专利名称：逐级相变耗热与金属增强散热的智能防火织物及制备工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种人体或环境温度隔热与防护的轻薄柔性智能复合材料技术，尤其涉及一种逐级相变耗热与金属增强散热的智能防火织物及其制备工艺，该智能防火织物可适用于消防、军事、探险、工业等特殊场合的人体防护和环境隔热。
背景技术：
火场等高温特殊环境(探险、明火高温施工、战争)是比较复杂的环境，传导热、对流热和辐射热三种传热方式并存。对火场环境的测量研究表明，火场热流中辐射热发挥着主导作用，其所占的比例为50 60 %，而热流中的对流热所占比例尚不足30 %。辐射热以电磁波的形式传播，火场高温强热环境下辐射热通量很容易超过人体生理正常平衡过程的承受能力，造成人体皮肤烧伤甚至死亡。所以防火绝热类织物或服装一直以来是研究的重点和热点问题。·由于在人体暴露于火场高温强热流环境时，渗透的辐射热和周围的高温空气在内层服装材料上的积累，会造成服装内升温，从而影响消防人员的工作并可能危及人身安全。因此，防火绝热类服装主要是尽量降低辐射热的渗透，减缓热传导，使服装深层升温速度减慢，从而确保消防人员在正常施救和灭火时的人身安全。防明火绝热织物由于其要经人体实际穿着使用，故而不仅要轻质、柔软和无移动障碍，而且本身要耐火焰冲击、耐高温且具有优良的防辐射热渗透性能，以实现对明火火源或强辐射热源的高效隔绝和对人体的安全有效防护。对于各种防火绝热类材料、织物或服装，近年来有较多的研究和专利。如消防员隔热防护服面料(专利号CN200920211471. I)由铝箔、PET聚酯膜和芳纶纤维平纹机织基布组成，其中铝箔为7 μ m厚的压延铝箔；该发明取得良好的辐射热发射效果，但由于厚度和PET聚酯膜热稳定性的限制，其在明火火场中的热防护效果甚为有限。抗热辐射耐高温阻燃防护服面料(专利号CN200920309275. 8)采用由内向外的耐热、阻燃织物纤维层、胶粘剂层和抗热辐射的防护层的复合结构，其中抗热辐射防护层为20 25 μ m的聚酯镀铝膜；本发明的防护服面料具有较好的抗热辐射性，且质轻、耐高温、收缩率小，但聚酯镀铝膜耐高温性能极为有限。铝箔防火隔热手套(专利号CN201020276197.9)由耐焰层、隔热层和内里层组成的多层复合织物制成。其中耐焰层由铝箔层和以芳纶与抗静电棉按Ripstop规律混纺编织的织物层复合而成；隔热层采用永久性阻燃无纺布。手套降低了与热源接触的危险，增强了对高温的隔离防护，但辐射热防护性能较差。具有反射层、辐射层多重结构的隔热涂层织物(专利号CN201020253770. 4)，由基布和涂覆在基布上的隔热浆料制得，其中隔热浆料为辐射功能层和含中空玻璃微球的反射功能层的两层结构。涂层织物通过反射层的反射功能后再通过辐射层的辐射功能可实现良好的防火隔热效果。抗热辐射耐高温面料(专利号CN201020644530. 7)，由外向内分别为厚度为20-25 μ m的耐高温的聚酯镀铝薄膜防护层、厚度为2-6 μ m的聚氨酯胶粘剂胶黏层和硅酸铝纤维层复合而成。这种面料主要是针对辐射热防护，聚酯镀铝薄膜虽具有一定的高温稳定性，但在面对火场高温强热流环境时很容易被熔融破坏。抗热辐射阻燃防护服面料(专利号CN201010299299. 7)从外到内依次由高温隔离纤维织物层、抗热辐射防护层、耐热阻燃纤维织物层和隔热层复合而成，但其主要是针对辐射热和阻燃，而难以在火场高温环境中长时间安全使用。抗光热辐射纳米复合织物涂层材料(专利号CN200910181069. 