二级相变阶梯限温的防火绝热复合织物、制备方法及用途

摘要

本发明涉及一种二级相变阶梯限温的防火绝热复合织物、制备方法及用途，该复合织物是由正面的热反射复合层、两个相变限温层、间隔复合膜隔热层和反面的阻燃织物层依次排列层合构成。当该复合织物的正面受明火强热流环境作用时，其反面能保持50℃以下近人体皮肤安全温度状态，且织物整体结构形态和力学性能稳定。该复合织物的自然厚度为5～15mm，压紧厚度为3～8mm；平方米质量在400～1500g/m

说明书

技术领域

本发明涉及人体或环境温度隔热与防护的轻薄柔性复合材料技术，是一种高 效智能长时间防明火绝热多级复合织物及其制备技术，是消防、军事、探险、安 全逃生、工业等特殊场合的各体防护和环境隔热的重要材料，属于纺织复合材料 和功能技术用纺织品领域。

背景技术

火灾与特殊场合，如探险、明火及高温施工、空间技术、战争等，均存在防 火和隔热之要求。因此，防火绝热织物的开发与应用一直是实用研究的热点。火 场热环境中存在许多潜在危险：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 灼伤的危险；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，作为较少运动障碍的 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。气囊层可减少消防服重量和节省成本，但使用时体积臃肿、行动不 便，并需配备气瓶，给消防员抢险造成负担，而且易于破损泄漏而失效。

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、有效安全使用时间太短。

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、有效安全使用时间太短。

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，且外层材料的有效安全使用较弱。

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，平方米质量在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 高热反射层，也无相变吸热限温层，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

本发明的目的是提供一种能够实现对人体的高效防护的防火绝热复合织物。 本发明的另一个目的是提供一种该防火绝热复合织物的制备方法。本发明的另一 个目的是提供一种该防火绝热复合织物的用途。

为了达到上述目的，本发明的原理是通过表层的金属箔毡热反射层，依次向 内的第一相变层、第二相变层阶梯式耗热限温，到衬网间隔复合膜的高效隔热层 及最内层的阻燃并舒适型织物，形成逐层功能分担和多元耗散的方式，实现阶梯 降温、高效绝热、柔性轻质、性能稳定的复合织物；同时，引入带有金属纤维的 导热层，形成热量的快速扩散分布的途径，实现快速降温、吸热换能、化解热量 集中与冲击作用。

本发明的一个具体技术方案是提供了一种二级相变阶梯限温的防火绝热复 合织物，其特征在于：包括由靠近明火源方向至靠近人体方向依次排列层合的对 辐射热具有高反射作用的金属箔毡热反射复合层、起吸热耗能阶梯限温作用的第 一相变限温层和第二相变限温层、起热隔绝作用的间隔复合膜隔热层及与人体接 触舒适的阻燃织物层。

优选地，所述金属箔毡热反射复合层由位于最靠近明火源层的金属箔和位于 次层的掺有金属短纤维的耐高温纤维毡片相粘结复合而成；

金属箔为厚度为5～10μm的纯铝箔或铝合金箔；

耐高温纤维为玻璃纤维或玄武岩纤维中的一种；

金属短纤维为不锈钢纤维和/或铜纤维，金属短纤维与耐高温纤维的混合比 为1～10％，以增加热量的扩散与均布。

优选地，所述第一相变限温层由第一耐高温纤维毡、粘附在第一耐高温纤维 毡中的且在350～600℃可发生固-液相变并限温保证所述金属箔性能稳定的第一 相变粉末和带有金属丝的防漏基布复合加工而成；

第一耐高温纤维毡中的耐高温纤维是指玻璃纤维或玄武岩纤维中的一种；

金属丝为不锈钢丝和/或铜丝，以增加热量的扩散与均布；

防漏基布用于防止第一相变粉末在加工和使用中的第一相变限温层与第二 相变限温层互窜及泄漏，其为由耐高温的玄武岩纤维或玻璃纤维并间隔织入金属 丝所制成的机织布。

优选地，所述第二相变限温层是包括一侧与所述防漏基布相缝合的第二耐高 温纤维毡，在180～350℃可发生固-液相变并限温保证后续间隔复合膜性能稳定 的第二相变粉末粘附在耐高温纤维毡中，第二耐高温纤维毡的另一侧与所述间隔 复合膜隔热层作点状均布粘结；

第二耐高温纤维毡中的耐高温纤维是指玻璃纤维、玄武岩纤维、或芳纶纤维 中的一种；

第二相变粉末与所述第一相变限温层的第一相变粉末的激发温度差大于100 ℃。

优选地，所述间隔复合膜隔热层与所述阻燃织物层相缝合固定，所述间隔复 合膜隔热层由2～20层镀金属高聚物膜层合而成，在相邻两层的镀金属高聚物膜 的膜间层合衬网织物，靠近所述第二相变限温层的镀金属高聚物膜与所述第二耐 高温纤维毡的另一侧作所述点状均布粘结；

