熔融金属喷溅防护服的发展现状与趋势

李文辉 汪泽幸 王曼青 凌群民

（1.湖南永霏特种防护用品有限公司，湖南湘潭，411101；2.湖南工程学院，湖南湘潭，411101）

1 研究背景

高温金属液体伤害已成为冶金行业最典型的职业伤害，包括熔融金属（钢水、铁水、铝液、铜液等）及其液态炉渣的高温金属液体；在冶炼、转运、铸造及加工处理过程中，因水汽化爆炸、高温金属液体容器跌落与倾翻、高温金属液体的反应气体喷溅、熔融金属泄漏等，易发生喷溅、泄漏、爆炸等事故，造成烧伤、烧死或高温窒息等事故［1-3］。因而，冶金企业在生产过程中，特别注意冶金设备和冶金过程中的防水、防潮，起重运输设备的检测、检验，严控生产工艺条件，强化安全管理工作，主动预防高温金属液体伤害事故的发生；此外，存在高温金属液体喷溅风险作业环境中的作业人员，配备熔融金属喷溅防护服装，可减少或避免高温金属液体对作业人员的伤害。

2 熔融金属喷溅防护原理

对铁水、铝液等熔融金属喷溅的防护机理是一致的。由于熔融金属的温度较高，因而在确保面料瞬时阻燃性的前提下，尽量减少熔融金属在面料上的附着量和附着时间，确保熔融金属快速滑落，缩短熔融金属与面料在同一位置的接触时间，减少熔融金属在面料上的热传导量，从而达到避免烫伤穿着人员的目的。由于以铁为代表的重金属和以铝为代表的轻金属，其在液态下的物理性质存在明显差异，因而对铁水和铝液喷溅的防护途径存在一定的差异。

通常，以体积质量4.5 g/cm3为界，将体积质量大于4.5 g/cm3的金属称为重金属，如铁、铜、铅、锌、镍等；将体积质量小于4.5 g/cm3的金属称为轻金属，如铝、镁、钾、钙、钡、钛等。

铁是常规重金属中熔点最高的金属。通常铁水温度在1 350 ℃～1 540 ℃，受铁水纯度的影响，出炉或喷溅出的铁水温度大约1 400 ℃；因存在少量杂质的缘故，1 400 ℃时铁水尚未凝固。由于铁的相对原子质量高（55.845），铁水的体积质量高（约7.1 g/cm3），比热容低（约0.462 kJ/kg·℃），熔 化 热（凝 固 放 热）约11.495 kJ/mol，凝固放热量相对较少，接触常温物体表面后易产生炸裂现象，不易黏附物体表面，铁水喷溅到面料表面后快速滚动下滑，因而对铁水喷溅的防护相对较为容易。但因铁水温度较高，对面料的耐高温性能，特别是短时间耐高温性能的要求较高。能防铁水喷溅的面料，基本上能防其他重金属的等量喷溅［4］。

铝为最具有代表性的轻金属，其熔点约660 ℃，电解铝生产过程中，电解槽的温度基本控制在950 ℃～970 ℃，出炉温度大约780 ℃，高于熔点10 ℃左右。铝的相对原子质量为26.982，低于铁；相对于铁水，铝液的体积质量较低（约2.3 g/cm3），比热容高（约为铁水的1.5 倍），凝固放热超过铁水的10 倍，且铝液的表面张力较低；当铝液喷溅到面料表面时，易黏附在面料表面，在面料表面向下流动速度相对缓慢；当铝液接触常温物体表面时，如铝液温度迅速降至凝固温度660.4 ℃左右，铝液的流动速度将进一步降低，在重力作用下易延展成面皮状的黏着物；此时，通过面料进行热传导，对人体造成的热伤害比铁水更为严重。能防铝喷溅的面料，基本上也能防其他轻金属的等量喷溅。

