防爆服的防护性能及其研究进展
  • 特种装备网    发布时间: 2017-09-30     关注我们:
  •     摘 要:易燃易爆危险品事故影响大,给人们生命和生活带来了较大影响,在爆炸中能起到防护作用的防爆服是保护人们生命的重要手段并且愈来愈引起人们的关注。本文对防爆服的分类、防护机理、材料特征及防护性能进行了介绍,并概述了国内外的防爆服的研究进展及发展趋势,在此基础上对未来防爆服的应用和研究提出了建议。

        关键词:防爆服;防护机理;防护性能;材料特征

        防爆服[1]又称为防爆盔甲服,主要用于有可能发生爆炸的环境中,如战争、消防救援、煤矿救援等高危环境中,更广泛地用于防暴和大规模暴乱的镇压等领域。在一些特定的比如战争、救火、抵制暴乱等高危环境中,一般的防护服装并不能很好地对工作人员进行保护作用,而相比于普通防护服,防爆服具有高强度、耐高温、防紫外线、耐腐蚀、高模量、防辐射和阻燃等性能优势,能够有效地对特种环境下作业的人体进行保护。

        目前,我国工业生产中的爆炸、火灾、剧毒化学泄露等灾难性事故时有发生,如2015年812 天津塘沽危险品仓库爆炸事故牵动民心,事故造成85人死亡,400余人受伤;恐怖分子利用爆炸、生化毒气袭击等各种手段危害公众安全的威胁逐渐增加,如911恐怖袭击事件,遇难人员2996人,6291人受伤。这些事故严重危害了人民群众的生命和财产安全,造成了巨大的经济损失和社会影响。为了防止更多更大更严重的事故发生,近些年我国对防爆服的研发予以很大的重视,也取得一定的进展,但是和发达国家相比仍存在巨大差异。故需要对现有的防爆服的防护性能及其材料进行研究,进而提高我国防爆服的研发水平,达到更好的保护工作人员的目的。

        1 防爆服的防护性能

        1.1 防爆服的分类

        1.1.1 硬质防爆服

        硬质防暴服[2]由防暴头盔、护肩、护背、护胸、护裆、护臂、护肘、护手背、护大腿、护膝、护小腿和护脚等部分组成。结构示意图如图1 所示。硬质防爆服防能够有效防护高速破片、冲击波超压及高温对人体的伤害。由于其防护区域大、重量大,因此人员穿着后行动不太灵活方便,容易影响执勤效率。

    图1 硬质防爆服结构示意图

        1.1.2 软质防爆服

        软质防爆服由防爆头盔、防爆上衣及防爆裤构成。软质防爆服也可以起到全身防护的效果,能有效地防止碎片四散、抗高压、高温、且具有高度舒适、灵活方便的特点,但防爆效果不如硬质防爆服好。如图2所示是北京MK5 软质防爆服的细节示意图,是当前防护能力最好的软质防爆服,整体采用夹克衫设计,使穿着人员灵活方便,执勤效率大大提高。

    图2 软质防爆服细节示意图

        1.2 防爆服的防护机理

        防爆服是一套由硬软两种装甲系统构成的复合材料制品[3],这两种装甲系统共同发挥作用,以抵抗爆炸发生后对人体主要构成的两种威胁:冲击波和弹片。防爆服坚固的外层装甲是抵御冲击波威胁的首要防线。这层坚硬的材料能抵挡部分超压冲击波的能量,同时也能抵御飞射的爆炸物碎片。但是,超压冲击波还是会不可避免地穿透坚固的装甲层,并进而接触到一种由合成橡胶制成的“隔绝材料”,其旨在尽可能吸收大部分冲击波的能量,使冲击波的能量在通过后大为降低。在隔绝层的贴身处还有使用柔软的化学纤维制成的软性铠甲。这一保护层主要被当做一般性的防弹衣看待,它能阻挡贯穿了外层装甲的碎片,从而保护人体免受伤害。

        1.3 防爆服的安全技术指标[4]

