徐炎炎 蔡普寧 權國明 孫凱飛 劉 琳

（陜西省紡織科學研究院有限公司，陜西西安，710038）

焊接技術在現(xiàn)代制造業(yè)的快速發(fā)展中發(fā)揮著不可替代的作用。焊接過程產(chǎn)生影響人體健康的有害因素可分為物理有害因素和化學有害因素，物理有害因素有焊渣飛濺、電焊弧光、電磁波、熱輻射及放射線等，化學有害因素有電焊煙塵和有害氣體等。焊接工人長期在電焊弧光照射、高溫、焊渣飛濺、熱輻射等條件下作業(yè)，身體很容易受到傷害，造成塵肺、電光性眼炎、一氧化碳中毒、放射性疾病、電光性皮炎及金屬煙熱等焊接職業(yè)病。因此，焊接工人在進行電焊作業(yè)時必須采取防護措施。目前，化學危害因素的防護主要采用除塵系統(tǒng)和佩戴獨立的呼吸系統(tǒng)實現(xiàn)，物理危害因素的防護主要通過個體防護用品實現(xiàn)。個體焊接防護用品包括焊接防護服、防護面罩、焊接披肩、防護手套等，其防護作用在很大程度上都得依賴于焊接防護面料的性能，因此開發(fā)高效防護焊接面料是提升焊接防護安全的必要手段。

本研究通過梳理分析焊接防護面料的防護需求，總結(jié)了焊接防護面料的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀，并展望了焊接防護面料的研發(fā)方向，為高效焊接防護面料的開發(fā)提供參考。

1 焊接防護面料的防護需求

焊接技術的誕生已有數(shù)千年歷史，雖然人們不斷通過技術改進提高焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率，降低勞動強度和改善勞動環(huán)境，但依然會產(chǎn)生一定形式的危害因素?，F(xiàn)代工業(yè)中使用最多的是電弧焊，從電弧焊的分類、特點以及主要危害因素分析中發(fā)現(xiàn)，電弧焊的主要物理危害因素是電焊火花飛濺和電焊弧光。

電焊作業(yè)過程中會形成大量的電焊火花飛濺，其實就是熔融的金屬焊條熔滴（滑落到衣服或人體時溫度在500 ℃～700 ℃），其對人體的主要傷害是熔融金屬燙傷，同時高溫的金屬熔滴可能會引起火災，并對人體造成燒傷。為防止焊接火花引起火災，焊接場所應避免使用易燃材料，且焊接工人必須穿戴具有防熔融金屬滴沖擊功能的阻燃防護服。

焊接時，在兩電極之間的氣體介質(zhì)中會產(chǎn)生強烈而持久的電焊弧光，其中包含高強度的紅外線（占能量的35%）、可見光（占能量的3%）和紫外線（占能量的62%）等。紅外線主要通過光產(chǎn)生熱效應而對人體造成危害，引起熱輻射相關的職業(yè)病，如中暑、熱灼傷等；紫外線主要通過光化學作用對人體產(chǎn)生危害，主要損傷眼睛和裸露的皮膚，引起電光性眼炎、慢性瞼緣炎和皮膚紅斑癥等［1］。因此，對于電焊弧光輻射防護，要防止輻射熱和紫外線對人體造成的傷害。

2 焊接防護面料的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀

2.1 焊接防護面料的發(fā)展歷程

早期的焊接防護面料是單位面積質(zhì)量超過400 g/m2的棉帆布，熔融焊渣濺落在服裝上后，被棉帆布上的凹凸交叉點漫反射回去，有一定的防護功效。但這類服裝厚重且不阻燃，一旦被引燃，容易導致人體大面積燒傷。隨后，人們將棉帆布進行阻燃后處理，使面料具有了一定的阻燃性。但是其阻燃耐久性較差，隨著使用時間的增長和洗滌次數(shù)的增多，其阻燃性會大幅下降，增加了焊接作業(yè)人員的安全風險。同時，熔融的金屬焊渣溫度較高，容易使面料上出現(xiàn)破洞，增加了電焊工人被焊渣灼傷的風險。后來，加入阻燃劑的牛皮或者牛皮與棉后阻燃帆布拼接防護服逐漸進入市場，使焊接防護效果得到了提高，但此類面料仍舊比較厚重，單位面積質(zhì)量多在350 g/m2以上，服裝的透氣性、靈活性和舒適性都比較差，不適于長期作業(yè)穿著。