理论与实践均表明，虽然相对于铁水，铝液绝对温度较低，但铝液喷溅更难防护。一般而言，能防铝液喷溅的面料可以防铁水喷溅，但能防铁水喷溅的面料却不一定能防铝液喷溅［5］。

3 与熔融金属防护服相关的标准

我国现有针对高温金属液体防护的标准为GB 8965.2—2009《防护服装 阻燃防护 第2 部分:焊接服》（以下简称GB 8965.2—2009），其适用于少量高温金属液体，即熔融金属飞溅的防护，其对从事焊接及相关作业场所（如熔融切割等），可能遭受熔融金属飞溅及其热伤害的作业人员用防护服装进行了规范［6］。该标准中的防护性能指标涉及防熔融金属小滴冲击、阻燃性能、热稳定性、热防护系数指标等。针对大量熔融金属，即熔融金属喷溅防护的标准尚处于空白状态。

我国现有熔融金属喷溅防护服主要参考ISO 11612:2015《Protective Clothing—Clothing to Protect against Heat and Flame—Minimum Performance Requirements》（ 以 下 简 称 ISO 11612:2015）与ISO 9185:2007《Protective Clothing—Assessment of Resistance of Material to Molten Metal Splash》（以下简称ISO 9185:2007）［7-8］。ISO 11612:2015 综合了尺寸稳定性（耐热与水洗尺寸稳定性）、阻燃性能、热防护性能（热防护系数，对流热传导、辐射热传导、接触热传导）、耐熔融金属（铁水、铝液）喷溅等方面的防护性能。因语言原因，该标准的采纳、宣讲与推广受限，导致用户在防熔融金属喷溅服选用时影响较大，且对熔融金属飞溅与熔融金属喷溅两种表述混用［9］；因而急需结合我国实际情况，制定相关的国家标准，完善熔融喷溅防护面料及防护服的标准。

4 熔融金属喷溅防护面料

熔融金属的防护一直是棘手的难题。传统防护手段为采用厚重的帆布（单位面积质量超过350 g/m2，甚至高达450 g/m2）制备防护用品，依靠厚重（平纹组织或斜纹组织）帆布的高隔热性能减少熔融金属对人体的伤害。但传统帆布阻燃性能差，如长期接触熔融金属时，易造成烧穿面料，并可能引燃面料，导致穿着人员大面积烧伤。经阻燃处理有助于提高对熔融金属的防护能力，但依然存在面料被烧穿等情况；此外，当熔融金属一旦形成泼洒效应，即发生熔融金属喷溅时，以铝液为代表的熔融金属其流动性会迅速降低并附着在面料表面，持续放热，导致面料快速被烧穿，烫伤皮肤，对穿着人员造成严重的热伤害。因而阻燃帆布可用于熔融金属飞溅的防护，而不能实现对熔融金属喷溅的防护。此外，阻燃处理会劣化棉质面料的力学性能，特别是撕破强力的下降，严重影响服装的使用性能和可工业洗涤能力。

采用铝膜复合面料制备的熔融金属防护服装，虽热辐射防护性能较好，但因铝不耐高温，面料透气性差，因此防护功能与穿着舒适性均不能满足要求。此外，采用芳纶等耐高温纤维制备的熔融金属喷溅防护面料，但因熔融金属容易黏附在芳纶等纤维表面，导致在熔融金属黏附位置持续传热，易对人体造成严重的热伤害。

基于此，使用牛皮或羊毛制备的厚重面料应运而生，也有采用羊毛与磷系阻燃粘胶混纺的厚重（单位面积质量往往超过350 g/m2）面料，防护效果进一步提高，但穿着舒适性较差，且羊毛与磷系阻燃粘胶混纺面料制备的熔融金属喷溅防护服水洗后尺寸稳定性，服用性能较差。但发展至今，具有天然鳞片结构的羊毛在防熔融金属喷溅面料中依然具有无可替代的作用，在熔融金属接触面料的瞬间，张开的鳞片与金属液体之间更多的为点接触而非面接触，可降低热传递效率［10］；且因羊毛鳞片接触高温物体时，鳞片具有张开的趋势，可最大限度地碎化熔融金属液体，降低羊毛鳞片的炭化，减少或避免熔融金属在面料表面黏附。

