安全防護用特種纖維及應用

安全防護用特種纖維及應用

東華大學材料學院  張清華 周士緒 李夢潔 巴兆虎 徐國芬

全球有數百萬人在特殊危險環境下工作，安全防護用紡織品顯得尤為重要，世界各國都在人體防護裝備領域不斷改進提高。設計高性能的防護材料，關鍵之一是確定最佳的防護材料，主要是各類特種纖維。國內外的工業化的特種纖維有很多，按防護功能分類，可分為耐高溫阻燃纖維、耐輻照防靜電纖維、防彈耐切割纖維、以及電磁屏蔽纖維等品種。

1. 耐高溫阻燃纖維及紡織品
耐高溫阻燃纖維及織物通常是指在較長時間經受高溫（>200℃）尚能保持其原有的物理機械性能，且在空氣中難燃燒的一類高性能纖維及織物，通常在高溫下不熔融、離火自熄、高溫尺寸穩定性好，常用作消防工作服、電焊工作服、防火手套、防火簾等防護制品。

耐高溫阻燃纖維可分為：
（1 ）芳香族聚酰胺纖維：芳綸1313( P MI A) 、芳綸1414( PPTA) ；
（2 ）芳香族雜環類纖維：聚苯并咪唑纖維(PBI)、聚對苯撐苯并雙噁唑纖維(PBO)、聚酰亞胺纖維(PI)；
（3）芳環雜原子類纖維：聚苯硫醚纖維(PPS)、聚砜基酰胺纖維(PSA) ；
（4）其他纖維：聚四氟乙烯纖維(PTFE)、蜜胺纖維（MF）等。

極限氧指數(LOI) 可用來表示纖維的阻燃性能, 指纖維在氧- 氮混合氣體中維持燃燒所需的最低氧含量的體積分數。極限氧指數越大，說明纖維越難燃。表1 列舉了幾種耐高溫阻燃纖維的LOI 值和工作溫度上限。

表1   幾種有機耐高溫阻燃纖維的LOl 值和耐熱特性

纖維種類	PMIA	PPTA	PBO	PBI	PI	PTFE	PPS	PSA	MF
LOI 值(%)	32	30	68	41	38	95	40	33	32
工作溫度(℃ )	230	190	350	250	280	260	260	200	200

間位芳綸是本征阻燃纖維的典型代表，在受火時其織物固化、熔融、成炭從而形成保護層，且燃燒時生煙量小，在安全防護、環保過濾等領域得到了廣泛的應用。間位芳綸最早由美國杜邦公司研制成功并實現產業化，商品名為Nomex，隨后日本帝人公司在1972 年也開始生產商品名為Conex 的間位芳綸，本世紀初我國實現間位芳綸規?；a，主要有煙臺泰和新材料股份有限公司等公司。

聚酰亞胺纖維是一種新型的耐高溫阻燃纖維，是已經工業化的聚合物中耐熱性最好的品種之一，自身具有較高的阻燃性能，屬于自熄性材料（表2）。聚酰亞胺纖維織物損毀長度是主流消防服面料的1/5。聚酰亞胺織物高溫碳化，發煙率低，煙密度是ABD0031 空客標準的1/200。

表2   聚酰亞胺織物的阻燃特性
阻燃性能 (25 次洗滌)    PI 面料    芳綸面料    50%PI +50% 阻燃粘膠     50% 芳綸 +50% 阻燃粘膠
經向損毀長度(mm)    10    46   12   60
緯向損毀長度(mm)   8    48    13    57

