消防防化服材料防军用化学毒剂性能的研究

灭火剂与阻燃材料

消防防化服材料防军用化学毒剂性能的研究

曹永强,李瑜璋,马皎皎

(公安部上海消防研究所,上海200438)

摘要:论述了消防防化服材料对于军用化学毒剂防护的基本原理和检验消防防化服材料军用化学毒剂防护性能的技术指标及试验方法,分析了适合我国消防领域应用的各种防化服材料的现状。

关键词:消防防化服;材料;军用化学毒剂;防护性能

中图分类号:E233,E929,T U89文献标识码:B

文章编号:1009-0029(2005)05-0606-03

1引言

日本东京沙林毒气事件以及齐齐哈尔军用毒剂泄漏事件发生后,我国消防科研工作者面对着一个更加值得深思的问题,如何实现在执行日益增多的抢险救援和反恐袭击任务时,对消防员进行"全面、科学、积极、有效"的综合防护,减少伤亡。

消防防化服是消防员进入化学毒剂、化学危险物品和腐蚀性物品火灾或事故现场进行灭火战斗、反恐袭击和抢险救援时必须穿着的个人防护装备。化学毒剂防护性能是消防防化服最主要的性能指标之一,直接影响着消防员的生命安全。发达国家消防防化服的化学毒剂防护性能已经完全能够适应反恐任务的需要,其化学毒剂防护性能已达到军用防化服的水平。美国消防协会在N F P A1994《化学/生物恐怖事件全套防护服装》标准中,将军用化学毒剂防护性能作为消防防化服材料必须具备的一项重要性能指标进行检验。因此,进行消防防化服军用化学毒剂防护的研究,十分有利于研制和升级消防部队使用的消防防化服,提高我国消防防化服的防护水平,使消防员执行反恐袭击和抢险救援任务时得到切实的安全保障。

2军用化学毒剂防护

决定防化服化学毒剂防护性能优劣的主要指标,包括抗化学毒剂渗透性能和抗化学降解性能两项。研究消防防化服材料军用化学毒剂防护也必须从这两方面入手。

2.1化学毒剂渗透

本课题所研究的渗透指的是化学物质穿过防化服材料的过程。化学物质的分子一个个地钻到防化服里面,并"蠕动着"穿过防化服分子。在许多情况下被渗透的材料并没有任何肉眼能察觉的变化。防化服抗化学毒剂渗透性能指在给定时间内,防化服材料阻止或阻碍化学毒剂分子渗透的性能。防化服抗化学毒剂渗透性能包括两项数据:穿透时间和渗透率。穿透时间指的是从试验开始到从防化服材料的另一面刚探测到化学毒剂分子时所需的时间。这个时间表示当防化服完全浸没在化学毒剂里的时候能抵抗渗透的有效时间。

渗透率是在给定的试验期间所检测到的化学毒剂穿过防化服材料的最高速率。将各种材料的渗透率互相比较可以定性地得出渗透等级。一般情况下,穿透时间可以作为评定防化服抗化学毒剂渗透性能的主要指标。在研究军用化学毒剂渗透性能时,由于有些防化服材料对于化学毒剂的穿透时间很长,而一旦被穿透后,其渗透率会急剧增长,因此,必须综合考虑穿透时间和渗透率。

2.2化学降解

降解是指材料由于和化学毒剂接触而产生的物理性能退化现象。防化服抗化学降解性能指防化服阻止化学毒剂物理侵蚀的性能,决定了防化服材料对化学毒剂的物理稳定性。有些材料接触化学毒剂后会硬化或脆化,也有些会软化、强度变弱或膨胀几倍。如果化学毒剂对防化服材料的物理性能产生严重的影响,那么防化服的抗渗透性也就会迅速恶化。基于这个原因,如果防化服材料对化学毒剂的降解试验结果很差,其渗透试验就不应该再做了。但防化服材料的渗透性和降解性并不总是互相关联的。

3防化服材料抗军用化学毒剂渗透性能指标

3.1穿透时间

确定防化服材料军用化学毒剂防护性能的优劣,不仅要判定材料是否发生了化学降解,还要研究材料的抗军用化学毒剂渗透性能。化学毒剂的穿透时间主要通过现有的消防员工作条件和化学毒剂现场情况来确定。通常消防员进入化学毒剂现场执行任务时,必须配带空气呼吸器来保护呼吸系统。若使用一个5L容量,最高工作压力为30MP a的空气呼吸器,消防员以中等劳动强度工作,按每分钟消耗空气量30L计算,则消防员最多可以工作40m i n。从保证安全考虑消防防化服材料的化学毒剂穿透时间须超过60m i n。对于军用化学毒剂而言,必须确定在60m i n内军用毒剂的