8)，通过特殊工艺可在织物表面形成陶瓷光热反射层，纳米钛化合物反射层及稳定层，起到对近红外线与可见光进行反射。测试结果表明复合纳米织物涂层能够反光热辐射可达81%以上。消防服用阻燃相变隔热层织物(专利号CN201010233816. O)，是将由50 90%的芳纶1313纤维、5 20%的碳纤维及O 30%的阻燃粘胶纤维组合而成的非织造纤维毡浸入制得的阻燃相变燃微胶囊工作液中，经二浸二轧工艺加工制备而成。所得织物虽具有较好的阻燃和调温性能，但由于相变微胶囊的限制难于在高温火场环境下使用。隔热复合膜(专利号CN200510024710. 9)是本专利申请人以前的发明专利，采用由高强低导热系数的高聚物基膜、高反射性能的金属层、高隔热性的氧化金属层和低导热·性可热粘合的高聚物外覆膜复合而成的结构实现高低温环境下(-150 120°C)的高效、轻质、柔性多功能热防护。隔热保温柔软薄型复合织物(专利号CN200410066650. 2)是本专利申请人以前的发明专利，一面采用耐高、低温的高性能的涂层织物，另一面采用柔软、舒适、防霜、防凝露的涂层织物，中间采用多层隔热的高聚物与金属复合膜构成的复合织物，多层复合间可带厚度、尺寸稳定的衬网织物，实现一面可承受高温、低温或高、低温复合作用，一面保持5 35°C近室温状态；本发明的复合织物的自然厚度在3 12mm，平方米重量在150 550g/m2，可实现-130 120°C条件下的隔热与防护。虽适用广泛，但隔热效果有限。该专利不是防火用途，并且所用聚合物基铝膜的高温稳定性很差。由以上专利技术所制得热防护织物或服装虽具有一定的防火绝热效果，但在实际高温强辐射环境中，仍会在极短时间内造成人体发生烧伤或灼伤，其本质是纺织材料面对火场强辐射热流环境的热隔绝性和耐久性不足。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种具有较佳热隔绝性和高温耐久性的逐级相变耗热与金属增强散热的智能防火织物。本发明的另一个目的是提供一种上述智能防火织物的制备工艺。为了达到上述目的，本发明的原理是通过多级含高反射性能金属箔、带金属丝的耐高温纤维基布、含高吸耗能相变材料的非织造复合毡的相变复合层与内层阻燃舒适层的复合，实现高温火场条件下织物对渗透强辐射热和传导热的高效传导耗散和隔绝，以及对人体的安全智能防护。以各级相变复合层实现对外界热量的相变吸热耗散限温和增强散热，以内层阻燃舒适织物保证人体穿着舒适；其中，相变复合层中的高反射性金属箔对火场强辐射热实现良好的反射，带金属丝的耐高温纤维基布实现对外层金属箔反射层的增强和稳定平整以及热量传导扩散，掺有金属短纤维的含相变材料的非织造毡实现对织物内部热量的高吸收耗散和均布。由以上3 5级带有由高到低激发温度的相变粉末的相变复合层，加最内层的阻燃织物，经整体缝合及粘合构成逐级相变耗热与金属增强散热的智能防火织物体系。智能防火织物具有轻质、柔性、智能、高效以及耐火焰冲击性能、高温热稳定性能和防辐射热渗透性能优良、可重复使用等特点。本发明的一个具体技术方案是提供了一种逐级相变耗热与金属增强散热的智能防火织物，其特征在于包括η层带有不同激发温度相变粉末的相变复合层，η = 3、4或5，相变复合层由面向火焰或高温源的带有最高激发温度相变粉末的第一相变复合层至面向人体的带有最低激发温度相变粉末的第η相变复合层依次层叠缝合或粘合而成，在第η相变复合层上缝合或粘合位于第η+1层的阻燃舒适层，阻燃舒适层的外表面与人体接触。