冲击气流作用下防电弧面料透气量与ATPV关系研究

李 跃，孙茂军，陈 强，吴元方，孙启龙，王 茹

（1.海宁昱品环保材料有限公司，浙江 海宁 314400；2.南通大学 纺织服装学院，江苏 南通 226019）

电弧爆燃会产生巨大热量，极易点燃衣物，对皮肤造成热灼伤。因此，电力工人在超过200 V电压下作业时[1]，要使用电弧防护装备[2]。防电弧服比普通阻燃防护服更能抵御电弧爆燃的高热和冲击波，减少对人身的伤害[3]。因此，对防电弧面料的研发具有重要意义。

电弧的形成一般可分为4个阶段[4]：压缩阶段、膨胀阶段、排放阶段和热效应阶段。与静态燃烧不同，电弧爆燃会产生强烈的冲击波，而冲击波携带的高能热空气更容易透过织物，对人体造成灼伤。因此，研究电弧爆燃时透过防电弧面料的气体量十分重要。

在电弧防护性能测试方面，美国和欧洲早已制定了防电弧纺织材料测试标准，例如ASTM F1959/F1959M[5]、NFPA 70E[6]、IEEE 1854[7]等。加拿大和西班牙也建立了比较完备的电弧防护性能测试实验室。国内尚没有建立电弧防护性能测试机构，也缺少相应的国家标准与配备规范，对我国防电弧面料的开发已经形成了阻碍。

电弧热性能值（Arc Thermal Performance Value，ATPV）是指入射到单位面积上的能量有50%的可能性使足够的热量穿透材料引起二度烧伤的最小能量值[8]，是防电弧面料的重要性能指标。ATPV越大，电弧防护性能越好。本研究旨在得到防电弧面料防护性能的间接评价方法，自制了电弧爆燃冲击波模拟装置，研究了不同ATPV的防电弧面料在冲击气流作用下透过气体量之间的关系。

1 实验

1.1 实验装置

模拟电弧冲击波实验装置包括气流发生装置、试样固定装置和气体收集装置（图1），气流发生装置包括储气罐，储气罐上装有压力表、进气阀、出气阀和冲击气流出口；试样固定装置包括基座、橡胶垫和压板，橡胶垫与压板留有中心孔，测试样品位于橡胶垫与压板之间；气体收集装置由单向阀和气体收集软袋构成，采用排液法测试透过气体量。

图1 模拟电弧冲击波实验装置

1.2 实验方法

进行电弧防护性能测试时，需要洗涤3次预处理，所以本实验先将7种防电弧面料洗涤3次后，切制成8 cm×8 cm，每种面料各剪3块，10种试样的详细信息如表1所示。

表1 防电弧面料的性能指标

将试样固定于压板和橡胶垫之间，打开气泵和进气阀，向储气罐内注入气体，当压力表的指针指到4 bar（大约为电弧爆炸产生的压力）时，停止注气，确认单向阀为打开状态且气体收集软袋里的空气被排净后，迅速按动出气阀，使高压冲击气流冲向试样，进入气体收集软袋内，立即关闭气体收集装置的单向阀，防止气体回流；取下气体收集软袋，将其连接到测量装置的导管上，将软管伸入倒置的量筒中，打开单向阀，挤压气体收集软袋，将袋内的气体压入量筒中，当气体排净后取出量筒中的软管，读取量筒上的数据并记录。

2 结果与分析

根据表1和测试结果进行绘图，得出防电弧面料在冲击气流作用下的透气量与ATPV之间的关系，如图2所示。

图2 冲击气流作用下的透气量与ATPV之间的关系

从图2可以看出，在10种防电弧面料中，有8种ATPV与冲击气流作用下的透气量呈近似负线性关系。随着防电弧面料在冲击气流作用下的透气量减小，防护面料的ATPV呈上升趋势。其中，试样8为双层组织，虽然面密度较大，但是组织结构相对松散，在气流冲击下透过气体较多，但是其双层结构可有效减少热传导量，从而拥有较高的电弧防护性能值。试样9与所得规律偏离的原因尚不明确，有待进一步研究。实验样本数量还不足，目前可以得到的结论是：在本实验中，80%的防电弧面料符合“高压冲击气流作用下的透气量越小，ATPV越大”的规律。

3 结语

本课题通过模拟电弧爆燃冲击波，研究了防电弧面料在冲击气流作用下的透气量与ATPV之间的关系，10种面料中有8种满足“高压冲击气流作用下的透气量越小，ATPV越大”的特征，有助于电弧防护性能的间接评价，缺点是实验样本数不足。