目前，制备熔融金属喷溅防护面料，羊毛纤维是必不可少的纤维原料之一，但如何与其他纤维进行混和，提高羊毛鳞片的利用效率，合理利用阻燃性能，并控制水洗缩率，提高穿着舒适性，并适当控制成本，已成为熔融金属喷溅防护面料研发过程中的一个技术难题。

文献［4］选用60%阻燃粘胶、20%羊毛、10%锦纶，8%对位芳纶、2%导电纤维的纤维配比制备了混纺纱线，基于二上二下右斜纹制备熔融金属喷溅防护面料。该面料在具有防静电功能、良好的阻燃性能的同时，还可满足ISO 11612:2015的要求，防铝液和铁水喷溅等级分别达到D2 级和E3 级，但未阐述隔热性能、尺寸稳定性能等，且未明确阐述阻燃粘胶的类型。

陈平等［11］在纤维配比方面，磷系阻燃粘胶纤维45%～55%，羊毛35%～45%，锦纶（结合对该纤维的性能描述，应为对位芳纶纤维）5%～15%；所制备的面料可满足电焊及冶金冶炼炉前用阻燃防护服面料的要求，虽提及可提供针对800 ℃铝液和1 400 ℃熔融金属的防护，但未能明示熔融金属（除铝液外）类型，未公开防熔融金属喷溅的性能与隔热性能等性能指标。

程德亮等公开的方案中，纤维配比为羊毛50%～60%，聚苯硫醚10%～30%、阻燃粘胶10%～30%［12］；先将羊毛和磷系阻燃粘胶混和制备粗纱，后与聚苯硫醚长丝在细纱机上进行混纺制备单纱，再通过并线加捻制备双股线。所制备的3 种面料接触火焰不燃烧，参考ISO 11612:2015 进行测试，对流热和辐射热性能分别达到B1 和C1 级，对铝液与铁水喷溅防护性能分别达到D2 和E3 级，对铝液和铁水喷溅具有良好的防护性能。但该专利公开的实施方案中，纺纱工艺较为复杂，成本较高，且未能公开尺寸稳定性等方面的性能数据。

徐园园等公开的方案中，纤维配比为磷系阻燃粘胶纤维64%～75%，芳纶纤维15%～30%，聚酰亚胺纤维1%～5%，锦纶纤维5%～8%［13］；公开的面料虽提及具有防熔融金属喷溅功能，但未能公开量化指标；参考GB 8965.2—2009 进行熔融金属冲击试验后，试样温升不超过40 K，即认为达到了ISO 11612:2015 中的D3、E3 标准，这种表述明显有误。

上述熔融金属喷溅防护面料均采用磷系阻燃粘胶、羊毛与其他纤维混纺制备而成，也有采用硅氮系阻燃粘胶与其他纤维混纺制备的熔融金属喷溅防护面料。

安彪公开的方案中，纤维配比为羊毛20%～60%，硅氮系阻燃粘胶38%～65%，锦纶（非阻燃）2%～15%［14］；当50%羊毛、45%硅氮系阻燃粘胶、5%锦纶6 时，可防203 g 铁水、353 g 铝液的喷溅，即达到ISO 11612:2015 的D3、E3 标准。羊毛含量低于15%时，防熔融铝液喷溅不合格（低于100 g）；锦纶含量超过15%时，阻燃性能与防铝液喷溅不合格；锦纶含量低于2%时，水洗收缩率超过10%；硅氮系阻燃粘胶含量低于30%时，阻燃性能、防熔融金属（铁水、铝液）喷溅不合格。同等条件下（羊毛60%、粘胶38%、锦纶2%），相对于硅氮系阻燃粘胶，采用磷系阻燃粘胶时，防熔融金属喷溅性能、阻燃性能与水洗收缩率均呈现劣化趋势，这主要是由于硅氮系阻燃粘胶的炭化速度快，炭化后形成的二氧化硅与铝水发生化学反应，并释放热量，基本上可抵消面料炭化吸热，铝液表层温度基本不下降，铝液黏度下降幅度较小，确保铝液快速下滑，从而有助于提高对铝液喷溅的防护性能［15］。