优选地，所述第一相变复合层至所述第η相变复合层的结构及构成均相同，包括面向火焰或高温源的金属箔、带有金属丝的耐高温纱线制成的增强基布紧挨金属箔、掺有 金属短纤维的耐高温纤维毡与增强基布相缝合及粘附在耐高温纤维毡中在激发温度可发生固-液相变的相变粉末。优选地，所述金属箔为厚度为5 10 μ m的纯铝箔或铝合金箔；所述耐高温纱线是由玻璃纤维或玄武岩纤维与所述金属丝复合纺纱而成；所述金属丝为直径为10 50 μ m的金属长丝；所述金属丝与所述耐高温纱线的复合比为I 10%，以对所述耐高温纱线增强并使热量迅速扩散和均布。优选地，所述金属长丝为不锈钢长丝、铜长丝、钢长丝、或铝长丝中的一种。优选地，所述耐高温纤维毡是指玻璃纤维毡或玄武岩纤维毡；所述金属短纤维为不锈钢金属短纤维、铜金属短纤维、铝金属短纤维、或钢短纤维中的一种，以增加热量在耐高温纤维毡中的快速扩散和均布，实现有效的相变耗热，从而减少热量集中或局部过热。优选地，所述阻燃舒适层为阻燃棉织物、阻燃涤纶织物、或Nomex纤维织物中的一种。本发明的另一个技术方案是提供了一种上述的逐级相变耗热与金属增强散热的智能防火织物的制备工艺，其特征在于，步骤为第一步、将第i相变复合层的带有相变粉末的耐高温纤维毡与第i + Ι相变复合层的金属箔用耐高温粘结剂均匀、点粘结相粘合，以防止第i相变复合层的相变粉末在加工和使用中的泄漏；将第η相变复合层的带有相变粉末的耐高温纤维毡与位于第η+1层的阻燃舒适层相缝合，以防止第η相变复合层的相变粉末在加工和使用中的泄漏；第二步、将除第一相变复合层的金属箔外的所有相变复合层和阻燃舒适层层叠缝合后，再将第一相变复合层的金属箔用耐高温粘结剂均匀、点粘结相粘合，以形成密闭、平整、无破损的智能防火织物。优选地，所制得的所述智能防火织物的自然厚度为6 20mm，实际压紧厚度为3 12mm，平方米质量在500 1500g/m2。优选地，所述相变粉末的相变激发温度在50 600°C，在该温度范围内选定位于第一相变复合层及位于第η相变复合层的相变粉末的激发温度后，当中各相变复合层的相变粉末的激发温度按照等温度差原则进行选择。本发明的另一个技术方案是提供了一种上述的逐级相变耗热与金属增强散热的智能防火织物的应用，其特征在于用于500 KKKTC高温强热流火场环境条件下安全使用的隔热防护材料。
有关含金属丝复合纱的加工和在功能织物方面的应用，本专利申请人已经申请了相关专利。在一种吸波高弹纱及其生产设备和生产方法(专利号CN201110242760. X)和金属丝包缠弹力丝的电磁屏蔽纱及其生产设备和生产方法(专利号CN201110242817.6)中，均采用环锭纺细纱机制得具有吸波和电磁屏蔽功能的由外侧缠绕的包芯结构纱段和内部弹力丝组成的复合纱，其中包芯结构纱段由金属丝以及螺旋状缠绕在金属丝外侧的短纤维须条制成。本发明针对高温强辐射热火场环境(500 1000°C)下的实际应用需求，遵循功能分担、逐级相变限温、层层增强散热以及高效智能的原则，含高反射性能金属箔、带金属丝的耐高温纤维基布、含高吸耗能相变材料的非织造复合毡的相变复合层与内层阻燃舒适层的复合，实现高温火场条件下织物对渗透辐射热和传导热的高效耗散和智能隔绝，从而有效保证穿着者的人体安全。与现有技术相比，本发明具有如下优点I、智能防火织物加强了逐级相变耗热和金属增强散热功能，各级相变复合层中相·变材料激发温度不同且巧妙应用金属丝或短纤维，可实现逐级耗热限温和热量的扩散均布，有效避免了过热或热量集中；2、智能防火织物的功能分担更为合理、逐级限温和耗热，整体结构更为完善、能增强、耐热、散热为一体，达到了高效、智能、轻结构的热防护效果；3、智能防火织物加工成形相对方便，只需粘合或缝合成形，适用领域广，可用于火场、战场等抢险救生环境的服装，也可用于航空航天防护材料。