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6F i r e S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y,S e p t e m b e r2005,V o l24,N o.5

累积渗透量,如果渗透量不可能引起人体的伤害,就证明防化服材料符合要求。军用毒剂的渗透量等于渗透率与时间的乘积,所以,在渗透试验中须检测防化服材料的平均累积渗透率。安全渗透量的大小通常由军用化学毒剂的毒害剂量来确定。

3.2化学毒剂毒害剂量

化学毒剂的毒害剂量指引起人员某种程度毒害所需的剂量。毒害剂量是决定化学毒剂对机体造成损害的最主要因素。化学品最大无作用剂量是指在一定时间内,化学物按一定方式或途径与机体接触,用最灵敏的实验方法和观察指标,未能观察到任何对机体的损害作用的最高剂量,也称为未观察到损害作用的剂量。最大无作用剂量是评定化学毒剂对机体损害作用的主要依据。通过计算可以得出军用化学毒剂对防化服材料渗透率的安全指标。

4军用化学毒剂防护性能的测试

军用化学毒剂防护性能测试由降解试验和渗透试验两部分组成。防化服材料首先进行降解试验,只有通过了降解试验,才需要进行渗透试验。通常试验中选用蒸馏芥子气作为试验试剂。芥子气是一种能直接损伤组织细胞,引起局部炎症,吸收后导致全身中毒的军用毒气。芥子气渗透性强、作用持久,素有"毒气之王"之称,作为试验试剂比较合适。

4.1降解试验

防化服材料被制成薄片试样,试验前测定试样的重量及尺寸,然后将试样放入装有化学毒剂的容器中。经过一定的时间后取出试样,测定其尺寸变化率,并且在干燥后测量其重量变化率。此外,还要记录试样外观的物理变化情况。

4.2渗透试验

渗透试验可参照A S T M标准方法F739进行,如图1所示。

图1渗透试验示意图

在试验箱中间夹一片防化服材料作为试样,防化服材料的外侧直接与化学毒剂接触,每隔一定的时间测试材料另一侧的化学毒剂渗透情况。进行化学毒剂收集和分析可以选择不同的收集介质和分析技术。通常利用蒸馏水作为收集介质,利用电导率或液相色谱法进行分析[1]。

4.3渗透性能测试计算

渗透试验中,通过科学的分析和计算,得出化学毒剂对防化服材料在规定时间内的平均累积渗透率,以确定是否有化学试剂渗透以及渗透程度如何,作为评定防化服材料性能优劣的基本标准。化学毒剂对防化服材料在任意时刻的渗透率可以利用公式(1)计算。

P i=C i F/A(1)式中:P

i--

在i时刻的渗透率,µg/(m i n·c m2);

C i--采集介质中测试试剂的浓度,µg/L;

F--采集介质通过测试容器的流动速率,L/ m i n;

A--试样接触测试试剂的截面积,c m2。

采集介质中测试试剂的浓度C可以利用公式(2)进行计算:

C=(d×V M×P R)/(M×F)(2)式中:d--测试试剂的密度(测试温度下),g/c m3;

V M--测试试剂的摩尔体积(测试温度下),

c m3/m o l;

P R--测试试剂的加入速率,g/m i n;

M--采集介质的摩尔分子量,g/m o l。

利用公式(3)计算出规定时间内多个防化服材料样本的平均累积渗透率,作为检测防化服材料防护性能的评定标准[1]。

P=

(C i-C i-1)V i

(T i-T i-1)A

(3)

式中:T

i--

从加入测试试剂到采集浓度时的时间,

m i n;

V i--采集介质在T i时刻的体积,L。

5消防防化服材料

通常制作防化服的复合材料由表面材料和骨架材料构成。表面材料起到防化学毒剂渗透和降解的作用,骨架材料用于提高防化服的机械性能。因此,防化服的表面材料决定了其化学毒剂的防护性能。现今我国消防部队使用的消防防化服也都采用复合材料制成。其骨架材料主要为后整理阻燃棉布和阻燃增粘处理的锦丝绸布。表面材料种类繁多,主要有聚氯乙稀、热塑性聚氨酯和各种合成橡胶等。其中,1998年研制成功的全密封消防防化服,表面材料采用氯丁橡胶和顺丁橡胶按一定的配比共混,并用能形成互串网交联硫化体

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消防科学与技术2005年9月第24卷第5期