近年來，隨著人們安全防護意識的提高和高性能纖維的涌現(xiàn)，人們開始從防護面料的阻燃性能、抗熔融金屬沖擊性能、熱防護性能以及防紫外線輻射等方面開始探索研發(fā)新型焊接防護面料。

2.2 焊接防護面料的阻燃性研究

面料的阻燃性可以通過使用本質(zhì)阻燃纖維（如芳綸、聚酰亞胺等）、阻燃改性纖維、阻燃纖維與普通纖維混紡紗以及織物阻燃后整理等實現(xiàn)［2］。純本質(zhì)阻燃纖維面料的阻燃性雖然較好，但成本較高，因此研究較多的是纖維混紡紗和織物阻燃后整理技術。

在纖維共混阻燃方面，蘭紅艷等［3］以芳砜綸、羊毛、阻燃粘膠為原料，開發(fā)了一款電焊服面料；該面料的各項性能均滿足GB 8965.2—2009《防護服裝阻燃防護第2 部分：焊接服》要求，其中阻燃性符合B 級要求，抗熔融金屬沖擊性、熱穩(wěn)定性以及熱防護性符合A 級要求，且該面料具有毛織物的風格和穿著舒適性。沈卓穎等［4］測試了多個阻燃織物樣本的阻燃性能、力學性能、透氣性、透濕性等，結(jié)果表明：75%腈氯綸、23%芳綸1313和2%防靜電纖維的混紡面料阻燃性良好，可適用于多個防護領域。趙書林等［5］將芳綸和阻燃粘膠按不同混紡比制成織物并進行垂直燃燒試驗，發(fā)現(xiàn)混紡織物比各自純紡織物阻燃性好，且混紡織物手感柔軟，吸濕透氣性好。

在織物后整理方面，XU L 等［6］在棉織物表面接枝了有機硅、有機磷及三嗪類阻燃劑，使織物極限氧指數(shù)由18.3%上升至26.3%。LING C 等［7］在無溶劑環(huán)境下以接枝法構(gòu)建了磷氮協(xié)效阻燃體系，經(jīng)50 次洗滌后織物的極限氧指數(shù)仍高達29.3%，賦予了織物高效、耐久阻燃的同時實現(xiàn)了無鹵、無甲醛環(huán)保阻燃。李靜等［8］將溶膠-凝膠法與浸軋烘焙法相結(jié)合，使磷氮硅系阻燃劑在棉織物表層形成耐久涂層，實現(xiàn)了面料的耐久阻燃。

總之，雖然通過纖維共混阻燃和織物后整理可以實現(xiàn)面料較好的阻燃效果，但目前市場上實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化并推廣應用于焊接防護領域的相關產(chǎn)品還不多。

