礦用納米吸能防沖擊服防護機理研究

衛琛浩，史雅娜，黨文龍，馬 嘯，高一可，李 超，李盟潔，李茂慶

(陜西煤業化工技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710100)

0 引言

我國能源工業中，煤炭是主體能源，煤礦工人數也是全球最多，由于受地質環境的影響，95%的煤礦作業是地下開采。作為一種特殊環境的職業，礦井作業人員要長期處于距地面幾百米以下的礦井中進行工作[1]，而大多數煤礦現場作業條件差、黑暗潮濕、工作面狹窄，還時刻伴隨著瓦斯、煤塵、水、火、頂板等災害的威脅[2-3]。因此，為保障廣大煤礦從業人員的生命安全，使用預防職業危害的有效防護用品顯得尤為重要。

近年來隨著我國煤礦開采深度的增加，沖擊地壓問題越來越突出，沖擊地壓的發生嚴重威脅煤礦作業人員的人身安全[4]。沖擊地壓是指煤礦井巷或工作面周圍煤(巖)體由于彈性變形能的瞬時釋放而產生的突然、劇烈破壞的動力現象。沖擊地壓發生時會產生強烈的沖擊波并以突然、猛烈的形式將煤巖體拋出，導致作業人員被砸傷、掩埋甚至致死[5-8]。目前現有防護服雖種類繁多，但還沒有專門針對井下沖擊地壓而設計的防護服。

針對煤礦井下沖擊地壓的問題，課題組設計開發了一種新型礦用納米吸能防沖擊服，經過防護機理分析、材料選擇、多方試驗檢測和對比，防沖擊服各項指標均滿足煤礦安全生產規定要求，發生緊急情況時能夠有效保護井下作業人員的人身安全。

1 防沖擊服結構及防護機理

長期從事礦井工作會存在一定的安全風險，像沖擊地壓的發生會直接危害人的生命安全，因此，在特定的工作場景下需要裝備防沖擊服。目前防沖擊服的形式雖多樣，但大多數都存在多種問題：從活動功能來看，礦井作業人員在工作時勞動幅度大，防護服穿著不靈活，不易穿脫，穿著后不能夠實現兩臂的自由運動、以及人體的跪、跳、蹲、跑、轉體等活動，在工作過程中極不方便[9]；從功能性來看，為了提供沖擊吸能和穩定性，往往會增加金屬材質，在危險發生時金屬碎片會直接導致風險增加。總體來說，目前現有的防護服不能夠滿足靈活性和防護性能的整體要求，導致防護服相對笨重，實用性差。基于結構穩定性和抗沖擊性能的綜合考慮，需對防護服進行新的結構設計。

美國學者GOLDMAN R F在功能服裝設計研制過程中提出“4F”原則，即Fashion(時尚性)、Fit(適合性)、Feel(舒適性)、Function(功能性)[10]。因此新型防沖擊服結構結合人體工學，采用模塊化設計，如圖1所示，其由內襯板嵌套構成，內襯板由多個組合護板通過選用合適面料將其包覆縫制；組合護板由抗壓板和緩沖層組成，整體具有多層緩沖吸能效果。抗壓板采用輕質高強度復合材料，抗沖擊力強；緩沖層貼近人體一側，采用納米吸能材料制成納米吸能緩沖層。目前關于納米吸能材料已有大量的研究，它是一種非牛頓流體，主要由納米多孔材料和非浸潤性功能液體組成，吸能密度可達到30 J/g以上，常規狀態下為均勻可流動液體。吸能機理如圖2所示，在外力沖擊作用時，外界動能會迫使非浸潤性功能液體流入納米多孔材料孔道內部，將外力機械功轉化為固體-液體的界面能和摩擦熱能，外力撤銷后，功能液體流出納米孔道，材料可多次重復利用。這樣在受到沖擊力的時候可以瞬時響應，逐層緩沖耗能，最終將沖擊載荷耗散在緩沖層，實現了礦井作業人員的有效防護。基于此，將防護性、功能性融入礦井作業勞動中，考慮服裝舒適性的同時，貼合人體，注入靈活性，不影響彎腰下蹲等動作，使得井下作業人員穿著作業時更加安全、方便、高效。

圖1 礦用納米吸能防沖擊服

圖2 納米吸能材料吸能機理

2 防沖擊服的材料選擇

礦用防護服的設計應遵循功能服裝的設計原則，同時也應結合特殊而復雜的工作環境，所以防沖擊服的服裝材料選擇非常重要[11-12]。本款防沖擊服所采用的材料遵循MT/T 843—1999《礦工普通工作服》的要求，同時保證在《煤炭工業職工勞動防護用品發放標準》規定的使用期限內，滿足防火、防水、防靜電的“三防”要求，以最大限度保障礦井作業人員作業勞動的安全性、舒適度。

礦用納米吸能防沖服所涉及的材料有面料、抗壓板和緩沖材料等。面料選用超高分子量聚乙烯纖維，這種纖維具有高剪切強度、耐沖擊和高模量的特殊屬性，在面對外力或者銳器威脅時可耐沖擊，同時作為面料，耐疲勞、耐摩擦性能優良。在面料包覆的內襯組合護板，其中抗壓板選用輕質纖維增強塑料，該種材料除了可抗沖擊以外，加工工藝簡單，可用于大規模生產；同時在模塊化的抗壓板背部粘連緩沖層。緩沖層則采用柔性材料封裝新型納米吸能材料研制而成。在外力沖擊作用時，納米吸能材料面對非線性、高速沖擊甚至多次沖擊時，緩沖吸能效果優異。目前該材料的研制已滿足阻燃抗靜電性能，可在礦井底下使用。

