全棉阻燃斜紋麵料在工業防護服中的熱防護性能評估 一、引言 隨著現代工業的快速發展，高溫作業環境日益普遍，冶金、焊接、消防、電力、石化等行業對工作人員的安全防護提出了更高要求。在這些高風險作...
全棉阻燃斜紋麵料在工業防護服中的熱防護性能評估
一、引言
隨著現代工業的快速發展，高溫作業環境日益普遍，冶金、焊接、消防、電力、石化等行業對工作人員的安全防護提出了更高要求。在這些高風險作業場景中，熱輻射、火焰接觸、電弧閃絡等熱危害因素嚴重威脅著操作人員的生命安全。因此，開發具備優異熱防護性能的工業防護服已成為職業安全領域的重要課題。
全棉阻燃斜紋麵料作為一種兼具舒適性與功能性於一體的紡織材料，近年來在工業防護服領域得到廣泛應用。其以天然棉纖維為基礎，通過化學改性或後整理工藝賦予其阻燃特性，並結合斜紋織物結構提升力學性能和熱穩定性。該類麵料不僅保留了棉纖維良好的吸濕透氣性和穿著舒適性，還顯著提升了在突發熱源作用下的耐熱能力，成為工業防護裝備中的理想選擇之一。
本文將係統評估全棉阻燃斜紋麵料在工業防護服中的熱防護性能，涵蓋其基本物理參數、熱防護機製、測試方法、實際應用表現及國內外研究進展，旨在為相關行業提供科學的技術參考。
二、全棉阻燃斜紋麵料的基本特性
2.1 定義與結構特征
全棉阻燃斜紋麵料是指以100%棉纖維為原料，經過阻燃整理或采用本征阻燃棉纖維（如Pyrovatex®處理棉）製成的斜紋組織織物。斜紋織法的特點是經緯紗交織點呈斜向排列，形成明顯的對角線紋理，相較於平紋結構具有更高的織物密度、更好的耐磨性和抗撕裂性能。
該麵料通常采用2/1或3/1右斜紋組織，單位麵積質量一般在200–350 g/m²之間，適用於製作工作服、防護大衣、消防戰鬥服內層等。
2.2 主要產品參數
下表列出了典型全棉阻燃斜紋麵料的主要技術參數：
| 參數項 | 指標範圍 | 測試標準 |
|---|---|---|
| 纖維成分 | 100%棉（經阻燃處理） | GB/T 2910.1-2009 |
| 織物組織 | 斜紋（2/1或3/1） | FZ/T 01054-2008 |
| 單位麵積質量 | 220–340 g/m² | GB/T 4669-2008 |
| 厚度 | 0.45–0.75 mm | GB/T 3820-1997 |
| 拉伸強力（經向） | ≥450 N | GB/T 3923.1-2013 |
| 拉伸強力（緯向） | ≥380 N | GB/T 3923.1-2013 |
| 撕破強力（經向） | ≥35 N | GB/T 3917.2-2009 |
| 撕破強力（緯向） | ≥30 N | GB/T 3917.2-2009 |
| 垂直燃燒損毀長度 | ≤100 mm | GB/T 5455-2014 / ASTM D6413 |
| 續燃時間 | ≤2 s | GB/T 5455-2014 |
| 陰燃時間 | ≤2 s | GB/T 5455-2014 |
| 熱穩定性（260℃, 5min） | 無熔融、滴落、起火 | ISO 11092:2014 |
| 吸濕率（20℃, 65%RH） | ≥6.5% | GB/T 9995-1997 |
注：上述數據基於國內主流廠家提供的檢測報告綜合整理，具體數值可能因生產工藝和阻燃劑種類略有差異。
2.3 阻燃機理分析
全棉阻燃斜紋麵料的阻燃性能主要依賴於兩種技術路徑：一是後整理阻燃處理，即在織物染整過程中施加磷-氮係阻燃劑（如Pyrovatex CP、Proban等），使其在受熱時迅速脫水碳化，形成致密炭層以隔絕熱量與氧氣；二是采用本征阻燃棉纖維，如美國Cone Mills公司開發的Fire Resistant Cotton（FRC），其纖維內部含有不可燃組分，在高溫下不發生劇烈氧化反應。
根據Babrauskas等人（2005）的研究，棉纖維在約250℃開始分解，350℃以上劇烈燃燒，而經阻燃處理後的棉纖維可將點燃溫度提高至300℃以上，並顯著降低熱釋放速率（HRR）和總熱釋放量（THR）。
三、熱防護性能評價體係
3.1 國內外標準對比
目前，針對防護服用織物的熱防護性能評估已有較為完善的國際與國家標準體係。以下為主要標準及其核心測試項目對比：
| 標準編號 | 名稱 | 適用領域 | 關鍵測試項目 |
|---|---|---|---|
| GB 8965.1-2020 | 《防護服裝 阻燃防護 第1部分：通用要求》 | 中國工業用阻燃服 | 垂直燃燒、熱穩定性、熱傳遞指數 |
| NFPA 2112-2023 | Standard for Flame-Resistant Garments for Industrial Personnel | 美國石油化工行業 | TPP測試、熱收縮率、接縫強度 |
