CN102785404B

CN102785404B - 一种防明火绝热的多级复合织物、制备工艺及用途

Info

Publication number: CN102785404B
Application number: CN201210293410.0A
Authority: CN
Inventors: 于伟东; 郝立才; 杜赵群
Original assignee: Donghua University
Current assignee: Donghua University
Priority date: 2012-08-16
Filing date: 2012-08-16
Publication date: 2015-04-08
Anticipated expiration: 2032-08-16
Also published as: CN102785404A

Abstract

本发明涉及一种防明火绝热的多级复合织物，其特征在于织物的一面可承受明火强热流环境的高温或高热作用，一面保持45～50℃近人体皮肤安全温度状态的多级复合织物结构。该复合织物由次序为金属箔毡热辐射反射层、相变材料梯度复合毡吸热层、绝热舒适层组成的复合结构。复合织物的自然厚度为5～15mm，实际压紧厚度为3～8mm；平方米重量在500～1500g/m²，为完全密闭、缝制粘合的、用于防火隔热的防护材料。该复合织物可用于消防、军事、探险、工业等高温特殊场合的人体防护和环境隔热。

Description

一种防明火绝热的多级复合织物、制备工艺及用途

技术领域

本发明涉及一种人体或环境温度隔热与防护的轻薄柔性复合材料技术，尤其涉及一种高效智能长时间防明火绝热多级复合织物，该复合织物的制备工艺及应用，其是消防、军事、探险、工业等特殊场合的人体防护和环境隔热的重要材料。

背景技术

火灾与特殊场合(探险、明火高温施工、空间技术、战争)均存在防火和隔热的要求，因此防火绝热织物的开发与应用一直是研究热点问题。火场热环境中存在着很多潜在的危险：火场的高温环境，尤其是辐射热对人体的烧伤危险；防护装备器具被火焰引燃以及接触高温物体表面引起高速热传导，造成人体烧伤的危险；火场中的热量如超过人体生理正常平衡过程的承受能力，会造成从轻微伤害至死亡的危险等。资料表明，当人体皮肤的热流密度达到2.68J/cm²，即皮肤温度达到45℃时，人就会有灼痛感；当热流密度增大到5.02J/cm²，即人体皮肤温度达72℃时，就会造成皮肤的二度烧伤。因此，消防类热防护材料不仅要轻质、柔软和无移动障碍，而且本身要耐火、耐高温、隔热，以实现对火源或热源的高效隔绝和对人体的安全有效防护。

对于消防类热防护材料，近年来有较多的研究和专利。如阻燃隔热耐冲击消防服(专利号CN201010587913.X)由外至内采用阻燃层、隔热层、气囊层和内层的复合结构；其中气囊层为纳米级微孔聚四氟乙烯薄膜材料，作为增强隔热功能层。此发明气囊层未充气时厚度为1mm，充气后的厚度为2～3cm，利用气体层实现阻燃隔热；气体可在几分钟内通过纳米微孔散发到空气中，从而实现气囊的重复使用。气囊层的使用减少了消防服的重量，节省了成本，但需配备气瓶，给消防员的抢险造成负担。

轻薄型消防员灭火防护服用复合面料(专利号CN200710039117.0)和阻燃、隔热、防水、透气并穿着舒适的消防服用面料(专利号CN03116869.8)均由阻燃层、防水透气层、隔热层和舒适层经绗缝等缝合方式组合而成。两发明所得织物的整体热防护性能(TPP)分别为34和30.7cal/cm²。两发明面料可实现消防员的近火作战，但辐射热防护效果欠佳。

消防员隔热防护服面料(专利号CN200920211471.1)由铝箔、PET聚酯膜和芳纶纤维平纹机织基布组成，其中铝箔为7μm厚的压延铝箔；该发明取得良好的辐射热发射效果，但由于厚度的限制，其热防护效果甚为有限。抗热辐射耐高温阻燃防护服面料(专利号CN200920309275.8)采用由内向外的耐热、阻燃织物纤维层、胶粘剂层和抗热辐射的防护层的复合结构，其中抗热辐射防护层为20～25μm的聚酯镀铝膜；该发明的防护服面料具有较好的抗热辐射性，且质轻、耐高温、收缩率小，但聚酯镀铝膜耐高温性能有限。

