火焰複合麵料與多層結構設計提升抗熱輻射性能 概述 隨著現代工業、消防救援、航空航天及高溫作業環境的不斷發展，對個體防護裝備的熱防護性能提出了更高的要求。其中，抗熱輻射性能作為衡量防護材料關...
火焰複合麵料與多層結構設計提升抗熱輻射性能
概述
隨著現代工業、消防救援、航空航天及高溫作業環境的不斷發展，對個體防護裝備的熱防護性能提出了更高的要求。其中，抗熱輻射性能作為衡量防護材料關鍵指標之一，直接影響人員在極端高溫環境下的生存能力與安全水平。近年來，火焰複合麵料（Flame-Resistant Composite Fabric）結合多層結構設計（Multi-layer Structural Design）已成為提升材料抗熱輻射性能的重要技術路徑。通過合理選材、優化結構與界麵協同效應，顯著提升了材料在麵對高強度熱輻射時的隔熱性、穩定性與耐久性。
本文係統闡述火焰複合麵料的基本構成、多層結構設計原理及其在抗熱輻射性能提升中的作用機製，並結合國內外權威研究成果，分析典型產品參數與實際應用案例，為高性能熱防護材料的研發提供理論支持與實踐參考。
一、火焰複合麵料的基本概念與組成
1.1 定義
火焰複合麵料是指由兩種或兩種以上具有阻燃性能的纖維材料通過物理或化學方式複合而成的功能性紡織品。其核心特性包括：優異的阻燃性、低熱傳導率、高熱穩定性以及良好的機械強度。這類麵料廣泛應用於消防服、電弧防護服、冶金作業服及航天艙外服等領域。
1.2 主要成分與材料選擇
根據功能需求，火焰複合麵料通常由以下幾類材料構成：
| 材料類型 | 典型代表 | 特性描述 |
|---|---|---|
| 芳綸纖維（Aramid） | Kevlar®（美國杜邦）、Nomex®（杜邦）、Twaron®（荷蘭帝人） | 高強度、高模量、優異熱穩定性，分解溫度可達500℃以上 |
| 聚苯並咪唑纖維（PBI） | PBI Gold®（美國PBI Industries） | 極佳的熱穩定性和阻燃性，極限氧指數（LOI）>40%，不熔滴 |
| 聚酰亞胺纖維（PI） | 國產PI纖維（如長春高琦）、Kaneka PI | 耐溫高達400℃，低煙無毒，適用於高輻射環境 |
| 阻燃粘膠纖維（FR-Viscose） | Lenzing FR®（奧地利蘭精集團） | 成本較低，吸濕透氣性好，LOI約30% |
| 碳纖維/石墨烯增強層 | PAN基碳纖維、氧化石墨烯塗層 | 高導熱方向控製、反射熱輻射、增強結構穩定性 |
複合過程中常采用針刺、熱壓、層壓、塗層等工藝實現不同材料間的緊密結合，形成協同防護體係。
二、多層結構設計原理與功能分區
2.1 多層結構的基本構型
典型的高性能熱防護服裝采用“三明治”式多層結構，一般分為三層：外層（Outer Shell）、防水透濕層（Moisture Barrier） 和 隔熱內襯層（Thermal Liner）。部分高端產品還增設反射層或氣凝膠夾層以進一步提升抗熱輻射能力。
表1：標準多層熱防護結構功能劃分
| 結構層級 | 功能定位 | 常用材料 | 抗熱輻射貢獻機製 |
|---|---|---|---|
| 外層（Outer Shell） | 抵禦火焰接觸、磨損、紫外線 | Nomex® IIIA、PBI/Kevlar混紡、PI織物 | 反射部分紅外輻射，延緩熱量傳遞 |
| 防水透濕層（Moisture Barrier） | 阻隔液體滲透，允許水蒸氣通過 | ePTFE薄膜（如Gore-Tex®）、PU塗層 | 減少蒸汽燙傷風險，維持微氣候平衡 |
| 隔熱內襯層（Thermal Liner） | 主要隔熱屏障，吸收並耗散熱量 | 阻燃棉、芳碸綸、氣凝膠氈、玻璃纖維非織造布 | 降低熱傳導速率，延長熱穿透時間 |
| （可選）反射層 | 增強熱輻射反射能力 | 鋁化聚酯薄膜、鍍鋁陶瓷塗層 | 反射80%以上入射熱輻射能 |
| （可選）空氣間隙層 | 利用靜止空氣隔熱 | 微孔結構、蓬鬆纖維網 | 提高整體熱阻值（Rct） |
該結構設計遵循“逐級衰減、多重攔截”的熱防護理念，確保在短時間內將外部高溫環境的影響降至低。
2.2 層間協同效應分析
多層結構並非簡單疊加，而是通過各層之間的協同作用實現性能躍升。例如：
- 外層反射 + 內層吸收：外層材料對短波紅外輻射具有較高反射率（可達70–85%），而內層則利用高比熱容材料吸收殘餘熱量；
