材料科学：消防服靠什么来“避火”？
2020-12-18 16:59:44
有句话叫“水火无情”，无论是洪水还是火灾，它们带来的危害都是人体无法直接承受的。但对于消防员来说，危险的火焰正是他们工作中必须要打交道的对象，因此为了保护自身，“消防服”这种重要的防护装备是绝不可少的。
一件合格的消防避火服，需要在高温明火条件下确保消防员在施救的8-10min时间内具备穿越火场的能力，并且能够保持人体皮肤表面温度低于44℃。为了具备这种能力，消防服一般都会有多层结构，并且每一层都有属于它的功效，主要可分为外表层、防水透气层、隔热层和舒适层。各层面料名称及所需特性要求可见下表——显然，前三层是最为关键的部分。
消防服基本组成结构及各层需求特性列表
1.外表层织物的选择
消防服的外表层是与火和热直接接触的一层，它的作用是在不损坏消防服整体防护功能的前提下抵御外来的火或热，即防火、隔热，因此多使用耐高温纤维面料制作而成，主要有玄武岩纤维、碳纤维、高硅氧玻璃纤维等。
2.防水透气层织物的选择
防水透气层紧靠阻燃层织物，起到防水、防止蒸汽和有害化学物质渗透的作用。同时，消防员在救火时活动量大，出汗多，所以消防服在满足防水要求的同时，还必须具有透湿汽性，以使汗液能及时排出。
PTFE 疏水纤维
MiaoTian，Zhaoli Wang等人通过简化的三维立体模型建立起来的单层和多层的织物模型，研究了在闪火情况下各层及皮肤表面的温度，发现在消防服多层织物体系中，防水透气层是最有效的保护层。目前防水透气层多是采用膜+阻燃基布/棉布组织而成，最常见的有PTFE膜、PE膜等等。
3.隔热层织物的选择
隔热层主要的功能是保温隔热，保持消防员自身的温度阻碍外面高温对其伤害，隔热层对多层织物的综合热防护性能起着重要的作用。隔热层多是用耐高温的纤维经针刺工艺针刺而成的针刺毡，常见的有芳纶针刺毡等。
不过随着消防服研究的不断发展，人们对消防服功能的要求也在不断提高，消防服所用的材料也在悄然改变。近年来，研究人员探索了多种方式以提升材料的隔热效果，其中以气凝胶和空心微珠的隔热效果较为可靠。
①气凝胶隔热材料
气凝胶特殊的介孔和微孔结构驻留了更多的空气，使其具备很小的导热系数，在常温下可以有效地防护热辐射，但温度升高后，其隔热性能下降，为提升其高温下的热防护性能，通常需加入遮光剂10%。由于该类材料机械强度较低，一般需加入纤维增强体或以隔热添加剂的方式到织物中。哈尔滨工业大学景伟制备的石墨烯海绵拥有 99.7%的孔隙率，导热系数接近空气的0.023 W/m-K，属于耐高温性能优越的高效隔热材料。
气凝胶微观结构
②空心玻璃微珠隔热材料
刘欣将低热膨胀率的钛酸铝材料制备成了钛酸铝空心微珠，将钛酸铝的耐高温性能与空心微珠的结构的隔热性能相结合，得到了性能良好的隔热保温材料。靳涛等经过试验研究发现，空心玻璃微珠的粒径越大，隔热效果越差。张辉等在涂层中加入不同种类的空心玻璃微珠，对织物进行了涂层，实验结果表明，质量相同时，玻璃微珠的直径越小，复合织物的热防护性能越好。
总结
消防服的功能设计一直是国内外学者们研究的热点，预计未来还会有更多的新型智能的材料投入使用，如相变材料、气凝胶材料、形状记忆合金材料等。通过人性化的设计，将这些材料的优势发挥到最大化，为消防人员提供更好的热防护性能必将是消防服的未来发展模式。
资料来源：
消防服的研究现状及发展趋势，朱荣桂，赵晓明。
新型组合式消防服热防护性能分析，张兴娟，吴洪飞，孔祥明。
消防避火服用柔性复合材料的热防护性能研究，刘国熠。
NANA