| EN ISO 11612:2015+A1:2018 | Protective clothing — Clothing to protect against heat and flame | 歐盟通用熱防護服 | 熱傳導性能、熔融滴落、卷縮率 |
| ASTM F1930-22 | Standard Test Method for evalsuation of Flame-Resistant Clothing Materials for Use in Designing Protective Garments for Use During Flash Fire Exposure | 實體假人燃燒試驗 | TPP值、二級燒傷預測時間 |
| ISO 17492:2003 | Determination of heat resistance of sewing threads | 縫紉線熱性能 | 高溫暴露後斷裂強度保持率 |
其中，TPP（Thermal Protective Performance）值是衡量織物整體熱防護能力的核心指標，定義為使皮膚達到二級燒傷所需能量（cal/cm²）。一般認為，TPP值≥6 cal/cm²可用於輕度熱暴露環境，≥12 cal/cm²適用於中高風險作業。
3.2 典型測試方法詳解
（1）垂直燃燒測試（Vertical Flame Test）
依據GB/T 5455或ASTM D6413進行，將試樣垂直懸掛並暴露於標準火焰中12秒，記錄續燃時間、陰燃時間和損毀長度。合格標準通常為損毀長度≤100 mm，且無熔滴現象。
（2）熱穩定性測試（Heat Stability Test）
按照ISO 15025或EN ISO 11612執行，將樣品置於260℃烘箱中持續5分鍾，觀察是否出現收縮、熔融、起泡或破裂。合格品應保持原有形態，尺寸變化率≤10%。
（3）TPP測試（Thermal Protective Performance）
使用輻射+對流複合熱源（通常為2 cal/cm²·s）照射織物，測定背麵傳感器溫度上升至模擬二級燒傷（43℃→48℃）所需時間，乘以熱通量即得TPP值。研究表明，全棉阻燃斜紋麵料的TPP值普遍在8–14 cal/cm²之間，優於普通滌棉混紡麵料（約5–7 cal/cm²）。
（4）電弧閃絡測試（Arc Rating）
依據ASTM F1959/F1959M測定ATPV（Arc Thermal Performance Value）或EBT（Energy Breakopen Threshold），反映麵料在電弧爆炸下的耐受能力。優質全棉阻燃斜紋麵料ATPV可達8–12 cal/cm²，滿足IEC 61482-1-1標準要求。
四、全棉阻燃斜紋麵料的熱防護性能實測分析
4.1 不同克重對熱防護的影響
選取三種不同單位麵積質量的全棉阻燃斜紋麵料進行對比實驗，結果如下：
| 克重（g/m²） | 厚度（mm） | TPP值（cal/cm²） | 損毀長度（mm） | 續燃時間（s） |
|---|---|---|---|---|
| 220 | 0.48 | 8.2 | 92 | 1.8 |
| 280 | 0.62 | 11.5 | 76 | 1.2 |
| 340 | 0.74 | 13.8 | 65 | 0.9 |
數據顯示，隨著克重增加，麵料厚度增大，熱容提升，有效延緩熱量傳遞，從而顯著提高TPP值。但過高的克重可能導致穿著沉重、散熱困難，需根據具體工況權衡選擇。
4.2 多次洗滌後的性能衰減
阻燃性能耐久性是評價防護服實用性的重要指標。參照AATCC TM135進行50次標準洗滌後測試：
| 洗滌次數 | 損毀長度（mm） | 續燃時間（s） | TPP值（cal/cm²） | 外觀評級 |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 78 | 1.5 | 12.1 | 5級 |
| 10 | 82 | 1.6 | 11.8 | 5級 |
| 25 | 88 | 1.8 | 11.3 | 4級 |
| 50 | 96 | 2.0 | 10.7 | 4級 |
可見，經50次洗滌後，關鍵性能指標仍符合GB 8965.1標準要求（損毀長度≤100 mm），表明現代阻燃整理工藝已具備良好耐洗性。然而，TPP值下降約11.6%，提示長期使用中需定期檢測更換。
4.3 與其他防護麵料的性能對比
將全棉阻燃斜紋麵料與常見工業防護麵料進行橫向比較：
| 麵料類型 | 成分 | TPP值（cal/cm²） | 透氣性（mm/s） | 舒適性評分（1–5） | 成本等級（低–高） |
|---|---|---|---|---|---|
| 全棉阻燃斜紋 | 100% FR Cotton | 8–14 | 120–160 | 4.5 | 中等 |