镀金属高聚物膜为涤纶、聚酰亚胺或锦纶高聚物基的镀铝、镀铝合金或镀金 的薄膜；

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，所述阻燃织物层为阻燃棉织物、阻燃涤纶织物、或Nomex纤维织 物中的一种。

本发明的另一个技术方案是提供了一种上述的二级相变阶梯限温的防火绝 热复合织物的制备方法，其特征在于，步骤为：先将如权利要求1所述的除金属 箔毡热反射复合层的金属箔外的已制成的各层或组复合层缝合固定后形成复合 织物，再将金属箔用耐高温粘结剂均匀、点粘结于最外表面，形成自然厚度为5～ 15mm，实际压紧厚度为3～8mm，平方米质量为400～1500g/m²的二级相变阶 梯限温的防火绝热复合织物。

优选地，所述第一相变限温层与所述第二相变限温层与所述间隔复合膜隔热 层之和的自然厚度≤14mm，平方米质量≤1100g/m²。

本发明的另一个技术方案是提供了一种上述的二级相变阶梯限温的防火绝 热复合织物的用途，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。

防明火热防护织物或服装主要是对火场高温强热流环境的隔绝和耐久以及 对穿着者的长时间高效防护。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、间隔复 合膜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，加强了对高温火场环境的层层阻热、多元耗 散和逐级降温的隔热能力，实现对人体或环境的安全有效防护。

2、强调表面的强反射层与快速热扩散，其一将光、热辐射源产生的辐射热 的大部分反射掉，以减轻后续热耗散的负担；其二将热量快速扩散，以减少受热 域的热量集中，这在掺有金属短纤维的非织造布和防漏基布中都得以体现。

3、复合织物的各功能结构层内及层与层间形成的静止空气，可实现对热辐 射、热对流和热传导的多功能隔绝，尤其是镀金属高聚物膜间的衬网织物所形成 的静止空气层。

4、该复合织物具有更为高效和安全，更为轻薄和柔软，更易调整结构和成 形加工的特点。

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。

图中：1-热反射复合层，面向明火源，其包括11-金属箔，12-耐高温纤 维毡片，13-金属短纤维；2-第一相变限温层，其包括21-第一耐高温纤维毡， 22-第一相变粉末(350～600℃)，23-防漏基布，24-金属丝；3-第二相变限 温层，其包括31-第二耐高温纤维毡，32-第二相变粉末(180～350℃)，33- 点状均布粘结；4-间隔复合膜隔热层，其包括41-镀金属高聚物膜，42-衬网 织物；5-阻燃织物层，即靠近人体的阻燃织物。

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，本发明提供了一种二级相变阶梯限温的防火绝热复合织物，其 特征在于：包括由靠近明火源方向至靠近人体方向依次排列层合的对辐射热具有 高反射作用的金属箔毡热反射复合层1、起吸热耗能阶梯限温作用的第一相变限 温层2和第二相变限温层3、起热隔绝作用的间隔复合膜隔热层4及与人体接触 舒适的阻燃织物层5。

金属箔毡热反射复合层1由位于最靠近明火源层的金属箔11和位于次层的 掺有金属短纤维13的耐高温纤维毡片12相粘结复合而成；

金属箔11为厚度为5～10μm的纯铝箔或铝合金箔；

耐高温纤维为玻璃纤维或玄武岩纤维中的一种；

金属短纤维13为不锈钢纤维和/或铜纤维，金属短纤维13与耐高温纤维的 混合比为1～10％，以增加热量的扩散与均布。

第一相变限温层2由第一耐高温纤维毡21、粘附在第一耐高温纤维毡21中 的且在350～600℃可发生固-液相变并限温保证金属箔11性能稳定的第一相变 粉末22和带有金属丝24的防漏基布23复合加工而成；

第一耐高温纤维毡21中的耐高温纤维是指玻璃纤维或玄武岩纤维中的一 种；

金属丝24为不锈钢丝和/或铜丝，以增加热量的扩散与均布；

防漏基布23用于防止第一相变粉末22在加工和使用中的第一相变限温层2 与第二相变限温层3互窜及泄漏，其为由耐高温的玄武岩纤维或玻璃纤维并间隔 织入金属丝所制成的机织布。

第二相变限温层3是包括一侧与防漏基布23相缝合的第二耐高温纤维毡31， 在180～350℃可发生固-液相变并限温保证后续间隔复合膜性能稳定的第二相变 粉末32粘附在耐高温纤维毡31中，第二耐高温纤维毡31的另一侧与间隔复合 膜隔热层4作点状均布粘结33；

第二耐高温纤维毡31中的耐高温纤维是指玻璃纤维、玄武岩纤维、或芳纶 纤维中的一种；

第二相变粉末32与第一相变限温层2的第一相变粉末22的激发温度差大于 100℃。

间隔复合膜隔热层4与阻燃织物层5相缝合固定，间隔复合膜隔热层4由 2～20层镀金属高聚物膜41层合而成，在相邻两层的镀金属高聚物膜41的膜间 层合衬网织物42，靠近第二相变限温层3的镀金属高聚物膜41与第二耐高温纤 维毡31的另一侧作点状均布粘结33；

