消防避火服用柔性复合材料的热防护性能研究

摘要

消防避火服是指消防员短期穿越高温明火火场，抢救人员和重要物资的最高等级热防护服装，其外层织物需要具备反射辐射热、耐明火和隔热等多项热防护性能。在高温火场中，辐射热占据火场总热流量的80％，其波长在0.4-20μm范围内，又称为热射线，为提升消防避火服在高温火场中的防护效率，需重点对热射线进行防护。同时，在高温火场中，外层织物直接接触高温明火，容易导致织物脆化，性状发生改变，使消防避火服防护效果减弱甚至丧失，极易造成消防员在火场中被高温灼伤，降低救援效率，甚至危及消防官兵的生命安全。因此，急需加强消防避火服外层织物的热防护性能，开发外层织物的替代材料，以弥补现有外层材料辐射热防护能力差、耐明火能力不足和隔热效率低等缺陷，大幅提升消防避火服的热防护效率。 为深入对比分析结构和性能参数对材料热防护性能的影响，更为科学合理地设计和制备消防避火服外层用柔性复合材料，本研究基于国际通用的热防护性能测试设备TPP701D型热防护性能测试仪的测试环境，建立织物、涂层（单层、双层和三层涂层）柔性复合材料热防护性能模型，模型运算结果与实测结果拟合度较好。根据模拟和测试结果可知，在相同厚度的条件下，三层涂层柔性复合材料因具备耐辐射热层、阻燃隔热层和气凝胶绝热层等三层结构间的正向协同效应优势，其热防护性能明显优于单、双层涂层柔性复合材料。通过对模拟结果进行对比分析可知，三层涂层柔性复合材料的热防护性能对耐辐射热层的热射线反射率和气凝胶绝热层厚度的变化最为敏感，对此两项结构和性能参数进行优化是提升材料热防护性能的捷径。 通过对比现有消防避火服外层用织物材料的热射线反射率、高温热稳定性和达到二级烧伤所需时间（即TPP time）等热防护性能指标，确立具备较好高温热稳定性能的玄武岩纤维织物作为消防避火服外层织物的优选材料，并对其存在的辐射热防护效率较低、隔热能力较差等功能缺陷进行分析，提出采用功能涂层的方式对其热防护性能缺陷进行优化。 依据模拟计算结果，选取纳米二氧化硅和纳米级六钛酸钾晶须等具备良好热射线反射率的功能填料以及二氧化硅气凝胶、空心陶瓷微珠等导热系数很低的隔热功能填料，制备热防护性能优良的单、多层涂层柔性复合材料，探讨各填料种类与含量对所制备柔性复合材料热防护性能的影响机理。通过研究发现，反射功能填料的禁带宽度和其在受热面分布状态是决定材料热射线反射率的重要因素。隔热功能填料内部静止空气所占体积比是影响其热防护性能的主要因素，该类填料还应具备较高的软化点温度，保证材料在高温下的结构和功能的稳定性。 依据模拟与实测结果，确定具备耐辐射热层、阻燃隔热层和气凝胶绝热层等相互间存在正向协同效应的三层涂层柔性复合材料作为消防避火服外层优选方案，优化了柔性复合材料的结构和填料配比。测试结果表明，所制备三层涂层柔性复合材料样品具备较为优异的热防护性能，同时兼具良好的柔性和耐老化性能。通过与现有消防避火服外层织物进行对比后发现，所制备三层涂层柔性复合材料样品的热防护性能有了显著提升。 通过本研究，确立了消防避火服外层材料的优化设计方法，并分析了各功能填料的作用机理，制备出具备良好热防护性能的柔性复合材料，为提升现有消防避火服外层材料热防护性能、确保消防员深入高温明火火场实施救援的行动安全提供了可行方案。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1消防避火服