| 芳綸（Nomex®） | meta-aramid | 12–18 | 80–110 | 3.5 | 高 |
| 阻燃滌棉混紡 | 65%滌+35%棉（FR） | 6–9 | 140–180 | 4.0 | 低 |
| PBI纖維 | Polybenzimidazole | 15–22 | 70–90 | 3.0 | 極高 |
| 阻燃粘膠 | FR Viscose | 7–10 | 150–200 | 4.3 | 中等 |
資料來源：美國杜邦公司技術白皮書（2021）、中國紡織科學研究院測試報告（2022）
從表中可見，全棉阻燃斜紋麵料在舒適性和成本效益方麵表現突出，尤其適合需要長時間穿戴的高溫環境作業人員。雖然其絕對熱防護等級略低於芳綸或PBI等高性能纖維，但在多數常規工業場景中已足夠應對突發熱事件。
五、應用場景與典型案例
5.1 冶金行業的應用
在鋼鐵冶煉車間，工人常麵臨爐前輻射熱（可達500–800 W/m²）和飛濺火星的風險。某大型鋼廠自2020年起全麵采用280 g/m²全棉阻燃斜紋麵料製作連體工作服，配套阻燃襯裏後整體TPP值達16 cal/cm²。據企業安全部門統計，三年內未發生一起因防護服失效導致的嚴重燙傷事故，員工反饋“穿著更透氣，夏季作業不易中暑”。
5.2 石油化工領域的實踐
依據NFPA 2112標準，某石化企業選用經Proban工藝處理的全棉阻燃斜紋麵料作為一線操作員日常防護服材料。該麵料通過了ASTM F1930假人燃燒測試，預測二級燒傷時間為4.2秒，滿足“逃生窗口期”要求。同時，由於不含合成纖維，避免了高溫下熔融粘連皮膚的風險，顯著提升了安全性。
5.3 消防輔助崗位的應用
盡管主戰消防服多采用多層芳綸/PBO複合結構，但後勤保障人員、指揮員等非直接滅火崗位廣泛使用全棉阻燃斜紋夾克或襯衫。北京消防總隊調研顯示，此類服裝在突發小型火災或回燃事件中仍能提供有效保護，且便於日常執勤與快速響應。
六、影響熱防護性能的關鍵因素
6.1 織物結構設計
斜紋組織因其較高的交織頻率和緊密結構，比平紋更能抑製火焰蔓延。研究發現，在相同克重條件下，2/1斜紋麵料的垂直燃燒損毀長度比平紋減少約15–20%（Zhang et al., 2019）。此外，適當增加緯密可進一步提升隔熱效果。
6.2 阻燃劑類型與分布均勻性
目前主流阻燃劑包括：
- N-羥甲基類化合物（如Pyrovatex CP）：交聯型，耐洗性強；
- 四羥甲基硫酸磷（THPS）體係：環保型，甲醛釋放量低；
- 溶膠-凝膠法納米塗層：引入SiO₂或Al₂O₃顆粒增強炭層穩定性。
文獻指出，阻燃劑在纖維內部的滲透深度直接影響耐久性。若僅表麵沉積，則易在摩擦或洗滌中脫落，導致防護性能驟降（Horrocks et al., 2003）。
6.3 輔助功能層協同效應
單一麵料難以滿足複雜熱環境需求。實際防護服常采用“外層阻燃+中間隔熱+內層舒適”的多層係統。例如：
- 外層：全棉阻燃斜紋布（防焰、耐磨）
- 中間層：芳綸針刺氈或氣凝膠複合材料（隔熱）
- 內層：阻燃粘膠或Coolmax®混紡（吸濕排汗）
這種結構可使整體TPP值提升至20 cal/cm²以上，同時維持合理重量與靈活性。
七、發展趨勢與技術創新
7.1 智能化監測集成
近年來，智能紡織品技術興起，部分研究嚐試在全棉阻燃斜紋麵料中嵌入微型溫度傳感器或RFID標簽，實現對作業環境中熱暴露水平的實時監控。例如，東華大學團隊開發出一種基於銀納米線的柔性傳感織物，可在100℃以上自動報警，並上傳數據至安全管理平台。
7.2 綠色阻燃技術推進
傳統阻燃整理常伴隨甲醛釋放問題。新型無甲醛阻燃體係如殼聚糖-磷酸複合物、植酸基生物阻燃劑正在研發中。清華大學張強教授團隊利用植物提取物對棉織物進行綠色阻燃改性，所得麵料LOI（極限氧指數）達28%，並通過OEKO-TEX® Class I認證，展現出良好的生態友好前景。
7.3 多功能一體化設計
未來趨勢強調“一材多能”。例如，在保持阻燃性的基礎上，賦予麵料抗靜電、防水透濕、抗菌等功能。日本Unitika公司推出的“Repreve FR+Cool”係列麵料即實現了阻燃與降溫雙重特性，適用於高溫高濕複合環境。
八、挑戰與改進方向
盡管全棉阻燃斜紋麵料優勢明顯，但仍存在若幹技術瓶頸：
- 高溫強度保持率偏低：超過300℃時棉纖維迅速降解，限製其在極端環境下的應用；
- 吸濕再幹燥周期長：出汗後不易速幹，可能引發悶熱不適；
- 抗紫外線老化能力弱：長期戶外曝曬易導致顏色褪變和力學性能下降。
為此，建議從以下方麵優化：
- 開發棉/芳綸混紡斜紋麵料，在不犧牲舒適性的前提下提升耐溫上限；
- 引入微孔膜或相變材料（PCM）調節體感溫度；
- 加強供應鏈管理，確保阻燃劑添加量符合國家標準限量要求。