镀金属高聚物膜41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；

衬网织物42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。

阻燃织物层5为阻燃棉织物、阻燃涤纶织物、或Nomex纤维织物中的一种。

本发明还提供了一种上述的二级相变阶梯限温的防火绝热复合织物的制备 方法，其特征在于，步骤为：先将上述的除金属箔毡热反射复合层1的金属箔 11外的已制成的各层或组复合层缝合固定后形成复合织物，再将金属箔11用耐 高温粘结剂均匀、点粘结于最外表面，形成自然厚度为5～15mm，实际压紧厚 度为3～8mm，平方米质量为400～1500g/m²的二级相变阶梯限温的防火绝热复 合织物。

更为优选地，第一相变限温层2与第二相变限温层3与间隔复合膜隔热层4 之和的自然厚度≤14mm，平方米质量≤1100g/m²。

下述具体实施例1～4是选择不同的金属箔、纤维材料、镀金属高聚物膜材料、 相变粉末、衬网织物、阻燃织物，不同的自然厚度、压紧厚度、平方米质量，实 际制备本发明所述的二级相变阶梯限温的防火绝热复合织物，并对所得复合织物 在不同的火场及高温条件下的内侧即反面限定最高温度及其持续最长时间进行 实测，详见下表。同时，对经受火焰和高温作用后的复合织物作外观评价和第二 次重复试验的测量和外观评价，结果详见下表及以下表述。

实施例1

采用本发明的二级相变阶梯限温的防火绝热复合织物的五层结构和如下表 的材料，并采用本发明所述的制备方法所制得的防火绝热复合织物，将其置于 800℃火场条件下，实测的内侧即反面限定的最高温度及其持续最长时间如下表 实施例1栏所示。实际目测观察，表面完好无损，揉搓和弯折无明显脆化点或裂 纹。待冷却后，再次放入同样火场条件，所得的第二次处理时的限定最高温度及 其持续最长时间见下表所示，说明无变化；且再次实测观察，该复合织物表面完 好无损，揉搓和弯折无明显脆化点或裂纹。由此证明该复合织物防火绝热性能稳 定，可多次使用。

实施例2

采用本发明的二级相变阶梯限温的防火绝热复合织物的五层结构和如下表 的材料，并采用本发明所述的制备方法所制得的防火绝热复合织物，将其置于 1000℃火场条件下，实测的内侧即反面限定的最高温度及其持续最长时间如下表 实施例2栏所示。实际目测观察，表面完好无损，揉搓和弯折无明显脆化点或裂 纹。待冷却后，再次放入同样火场条件，所得的第二次处理时的限定最高温度及 其持续最长时间见下表所示，说明无变化，持续最长时间还略呈增加，是材料的 膨松化所致；且再次实测观察，该复合织物表面完好无损，揉搓和弯折无明显脆 化点或裂纹。由此证明该复合织物防火绝热性能稳定，可多次使用。

实施例3

采用本发明的二级相变阶梯限温的防火绝热复合织物的五层结构和如下表 的材料，并采用本发明所述的制备方法所制得的防火绝热复合织物，将其置于 600℃火场条件下，实测的内侧即反面限定的最高温度及其持续最长时间如下表 实施例3栏所示。实际目测观察，表面完好无损，揉搓和弯折无明显脆化点或裂 纹。待冷却后，再次放入同样火场条件，所得的第二次处理时的限定最高温度及 其持续最长时间见下表所示，说明无变化，持续最长时间还略呈增加，是材料的 膨松化所致；且再次实测观察，该复合织物表面完好无损，揉搓和弯折无明显脆 化点或裂纹。由此证明该复合织物防火绝热性能稳定，可多次使用。

实施例4

采用本发明的二级相变阶梯限温的防火绝热复合织物的五层结构和如下表 的材料，并采用本发明所述的制备方法所制得的防火绝热复合织物，将其置于 1000℃火场条件下，实测的内侧即反面限定的最高温度及其持续最长时间如下表 实施例4栏所示，为四种样品中防火绝热指标最优的，主要是相变限温层相变粉 末量和间隔复合膜隔热层的层数选择得当。实际目测观察，表面完好无损，揉搓 和弯折无明显脆化点或裂纹。待冷却后，再次放入同样火场条件，所得的第二次 处理时的限定最高温度及其持续最长时间见下表所示，说明无变化，持续最长时 间还略呈增加，是材料的膨松化所致；且再次实测观察，该复合织物表面完好无 损，揉搓和弯折无明显脆化点或裂纹。由此证明该复合织物防火绝热性能稳定， 可多次使用。

二级相变阶梯限温的防火绝热复合织物的构成、结构参数与实测结果