1．1．1 消防避火服应用场所危害分析

1．1．2消防避火服材料选择与结构

1．1．3消防避火服防护性能测试与评估

1．1．4消防避火服防护性能优化方法

1．2消防避火服用柔性复合材料

1．2．1涂层基料

1．2．2反射功能填料

1．2．3隔热功能填料

1．3课题研究背景及主要内容

1．3．1课题研究背景及意义

1．3．2课题研究的主要内容

第二章基于TPP测试场景的柔性复合材料热防护性能数值模拟

2．1 引言

2．2 TPP701D型热防护性能测试仪测试原理

2．3模型传热过程分析

2．4热防护性能传热模型

2．4．1 热传导和热对流

2．4．2热传递矩阵

2．4．3 辐射传热

2．5织物结构模型

2．5．1织物结构参数

2．5．2织物结构模型的建立

2．6热防护性能传热模型假设条件及材料参数测定

2．6．1 假设条件

2．6．2材料参数

2．7织物热防护性能数字模拟

2．7．1织物结构模型

2．7．2传热模型结构

2．7．3 材料参数

2．7．4传热模型网格划分

2．7．5 模拟条件

2．7．6模拟测试结果分析

2．8单层涂层柔性复合材料热防护性能数字模拟

2．8．1传热模型结构

2．8．2材料参数

2．8．3传热模型网格划分

2．8．4模拟条件

2．8．5模拟结果分析

2．9双层涂层柔性复合材料热防护性能数字模拟

2．9．1 传热模型结构

2．9．2材料参数

2．9．3传热模型网格划分

2．9．4模拟条件

2．9．5模拟结果分析

2．10三层涂层柔性复合材料热防护性能数字模拟

2．10．1传热模型结构

2．10．2材料参数

2．10．3传热模型网格划分

2．10．4模拟条件

2．10．5模拟结果分析

2．11 本章小结

第三章柔性复合材料热防护性能数值模拟结果分析

3．1 不同材料结构热防护性能模拟结果分析

3．2结构对柔性复合材料热防护性能的影响

3．2．1 相同厚度不同结构柔性复合材料热防护性能对比

3．2．2三层涂层柔性复合材料层间协同效应分析

3．2．3三层涂层柔性复合材料结构设计

3．3参数变换对三层涂层柔性复合材料热防护性能的影响

3．3．1 厚度

3．3．2导热系数

3．3．3 比热

3．3．4密度

3．3．5发射率

3．3．6热射线平均反射率

3．4各参数对三层涂层柔性复合材料辐射热性能影响的比较

3．4．1 各参数对模型探测点温度的影响对比与分析

3．4．2各参数对模型TPP时间的影响对比与分析

3．5三层涂层柔性复合材料热防护模拟结果的验证

3．6本章小结

第四章现有消防避火服用外层材料的热防护性能分析

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验材料

4．2．2 实验仪器

4．2．3测试方法

4．3热射线反射率对比

4．4隔热性能对比

4．5高温热稳定性能对比

4．6热防护性能对比

4．7消防避火服外层织物筛选原则

4．8本章小结

第五章单层涂层柔性复合材料热防护性能研究

5．1 引言

5．2实验部分

5．2．1实验材料

5．2．2实验仪器

5．2．3 单层涂层柔性复合材料的制备工艺过程

5．2．4测试方法

5．3 纳米二氧化硅含量对单层涂层柔性复合材料热防护性能的影响

5．3．1热射线反射率

5．3．2高温热稳定性

5．3．3 EDS扫描图像

5．4六钛酸钾种类对单层涂层柔性复合材料热防护性能的影响

5．4．1六钛酸钾微观形貌的测定

5．4．2热射线反射率

5．4．3 隔热性能

5．4．4高温热稳定性能

5．5纳米级六钛酸钾晶须含量对单层涂层柔性复合材料热防护性能的影响

5．5．1热射线反射率

5．5．2 XRD图谱

5．5．3高温热稳定性

5．6本章小结

第六章双层涂层柔性复合材料热防护性能研究

6．1 引言

6．2实验部分

6．2．1 实验材料

6．2．2 实验仪器

6．2．3 双层涂层柔性复合材料的制备工艺过程

6．2．4 测试方法

6．3 双层涂层柔性复合材料工艺优化

6．3．1热射线反射率

6．3．2高温隔热性能

6．3．3热防护性能

6．4金属氧化物种类对双层涂层柔性复合材料热防护性能的影响

6．4．1热射线反射率

6．4．2高温隔热性能

6．4．3高温热稳定性能

6．4．4热防护性能

6．5纳米二氧化硅含量对双层涂层柔性复合材料热防护性能的影响

6．5．1热射线反射率

6．5．2高温热稳定性能

6．5．3热防护性能

6．6纳米级六钛酸钾晶须含量对双层涂层柔性复合材料热防护性能的影响

6．6．1热射线反射率

6．6．2高温热稳定性能

6．6．3热防护性能

6．7 气凝胶含量对双层涂层柔性复合材料热防护性能的影响

6．7．1 隔热性能

6．7．2高温隔热性能

6．7．3高温热稳定性

6．8隔热填料种类对双层涂层柔性复合材料热防护性能的影响

6．8．1 高温隔热性能

6．8．2高温热稳定性能

6．8．3 热防护性能

6．9云母粉与Cr2O3比例对双层涂层柔性复合材料热防护性能的影响

6．9．1热射线反射率

6．9．2高温隔热性能

6．9．3高温热稳定性能

6．9．4热防护性能

6．10本章小结

7．1 引言

7．2实验部分

7．2．1 实验材料

7．2．2 实验仪器

7．2．3 三层涂层柔性复合材料的制备工艺过程

7．2．4测试方法

7．3空心陶瓷微珠含量对三层涂层柔性复合材料热防护性能的影响

7．3．1高温隔热性能

7．3．2高温热稳定性能

7．3．3热防护性能

7．4纳米级六钛酸钾晶须对三层涂层柔性复合材料热防护性能的影响

7．4．1 热射线反射能力

7．4．2高温隔热性能

7．4．3高温热稳定性

7．4．4热防护性能

7．5三层涂层柔性复合材料结构与性能优化

7．5．1 气凝胶绝热层厚度优化

7．5．2热射线反射率优化

7．5．3 优化样品热防护性能分析

7．5．4优化样品与现有消防避火服外层织物热防护性能比较

7．6三层涂层柔性复合材料优化样品的柔性测试与分析

7．7三层涂层柔性复合材料优化样品的耐老化性能分析

7．7．1K／S值测试

7．7．2接触角测试

7．7．3 元素分析

7．8本章小结

第八章结论与展望

参考文献

发表论文情况

致谢