2.3 焊接防護面料的抗熔融金屬沖擊性研究

抗熔融金屬沖擊性是焊接防護面料重要的防護性能指標。王斌等［9］設計開發(fā)了一種防護服用織物抗熔融金屬沖擊性能測試儀器，通過分析測試結(jié)果，可有針對性地設計開發(fā)面料，為焊接防護面料的開發(fā)奠定了較好的研究基礎。劉琳等［10］測試了6 種具有代表性樣品的防熔融鋁液沖擊性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：羊毛/阻燃粘膠面料的防護效果最好，布面不收縮、不黏附。分析認為這是由于羊毛/阻燃粘膠混紡產(chǎn)品充分利用了羊毛鱗片的彈性，可將熔融金屬液體碎化，且阻燃粘膠遇高溫熔融金屬后迅速炭化，使熔融金屬液體快速滑落，從而降低了穿著人員被燙傷的風險。基于此，劉琳等［11］又設計了60%阻燃粘膠、20%羊毛、10%錦綸、8%對位芳綸和2%導電纖維混紡防熔融金屬飛濺面料，并按照精梳毛紡工藝完成了生產(chǎn)加工，測試分析發(fā)現(xiàn)該面料表現(xiàn)出了良好的阻燃性能，且具有一定的耐洗滌性，在特定的環(huán)境中對熔融金屬溶液具有良好的防護性能。張生輝等［12］介紹了一款防熔融金屬飛濺面料（55% 阻燃粘膠、25%羊毛和20%其他功能性纖維混紡）的設計思路、結(jié)構(gòu)特點、染整工藝流程和生產(chǎn)實踐要點，指出在開發(fā)防熔融金屬飛濺面料時應選擇具有易炭化、抗熔融金屬沖擊、抗熱收縮、阻燃、抗熱傳遞等功能的纖維。李文輝等［13］闡述分析了熔融金屬噴濺防護的原理，認為在確保面料瞬時阻燃性的前提下，應盡量減少熔融金屬在面料上的附著量和附著時間，使熔融金屬快速滑落，縮短熔融金屬與面料在同一位置的接觸時間，減少熔融金屬在面料上的熱傳導量，從而避免燙傷穿著人員。

上述研究主要針對的是冶金行業(yè)產(chǎn)生的大量熔融金屬噴濺防護，與焊接所產(chǎn)生的少量高溫金屬液體飛濺，即熔融金屬滴沖擊防護是有所區(qū)別的。其主要表現(xiàn)在兩方面，一是產(chǎn)生的熔融金屬量不同，二是冶金熔融金屬噴濺過程中沒有弧光輻射。因此，在開發(fā)焊接防護面料時，可以借鑒熔融金屬噴濺防護面料的設計原理，同時也必須從焊接防護的角度出發(fā)，重視少量熔融金屬滑脫性、阻燃隔熱性以及紫外線防護性能等的綜合性能。

2.4 焊接防護面料的熱防護性能研究

焊接弧光中的紅外光會釋放大量的熱能并對人體造成慢性熱傷害。趙仁平等［14］公開了一種高阻燃隔熱焊接服面料，織物組織為經(jīng)二重，表層經(jīng)紗為聚酰亞胺纖維，里層經(jīng)紗為聚酰亞胺纖維和阻燃粘膠混紡紗，緯紗是芳綸1313 和阻燃粘膠混紡紗。該面料具有永久阻燃、高強度以及良好的舒適性，同時這種結(jié)構(gòu)增加了織物厚度，進一步提高了織物的隔熱性。代國亮等［15］公開了一種基于高比熱容物質(zhì)的電焊防護面料，該面料是在阻燃織物的正面施加高吸水涂層組合物（包含油性聚氨酯、交聯(lián)劑、高吸水樹脂、分散劑、木質(zhì)素粉等），在織物背面做拒水整理；在使用前，用水對正面高吸水涂層進行噴淋或噴霧（施加量為100 g/m2～300 g/m2），使接觸該面料的電焊火花快速熄滅，熱量被快速轉(zhuǎn)移，從而減少到達皮膚的熱量，保護皮膚免受灼傷。朱士鳳等［16］公開了一種具有石墨烯涂層的電焊防護服面料，其制備方法：將石墨烯溶液充分分散后加入到固色劑溶液中，再將所配制的石墨烯混合溶液涂覆到阻燃基布上；使用該方法制備的電焊防護服面料具有優(yōu)異的防熔融金屬滴落升溫功能（15 滴熔融金屬滴落后的升溫不超過37 ℃）。

