国内外防电弧织物标准研究

孙启龙 孙茂军 丁健梅 唐 虹 张成蛟

（安全防护用特种纤维复合材料研发国家地方联合工程研究中心，江苏南通，226019）

1 电弧的危害

电弧实质是一种气体放电现象。当电压超过空气（绝缘介质）的击穿电压时，空气被电离，形成等离子体，同时瞬间释放出巨大能量。电弧的危害主要有三种表现。一种是热效应：电弧瞬间放电产生巨大的焦耳热，电弧核心温度可超过10 000℃，电弧通道周围空气被瞬间加热后体积迅速膨胀，形成高热气流，其中包含金属电极的熔融飞溅物，可直接造成裸露皮肤的严重灼伤，或者点燃可燃性衣物，抑或导致涤纶、锦纶等衣物熔融黏附于皮肤，造成严重烧伤。因此，热效应是电弧危害的主要表现。另一种是冲击波效应：电弧放电在电弧通道内释放巨大的焦耳热，使电弧通道以超音速向外膨胀、挤压电弧通道周围的气体，产生冲击波，冲击波超压可导致人员鼓膜充血或者造成听觉伤害，剧烈的冲击波可直接导致人体内脏器官损伤。在通常的电弧事故中冲击波超压相对较小，不是主要伤害。最后一种是强紫外效应：电弧热效应导致气体、金属等原子发生能级跃迁，释放出各种频段的电磁波，其中含有大量的紫外线；紫外线穿透性能较差，只要皮肤表面衣物不破裂，即可形成有效防护。

电弧事故难以预测，且电弧事故常造成重大的人身伤害［1］。据统计，法国电气事故平均每年125起，其中电弧事故占77%，造成永久残疾占21%，死亡事件30起，住院治疗达153人次，非住院治疗34人次。防电弧服可以有效降低电弧事故对人体造成的伤害，在欧美等发达国家已经得到了广泛应用［2］。随着社会的发展和安全意识的提高，电弧防护用品在我国也逐渐得到了应用。

2 防电弧织物的开发现状及国内外标准要求

2.1 防电弧织物的开发现状

对防电弧织物有以下要求：具有良好的阻燃性能，在电弧热效应作用下不被点燃；具有良好的隔热性能，较大的紧度可以减少炽热空气的透过，较大的厚度和多层结构可以减少热量的传导，提升面料的隔热性能；在热流冲击作用下不产生破裂，否则易导致电弧防护失效。

防电弧织物破裂缘于三个方面：织物受热碳化后强度下降；冲击波的超压作用对织物进行破坏；织物在高热作用下产生剧烈热收缩，形成内应力，导致织物损伤。

国内一般采用具有永久阻燃性能的原料制备防电弧织物，通常采用间位芳纶、对位芳纶、聚酰亚胺纤维、阻燃腈氯纶、阻燃粘胶、导电纤维等混纺制备。间位芳纶阻燃性能较好，受电弧热流作用后迅速收缩碳化，产生较厚的碳化层，具有良好的隔热性能；同时纤维具有较高的强度，掺量较大时可以提高织物的整体强力，从而保证织物在电弧热流冲击作用下不破裂。对位芳纶强度高，热收缩率小，少量对位芳纶的掺入对织物力学性能影响不大，但是可以作为“骨架材料”，提高织物的高温尺寸稳定性。阻燃腈氯纶阻燃性能良好，纤维价格低，在电弧热流冲击作用下产生大量不燃气体，可对电弧热流产生“对冲”作用，从而对电弧热进行有效防护。阻燃粘胶吸湿性能好，可大幅度提高织物的舒适性能；导电纤维可以增强织物的防静电性能，解决间位芳纶、对位芳纶等易产生静电的问题。

除永久阻燃防电弧织物以外，国外也大量采用阻燃棉、阻燃锦纶的混纺防电弧织物。纯纺的阻燃棉和阻燃锦纶织物在高热作用下分别表现为表面迅速碳化和表面迅速熔融，在厚度制约下难以形成有效的电弧防护，然而阻燃棉、阻燃锦纶的混纺织物在电弧高热作用下形成碳和熔融锦纶混合物，可以保证混纺织物在高热作用下仍具有一定强度，不至于破裂。但是与上述永久阻燃防电弧织物相比，同样防护等级的阻燃棉、阻燃锦纶混纺防电弧织物更厚，但具有更低的价格，更有利于防电弧产品的推广应用。