- 空氣間隙優化：研究表明，當層間空氣間隙控製在6–8 mm時，熱阻達到峰值（ISO 17492:2003）；
- 相變材料引入：部分先進設計在中間層嵌入微膠囊化石蠟類相變材料（PCM），可在特定溫度區間吸收大量潛熱，延緩皮膚升溫速度（Zhang et al., 2020, Textile Research Journal）。
三、抗熱輻射性能評價方法與測試標準
3.1 關鍵性能指標
抗熱輻射性能主要通過以下參數進行量化評估：
| 參數名稱 | 定義 | 測試標準 | 單位 |
|---|---|---|---|
| 熱輻射通量閾值 | 引起皮膚二級燒傷所需小熱流密度 | ASTM F2702 / NFPA 1971 | kW/m² |
| 熱防護性能值（TPP） | 材料在規定熱源下阻止熱量穿透的時間積分 | ASTM F2702 | cal/cm² |
| 輻射反射率（Reflectivity） | 表麵對特定波長熱輻射的反射比例 | ASTM E423 / ISO 9288 | % |
| 熱傳導係數（λ） | 單位厚度材料在單位溫差下的導熱能力 | ISO 9073-18 | W/(m·K) |
| 熱穿透時間（Breakthrough Time） | 從受熱開始至內表麵溫度上升24℃所用時間 | NFPA 1971 | s |
其中，TPP值是廣泛應用的綜合指標。根據NFPA 1971標準，消防服材料TPP值不得低於35 cal/cm²，高等級防護服可達50 cal/cm²以上。
3.2 實驗模擬與數值建模
除實驗測試外，計算機仿真也成為研究多層結構抗熱輻射行為的重要手段。有限元模型（FEM）可模擬不同材料組合在瞬態熱輻射條件下的溫度場分布。例如，Li和Chen（2019）基於ANSYS建立了五層防護服模型，結果顯示：加入鍍鋁反射層後，皮膚側溫度上升延遲達45秒，TPP值提升約38%（International Journal of Thermal Sciences）。
四、典型產品參數對比分析
以下選取國內外具有代表性的火焰複合麵料及其多層結構係統進行參數比較：
表2：主流火焰複合麵料產品性能對比（數據來源：廠商公開資料及第三方檢測報告）
| 產品名稱 | 生產商 | 組成結構 | 麵密度 (g/m²) | LOI (%) | TPP值 (cal/cm²) | 大使用溫度 | 反射層配置 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Nomex® IIIA 針織複合布 | 美國杜邦 | 93% Nomex®, 5% Kevlar®, 2% 導電纖維 | 210 | 28–30 | 36–40 | 260℃ | 否 |
| PBI Matrix™ Pro | PBI Industries（美國） | 40% PBI, 60% Para-aramid | 235 | >40 | 48–52 | 300℃ | 可選鍍鋁膜 |
| 長春高琦 PI/芳綸混編布 | 長春高琦聚酰亞胺有限公司（中國） | PI纖維/芳綸3080混紡（7:3） | 250 | 38 | 45 | 400℃ | 是（內置鋁箔） |
| Dräger FireXtreme® 多層係統 | 德國德爾格 | 外層：PI織物；中層：ePTFE；內層：氣凝膠+阻燃棉 | 820（總重） | — | 55–60 | 1000℃（瞬時） | 是 |
| Honeywell ThermaCool™ XLR | 霍尼韋爾（美國） | 外層：Meta-aramid；中層：PCM微膠囊層；內層：FR粘膠 | 760 | — | 50 | 280℃ | 否（但具相變吸熱） |
| 中材科技 ZMT-FR 多層複合氈 | 中材科技股份有限公司（中國） | 玻璃纖維針刺氈 + SiO₂氣凝膠 + 鍍鋁PET膜 | 680 | — | 62 | 650℃ | 是 |
從上表可見，國產材料在耐溫性能方麵已接近甚至超越國際先進水平，但在係統集成度、輕量化與舒適性方麵仍有提升空間。特別是氣凝膠-纖維複合技術的應用，使隔熱性能實現突破性進展。例如，中材科技開發的SiO₂氣凝膠複合氈導熱係數低至0.018 W/(m·K)，遠優於傳統玻璃纖維棉（0.035 W/(m·K)）。
五、國內外研究進展與技術創新
5.1 國外研究動態