3 防沖擊服的性能研究

3.1 測試標準

目前適用于國內防護服的性能測試標準為MT/T 843—1999《礦工普通工作服》和GB/T 12014—2019《防護服裝防靜電服》，包括了防護服的防護面積、防靜電能力、面料斷裂強度、耐磨性能和衣片的縫紉強力。

3.2 測試儀器和設備

測試委托國家安全生產徐州勞動防護用品檢測檢驗中心，測試涉及的儀器有：XQB 46-10加熱型全自動洗衣機、YG741型縮水率烘箱、YG026型織物強力機、落球沖擊試驗儀、Y522型圓盤式織物耐磨機和ZC-90G型高絕緣電阻測量儀。

3.3 試驗結果分析

3.3.1 基本性能評價

試驗參照標準MT/T 843—1999《礦工普通工作服》和GB/T 12014—2019《防護服裝防靜電服》檢測本礦用納米吸能防沖擊服的基本性能，主要通過對防護面積、面料斷裂強力、耐磨性能、衣片縫紉強力進行評價，通過測試得出，礦用納米吸能防沖擊服符合礦井作業人員穿戴的基本要求，基本性能達標。基本性能評價見表1。

表1 礦用納米吸能防沖擊服基本性能評價

3.3.2 防靜電能力

煤礦生產過程中重復觸碰、分離的作業動作往復會產生摩擦，這會使得作業設備產生靜電，當該靜電點位達到上千上萬伏時，會累積大批量電荷，大于一定標準數量后會產生火花或者放電等情況。此時靜電火花最小值比周圍可燃瓦斯氣體的臨界值大時，會發生火災或者爆炸等安全事故，這會直接威脅礦井工作人員的人身安全，同時給煤礦企業帶來極大損失，因此礦井作業人員防護服的防靜電能力很重要[13-15]。文中通過參照標準GB/T 12014—2019《防護服裝防靜電服》進行對比測試點對點電阻，用來評估礦用納米吸能防沖擊服的防靜電能力。

從表2中可以看出，礦用納米吸能防沖擊服的點對點電阻相對于普通防護服明顯更大，這是因為在礦用納米吸能防沖擊服的材料選擇時，完全考慮了礦井工作情況，選用材料包括自主研發的納米吸能材料配方均滿足阻燃抗靜電的要求。從礦用納米吸能防沖擊服的最外層至最內層表面形成科學合理的抗靜電分子層，強化表面的平滑性，大大減小摩擦，降低靜電荷出現的概率。

表2 防靜電能力檢測

3.3.3 抗沖擊性能

針對上述提出的抗沖擊地壓問題，對比測試礦用納米吸能防沖擊服的抗沖擊性能和穩定性。測試使用不同質量的落錘，從1 m高度自由下落，沖擊防護服正面，觀察防護服的變化。

通過對比測試發現，普通防護服在面對質量為1 kg、2 kg的落錘時，無破裂、無穿透；當面對質量為3 kg的落錘時，普通防護服出現破裂、穿透，如圖3所示。然而礦用納米吸能防沖擊服在面對質量為1 kg、2 kg、3 kg、4 kg、5 kg的落錘時，無破裂、無穿透；當面對質量為6 kg的落錘時，礦用納米吸能防沖擊服內襯板未發現破裂與穿透，拆開面料發現抗壓板面出現輕微破裂、輕微穿透，納米吸能緩沖層未出現破裂、穿透，如圖4所示。

圖3 普通防護服樣品抗沖擊試驗前后對比

圖4 礦用納米吸能防沖擊服樣品抗沖擊試驗前后對比

出現該種情況是因為礦用納米吸能防沖擊服按照人體工學，采用模塊化設計，利用抗壓板和納米吸能緩沖層層層緩沖遞減，尤其是當沖擊力到達貼近人體側的納米吸能緩沖層時，內置的納米吸能材料可以瞬時將沖擊力轉化為固體-液體的界面能和摩擦熱能，將沖擊載荷耗散在緩沖層，實現了礦井工人的個體防護。

4 結語

(1)針對礦井沖擊地壓和礦井作業人員作業勞動存在的問題，設計開發出一款礦用納米吸能防沖擊服，該防沖擊服結合人體工學，采用模塊化設計，由超高分子量聚乙烯纖維包覆內襯板縫制而成；同時內襯板由多個組合護板構成，而組合護板是由抗壓板和納米吸能緩沖層組成，具有多層緩沖吸能效果。整個礦用納米吸能防沖擊服在受到外力沖擊時，從外到內層層緩沖，尤其當沖擊能量緩沖至最內納米吸能緩沖層時，可瞬時吸能，減緩沖擊能量，最大程度地保障礦井作業人員在復雜工況下的安全性和舒適性，實現人體防護。

(2)針對礦用納米吸能防沖擊服進行的測試，其滿足基本防護服性能要求；同時對比普通防護服，其防沖擊服表現出優異的抗沖擊性能和穩定性。總之，這種防沖擊服結合新材料開發應用，針對具體問題，為極端環境下工作的作業人員所必備的防護服提供了一種研究思路及方向。