可降温多层结构消防员防护服装(专利号CN201020509142.8)采用多层结构的服装本体和若干个装有可重复吸热和放热的凝胶状蓄冷剂的蓄冷降温袋实现消防环境中的热防护，其中蓄冷剂为潜热值在200kJ/kg以上的高比热的功能性高分子材料；该发明可有效降低消防员穿着防护服进行长时间作业时产生的生理热应激，但重量偏高、运动限制较大。

火灾安全防护服面料(专利号CN201020267605.4)采用从外至内的阻燃防火层、防水透汽层和隔热层的复合结构，其中隔热层由无纺布层与含有相变微胶囊的泡沫层粘结而成，相变物质为相变温度在30～80℃的直链烷烃有机物，阻燃防火层与防水透汽层之间设有镍-钛形状记忆合金弹簧。该发明所用相变材料的相变温度太低，吸热延时效果有限。

消防服用阻燃相变隔热层织物(专利号CN201010233816.0)，是将由50～90％的芳纶1313纤维、5～20％的碳纤维及0～30％的阻燃粘胶纤维组合而成的非织造纤维毡浸入制得的阻燃相变燃微胶囊工作液中，经二浸二轧工艺加工制备而成。所得织物虽具有较好的阻燃和调温性能，但由于相变微胶囊的限制难于在高温火场环境下使用。

隔热复合膜(专利号CN200510024710.9)是本专利申请人以前的发明专利，采用由高强低导热系数的高聚物基膜、高反射性能的金属层、高隔热性的氧化金属层和低导热性可热粘合的高聚物外覆膜复合而成的结构实现高低温环境下(-150～120℃)的高效、轻质、柔性多功能热防护，但该专利只是解决隔热。

隔热保温柔软薄型复合织物(专利号CN200410066650.2)是本专利申请人以前的发明专利，一面采用耐高、低温的高性能的涂层织物，另一面采用柔软、舒适、防霜、防凝露的涂层织物，中间采用多层隔热的高聚物与金属复合膜构成的复合织物，多层复合间可带厚度、尺寸稳定的衬网织物，实现一面可承受高温、低温或高、低温复合作用，一面保持5～35℃近室温状态；本发明的复合织物的自然厚度在3～12mm，平方米重量在150～550g/m²，可实现-130～120℃条件下的隔热与防护。虽适用广泛，但隔热效果有限。该专利不是防火用途，并且既无明火高热放射层，也无相变吸热层，而且制备方法不同。

可拒油、耐洗涤的轻薄型消防服面料及消防服(专利号CN201110285062.8)，从外至内，依次为由间位芳纶、对位芳纶、聚酰胺纤维和防静电纤维制得的阻燃外层、中间拒油耐洗层、防水透气层和隔热层以及内部舒适层，经缝合线缝制而成。面料虽有较好的阻燃合防静电性能，但在高温火场实际使用时仍会较快导致人员烧伤、灼伤。

以上专利技术所制得的热防护织物或服装虽然具有良好的防火绝热效果，但在实际应用中，热防护织物或服装存在耐火焰冲击性能较弱以及火场中停顿时间较短(800℃时，t＜10min)的问题，人体在高温火场穿着使用时在几秒到几十秒内就会发生烧伤或灼伤，其本质是纺织材料面对火场强热流环境的热隔绝性和高温耐久性不足。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种防火绝热效果优良、柔性、轻质的复合织物。本发明的另一个目的是提供一种上述复合织物的制备工艺。本发明的另一个目的是提供一种上述复合织物的应用。

为了达到上述目的，本发明的原理是通过设计由金属箔毡热反射层、相变梯度复合毡吸热层和绝热舒适层组合而成的复合结构，实现防明火绝热的功效性分担和多元耗散。以高热反射性金属箔及其支撑耐高温纤维紧密非织造布作为高温明火火场辐射热反射层；以相变材料和耐高温纤维非织造毡的复合毡及贴附于耐高温纤维非织造毡正反面的机织增强织物作为相变梯度复合毡吸热延时层；以多层镀金属膜和衬网织物复合而成的多层膜与阻燃棉织物的组合织物作为绝热舒适层；以上述各功能结构层复合而成的防明火绝热织物作为防明火绝热多级防护体系。防明火绝热多级复合织物具有轻质、柔性、高温热稳定性优良、可重复使用等特点。此防火绝热多级复合织物面向热源的次序为金属铝箔毡热反射层、相变梯度复合毡吸热层、绝热舒适层，从而构成系统、高效、智能、轻质、柔性的防明火绝热体系并实现对人体的高效智能防护。