美國國家標準與技術研究院（NIST）長期致力於消防員熱防護係統的研究。其發布的《Fire Fighter Thermal Exposure Report》指出，傳統防護服在外露火焰環境下僅能提供15–20秒的有效保護時間，亟需新材料與新結構突破。為此，MIT與杜邦合作開發了“智能響應型多層係統”，在外層集成溫度敏感變色塗層，可在接近危險溫度時發出視覺預警（Deng et al., 2021, Advanced Functional Materials）。
歐洲方麵，德國弗勞恩霍夫研究所（Fraunhofer IGB）提出“梯度功能材料”（Functionally Graded Materials, FGM）概念，即沿厚度方向連續調整材料組分，使外層側重反射與抗氧化，內層側重隔熱與柔韌性。實驗證明，FGM結構比傳統均質層合材料TPP值提高22%。
日本東麗公司則聚焦於納米改性技術，通過在芳綸纖維表麵沉積TiO₂/SiO₂雙層納米塗層，使其在紫外-近紅外波段反射率提升至80%以上，同時保持良好透氣性（Tanaka et al., 2018, Journal of Applied Polymer Science）。
5.2 國內研究突破
我國在“十三五”期間將高性能纖維列為重點發展方向。東華大學俞建勇院士團隊研發出“全芳族液晶聚合物/碳納米管複合紗線”，兼具高強度與高輻射反射能力，在1000℃火焰直噴下維持結構完整超過120秒（Yu et al., 2022, Composites Part B: Engineering）。
天津工業大學研製的“仿生蜂窩多層結構”靈感來源於北極熊毛發中的空腔陣列，采用靜電紡絲製備含封閉氣室的納米纖維膜，顯著降低有效熱導率。經測試，該結構在相同麵密度下比傳統非織造隔熱層TPP值高出30%（Wang et al., 2021, Nano Energy）。
此外，中國科學院蘇州納米所開發出“柔性超薄鍍鋁石墨烯薄膜”，厚度僅15 μm，卻可反射92%的太陽光譜範圍熱輻射，且彎折10,000次後性能不變，極具應用於輕質防護裝備的潛力。
六、應用場景與實際效能驗證
6.1 消防領域
在城市火災撲救中，消防員常麵臨平均熱輻射強度為10–15 kW/m²的環境。采用Dräger FireXtreme®係統的德國慕尼黑消防隊實測數據顯示：在12 kW/m²輻射強度下，傳統兩層麵料係統內表麵溫度在48秒內升至43℃，而新型四層複合結構延至112秒，有效逃生時間翻倍。
6.2 工業高溫作業
寶武鋼鐵集團在轉爐車間試用長春高琦PI複合麵料工作服後，員工熱應激指數（HSI）下降37%，中暑事件減少65%。該麵料在煉鋼平台（輻射強度約8–10 kW/m²）下可持續作業2小時以上而不觸發內部警報。
6.3 航天與軍事應用
中國神舟飛船艙外航天服采用五層複合結構，其中包含鍍鋁聚酯薄膜與多孔二氧化矽氣凝膠層，在太空強太陽輻射（約1.36 kW/m²）條件下，仍能將宇航服內部溫差控製在±2℃以內，保障長時間出艙活動安全。
七、未來發展趨勢
7.1 智能化集成
下一代火焰複合麵料正朝著“感知—響應—調控”一體化方向發展。嵌入式微型傳感器可實時監測內外溫差、濕度與應力變化，並通過無線傳輸反饋至指揮中心。部分原型已實現自動啟動冷卻裝置或改變表麵發射率以適應環境變化。
7.2 可持續材料替代
環保壓力推動生物基阻燃材料研發。英國利茲大學開發出基於殼聚糖-磷酸鹽體係的天然阻燃塗層，可在棉織物上形成耐洗性炭層，LOI達32%，有望替代部分石化基材料。
7.3 超結構材料探索
借鑒光子晶體與超材料設計理念，科研人員正在嚐試構建具有“負熱膨脹係數”或“熱流導向”特性的新型織物結構。例如，哈佛大學Wyss研究所提出的“熱二極管織物”可實現熱量單向傳導，在冬季保暖與夏季散熱間智能切換。
八、挑戰與對策
盡管火焰複合麵料與多層結構設計取得顯著進步，但仍麵臨若幹技術瓶頸：
- 重量與靈活性矛盾：高性能往往伴隨高麵密度，影響穿戴舒適性與動作敏捷性；
- 濕熱管理難題：多層密封結構易導致內部濕氣積聚，增加熱應激風險；
- 成本高昂：如氣凝膠、PI纖維等關鍵材料價格居高不下，限製大規模推廣；
- 老化與耐久性問題：反複洗滌、折疊易造成層間剝離或塗層脫落。
針對上述問題，業界正采取如下對策：
- 推廣三維間隔織物技術，兼顧支撐性與透氣性；
- 開發可降解粘合劑與模塊化結構，便於更換損壞部件；
- 加強產業鏈協同，推動國產高性能纖維規模化生產以降低成本。