铝液喷溅到面料表面时，在空气传热和面料传热双重作用下，铝液表层温度快速降低，黏度增加，向下滑移速度下降，导致铝液在面料上黏附，如何尽可能维持铝液表层温度，确保铝液在面料上向下快速滑移是防铝液喷溅的关键。许瑞安等公开的方案中，纤维配比为羊毛20%～60%，变性腈纶25%～40%，莱赛尔纤维（非阻燃纤维素纤维）15%～30%，制备单位面积质量均约300 g/m2的二上一下斜纹面料［16］。熔融金属喷溅到面料上时，阻燃腈纶和羊毛会发生不同程度的燃烧，释放的阻燃气体可缓解羊毛鳞片的损耗，但燃烧过程为吸热反应，故会降低与面料接触的熔融金属表层温度并增加熔融金属的黏度，熔融金属在面料上下滑速度下降，与面料接触时间延长，导致防护功能失效；加入部分非阻燃的纤维素纤维，与熔融金属接触后快速炭化并放热，减少熔融金属的热量损失，加快熔融金属在面料表面的下滑速度；但当非阻燃纤维素纤维含量过高时，因炭化导致热量释放过多，超过阻燃腈纶燃烧吸热量时，会导致面料的整体阻燃性能丧失，因而控制纤维之间的比例是至关重要的。羊毛/阻燃腈纶质量比为40%～240%、非阻燃纤维素纤维/阻燃腈纶质量比为50%～120%时，可在降低成本的基础上，获得较好的阻燃性能与熔融金属防护性能。该专利公开了阻燃性能与熔融金属防护性能，未公开热防护性能与水洗尺寸稳定性等其他性能指标。

为确保熔融喷溅防护性能，需要确保羊毛一定的含量，且同等羊毛含量时，选用鳞片结构较为明显的粗羊毛时熔融金属防护性能较佳。当面料中羊毛含量较高时，特别是在高温作业环境下，因高温出汗，皮肤敏感度增加，刺痒感将表现得更为明显。

为改善穿着舒适性并提高防护性能，可基于多层结构制备熔融金属喷溅防护面料。周顺兴采用芳纶30%～50%、改性腈纶15%～40%和磷系阻燃粘胶20%～45%混纺纱线制备外层的防护层，基于超细矿物纤维增强二氧化硅气凝胶与表面改性对位芳纶，采用热黏合法制备中间的隔热层，以粘胶30%～60%与间位芳纶40%～70%混纺纱制备内层的舒适层［17］。但该专利未公开外层防护层和内层舒适层的面料组织结构、各层之间的结合方式，超细矿物纤维的类型等；此外，虽提及制备的面料可为存在高温熔融金属喷溅工况提供可靠、有效的防护，但参考GB 8965.2—2009 标准测试抗熔融金属冲击性能，无充分理由说明该面料具有防熔融金属喷溅性能。王炳来采用羊毛40%～60%、30%～59% 阻燃粘胶、耐高温纤维（对位芳纶、间位芳纶、芳砜纶、聚酰亚胺、聚苯并咪唑）1%～10%混纺纱制备外层的防熔融金属喷溅层，以镀铝的耐高温薄膜为中间的抗热辐射层，以纤维素纤维（粘胶、麻纤维等）30%～60%、耐高温纤维40%～70%混纺纱制备内层的舒适层，各层之间采用耐高温黏胶颗粒进行黏结［18］；阻燃性能、透气性能较佳，但未能公开防熔融金属喷溅性能等。刘亚光采用羊毛纤维和辅料纤维（阻燃粘胶、阻燃锦纶、对位芳纶、聚酰亚胺中的至少一种）制备面料层，以耐高温纤维非织造布为内层，并采用高温黏合剂黏合面料层和内层制备防熔融金属喷溅复合面料，但未公开面料层和非织造布层的纤维类型与成分，且未公开防熔融金属喷溅性能等［19］。