上述幾種技術中，聚酰亞胺和石墨烯的成本較高，正面施加高吸水涂層的使用可行性還有待實踐驗證，但都為高效熱防護焊接面料的開發(fā)提供了較好的研究思路。

2.5 焊接防護面料的防紫外輻射研究

目前關于焊接防護面料防紫外輻射性能的研究較少。STEFAN Bauer［17］基于太陽紫外線防護因子的思想提出了一種改進的焊接防護因子，研究后發(fā)現(xiàn)影響焊接防護因子的主要因素是紡織品的紫外線透過率。周琦［18］提出織物孔隙率越低，防紫外線效果越好；織物顏色越深，對紫外線防護性能越好。上述研究基本處于理論探討和試驗室研究階段，且價格較貴，推廣難度大。市場迫切需求阻燃、隔熱且抗熔融金屬沖擊性能較好的焊接防護面料。

3 焊接防護面料的研發(fā)方向

3.1 提高阻燃性

提高焊接防護面料的阻燃性主要有兩個途徑：一是利用阻燃纖維，通過纖維復配、紡紗、織造等技術，開發(fā)高性價比的本質(zhì)阻燃焊接防護面料；二是開發(fā)綠色環(huán)保且具有耐洗性的新型阻燃劑，通過層層自組裝、溶膠-凝膠、雙層固化以及等離子體沉積等新技術完成織物阻燃后整理［19］。

3.2 提高抗熔融金屬沖擊性

要提高面料的抗熔融金屬沖擊性目前有兩種思路。一是采用耐高溫纖維阻止熔融金屬飛濺顆粒，使面料具有較佳的防護效果。選用的纖維耐高溫溫度至少要達到500 ℃，如PBO 纖維（熱分解溫度可達650 ℃）、PBI 纖維（熱分解溫度可達600 ℃）等。二是采用對熔融金屬具有較好滑脫性的纖維材料（如阻燃粘膠、羊毛等），并采用有助于熔融金屬滑落的織物組織，使熔融金屬顆粒能快速從衣服上滑落，從而實現(xiàn)防護效果。

3.3 提高熱防護性能

熱防護性能與織物的材料、單位面積質(zhì)量、厚度、織物密度以及織物組織都有直接關系。因此，提升面料的熱防護性可以從纖維原材料選用和織物規(guī)格設計兩方面考慮。選擇原材料時首先要考慮耐熱性好、導熱系數(shù)小的阻燃纖維（如聚酰亞胺、阻燃氣凝膠纖維等）；在進行織物規(guī)格設計時可以考慮使用雙層、多層結(jié)構(gòu)，通過增加面料中的空氣層來提高其熱防護性能和阻燃性能［20］。

3.4 實現(xiàn)綜合防護

隨著人們安全防護意識的提高，對安全防護裝備提出了更高的要求。要提高個體焊接防護服裝的安全性能，必須實現(xiàn)綜合防護?？梢詮脑牧线x擇、紗線結(jié)構(gòu)、織物規(guī)格以及新型加工方法4個方面入手，綜合考慮防護面料的阻燃性、熱防護性、抗熔融金屬沖擊性能以及舒適性等，開發(fā)滿足GB 8965.2—2009《防護服裝阻燃防護 第2 部分：焊接服》A 級要求或 ISO 11611—2015《Protective Clothing for Use in Welding and Allied Processes》Class2 要求的舒適型焊接防護服面料，解決市場上現(xiàn)有焊接防護面料性能單一、安全防護性差、舒適性欠佳等問題。

4 結(jié)語

通過總結(jié)和分析焊接防護面料的防護需求、發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)目前對焊接防護面料的研究主要集中在阻燃、熱防護等單一功能方面，而對其阻燃性、抗熔融金屬沖擊性、隔熱性、防紫外線輻射性以及服用舒適性等復合功能的系統(tǒng)研究還相對較少。焊接防護面料在今后的研究開發(fā)中，應在實現(xiàn)阻燃熱防護的同時，提高其抗熔融金屬沖擊性和防紫外線輻射性能，重點開發(fā)集多功能于一體的新型焊接防護面料。