本发明的一个具体技术方案是提供了一种防明火绝热的多级复合织物，其特征在于：由以下各功能结构层由靠近明火源方向至靠近人体方向依次复合而成：起辐射热高反射作用的金属箔毡热反射层、起热耗散吸热与阻隔热传递的相变梯度复合毡吸热层和起热隔绝与舒适作用的绝热舒适层，其中，金属箔毡热反射层是由金属箔和耐高温纤维非织造布复合而成；相变梯度复合毡吸热层由相变材料、耐高温纤维非织造毡及贴附于耐高温纤维非织造毡正反面的机织增强织物复合而成；绝热舒适层是由多层镀金属膜和膜间的衬网织物层合的多层膜与阻燃棉织物组合而成。

优选地，所述金属箔为厚度为5～10μm的纯铝箔；所述耐高温纤维为玻璃纤维或玄武岩纤维中的一种；所述相变材料为在200～500℃发生相变的固-液相变材料；镀金属膜为涤纶、聚酰亚胺或锦纶高聚物基的镀铝、镀铝合金或镀金的薄膜；镀金属膜之间的衬网织物是由涤纶、锦纶或芳纶长丝采用编织方法成形的网格化轻质网状织物。

优选地，该多级复合织物的自然厚度为5～15mm，实际压紧厚度为3～8mm，平方米重量在500～1500g/m²。

优选地，所述金属箔毡热反射层的厚度2mm，平方米重量≤200g/m²；所述相变梯度复合毡吸热层的厚度≤5mm，平方米重量≤500g/m²；所述绝热舒适层的厚度≤3mm，平方米重量≤300g/m²。

优选地，所述金属箔毡热反射层是采用高温粘结剂粘结的方法将纯铝箔复合到起支撑作用的耐高温纤维的紧密非织造布上。

优选地，所述耐高温纤维非织造毡和所述机织增强织物，均是由耐高温的玄武岩纤维或玻璃纤维制成。

优选地，所述镀金属膜及所述衬网织物为3～20层。

本发明的另一个技术方案是提供了一种上述的防明火绝热的多级复合织物的制备工艺，其特征在于：先采用高温粘结剂粘合的方法制得金属箔毡热反射层，采用缝合或粘结的方式制得相变梯度复合毡吸热层和绝热舒适层，再依次将金属箔毡热反射层、相变梯度复合毡吸热层和绝热舒适层采用缝合的方式加工而成。

本发明的另一个技术方案是提供了一种上述的防明火绝热的多级复合织物的应用，其特征在于：用于高温强热流火场环境条件下使用的隔热防护材料。

本发明针对高温火场环境(800～1000℃)下的应用需求，遵循合理选材、功能分担、层层防护、多元耗散、逐级降温的原则，对复合织物进行功能性结构设计，并对高性能热反射材料、高温相变材料和耐高温纤维材料等功能性材料进行筛选和组合，以减少火场强辐射热的穿透，并降低热传导，使防护服深层升温速度减慢，实现对人体的高效防护。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、复合织物为多层复合结构，加强了对高温明火火场环境的层层防护、多元耗散和逐级降温的隔热能力，实现对人体的安全有效防护；

2、复合织物功能合理、完整：表面的金属箔毡热反射层可以将光、热辐射热源产生的辐射热的大部分反射掉；中间相变梯度复合毡吸热层可发挥吸热降温延时作用，实现织物防火焰冲击和隔热的耐久性；内层绝热舒适层可实现后续多级隔热和保证人体舒适；

3、复合织物为多层次结构，其各功能结构层与层间形成的静止空气层，可实现对热辐射、热对流和热传导的多功能隔绝；

4、复合织物为轻薄、柔性材料，隔热效果优良，可用于火场、战场等抢险救生环境的服装，也可用于航空航天防护材料。

附图说明

图1为防明火绝热多级复合织物的层状结构示意图；

图2为本发明的制备工艺流程图。

图中：

1-金属箔毡热反射层，面向明火源，其包括11-金属铝箔，12-耐高温纤维非织造布；

2-相变梯度复合毡吸热层，其包括21-相变材料PCM，22-耐高温纤维非织造毡，23-机织增强织物；

3-绝热舒适层，靠近人体，其包括31-镀金属膜，32-衬网织物，33-阻燃棉织物。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。应