另外，防电弧织物还包括防电弧雨衣织物，通常由防电弧织物经PVC、PU涂层处理或与PU等防水透气膜复合而成。除防电弧性能以外，还具有防水、透湿、防风等性能，而且经涂层和覆膜后织物的防电弧性能较原织物得到显著提高，在国外市场得到了广泛的应用。

2.2 国内外防电弧织物标准要求

我国防电弧织物的相关技术标准只有DL/T 320—2019《个人电弧防护用品通用技术要求》（以下简称DL/T 320—2019）［3］。该标准既规定了电弧危害评估方法和电弧防护用品的选配方法，还对防电弧服、防电弧手套、防电弧面罩等提出了技术要求，其中对防电弧服织物的阻燃性能、高温尺寸稳定性能、机械性能和电弧防护性等提出了具体要求。

在 国 外 ，NFPA 70E—2018《Standard for Electrical Safety in the Workplace》（以下简称NF⁃PA 70E—2018）详细描述了电弧危害评估方法和电弧防护用品的选配方法，而防电弧服织物阻燃、机械等相关性能要求则由ASTM F1506⁃20—2020《Standard Performance Specification for Flame Resistant and Electric Arc Rated Protective Clothing Worn by Workers Exposed to Flames and Electric Arcs》以下简称（ASTM F1506⁃20—2020）和IEC 61482⁃2—2018《Live Working Pro⁃tective Clothing against the Thermal Hazards of An Electric Arc Part 2：Requirements》（以下 简称IEC 61482⁃2—2018）进行了描述。此外，ASTM F1891—2019《Standard Specification for Arc and Flame Resistant Rainwear》（ 以 下 简 称ASTM F1891—2019）规定防电弧雨衣面料的技术要求［4⁃7］。

DL/T 320—2019配置原则：可能面临电弧能量大于6 cal/cm2的人员或进入可能有电弧危害区域的人员；防护织物分4级，1级（6 cal/cm240 cal/cm2，Ebt>40 cal/cm2，单位面积质量≤600 g/m2）。

NFPA 70E—2018配置原则：可能暴露在入射能量大于1.2 cal/cm2的电弧危害中的人员；防护织物分4级，1级：4 cal/cm2≤A T P V和Ebt两者之间较小值<8 cal/cm2；2级：8 cal/cm2≤A T P V和Ebt两者之间较小值<25 cal/cm2；3级：25 cal/cm2≤A T P V和Ebt两者之间较小值<40 cal/cm2；4级：A T P V和Ebt两者之间较小值≥40 cal/cm2。

DL/T 320—2019对单层防护织物性能要求。洗前阻燃性能要求：损毁长度≤100 mm，续燃时间≤2 s，测试标准GB/T 5455—2014《纺织品燃烧性能垂直方向损毁长度、阴燃和续燃时间的测定》。洗后阻燃性能要求：按照GB/T 17595—1998《纺织品 织物燃烧试验前的家庭洗涤程序》洗涤⁃烘干100次后，损毁长度≤100 mm，续燃时间≤2 s（同时要求应采用本质阻燃材料）。对断裂强力的要求：单位面积质量≤200 g/m2，断裂强力300 N；200 g/m2<单位面积质量≤290 g/m2，断裂强力450 N；测试标准GB/T 3923.2—2013《纺织品织物拉伸性能第2部分：断裂强力的测定（抓样法）》。对撕破强力的要求：单位面积质量≤200 g/m2，撕破强力25 N；200 g/m2<单位面积质量≤290 g/m2，撕破强力40 N；测试标准GB/T 3917.3—2009《纺织品 织物撕破性能 第3部分梯形试样撕破强力的测定》。对耐磨性能的要求：单位面积质量≤200 g/m2，耐磨性能300圈；200 g/m2<单位面积质量≤290 g/m2，耐磨性能400圈；测试标准GB/T 30314—2013《橡胶或塑料涂覆织物耐磨性的测定泰伯法》。高温尺寸稳定性≤10%，测试标准GA10—2014《消防员灭火防护服》。洗涤尺寸稳定性在±2.5%以内，测试标准GB/T 8630—2013《纺织品 洗涤和干燥后尺寸变化的测定》。

