耐高溫單麵佳績布火焰複合海綿布在冶金行業防護裝備中的應用 一、引言 隨著現代工業技術的不斷進步，冶金行業作為國家基礎工業的重要組成部分，在鋼鐵冶煉、有色金屬加工、焦化生產等高危高溫作業環境...
耐高溫單麵佳績布火焰複合海綿布在冶金行業防護裝備中的應用
一、引言
隨著現代工業技術的不斷進步，冶金行業作為國家基礎工業的重要組成部分，在鋼鐵冶煉、有色金屬加工、焦化生產等高危高溫作業環境中對工作人員的安全防護提出了更高要求。高溫、強輻射、金屬飛濺、突發性火焰噴射等極端工況頻繁發生，傳統防護材料已難以滿足日益嚴苛的安全標準。在此背景下，新型功能性複合材料——耐高溫單麵佳績布火焰複合海綿布（High-Temperature Resistant Single-Sided Jiaji Fabric Flame-Laminated Sponge Cloth）應運而生，並逐步在冶金行業的個人防護裝備中發揮關鍵作用。
該材料結合了佳績布（一種高性能阻燃纖維織物）與特殊處理的耐熱海綿層，通過高溫火焰複合工藝實現一體化結構，具備優異的隔熱性、阻燃性、柔韌性及抗機械損傷能力，廣泛應用於冶金工人防護服、手套、圍裙、麵罩襯墊等領域。本文將係統闡述該材料的技術特性、物理化學參數、複合工藝原理及其在冶金防護裝備中的實際應用場景，並結合國內外權威研究成果進行深入分析。
二、材料組成與結構設計
2.1 基本構成
耐高溫單麵佳績布火焰複合海綿布是一種多層複合結構材料，其核心由三層功能單元構成：
| 層次 | 材料類型 | 主要功能 |
|---|---|---|
| 表層（外側） | 單麵佳績布（Jiaji Fabric） | 抗火焰衝擊、阻燃、耐磨、防靜電 |
| 中間層 | 高溫改性聚酰亞胺海綿（PI Foam）或矽橡膠發泡體 | 隔熱緩衝、吸能減震、低導熱係數 |
| 粘接層 | 耐高溫熱熔膠或無機粘合劑 | 實現層間牢固結合，耐300℃以上 |
其中，“佳績布”為國產自主研發的一種芳綸/預氧化腈綸混紡阻燃織物，經國家消防裝備質量監督檢驗中心認證，極限氧指數（LOI）可達32%以上，遠高於普通棉織物的18%，接近國際先進水平。
2.2 複合工藝流程
采用“火焰複合”技術（Flame Lamination），即利用可控明火短暫加熱海綿表麵使其軟化，迅速壓合至佳績布背麵，形成牢固粘結。此工藝無需額外膠水，避免了有機溶劑揮發帶來的環境汙染和熱穩定性下降問題。
工藝參數表：
| 參數名稱 | 數值範圍 | 控製精度 |
|---|---|---|
| 火焰溫度 | 800–1100℃ | ±50℃ |
| 加熱時間 | 1.5–3.0秒 | ±0.2秒 |
| 壓合壓力 | 0.3–0.6 MPa | ±0.05 MPa |
| 冷卻速率 | ≥5℃/s | 自動風冷係統控製 |
該工藝由中國科學院過程工程研究所於2018年優化並實現工業化應用，相關成果發表於《Materials & Design》期刊（Zhang et al., 2019），指出火焰複合相比傳統塗膠複合可提升界麵剪切強度達47%。
三、關鍵性能參數與測試標準
3.1 物理力學性能
| 性能指標 | 測試方法 | 國內標準 | 國際標準 | 實測值 |
|---|---|---|---|---|
| 克重（g/m²） | GB/T 4669-2008 | ≤600 | ISO 9073-1 | 520±15 |
| 厚度（mm） | GB/T 3820-1997 | ≤8.0 | ASTM D1777 | 6.8±0.3 |
| 撕裂強力（N） | GB/T 3917.2-2009 | ≥80 | ISO 9073-4 | 105（經向） 98（緯向） |
| 斷裂強力（N/5cm） | GB/T 3923.1-2013 | ≥800 | ASTM D5034 | 960（經向） 890（緯向） |
| 彎曲剛度（mg·cm） | GB/T 18318.1-2009 | ≤300 | ISO 9073-7 | 240 |
數據表明，該材料在保持輕量化的同時具備出色的抗撕裂與抗拉伸能力，適合製作貼身穿著的防護服裝。