理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1所示，本发明提供了一种防明火绝热的多级复合织物，其由以下各功能结构层由靠近明火源方向至靠近人体方向依次复合而成：起辐射热高反射作用的金属箔毡热反射层1、起热耗散吸热与阻隔热传递的相变梯度复合毡吸热层2和起热隔绝与舒适作用的绝热舒适层3。该多级复合织物的自然厚度为5～15mm，实际压紧厚度为3～8mm，平方米重量在500～1500g/m²。更为优选地，所述金属箔毡热反射层1的厚度≤2mm，平方米重量≤200g/m²；所述相变梯度复合毡吸热层2的厚度≤5mm，平方米重量≤500g/m²；所述绝热舒适层3的厚度≤3mm，平方米重量≤300g/m²。

其中，金属箔毡热反射层1是由金属箔11和耐高温纤维非织造布12复合而成。金属箔11为厚度为5～10μm的纯铝箔，利用高致密性的铝箔对火场高温强辐射热流环境的光、热辐射的高反射性，反射辐射热源的热量，实现反射隔热功能。由耐高温纤维非织造布12对金属箔11形成支撑，其为玻璃纤维或玄武岩纤维的紧密非织造布，利用其高温和高热稳定性，实现支撑作用和部分隔热效果。金属箔毡热反射层1的复合结构层不仅具有耐高温、耐火焰冲击的性能，而且具有优良的辐射热反射性能。金属箔毡热反射层1是采用高温粘结剂粘结的方法将纯铝箔复合到起支撑作用的耐高温纤维的紧密非织造布12上

相变梯度复合毡吸热层2为由相变材料21和耐高温纤维非织造毡22复合而成的PCM复合毡与贴附于耐高温纤维非织造毡22正反面的机织增强织物23的复合结构层。耐高温纤维为玻璃纤维或玄武岩纤维中的一种；所述相变材料21为在200～500℃发生相变的固-液相变材料。耐高温纤维非织造毡22和机织增强织物23，均是由耐高温的玄武岩纤维或玻璃纤维制成。利用其中相变材料21的吸热相变特点，达到吸热相变、绝热延时的效果。相变材料21为相变能量高、使用安全且易获取的高温固-液相变材料。耐高温纤维非织造毡22为针刺结构，毡片表面和内部含有大量的缝隙孔洞，便于相变材料21的均匀填充和相对附着固定。机织增强织物23为耐高温纤维制得的平纹紧密织物，用于防止复合织物在火场使用过程中相变材料21因发生固-液相变而产生的流动和泄漏。相变梯度复合毡吸热层2可有效实现对火场高温强热流的温度截止和热能耗散，从而实现吸热相变延时的功效。

内部的绝热舒适层3主要针对经前述功能结构层对高温火场的分解分担后的剩余高温(200℃左右)进行后续隔热降温以及保证人体穿着舒适，采用多层镀金属膜31和膜间的衬网织物32复合而成。镀金属膜31为涤纶、聚酰亚胺或锦纶高聚物基的镀铝、镀铝合金或镀金的薄膜；镀金属膜31之间的衬网织物32是由涤纶、锦纶或芳纶长丝采用编织方法成形的网格化轻质网状织物。复合膜为密闭不透气材料，可实现单层的热隔绝和层间静止空气的热隔绝；衬网可控制层间距，且在复合膜整体变形时，不发生复合膜间距的变化与接触。

如图2所示，本发明还提供一种上述的防明火绝热的多级复合织物的制备工艺，其步骤为：采用高温粘结剂将金属箔11与起支撑作用的耐高温纤维非织造布12粘合制得金属铝箔毡热反射复合织物层1；将相变材料21均匀铺撒到耐高温纤维非织造毡22上制得相变材料21呈梯度分布的PCM复合毡，经加热对相变材料21进行相对附着固定后，正反面与机织增强织物23进行复合制得相变梯度复合毡吸热层2，采用热粘合等层合方式将多层镀金属膜31和膜间衬网织物32进行复合制得绝热舒适层3；最终选择适当的缝制工艺参数对各功能结构层进行缝制复合制得防明火绝热多级复合织物。