图I是逐级相变耗热与金属增强散热的智能防火织物的层状结构示意图。图中11-第一相变复合层I的厚度为5 10 μ m金属箔，nl_第η相变复合层η的厚度为5 10 μ m金属箔；12-第一相变复合层I的耐高温增强基布，n2_第η相变复合层η的耐高温增强基布；13-第一相变复合层I的直径为10 50 μ m的金属丝，n3_第η相变复合层η的直径为10 50 μ m的金属丝；14-第一相变复合层I的耐高温纤维非织造毡，n4_第η相变复合层η的耐高温纤维非织造毡；15-第一相变复合层I的金属短纤维，η5-第η相变复合层η的金属短纤维；16-第一相变复合层I的，η6-第η相变复合层η的相变粉末；η+1-阻燃舒适织物；A-金属增强散热的增强体和散热通道。
具体实施例方式为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。如图I所示，本发明提供的一种逐级相变耗热与金属增强散热的智能防火织物，其包括η层带有不同激发温度相变粉末的相变复合层，η = 3、4或5，即对应相变粉末的激发温度分为3 5级，相变复合层由面向火焰或高温源的带有最高激发温度相变粉末的第一相变复合层I至面向人体的带有最低激发温度相变粉末的第η相变复合层η依次层叠缝合或粘合而成，在第η相变复合层η上缝合或粘合位于第η+1层的阻燃舒适层η+1，阻燃舒适层的外表面与人体接触。第一相变复合层I至所述第η相变复合层η的结构及构成均相同，包括面向火焰或高温源的金属箔、带有金属丝的耐高温纱线制成的增强基布紧挨金属箔、掺有金属短纤维的耐高温纤维毡与增强基布相缝合及粘附在耐高温纤维毡中在激发温度可发生固-液相变的相变粉末。相变粉末的相变激发温度在50 600°C，在该温度范围内选定位于第一相变复合层I及位于第η相变复合层的相变粉末的激发温度后，当中各相变复合层的相变粉末的激发温度按照等温度差原则进行选择。·金属箔为厚度为5 10 μ m的纯铝箔或铝合金箔；所述耐高温纱线是由玻璃纤维或玄武岩纤维与所述金属丝复合纺纱而成；所述金属丝为直径为10 50 μ m的金属长丝，金属长丝为不锈钢长丝、铜长丝、钢长丝、或铝长丝中的一种；所述金属丝与所述耐高温纱线的复合比为I 10%，以对所述耐高温纱线增强并使热量迅速扩散和均布。耐高温纤维毡是指玻璃纤维毡或玄武岩纤维毡；所述金属短纤维为不锈钢金属短纤维、铜金属短纤维、铝金属短纤维、或钢短纤维中的一种，以增加热量在耐高温纤维毡中的快速扩散和均布，实现有效的相变耗热，从而减少热量集中或局部过热。阻燃舒适层η+1为阻燃棉织物、阻燃涤纶织物、或Nomex纤维织物中的一种。本发明还提供了一种上述的逐级相变耗热与金属增强散热的智能防火织物的制备工艺，其步骤为第一步、将第i相变复合层的带有相变粉末的耐高温纤维毡与第i+Ι相变复合层的金属箔用耐高温粘结剂均匀、点粘结相粘合，以防止第i相变复合层的相变粉末在加工和使用中的泄漏；将第η相变复合层的带有相变粉末的耐高温纤维毡与位于第η+1层的阻燃舒适层η+1相缝合，以防止第η相变复合层的相变粉末在加工和使用中的泄漏；第二步、将除第一相变复合层I的金属箔外的所有相变复合层和阻燃舒适层η+1层叠缝合后，再将第一相变复合层I的金属箔用耐高温粘结剂均匀、点粘结相粘合，以形成密闭、平整、无破损的智能防火织物。