物的熱防護(hù)性能又優(yōu)于雙層[9]。雙層或多層織物常用于對(duì)流熱防護(hù)，對(duì)流熱的防護(hù)主要是通過使熱量在織物內(nèi)部的纖 維、紗線界面間發(fā)生一次或多次耗能湍流從而減小到達(dá)織物另一側(cè)的熱量來實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于雙層織物來說，針織物和機(jī)織物的內(nèi)外雙層組合優(yōu)于機(jī)-機(jī)組合和針-針組 合，這是因?yàn)橥鈱訖C(jī)織物密度相對(duì)較大，表面纖維多，透氣性較差，使得內(nèi)層織物中能夠保持 較穩(wěn)定的空氣層，而內(nèi)層針織物所含的空氣百分含量又相對(duì)較大，所以織物整體的熱防護(hù)性能較好。

4 熱防護(hù)織物的性能測(cè)試與評(píng)價(jià) 

熱防護(hù)織物必須具有以下性能: 

(1) 阻燃性；

(2) 完整性(遇熱或熔融后服裝保持完整)；

(3) 隔熱性(阻止熱的轉(zhuǎn)移，燃燒時(shí)無煤焦油等導(dǎo)熱液體的滴落)；

(4) 拒液性(阻止油、水、溶劑及其它液體滲入織物)

目前，常用的隔熱*的性能測(cè)試方法主要有以下幾種: 

4·1垂直燃燒法和限氧指數(shù)法 

垂直燃燒法測(cè)定面料在火焰中燃燒一定時(shí)間后的延燃時(shí)間和碳化長(zhǎng)度。限氧指數(shù)法測(cè)定面料在氧氮?dú)夥障氯紵龝r(shí)所需的zui低氧氣密度。

4·2 動(dòng)態(tài)燃燒測(cè)試 

這是一種測(cè)定面料在受力狀態(tài)下耐燃性能的方法。即在火源的強(qiáng)度和面料所承受的張力相對(duì)穩(wěn)定的情況下，測(cè)定面料受熱破裂的zui短時(shí)間，由此來表征面料在受力情況下，耐高溫的程度。 

4·3熱防護(hù)性能測(cè)試 (TPP測(cè)試) 

這 一測(cè)試又稱TPP測(cè)試 (即Themal Protective Pmfomance Test，是一種測(cè)定面料隔熱性能的實(shí)驗(yàn)室方法。目前，TPP測(cè)試已成為耐熱服裝測(cè)試方面較為重要的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。它將材料的熱防護(hù)性與人體的感受起來， 能夠較為客觀地預(yù)測(cè)服裝在應(yīng)用中的實(shí)際效果?，F(xiàn)已被列為通用的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)方法 [ASTM D-2863，NFPAl971(1986)]。 

4·4銅人 (Themo-man)耐熱*裝評(píng)價(jià)系統(tǒng) 

銅 人是一種全新的熱*測(cè)評(píng)方法，它模擬成年男性的身體皮膚，并在銅人整個(gè)身體表面均勻放置122個(gè)傳感器。實(shí)驗(yàn)時(shí)，先給Themo-man穿上實(shí)驗(yàn)用的 服裝，然后在實(shí)驗(yàn)室模擬燃燒的環(huán)境中暴露一定時(shí)間，觀察燃燒情況；同時(shí)傳感器每隔一定時(shí)間記錄溫度1次，并將采集的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)。通過對(duì)纖維織物耐熱特 性的合理假設(shè)，計(jì)算出這個(gè)Thermo-man表面的熱通量以及纖維織物上升的溫度，從這些數(shù)據(jù)可以得出，在這種試驗(yàn)用閃爍火焰條件下，人體承受的2度及 3度燒傷的總量和位置，并且利用Themo-man外觀形式顯示出來。 銅人代表了一種全面的、整體性測(cè)試的概念。它既可以直接對(duì)服裝在火場(chǎng)中的情形進(jìn)行觀察，又可以進(jìn)行定量測(cè)定。它對(duì)耐熱性的測(cè)試不象其他測(cè)試那樣僅局限于面 料部分，而是著眼于服裝的整體以及服裝與人體的相互關(guān)系。

5 新型熱防護(hù)材料的開發(fā)與發(fā)展趨勢(shì)

5·1仿生學(xué)技術(shù) 

人 們通過對(duì)自然界的觀察得到了許多啟發(fā)，如果能將自然界的一些原 理應(yīng)用到科學(xué)研究領(lǐng)域，我們就可以開發(fā)出許多具有高實(shí)用價(jià)值的新材料。據(jù)報(bào)道，在南美洲有一種蛇叫做 "撲火蛇"。 它在夜間活動(dòng)時(shí)如果見到火就會(huì)馬上爬進(jìn)火里，用身體拍打火，試圖將火撲滅。這種蛇在火中呆上一段時(shí)間并不會(huì)對(duì)其身體造成損傷。人們研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)撲火蛇在火 中時(shí)，它的身體表面會(huì)分泌出一種粘液，這種粘液會(huì)對(duì)蛇的身體起到保護(hù)作用。如果對(duì)撲火蛇所分泌粘液的化學(xué)成分進(jìn)行分析，我們就有可能開發(fā)出新型仿生學(xué)熱防 護(hù)材料。

5·2 相變材料 

相變材料 (PCMs，Phase Change Materials) 是一種利用相變潛熱來貯能和放能的新型化學(xué)材料[10]。相變材料在自然界中的存在形式各種各樣，迄今為止，已有超過500種的天然及合成相變材料被人們 掌握和了解[11]。相變材料按相變的方式可分為4類: 固-固相變、固-液相變、固-氣相 變、液-氣相變材料。常用的就是固-固相變和固-液相變材料。相變材料應(yīng)用于紡織品中，主要通過將相變材料包封在一載體系統(tǒng) 直徑為1.0-10.O?m的微膠囊中，對(duì)織物進(jìn)行涂層或?qū)⑽⒛z囊混入紡絲液中進(jìn)行紡絲。當(dāng)環(huán)境溫度或人體皮膚溫度達(dá)到服裝內(nèi)PCMs 熔點(diǎn)，PCMs吸熱從固態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)，在服裝層內(nèi)產(chǎn)生短暫的致冷效果(見圖4)。熱能可能來自人體也可能來自外界溫暖環(huán)境。一旦PCMs*熔解，儲(chǔ)能結(jié) 束。如果PCMs服裝在低于PCMs冰點(diǎn)溫度的寒冷環(huán)境中使用，服裝溫度低于轉(zhuǎn)換溫度，液態(tài)PCMs將變回固態(tài)，釋放出能量提供短暫的加熱效果(見圖 4)。這種熱轉(zhuǎn)換在服裝內(nèi)起緩沖作用，減小皮膚溫度的變化，從而延長(zhǎng)穿著者的熱舒適感[12]。

6 結(jié)語
熱 防護(hù)織物作為一種特種產(chǎn)業(yè)用防護(hù)織物，不但要求其具有良好的阻燃隔熱性能，而且要求其具備良好的服用性、透氣性和抗靜電性。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)熱防護(hù) 服的不同用途，有針對(duì)性地提高*在某些方面的熱防護(hù)性能，積極開發(fā)新材料、新工藝。在保證*性能安全的前提下，使*更加輕便，經(jīng)濟(jì)