以下实例以具体数据来进一步说明本发明：

一种防明火绝热的多级复合织物，织物中耐高温纤维均采用玄武岩纤维。其中外层金属铝箔毡热反射层采用6μm的金属铝箔与玄武岩纤维的紧密非织造布粘结复合制得，用于明火高温辐射热能的反射和隔绝，此金属箔毡的自然厚度为0.45mm，平方米重量为225.2g/m²；相变梯度复合毡吸热层中采用季戊四醇作为PCM，将PCM与玄武岩纤维针刺毡复合后再与两层玄武岩纤维机织增强织物复合而成，复合织物的厚度为3.86mm，平方米重量为406.8g/m²；绝热舒适层采用的是5层镀铝膜+4层衬网织物的层合膜与阻燃棉纤维织物的组合结构，厚度为0.52mm，平方米重量为285.6g/m²。多级复合织物的厚度为4.81mm，平方米重量为963.2g/m²；其外侧在800℃的明火高温强热流环境下持续8min，可保持内侧温度在45℃以下。

Claims

1.一种防明火绝热的多级复合织物，其特征在于：由以下各功能结构层由靠近明火源方向至靠近人体方向依次复合而成：起辐射热高反射作用的金属箔毡热反射层（1）、起热耗散吸热与阻隔热传递的相变梯度复合毡吸热层（2）和起热隔绝与舒适作用的绝热舒适层（3），其中，金属箔毡热反射层（1）是由金属箔（11）和耐高温纤维非织造布（12）复合而成，所述金属箔毡热反射层（1）是采用高温粘结剂粘结的方法将纯铝箔复合到起支撑作用的耐高温纤维的紧密非织造布（12）上；相变梯度复合毡吸热层（2）由相变材料（21）、耐高温纤维非织造毡（22）及贴附于耐高温纤维非织造毡（22）正反面的机织增强织物（23）复合而成，该多级复合织物的自然厚度为5～15mm，实际压紧厚度为3～8mm，平方米重量为500～1500；绝热舒适层（3）是由多层镀金属膜（31）和膜间的衬网织物（32）层合的多层膜与阻燃棉织物（33）组合而成。

2.如权利要求1所述的一种防明火绝热的多级复合织物，其特征在于：所述金属箔（11）为厚度为5～10μm的纯铝箔；所述耐高温纤维为玻璃纤维或玄武岩纤维中的一种；所述相变材料（21）为在200～500℃发生相变的固-液相变材料；镀金属膜（31）为涤纶、聚酰亚胺或锦纶高聚物基的镀铝、镀铝合金或镀金的薄膜；镀金属膜（31）之间的衬网织物（32）是由涤纶、锦纶或芳纶长丝采用编织方法成形的网格化轻质网状织物。

3.如权利要求1所述的一种防明火绝热的多级复合织物，其特征在于：所述金属箔毡热反射层（1）的厚度≤2mm，平方米重量≤200；所述相变梯度复合毡吸热层（2）的厚度≤5mm，平方米重量≤500；所述绝热舒适层（3）的厚度≤3mm，平方米重量≤300。

4.如权利要求1所述的一种防明火绝热的多级复合织物，其特征在于：所述耐高温纤维非织造毡（22）和所述机织增强织物（23），均是由耐高温的玄武岩纤维或玻璃纤维制成。

5.如权利要求1所述的一种防明火绝热的多级复合织物，其特征在于：所述镀金属膜（31）及所述衬网织物（32）为3～20层。

6.一种如权利要求1所述的防明火绝热的多级复合织物的制备工艺，其特征在于：先采用高温粘结剂粘合的方法制得金属箔毡热反射层（1），采用缝合或粘结的方式制得相变梯度复合毡吸热层（2）和绝热舒适层（3），再依次将金属箔毡热反射层（1）、相变梯度复合毡吸热层（2）和绝热舒适层（3）采用缝合的方式加工而成。

7.一种如权利要求1所述的防明火绝热的多级复合织物的应用，其特征在于：用于高温强热流火场环境条件下使用的隔热防护材料。