2.耐輻照與防電弧纖維及紡織品
耐輻照纖維是指受高能輻照后不發生降解或交聯并能保持一定力學性能的一類高性能纖維。耐輻照性能較好的聚合物纖維主要是聚酰亞胺纖維和芳綸等。電弧則是當金屬或者其他導體靠近高壓線，距離達到放電距離會產生瞬間弧光，這種弧光主要含紫外線，會產生弧光輻射。聚酰亞胺由于分子主鏈含有芳雜環結構，賦予其優異的力學、熱學、耐輻照、介電及化學穩定性等性能。聚酰亞胺纖維經過1 × 108 Gy 快電子輻照后，其強度保持率為90 %，具有良好的耐輻射性能，是最耐輻照和防電弧的結構材料之一，作為高溫介質及放射性物質的過濾材料和防彈、防火織物等領域大有用武之地。

3.防彈與耐切割纖維及紡織品
防彈紡織品通過吸收和耗散彈丸動能來達到保護人體或目標的目的，如防彈服、防彈頭盔以及防暴車內襯等產品。防彈服通常由高性能纖維編織，目前廣泛采用的是對位芳綸和超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維。除了防彈領域，耐切割紡織品也是這兩種高性能纖維的主要應用領域。

對位芳綸具有高強高模、優異的抗沖擊性、良好的耐熱性和抗腐蝕性，成為防彈和耐切割紡織品的主要纖維材料之一。日本帝人（Teijin）公司開發了用作裝甲車內防金屬彈片飛散的防彈織物“Twaron T765”，如圖1 所示，左半圖是為配備防彈襯里的穿甲彈射入情況，右半圖是含Twaron T765 織物情況。如今國內已建成數套千噸級規模的生產裝置并實現產業化，相關產品已逐漸投放市場。

防金屬彈片飛射示意圖

UHMWPE 纖維具有高強高模特性，且密度小，比強度僅次于碳纖維，斷裂伸長率達3.6%，這使其具有較強的耐沖擊性和能量吸收能力，是良好的防彈耐切割纖維。荷蘭DSM 公司利用該纖維耐磨、耐切割性能較好等特點，開發了防切割手套。美國Honeywell 公司發明了一種防彈背心，防護夾層是Spectra 制成的非織造布與Kevlar 制成的一種機織物的結合物，可達到極好的防護功能。

4.電磁屏蔽與吸波纖維及紡織品
電磁屏蔽纖維是指電磁波的能量能夠被纖維表面反射或吸收而使其傳播受阻或減少，對人體起到防護作用的纖維材料。通常情況下，當導電纖維的電導率大于1 S/m，可作為電磁屏蔽纖維。

常用的電磁屏蔽纖維包括金屬纖維、金屬鍍層纖維、碳纖維、聚苯胺纖維等。吸波纖維是指能夠吸收或衰減入射電磁波，并將電磁能轉變成熱能或其它形式的能量而耗散掉的一類纖維，碳化硅纖維、多晶鐵纖維有較好的吸波效果。

不銹鋼纖維是最早開發出的屏蔽纖維，由美國Brunswick 公司生產，隨后，鋁系和銅系金屬纖維相繼問世，目前已成為應用最多的防電磁輻射纖維。碳纖維具有良好的導電性和力學性能，是優良的電磁波反射材料。為了在寬廣的頻率范圍內獲得較好的電磁屏蔽性能，通常在碳纖維表面包覆相關材料，如沉積碳化硅等。例如，德國BASF 公司研制出一種表面鍍SiC 的碳纖維，在500 MHz 時的屏蔽效能可達48dB。碳化硅纖維具有高強度、耐高溫、低蠕變、膨脹系數小、耐腐蝕性強和化學穩定性好等特點，同時又具有吸波功能，在吸波纖維制備中運用較多?？蓪⑻蓟枥w維作為增強材料，來制作戰機、艦艇等，以達到雷達隱身的效果。

結語
安全防護裝備領域新產品的開發主要依賴于高性能纖維，而高性能纖維的主要發展方向是對現有品種的高性能化和低成本化。我國安全防護裝備潛在的市場空間很大，我國應不斷創新生產工藝技術，努力實現高性能纖維的高效化、高性能化、低成本化生產，深入開展應用研究與市場開發研究，通過纖維自身產品性能的提升及市場的調節來提高國內自給率。