文献［17］至文献［19］公开的面料中各层，特别是外层面料中经纬纱线纤维原料混和比例均一致，各层之间均采用黏合剂黏合，多次水洗后层间易脱胶，导致局部脱开、起泡现象。此外，上述面料中，均含有芳纶等耐高温纤维，其主要是为了确保面料的高温下的尺寸稳定性和水洗尺寸稳定性。但对于铝液喷溅的防护，其关键在于控制芳纶等耐高温纤维的含量，现有研究发现，当间位芳纶含量超过28%时，铝液易黏附在面料表面，间位芳纶含量超过33%时，不能确保对铝液喷溅的防护功能。

巴德·Y 等选用缎纹、斜纹为组织结构，经纱为羊毛40%～60%、阻燃粘胶40%～60%的混纺纱，纬纱为羊毛40%～60%、间位芳纶30%～50%、至少20%阻燃粘胶的混纺纱，制备的面料可通过ISO 9185:2007 防铁水的喷溅测试，但未公开防铁水防铝液喷溅的测试结果［20］。通过控制经纬密和纱线的线密度，可优选实现威胁面（抵御熔融金属喷溅面）由等量的羊毛和阻燃粘胶纤维构成，而相反面（内层舒适面）由等量的羊毛、阻燃粘胶和间位芳纶构成；从专利的表述来看，如采用专利所述的加工方式，面料的威胁面必含有间位芳纶纤维，不能实现所述的优选方案，如采用双层组织则可实现所述面料两面纤维的差异；此外，在机织面料中，并无单面或双面面料的称谓，但可基于面料中经纱或纬纱组数分为单层、双层以及多层面料，该专利中对面料的命名存在错误。

从熔融金属喷溅防护的机理角度而言，熔融金属喷溅防护面料应满足阻燃（特别是瞬时阻燃）、熔融金属快速下滑以及隔热性能3 个方面的要求，现有研究和公开的专利中，主要关注对熔融金属喷溅的防护等级（即指标D 和E）与阻燃性能，而对抗撕裂、耐磨、透气、透湿、耐洗涤、耐高温尺寸稳定性等涉及舒适性方面和耐用性方面的性能指标关注较少。

此外，在电解铝生产过程中，需加入冰晶石作为助溶剂以溶解氧化铝，形成的冰晶石-氧化铝溶液浮在铝液表面，还可起到阻止铝进一步被氧化的作用。通常生产1 t 铝大约需耗用100 kg～120 kg 的冰晶石，但鲜有防熔融金属喷溅面料防护冰晶石或冰晶石-铝溶液喷溅的研究［21］；分析其原因，可能主要是由于以下两个方面的原因:一是ISO 9185 虽规定了防冰晶石溶液喷溅的测试方法，但ISO 11612:2015 并未给出对冰晶石防护的等级；二是测试发现，因冰晶石溶液的表面张力更低，比铝液更易黏附在面料上，甚至类似水浸润面料，直接穿透面料，相对于铝液，对冰晶石喷溅的防护更难实现。

5 熔融金属喷溅防护服的款式与结构

ISO 11612:2015 对熔融金属喷溅防护服款式的基本要求和结构设计做了指导性规范，规范内容与GB 8965.2—2009 对焊接服款式与结构设计要求基本一致，因而熔融金属喷溅防护服可参考焊接服的相关要求进行设计。