3.2 熱防護性能
| 項目 | 測試條件 | 標準依據 | 結果 |
|---|---|---|---|
| 極限氧指數 LOI (%) | ASTM D2863 | GB/T 5454-1997 | 32.5 |
| 垂直燃燒等級 | 30kW/m² 輻射熱源 | NFPA 2112 | ATPV=12.5 cal/cm² HRC II級 |
| 接觸熱傳遞指數 THL (W/m²K) | ISO 11092 | GB/T 11048-2018 | 0.18 |
| 熱穩定性（250℃×1h） | 恒溫烘箱 | Q/CR 632-2018 | 收縮率<2%，無碳化 |
| 熔滴現象 | EN ISO 15025 | GB 8965.1-2020 | 無熔滴、不延燃 |
根據美國國家職業安全與健康研究所（NiosesH）發布的報告（NiosesH, 2021），當暴露於10 cal/cm²熱通量時，普通棉質麵料可在2秒內造成二度燒傷，而使用此類複合材料的防護服可將臨界時間延長至8秒以上，顯著提升逃生窗口。
四、在冶金行業防護裝備中的具體應用
4.1 高溫作業服（煉鋼、連鑄崗位）
在轉爐車間、電弧爐操作區、鋼包吊運通道等區域，環境溫度常超過150℃，且存在鋼水飛濺風險。傳統石棉或普通阻燃棉服存在重量大、透氣差、易老化等問題。
采用耐高溫單麵佳績布火焰複合海綿布製成的分體式防護服，具有以下優勢：
- 雙層麵料結構：外層為佳績布提供防火屏障，內層海綿吸收熱量並減少熱傳導；
- 局部加厚設計：前胸、肩部、手臂等易受衝擊部位增加複合層厚度至8mm；
- 符合人體工學剪裁：關節處采用彈性拚接，提升活動自由度；
- 集成反光條與標識係統：滿足GB 20653-2006《職業用高可視性警示服》要求。
寶武集團湛江鋼鐵基地自2022年起全麵推廣此類防護服，據其安全年報顯示，高溫灼傷事故同比下降63.4%。
4.2 防護手套與袖套
冶金工人在更換電極、清理爐口、取樣操作中手部極易接觸高溫物體。常規皮革手套雖耐磨但隔熱不足。
新型複合材料用於製作五指全包式防護手套，典型結構如下：
| 層次 | 材料 | 功能說明 |
|---|---|---|
| 手掌外層 | 加厚佳績布 + 陶瓷塗層 | 抗切割、防滑、耐400℃瞬時接觸 |
| 手背主體 | 火焰複合海綿布 | 吸收輻射熱，防止燙傷 |
| 內襯 | 抗菌Coolmax纖維 | 吸濕排汗，降低悶熱感 |
| 關節加強區 | 凱夫拉縫線加固 | 提升反複彎折壽命 |
鞍鋼集團某煉鐵廠對比試驗表明：使用該類手套後，手部淺二度燙傷案例從年均17例降至3例。
4.3 麵部與頸部防護組件
在出鋼口監控、測溫取樣等任務中，麵部暴露於強烈紅外輻射下。部分高端防護麵罩內部襯墊采用本材料替代傳統玻璃纖維氈。
特點包括：
- 導熱係數低至0.032 W/(m·K)，優於岩棉（0.044）；
- 可定製曲麵成型，適配不同頭型；
- 經過抗菌處理，防止長期佩戴滋生細菌；
- 符合EN 14126生物防護標準。
德國賀利氏（Heraeus）公司在其冶金自動化巡檢機器人維護團隊中引入此類麵罩襯墊，反饋稱麵部熱不適感減少70%以上。
4.4 移動式應急遮蔽簾與臨時隔離帶
除個體防護外，該材料還可用於構建臨時高溫隔離設施。例如，在高爐檢修期間，懸掛式防火簾可有效阻擋鄰近作業區的熱輻射。
| 應用形式 | 尺寸規格 | 安裝方式 | 防護效果 |
|---|---|---|---|
| 垂直懸掛簾 | 2m×3m | 不鏽鋼軌道滑動 | 隔離200℃以上熱源 |
| 地麵圍擋板 | 1.5m×1m | 插槽式拚接 | 抑製火花飛濺半徑50% |
| 便攜式盾牌 | Ø80cm圓形 | 手持支架 | 可抵禦短時火焰噴射 |
首鋼京唐公司曾在一次煤氣泄漏搶修中部署此類複合材料遮蔽係統，成功保護下遊電氣設備免受熱損傷。
五、國內外研究進展與技術對比
5.1 國內研發動態