ASTM F1506⁃20—2020对单层防护织物性能要求。洗前阻燃性能要求：损毁长度≤152 mm，续燃时间≤2 s，测试标准ASTM D6413—2008《Standard Test Method for Flame Resistance of Textiles（Vertical Test）》。洗后阻燃性能要求：按 照AATCC 135—2018《Dimensional Changes of Fabrics after Home Laundering》洗涤⁃烘干25次后损毁长度≤152 mm，续燃时间≤2 s。对断裂强力的要求：101 g/m2≤单位面积质量≤200 g/m2，断裂强力134 N；201 g/m2≤单位面积质量≤290 g/m2，断裂强力179 N；单位面积质量≥291 g/m2，断裂强力223 N，测试标准ASTM D5034—2009《Standard Test Method for Breaking Strength and Elongation of Textile Fabrics（Grab Test）》。对撕破强力的要求：101 g/m2≤单位面积质量≤200 g/m2，撕破强力11 N；201 g/m2≤单位面积质量≤290 g/m2，断裂强力18 N；单位面积质量≥291 g/m2，撕破强力22 N，测试标准ASTM D1424—2019《Standard Test Method for Tearing Strength of Fabrics by Falling Pendulum（Elmendorf Type）Apparatus》。洗涤尺寸稳定性≤3%，测试标准AATCC 135—2018《Dimension⁃al Changes of Fabrics after Home Laundering》。

IEC 61482⁃2—2018对单层防护织物性能要求。阻燃性能要求：洗涤⁃烘干5次后，不能燃烧至顶部或任意边缘，无破洞形成，无燃烧或熔融滴落物，阴燃时间≤2 s，续燃时间≤2 s，测试标准ISO 15025—2000《Protective Clothing Protection against Heat and Flame Method of Test for Limit⁃ed Flame Spread》。对断裂强力的要求：单位面积质量≤220 g/m2，断裂强力250 N；单位面积质量>220 g/m2，断裂强力400 N；测试标准ISO 13934⁃1—2013《Textiles Tensile Properties of Fabrics Part1：Determination of Maximum Force and Elongation at Maximum Force Using the Strip Method》。对撕破强力的要求：单位面积质量≤220 g/m2，撕破强力10 N；单位面积质量>220 g/m2，撕破强力15 N，测试标准ISO 13937⁃2—2000《Textiles Tear Properties of Fabrics Part 2：Determination of Tear Force of Trouser Shaped Test Specimens（Single Tear Method）》。高温尺寸稳定性≤5%，测试标准ISO 17493—2016《Clothing and Equipment for Protection against Heat Test Method for Convective Heat Resistance Using a Hot Air Circulating Oven》。洗涤尺寸稳定性在±3%，测试标准ISO 5077—2007《Tex⁃tiles Determination of Dimensional Change in Washing and Drying》。

从以上标准的性能要求可以看出，国外对防电弧纺织品的使用要求更加严格，可能暴露在入射能量大于1.2 cal/cm2的电弧危害中的人员都需要配置防电弧服装，而国内则要求可能面临电弧能量大于6 cal/cm2的人员或进入可能有电弧危害区域的人员配置防电弧服装。同时，国内对防电弧织物的防护级别划分要求与国外标准存在明显不同，国外只对织物的A T P V和Ebt之间的较小值进行要求，而国内标准对A T P V、Ebt和单位面积质量同时做出了严格的要求，且明显高于国外标准。虽然测试标准略有不同，但还是可以看出国内标准对防电弧织物阻燃性能、力学性能、洗涤尺寸稳定性等的要求显著高于国外标准；国内标准还要求防电弧织物采用本质阻燃材料，而国外标准则没有相关要求。根据标准要求，国内产品必须采用间位芳纶、对位芳纶等价格较高的纤维原料，而国外则出现了阻燃棉、阻燃锦纶混纺织物、PVC涂层阻燃棉、阻燃腈氯纶面料等性价比较高的产品。

3 国内外防电弧织物防护性能评价方法

防电弧织物的电弧防护性能评价方法主要评价纺织品对电弧热的防护效果，其测试原理如图1所示。分别利用织物前、后的热流计测试入射电弧能量和透过织物电弧能量，进而分析得到电弧防护性能。