所制得的所述智能防火织物的自然厚度为6 20mm，实际压紧厚度为3 12mm，平方米质量在500 1500g/m2。下述具体实施例I 3是采用不同级的相变复合层与内层阻燃舒适层的复合实际制备本发明所述的逐级相变耗热与金属增强散热的智能防火织物，其中各相变复合层采用的金属箔、耐高温纤维材料、金属丝或短纤维、相变粉末有所差异；并对所得智能防火在不同的火场及高温条件下的内侧即反面限定最高温度及其持续最长时间进行实测，详见下表。同时，对经受火焰和高温作用后的智能防火作外观评价和第二次重复试验的测量和外观评价，结果详见下表及以下表述。实施例I
采用本发明的逐级相变耗热与金属增强散热的智能防火织物的三级相变复合层结构和如下表的材料，并采用本发明所述的制备方法制得智能防火织物，将其置于900°C火场条件下，实测的内侧即反面限定的最高温度及其持续最长时间如下表实施例I栏所示。实际目测观察，表面完好无损，揉搓和弯折无明显脆化点或裂纹。待冷却后，再次放入同样火场条件，所得的第二次处理时的限定最高温度及其持续最长时间见下表所示，说明无变化，持续最长时间还略呈增加，是材料的膨松化所致；且再次实测观察，该智能防火织物表面完好无损，揉搓和弯折无明显脆化点或裂纹。由此证明该智能防火织物防火绝热性能稳定，可多次使用。实施例2采用本发明的逐级相变耗热与金属增强散热的智能防火织物的四级相变复合层结构和如下表的材料，并采用本发明所述的制备方法制得智能防火织物，将其置于1000°c火场条件下，实测的内侧即反面限定的最高温度及其持续最长时间如下表实施例2栏所示。实际目测观察，表面完好无损，揉搓和弯折无明显脆化点或裂纹。待冷却后，再次放入同样火场条件，所得的第二次处理时的限定最高温度及其持续最长时间见下表所示，说明·无变化，持续最长时间还略呈增加，是材料的膨松化所致；且再次实测观察，该智能防火织物表面完好无损，揉搓和弯折无明显脆化点或裂纹。由此证明该智能防火织物防火绝热性能稳定，可多次使用。实施例3采用本发明的逐级相变耗热与金属增强散热的智能防火织物的五级相变复合层结构和如下表的材料，并采用本发明所述的制备方法制得智能防火织物，将其置于1000°c火场条件下，实测的内侧即反面限定的最高温度及其持续最长时间如下表实施例3栏所示。实际目测观察，表面完好无损，揉搓和弯折无明显脆化点或裂纹。待冷却后，再次放入同样火场条件，所得的第二次处理时的限定最高温度及其持续最长时间见下表所示，说明无变化，持续最长时间还略呈增加，是材料的膨松化所致；且再次实测观察，该智能防火织物表面完好无损，揉搓和弯折无明显脆化点或裂纹。由此证明该智能防火织物防火绝热性能稳定，可多次使用。逐级相变耗热与金属增强散热的智能防火织物的构成、结构参数与实测结果
权利要求
1.一种逐级相变耗热与金属增强散热的智能防火织物，其特征在于包括n层带有不同激发温度相变粉末的相变复合层，n = 3、4或5，相变复合层由面向火焰或高温源的带有最高激发温度相变粉末的第一相变复合层(I)至面向人体的带有最低激发温度相变粉末的第n相变复合层(n)依次层叠缝合或粘合而成,在第n相变复合层(n)上缝合或粘合位于第n+1层的阻燃舒适层(n+1)，阻燃舒适层的外表面与人体接触。
2.如权利要求I所述的一种逐级相变耗热与金属增强散热的智能防火织物，其特征在于所述第一相变复合层(I)至所述第n相变复合层(n)的结构及构成均相同，包括面向火焰或高温源的金属箔、带有金属丝的耐高温纱线制成的增强基布紧挨金属箔、掺有金属短纤维的耐高温纤维毡与增强基布相缝合及粘附在耐高温纤维毡中在激发温度可发生固-液相变的相变粉末。