熔融金属喷溅防护服装的款式设计应在确保防护功能的前提下，综合考虑关节运动时通过弧度、操作灵活性、醒目程度等，兼顾舒适性与美观性，在款式设计过程中可遵循下述原则［22］。

（1）款式可参考焊接服款式设计，以简洁大方为主，服装表面应尽量避免装饰结构缝线，兼顾防护功能和美观性［23］。采用“三紧式”（紧领口、紧袖口、紧下摆），以免造成熔融金属飞溅时落在夹缝处，造成熔洞，避免对人体造成二次伤害；同时，也可防止钩挂等。

（2）尽量避免外观口袋设计，以防高温金属残渣落入；为强化熔融金属喷溅防护服的美观性与时尚性，可采用假斜插袋等形式，但不应以牺牲熔融金属喷溅防护服的功效性为代价。要求明衣袋时，应带有袋盖，以免存积熔融金属或其他污染物。

（3）在易熔融金属喷溅的作业过程中，环境温度较高，在此工况作业时，人体易出汗，需要考虑排湿、透气功能。为提高熔融金属喷溅防护服的热湿舒适性，基于服装工效学原理，在不容易受到熔融金属喷溅的腋窝、后背等处，可考虑设计透气孔或透气缝隙，起到排汗透气作用，最大限度保证作业人员的舒适性；但透气孔的设置部位与方式，不得影响防护服的结构强度，并确保熔融金属或其他外物不得进入防护服内部，确保外观的美观性。

（4）在诸如肘关节处和膝关节等容易磨损或容易受损部位，或易受熔融金属喷溅部位，应增加耐磨阻燃面料的使用。

（5）考虑快速穿脱功能，便于逃离事故现场，减少熔融金属对人体的热伤害。考虑高温环境或者熔融金属喷溅到服装表面后，易造成树脂扣或树脂拉链变形，影响快速脱卸功能，应全部采用金属四合扣，但应参考ISO 11612:2015 与GB 8965.2—2009 的要求，金属四合扣其不可外露，需要采用阻燃面料包覆。

（6）需使用阻燃、耐高温缝纫线，以免高温环境下缝纫线性能快速衰减与失效，影响熔融金属喷溅防护服的防护功效。

（7）色彩选用方面，ISO 11612:2015 未规定熔融金属喷溅防护服的颜色选用，但考虑金属冶炼作业环境的特点，目前多选用蔚蓝色、深蓝色、藏青色，或同时在前胸、后背、袖部等部位附加阻燃反光条，起到警示作用，以便及时救援。

6 结论与展望

作为一种用于易发生熔融金属喷溅作业环境中作业人员的防护装备，熔融金属喷溅防护服防护性能不仅取决于其面料的性能，还与服装结构关系密切。

目前，对熔融金属喷溅防护面料的研究主要集中在对以铁水、铝液喷溅的防护指标方面，而综合考虑传热性能、尺寸稳定性能、撕裂性能、耐磨性能、透气与透湿以及面料色彩方面进行系统研究的还相对较少，且面料较厚，穿着舒适性较差，如何在提高防护性能的同时，减低重量，减少作业人员的穿着负荷，提高舒适性方面还需进行较为全面的研究。

对熔融金属喷溅的防护，应是系统性的，其不仅包括躯干防护的防护服装，还应包含头部防护的帽子（带护肩）、手部防护的手套、脚部防护的护脚以及眼部的护目镜等。目前，除帽子、手套和护脚沿用老式炼钢服外，躯干防护用熔融金属喷溅防护服大多根据冶金企业需要，在兼顾防护功能的基础上，尽可能满足舒适、美观、时尚等功能性需求，但大多基于客户需求在结构上进行经验性的优化与改进，鲜有从服装整体功效的角度，从理论上研究服装的功效性。