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防明火绝热柔性复合织物的失效行为研究

郝立才

  为在明火火场等温差极大的环境下,不致灼伤并正常工作,消防及特殊工作人员需通过功能服装作有效安全、移动方便地隔热防护。而纺织材料在火场等高温强热流环境下的非静态使用,不可避免地会有热防护功效不足和材料老化的问题。这将导致材料形态和力学、物理、化学性能的变化,甚至发生热防护行为异常和功能失效。目前消防类热防护服装在实际应用中,耐火焰温度冲击性能较弱,在火场中停顿时间偏短(800℃时,t<10min),其本质问题是耐高温和隔热功的不足。为解决此类问题,以满足轻质、柔性、无障碍移动,和高效、智能、及安全的防护,本课题针对明火火场的高温强热流环境,研究开发防火绝热柔性复合织物,用于高温(800℃左右)火场环境下的防火和热隔绝。 在复合织物结构上,针对火场环境中的传热方式,在筛选热反射材料、耐高温纤维材料和蓄热相变材料(PCM)的基础上,整体设计出由外向内依次为热反射层、相变吸热复合层和隔绝舒适层的柔性复合织物,并对复合织物的制备和加工工艺做了实用性尝试,以期使织物实现高效、长时间的热防护效果。 在复合织物的构成材料上,考虑到火场的高温强热流环境,并对耐高温纤维材料的热学性能进行对比,选用玄武岩纤维和玻璃纤维作为复合织物的纤维隔热材料;由于明火火场的辐射强度很大,金属铝箔具有较高的热反射率且性价比高,故而选择金属铝箔作为热反射材料,并将铝箔与耐高温纤维织物基布粘结作为复合织物的外层热反射层;依据相变能量高、使用安全、材料易获取的原则,选用Pentaerythritol (季戊四醇)作为复合织物中的相变材料;考虑到相变材料发生相变前后的相对附着固定,选用耐高温纤维的针刺毡作为相变吸热复合层的基体;隔绝舒适层主要是进一步隔绝热量,从而保证人体舒适,故而选取阻燃棉织物。为保证复合织物的柔性,以及相变材料的相对固定,采用缝制的方式对各功能结构层进行复合加工成形。 在对复合织物的实用表征上,为测量织物在明火火场暴露条件下的防火绝热性能和长时间的失效行为,本研究设计制造了自主知识产权的织物防明火绝热性能测试装置FPPAS-1(Flaming Protective Performance Analysis System-1)。该装置真实模拟火场高温强热流环境,以分布式高精度温度传感器实时在线测量织物试样正、反面温度TR、TB及其随火场作用时间的变化曲线;并由此提出和建立了防火织物的防火隔热效率E、温度安全系数TcS、时间安全系数EtS和总防火安全指数等四类8个防火绝热效能和安全性评价指标。此外,在反复高温与明火冲击试验下,本研究对测试装置的精度进行了标定测量,对织物防明火绝热性能的变化进行了表征。 对防火绝热柔性复合织物的防火绝热性能的测试表明,复合织物小样均具有优良的防火绝热性能,这归因于复合织物各功能结构层的功能的有效分解分担作用。将各复合织物的防火绝热效能和安全性评价指标进行对比可知,耐高温纤维材料为玄武岩纤维的施加相变材料的复合织物呈现出最优的热防护性能,其单位面积重量为832.8g/m2,防持续火焰舔舌和绝热的温度高达509℃,比未施加相变材料时提高了83℃。这表明作为功能分担的相变材料在织物中有效地发挥了吸热隔绝作用。 复合织物经五次5min明火火场的反复暴露实验后,玄武岩纤维PCM复合织物的防火绝热温度的保持率为82.1%,且织物表面除发生轻微炭化发黄外无脆性破坏现象。对复合织物施加相变材料前后的温差能量估计以及与纯相变材料应发挥能量的对比,表明相变能的效率很低,在16.7%~30.7%范围内,这由相变材料的质量损失和热损耗导致;对施加相变材料前后的复合织物的基本力学性能测试,证实复合织物的强度和弯曲刚度在反复火场暴露实验后均有所下降,但仍分别保持在65%和75%以上。此结果说明所得复合织物在反复火场作用下,不仅保持其热防护性能,而且力学性能的变化也在允许范围内。 基于前人理论,结合实测结果,建立了织物防火绝热性能测试系统的传热模型。该模型综合考虑了明火火场、织物、空气层和人体皮肤条件,是一个导热传热、对流传热和辐射传热相耦合的逐层传热模型。并采用Matlab软件对传热模型进行了模拟仿真求解,计算出复合织物及其各功能结构层的温度分布;将复合织物及其功能结构层的数值计算结果与实测结果相比较,可知理论计算值与实测结果高度吻合,尤其在火场高温环境中的稳态传热阶段吻合度近乎100%。这表明所提出的传热模型具有极好的精准性和实用性。 传热模型的数值分析和防火绝热复合织物的实测结果,均表明在防火绝热织物性能及其传热机理方面的进展与突破,但更高效、长时间的防护,更理想的高温相变材料的发现及其效能的发挥机制仍有空间需进一步探索。……   
[关键词]:防火绝热;复合织物;玄武岩纤维;相变材料;热防护性能;传热模型
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:东华大学2011年
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