    表1 防爆服的安全技术指标

        1.4 防爆服的材料特征

        防爆服中含有多种高性能纤维[5],防爆服的外层材料采用高强涂层面料,环保无毒;其各防护层部件的耐高温性能、耐刺穿性能、抗冲击性、能量吸收性能以及阻燃性能均要满足相关规范标准。国际上比较通用的防爆服结构分为防冲击外层、防弹防刺层、阻燃层、防水透气层、隔热层[6](如图3)。下面就从这五层所用的材料进行介绍。

    图3 防爆服结构层次示意图

        1.4.1 防冲击外层

        防冲击外层能够防爆服坚固的外层抵挡超压冲击波的能量,同时也要能抵御飞射的爆炸物碎片。防冲击外层材料主要采用超高分子量聚乙烯纤维[7],其具有良好的耐冲击性、柔软弯曲性以及耐磨性能,吸收能量较强,并且是目前世界上数一数二的强力最高的高性能纤维材料,能达到优质钢的15倍,在防爆服中具有轻柔、防破甲和穿甲的性能。

        1.4.2 防弹防刺层

        防冲击外层虽然能抵挡部分超压冲击波的能量,但是,超压冲击波还是会穿透坚固的外层,并进而接触到里面的防弹防刺层,这一保护层可以阻挡贯穿了外层装甲的碎片,起到防弹防刺的效果。这层材料主要采用芳纶纤维[8],它的强度比碳纤维高,质量比玻璃纤维、碳纤维都轻,热膨胀系数低,抗疲劳性好。且密度是钢丝的1/5,强度是钢丝的5 倍,能在-192~182℃的范围内保持稳定的尺寸和性能,不会燃烧不会熔融,这种材料具有较高的应变速率敏感性,即其可以随着冲击速度的增加而变得更坚硬。

        1.4.3 阻燃层

        芳砜纶纤维(PSA)[9],即聚砜基酰胺纤维, 是上海市纺织科学研究院和上海市合成纤维研究所共同研究和生产的一种耐高温纤维, 由对苯二甲酰氯和二氨基二苯砜及二氨基二苯砜为主要原料聚合后, 溶解于二甲基乙酰胺中, 然后经湿纺工艺或干纺工艺加工而成,其具有优异的耐热特性,在防爆服中起到了较好阻燃效果。

        1.4.4 防水透气层

        防水透气层是为了防止爆炸现场有腐蚀性液体或热气的进入,通常为涂层或防水面料。并且爆炸现场温度高、热量大,人体排汗量多,如果防爆服不透气就会使人体感到闷热、窒息,严重影响战斗力。目前解决该问题的方法是采用复合微孔四氟乙烯膜[10]的阻燃布, 微孔四氟乙烯膜本身是耐高温的, 能阻挡水的通过而又畅通地排出汗蒸气。

        1.4.5 隔热层

        据资料表明, 爆炸现场的温度较高,因此防爆服应具有良好的隔热性能,包括防直接灼烧的热传导性能和防辐射热的渗透性能。PBO纤维[11]在热分解温度可已达到650℃,是热稳定性最高的纤维,对于遭遇到爆炸的高能量高温度有很好的防御作用,而且可以起到隔绝热量的作用。

        2 防爆服的国内外相关研究进展情况

        国内外在对防爆服研究上都做了不同程度的研究,国内防爆服的研究在新领域、新技术与新装备方面欠缺,在防护的深度和广度上存在局限性。关于防爆服的研究发展总体来讲,国外的研究要比国内成熟,主要表现在标准化、材料研究及测试标准方面。

        2.1 标准化研究

        在防爆服的标准化[12]研究方面,我国的防爆服标准化体系不完善,而西方各国生产的防爆服装种类齐全,防爆服性能检测方法标准也很完备,标准化程度高,已经形成了比较完善的标准化体系。如德国防爆服的标准及检测[13],在德国任何从事生产个体防护装备的公司都必须遵照ISO9001 安全体系标准,并应符合欧盟规定的可测试环境管理标准,在击打测试上,德国采用测试标准VPAM-KDIW2004中第8点描述的有棱角的投掷,在刺伤测试上德国采用测试标准VPAM-KDIW2004 中第5 点描述的道具或第6 点描述的钉子。而我国在耐冲击性能检验上[14],是采用直径为96mm,质量为7.5kg的球头型钢柱,自1.63m的高度向受试部件的中心位置自由下落撞击,该部位不应受损开裂。在防刺性能的测试上,用GA68规定的标准试验刀具,以20J动能垂直刺入防护部件,刀尖不应穿透。