3.如权利要求2所述的一种逐级相变耗热与金属增强散热的智能防火织物，其特征在于所述金属箔为厚度为5 IOym的纯铝箔或铝合金箔；所述耐高温纱线是由玻璃纤维或玄武岩纤维与所述金属丝复合纺纱而成；所述金属丝为直径为10 50 y m的金属长丝；所述金属丝与所述耐高温纱线的复合比为I 10%，以对所述耐高温纱线增强并使热量迅速扩散和均布。
4.如权利要求3所述的一种逐级相变耗热与金属增强散热的智能防火织物，其特征在于所述金属长丝为不锈钢长丝、铜长丝、钢长丝、或铝长丝中的一种。
5.如权利要求2所述的一种逐级相变耗热与金属增强散热的智能防火织物，其特征在于所述耐高温纤维毡是指玻璃纤维毡或玄武岩纤维毡；所述金属短纤维为不锈钢金属短纤维、铜金属短纤维、铝金属短纤维、或钢短纤维中的一种，以增加热量在耐高温纤维毡中的快速扩散和均布，实现有效的相变耗热，从而减少热量集中或局部过热。
6.如权利要求I所述的一种逐级相变耗热与金属增强散热的智能防火织物，其特征在于所述阻燃舒适层(n+1)为阻燃棉织物、阻燃涤纶织物、或Nomex纤维织物中的一种。
7.—种如权利要求I所述的逐级相变耗热与金属增强散热的智能防火织物的制备工艺，其特征在于，步骤为 第一步、将第i相变复合层的带有相变粉末的耐高温纤维毡与第i+1相变复合层的金属箔用耐高温粘结剂均匀、点粘结相粘合，以防止第i相变复合层的相变粉末在加工和使用中的泄漏；将第n相变复合层的带有相变粉末的耐高温纤维毡与位于第n+1层的阻燃舒适层(n+1)相缝合，以防止第n相变复合层的相变粉末在加工和使用中的泄漏； 第二步、将除第一相变复合层(I)的金属箔外的所有相变复合层和阻燃舒适层(n+1)层叠缝合后，再将第一相变复合层(I)的金属箔用耐高温粘结剂均匀、点粘结相粘合，以形成密闭、平整、无破损的智能防火织物。
8.如权利要求7所述的一种逐级相变耗热与金属增强散热的智能防火织物的制备工艺，其特征在于所制得的所述智能防火织物的自然厚度为6 20mm，实际压紧厚度为3 12mm，平方米质量在500 1500g/m2。
9.如权利要求7所述的一种逐级相变耗热与金属增强散热的智能防火织物的制备工艺，其特征在于所述相变粉末的相变激发温度在50 600°C，在该温度范围内选定位于第一相变复合层(I)及位于第n相变复合层的相变粉末的激发温度后，当中各相变复合层的相变粉末的激发温度按照等温度差原则进行选择。
10.一种如权利要求I所述的逐级相变耗热与金属增强散热的智能防火织物的应用，其特征在于用于500 100(TC高温强热流火场环境条件下安全使用的隔热防护材料。
全文摘要
本发明涉及一种逐级相变耗热与金属增强散热的智能防火织物及其制备工艺，其是由3～5级带有由高到低激发温度的相变粉末的相变复合层，加最内层的阻燃舒适层整体缝合及粘合构成的智能防火织物。当正面即相变复合层受明火强热流作用时，其反面即阻燃织物能保持50℃以下近人体皮肤安全温度状态，且整体结构形态和力学性能稳定。该复合织物的自然厚度为5～15mm，压紧厚度为3～8mm；平方米质量在400～1500g/m2，为完全密闭粘合、缝制的防火隔热面料，可用于消防、军事、探险、安全逃生、工业等高温特殊场合的各体防护和环境隔热。
文档编号B32B33/00GK102785424SQ20121029340
公开日2012年11月21日 申请日期2012年8月16日 优先权日2012年8月16日
发明者于伟东, 郝立才 申请人:东华大学