沖擊氣流作用下防電弧面料透氣量與ATPV關系研究

李 躍，孫茂軍，陳 強，吳元方，孫啟龍，王 茹

（1.海寧昱品環保材料有限公司，浙江 海寧 314400；2.南通大學 紡織服裝學院，江蘇 南通 226019）

電弧爆燃會產生巨大熱量，極易點燃衣物，對皮膚造成熱灼傷。因此，電力工人在超過200 V電壓下作業時[1]，要使用電弧防護裝備[2]。防電弧服比普通阻燃防護服更能抵御電弧爆燃的高熱和沖擊波，減少對人身的傷害[3]。因此，對防電弧面料的研發具有重要意義。

電弧的形成一般可分為4個階段[4]：壓縮階段、膨脹階段、排放階段和熱效應階段。與靜態燃燒不同，電弧爆燃會產生強烈的沖擊波，而沖擊波攜帶的高能熱空氣更容易透過織物，對人體造成灼傷。因此，研究電弧爆燃時透過防電弧面料的氣體量十分重要。

在電弧防護性能測試方面，美國和歐洲早已制定了防電弧紡織材料測試標準，例如ASTM F1959/F1959M[5]、NFPA 70E[6]、IEEE 1854[7]等。加拿大和西班牙也建立了比較完備的電弧防護性能測試實驗室。國內尚沒有建立電弧防護性能測試機構，也缺少相應的國家標準與配備規范，對我國防電弧面料的開發已經形成了阻礙。

電弧熱性能值（Arc Thermal Performance Value，ATPV）是指入射到單位面積上的能量有50%的可能性使足夠的熱量穿透材料引起二度燒傷的最小能量值[8]，是防電弧面料的重要性能指標。ATPV越大，電弧防護性能越好。本研究旨在得到防電弧面料防護性能的間接評價方法，自制了電弧爆燃沖擊波模擬裝置，研究了不同ATPV的防電弧面料在沖擊氣流作用下透過氣體量之間的關系。

1 實驗

1.1 實驗裝置

模擬電弧沖擊波實驗裝置包括氣流發生裝置、試樣固定裝置和氣體收集裝置（圖1），氣流發生裝置包括儲氣罐，儲氣罐上裝有壓力表、進氣閥、出氣閥和沖擊氣流出口；試樣固定裝置包括基座、橡膠墊和壓板，橡膠墊與壓板留有中心孔，測試樣品位于橡膠墊與壓板之間；氣體收集裝置由單向閥和氣體收集軟袋構成，采用排液法測試透過氣體量。

圖1 模擬電弧沖擊波實驗裝置

1.2 實驗方法

進行電弧防護性能測試時，需要洗滌3次預處理，所以本實驗先將7種防電弧面料洗滌3次后，切制成8 cm×8 cm，每種面料各剪3塊，10種試樣的詳細信息如表1所示。

表1 防電弧面料的性能指標

將試樣固定于壓板和橡膠墊之間，打開氣泵和進氣閥，向儲氣罐內注入氣體，當壓力表的指針指到4 bar（大約為電弧爆炸產生的壓力）時，停止注氣，確認單向閥為打開狀態且氣體收集軟袋里的空氣被排凈后，迅速按動出氣閥，使高壓沖擊氣流沖向試樣，進入氣體收集軟袋內，立即關閉氣體收集裝置的單向閥，防止氣體回流；取下氣體收集軟袋，將其連接到測量裝置的導管上，將軟管伸入倒置的量筒中，打開單向閥，擠壓氣體收集軟袋，將袋內的氣體壓入量筒中，當氣體排凈后取出量筒中的軟管，讀取量筒上的數據并記錄。

2 結果與分析

根據表1和測試結果進行繪圖，得出防電弧面料在沖擊氣流作用下的透氣量與ATPV之間的關系，如圖2所示。

圖2 沖擊氣流作用下的透氣量與ATPV之間的關系

從圖2可以看出，在10種防電弧面料中，有8種ATPV與沖擊氣流作用下的透氣量呈近似負線性關系。隨著防電弧面料在沖擊氣流作用下的透氣量減小，防護面料的ATPV呈上升趨勢。其中，試樣8為雙層組織，雖然面密度較大，但是組織結構相對松散，在氣流沖擊下透過氣體較多，但是其雙層結構可有效減少熱傳導量，從而擁有較高的電弧防護性能值。試樣9與所得規律偏離的原因尚不明確，有待進一步研究。實驗樣本數量還不足，目前可以得到的結論是：在本實驗中，80%的防電弧面料符合“高壓沖擊氣流作用下的透氣量越小，ATPV越大”的規律。

3 結語

本課題通過模擬電弧爆燃沖擊波，研究了防電弧面料在沖擊氣流作用下的透氣量與ATPV之間的關系，10種面料中有8種滿足“高壓沖擊氣流作用下的透氣量越小，ATPV越大”的特征，有助于電弧防護性能的間接評價，缺點是實驗樣本數不足。