        2.2 材料研究

        在防爆服的材料研究方面,国内外都对防爆服的相关材料进行了研究。在上世纪90年代初,日本学者Hitota等[15]研制的聚氨基甲酸乙酯树脂在复合材料中应用有较好的防水透湿功能,可有效防止人体热损伤,散热散湿,穿着舒适。国内学者文小洁[16]对相变材料用量以及环境温差对防护服热防护效果的影响进行了研究,得出了相变材料用量与相变调温服防护效果的关系并从人体实际感受的角度对舒适性及相变调温效果进行了评价。目前这些研究的材料已经广泛用于消防防爆服、野地作战防爆服、电磁辐射防爆服、排爆防爆服等等。

        2.3 测试标准

        在防爆服的测试标准方面,国外George Havenith[17]等在消防服面料性能测试的基础上,对服装整体的热防护性进行测试与评价。在气温为±60℃、相对湿度低于15%的实验室内,受试者穿上实验服(带有呼吸装备)从事适度的工作(沿着变化的方向行走(±3.5km/h),在室内跨过矮凳(±225W/m2),以受试着的忍耐时间、蒸发散热量以及干热获取等作为测评防护性能的指标。国内张超等[18]通过对国外防爆服的技术标准进行调研,总结性能测试标准的共性内容,分别从性能测试方法、试验设备、实验步骤以及人体模型和测试报告等方面进行研究,提出了我国研制相关性能测试技术标准的建议。

        3 防爆服的发展趋势

        目前防爆服可以实现阻燃、抗紫外线辐射、抗生物侵蚀、防电磁辐射、防生化侵蚀等等功能[19-22],但是随着新的高危环境的不断变化,对于防爆服的各项防护要求也越来越高。防爆服将在防护功能和材料方面、防爆服的舒适性方面、以及防爆服智能化方面有着全面的发展。

        3.1 在防护性能和材料方面

        近年来随着军事武器、极端气候的不断发展,防爆服的防护性能也会为了适应更大的危险环境,使得工作人员在高危环境下更为安全。现在广泛用于国防军事领域和航空航天的高性能纤维可以通过新技术的发展应用到防爆服的材料中,以便实现新的防护功能。例如可以通过不断对不同性能的纤维混纺或交织研究来充分发挥各类高性能纤维的性能特点,以提高防爆服的综合性能。

        3.2 防爆服的舒适性方面

        防爆服的舒适性能与材料的手感、成分、重量、透气透湿性能以及保湿隔热性能等有关,随着科技的发展、新型加工技术和高性能纤维的掺入,防爆服将会更加舒适,材料的重量、透气透湿性能以及手感将会大大优化,同时可以更好的调节温度,增强温敏性,同时对纤维选择、织物的设计和优化等环节有更加严格综合的考虑。采取计算机智能模拟“人体- 服装-环境”系统之间的热湿交换传递以及人体的舒适感和灵活度。

        3.3 防爆服的智能化应用方面

        随着相变材料、无线电技术、纳米技术的不断成熟,防爆服可以结合计算机系统使其更加智能化。例如在高性能的防爆服中加入微电子系统,可以实时地反馈穿着者所处的环境状况,进而实现自我调节,由电子技术和防爆服加工技术结合制备出的电子化智能防爆服除了具有多种防护功能外,还会具有保健和生命安全防护作用。充分利用智能纤维,如应用形状记忆纤维的形变避免人体烫伤;再如采用变色纤维可以达到伪装的作用等。

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    [来源:纺织报告  责任编辑:王岩]
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