防明火絕熱柔性復合織物的失效行為研究.pdf

1、為在明火火場等溫差極大的環(huán)境下,不致灼傷并正常工作,消防及特殊工作人員需通過功能服裝作有效安全、移動方便地隔熱防護。而紡織材料在火場等高溫強熱流環(huán)境下的非靜態(tài)使用,不可避免地會有熱防護功效不足和材料老化的問題。這將導致材料形態(tài)和力學、物理、化學性能的變化,甚至發(fā)生熱防護行為異常和功能失效。目前消防類熱防護服裝在實際應用中,耐火焰溫度沖擊性能較弱,在火場中停頓時間偏短(800℃時,t＜10min),其本質問題是耐高溫和隔熱功的不足。

2、>　　為解決此類問題,以滿足輕質、柔性、無障礙移動,和高效、智能、及安全的防護,本課題針對明火火場的高溫強熱流環(huán)境,研究開發(fā)防火絕熱柔性復合織物,用于高溫(800℃左右)火場環(huán)境下的防火和熱隔絕。在復合織物結構上,針對火場環(huán)境中的傳熱方式,在篩選熱反射材料、耐高溫纖維材料和蓄熱相變材料(PCM)的基礎上,整體設計出由外向內依次為熱反射層、相變吸熱復合層和隔絕舒適層的柔性復合織物,并對復合織物的制備和加工工藝做了實用性嘗試,以期使織物實現

3、高效、長時間的熱防護效果。
　　在復合織物的構成材料上,考慮到火場的高溫強熱流環(huán)境,并對耐高溫纖維材料的熱學性能進行對比,選用玄武巖纖維和玻璃纖維作為復合織物的纖維隔熱材料;由于明火火場的輻射強度很大,金屬鋁箔具有較高的熱反射率且性價比高,故而選擇金屬鋁箔作為熱反射材料,并將鋁箔與耐高溫纖維織物基布粘結作為復合織物的外層熱反射層;依據相變能量高、使用安全、材料易獲取的原則,選用Pentaerythritol (季戊四醇)作為復合織

4、物中的相變材料;考慮到相變材料發(fā)生相變前后的相對附著固定,選用耐高溫纖維的針刺氈作為相變吸熱復合層的基體;隔絕舒適層主要是進一步隔絕熱量,從而保證人體舒適,故而選取阻燃棉織物。為保證復合織物的柔性,以及相變材料的相對固定,采用縫制的方式對各功能結構層進行復合加工成形。
　　在對復合織物的實用表征上,為測量織物在明火火場暴露條件下的防火絕熱性能和長時間的失效行為,本研究設計制造了自主知識產權的織物防明火絕熱性能測試裝置FPPAS-1

5、(Flaming Protective Performance Analysis System-1)。該裝置真實模擬火場高溫強熱流環(huán)境,以分布式高精度溫度傳感器實時在線測量織物試樣正、反面溫度TR、TB及其隨火場作用時間的變化曲線;并由此提出和建立了防火織物的防火隔熱效率E、溫度安全系數TcS、時間安全系數EtS和總防火安全指數等四類8個防火絕熱效能和安全性評價指標。此外,在反復高溫與明火沖擊試驗下,本研究對測試裝置的精度進行了標定測量

6、,對織物防明火絕熱性能的變化進行了表征。
　　對防火絕熱柔性復合織物的防火絕熱性能的測試表明,復合織物小樣均具有優(yōu)良的防火絕熱性能,這歸因于復合織物各功能結構層的功能的有效分解分擔作用。將各復合織物的防火絕熱效能和安全性評價指標進行對比可知,耐高溫纖維材料為玄武巖纖維的施加相變材料的復合織物呈現出最優(yōu)的熱防護性能,其單位面積重量為832.8g/m2,防持續(xù)火焰舔舌和絕熱的溫度高達509℃,比未施加相變材料時提高了83℃。這表明作為

7、功能分擔的相變材料在織物中有效地發(fā)揮了吸熱隔絕作用。復合織物經五次5min明火火場的反復暴露實驗后,玄武巖纖維PCM復合織物的防火絕熱溫度的保持率為82.1％,且織物表面除發(fā)生輕微炭化發(fā)黃外無脆性破壞現象。對復合織物施加相變材料前后的溫差能量估計以及與純相變材料應發(fā)揮能量的對比,表明相變能的效率很低,在16.7%~30.7%范圍內,這由相變材料的質量損失和熱損耗導致;對施加相變材料前后的復合織物的基本力學性能測試,證實復合織物的強度和彎

8、曲剛度在反復火場暴露實驗后均有所下降,但仍分別保持在65%和75%以上。此結果說明所得復合織物在反復火場作用下,不僅保持其熱防護性能,而且力學性能的變化也在允許范圍內。基于前人理論,結合實測結果,建立了織物防火絕熱性能測試系統的傳熱模型。
　　該模型綜合考慮了明火火場、織物、空氣層和人體皮膚條件,是一個導熱傳熱、對流傳熱和輻射傳熱相耦合的逐層傳熱模型。并采用Matlab軟件對傳熱模型進行了模擬仿真求解,計算出復合織物及其各功能結構