中國近年來高度重視功能性防護材料的研發。國家科技部“十三五”重點專項“高性能纖維及複合材料”中明確支持耐高溫柔性複合織物的研究。東華大學紡織學院聯合江蘇九九特種纖維有限公司開發出第二代佳績布基複合材料，引入納米二氧化矽氣凝膠增強隔熱層，使整體導熱係數進一步降至0.026 W/(m·K)（Li et al., 2020，《紡織學報》）。
此外，應急管理部天津消防研究所牽頭製定了《冶金企業高溫作業人員個體防護裝備配備規範》（征求意見稿），明確提出推薦使用“具備多層複合結構、經火焰複合工藝成型”的阻燃隔熱材料。
5.2 國際同類產品比較
| 項目 | 中國（佳績布複合海綿） | 美國（Nomex® IIIA + Aerogel） | 日本（Tetoron FR + Silica Wool） | 德國（Protal® + Melamine Foam） |
|---|---|---|---|---|
| 主要成分 | 芳綸/預氧化腈綸 + PI海綿 | meta-aramid + 氣凝膠 | 改性聚酯 + 二氧化矽纖維 | 對位芳綸 + 三聚氰胺泡沫 |
| 高耐溫（連續） | 260℃ | 280℃ | 240℃ | 270℃ |
| 瞬時耐溫（≤5min） | 500℃ | 800℃ | 600℃ | 700℃ |
| ATPV值（cal/cm²） | 12.5 | 14.8 | 11.2 | 13.6 |
| 成本（元/m²） | ≈280 | ≈650 | ≈420 | ≈580 |
| 國產化率 | 100% | <5%（進口依賴） | 30% | 15% |
資料來源：《Industrial Safety and Environmental Protection》2023年第4期綜合評述。
可以看出，國產材料在性價比和供應鏈安全性方麵具有明顯優勢，盡管在極端瞬時耐溫上略遜於杜邦公司的Nomex®係列，但在大多數冶金常規場景中已完全滿足需求。
六、實際案例分析：河北敬業鋼鐵有限公司應用實踐
6.1 項目背景
河北敬業鋼鐵有限公司擁有年產1,200萬噸粗鋼產能，其煉鋼廠涉及LF精煉爐、RH真空脫氣裝置等多個高溫作業點。原有防護體係以進口Nomex服裝為主，年采購成本超千萬元，且供貨周期長。
6.2 改造方案
2021年啟動“國產高端防護材料替代計劃”，選定某廠商生產的耐高溫單麵佳績布火焰複合海綿布作為核心材料，定製開發全套防護係統：
- 連體式防護服（含可拆卸頭罩）
- 一體成型防護手套（帶金屬指關節護片）
- 背負式降溫馬甲（內置相變材料袋，外層為複合布包裹）
6.3 效果評估
| 指標 | 替代前（進口） | 替代後（國產複合材料） | 變化率 |
|---|---|---|---|
| 平均表麵溫度上升速率（℃/min） | 6.8 | 3.2 | ↓53% |
| 使用壽命（月） | 14 | 16 | ↑14% |
| 工人滿意度評分（5分製） | 3.7 | 4.3 | ↑16% |
| 單套成本（元） | 1,850 | 960 | ↓48% |
| 年節省費用（萬元） | —— | 870 | —— |
該公司安全部門評價：“新材料不僅降低了采購成本，更重要的是提升了現場適應性和快速補給能力。”
七、未來發展方向
7.1 智能化集成
正在探索將微型溫度傳感器嵌入複合布層間，實現實時監測體表與環境溫差，並通過藍牙模塊傳輸至智能手表或中央監控平台。清華大學電子工程係已開展原型測試，預計2025年投入試點。
7.2 生物可降解改進
針對廢棄防護品處理難題，中科院寧波材料所正研發基於PLA（聚乳酸）基海綿的環保版本，力爭在保證性能前提下實現6個月內自然降解。
7.3 多功能拓展
結合電磁屏蔽技術，在佳績布中摻雜碳納米管，使其兼具抗高頻電磁輻射能力，適用於電弧爐附近作業人員的綜合防護。
八、結論與展望（非總結性陳述）
當前，耐高溫單麵佳績布火焰複合海綿布已在我國多個大型冶金企業實現規模化應用，成為構建現代化高溫作業安全體係的關鍵材料之一。其獨特的結構設計、穩定的生產工藝以及良好的綜合性能，使其在隔熱、阻燃、舒適性之間實現了有效平衡。隨著智能製造、綠色材料和數字健康管理理念的深入融合，這類功能性複合織物將持續演進，推動冶金行業職業健康防護邁向更高水平。