图1 电弧防护性能测试原理图

目前防电弧织物防护性能测试标准主要有ASTM F1959/F1959M—2012《Standard Test Method for Determining the Arc Rating of Materi⁃als for Clothing》（ 以 下 简 称ASTM F1959/F1959M—2012）、IEC 61482⁃1⁃1—2009《Live Working Protective Clothing against the Thermal Hazards of an Electric Arc Part 1⁃1：Test Meth⁃ods-Method 1：Determination of the Arc Rating（A T P VorEBT50）of Flame Resistant Materials for Clothing》（以 下 简 称IEC 61482⁃1⁃1—2009）和IEC 61482⁃1⁃2—2014《Live Working Protective Clothing against the Thermal Hazards of an Elec⁃tric Arc Part 1⁃2：Test Methods⁃Method 2：Deter⁃mination of Arc Protection Class of Material and Clothing by Using a Constrained and Directed Arc（Box Test）》（以 下 简 称IEC 61482⁃1⁃2—2014）等［8⁃10］。国内尚无电弧防护性能测试装置，所以也没有建立相关测试标准，只是在DL/T 320—2019中简单描述了类似于ASTM F1959/F1959M—2012的测试方法。

国外测试机构，如西班牙Aitex研究所、加拿大Kinectrics公司等可提供测试服务。测试标准ASTM F1959/F1959M—2012和IEC 61482⁃1⁃1—2009测试方法基本一致，测试时利用开放空间中产生的电弧对面料进行测试，利用透过织物电弧能量和斯托尔曲线判断是否会产生二级烧伤，利用统计方法得到A T P V，即入射的电弧能量有50%的可能导致热能透过织物造成II度烧伤的能量值；利用统计方法得到面料的Ebt，即入射的电弧能量有50%的可能导致织物破裂的能量值。一般至少需要7次燃弧试验得到至少20个有效测试结果才能统计得到A T P V。二者的主要差异在于：IEC 61482⁃1⁃1—2009测试试样需要采用ISO 6330—2012《Textiles—Domestic Washing and Drying Procedures for Textile Testing》水洗方式处理，而ASTM F1959/F1959M—2012测试试样则需要采用AATCC 135—2018《Dimensional Changes of Fabrics after Home Laundering》水 洗方式处理。

IEC 61482⁃1⁃2—2014采用有约束的定向电弧进行测试，在一面开口的长方体箱中产生电弧对织物进行测试，测试等级只有Class1和Class2两种。该测试为合格性测试，只反映所测面料是否达到Class1和Class2等级，一般至少需要4次燃弧试验，得到至少4个有效测试结果，再分析是否达到测试等级。Class1和Class2等级具体测试指标有电流值、电压值、燃弧时间和电源频率。

4 结论

本研究介绍了电弧的危害，分析了电弧防护织物需要具备的性能和各组分纤维在电弧防护中的作用，对比了国内外防电弧织物标准要求和测试标准及评价方法，可以得出以下结论。

（1）DL/T 320—2019从电力行业使用者角度对防电弧织物提出了要求，与国外标准相比使用要求相对较低，国外标准要求可能暴露在入射能量大于1.2 cal/cm2的电弧危害中的人员都需要配置防电弧服装，而国内则要求可能面临电弧能量大于6 cal/cm2的人员或进入可能有电弧危害区域的人员需要配置防电弧服装。

（2）DL/T 320—2019对产品性能要求高于国外标准。例如阻燃性能、力学性能、洗涤尺寸稳定性等的性能要求显著高于国外标准；DL/T 320—2019明确要求采用本质阻燃材料，而国外标准则无该要求；国内外标准对防电弧织物的分级存在显著不同，国内标准对防电弧织物的A T P V值、Ebt和单位面积质量同时提出要求，国外标准只对A T P V值和Ebt二者中的较小值进行了规定。

（3）国内尚无电弧防护性能测试装置，国外标准ASTM F1959/F1959M—2012、IEC 61482⁃1⁃1—2009和IEC 61482⁃1⁃2—2014，前二者采用开放空间中产生的电弧对面料进行测试，得到A T P V值和Ebt；而IEC 61482⁃1⁃2—2014采用有约束的定向电弧进行测试，判断样品是否达到Class1或Class2。

目前，由于国外送检周期长且价格昂贵，已经显著影响了国内防电弧织物的开发，测试装置的开发已经迫在眉睫；在引进国外技术的同时，可以考虑在现有电力设备燃弧测试装置基础上进行技术改造，以适用于防电弧织物的性能测试；此外，应积极探索电弧防护性能与织物其他物理性能之间关系，在送检前进行预估，以减少研发费用。为了更快推广防电弧纺织品的应用，开发性价比更高的防电弧织物十分重要，但是目前的国内标准要求高，不利于高性价比产品的开发，所以国内标准与国际标准的接轨也将成为电弧防护领域的重要工作。