矿用纳米吸能防冲击服防护机理研究
时间：2023-03-27 14:15:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
卫琛浩，史雅娜，党文龙，马 啸，高一可，李 超，李盟洁，李茂庆
(陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710100)
我国能源工业中，煤炭是主体能源，煤矿工人数也是全球最多，由于受地质环境的影响，95%的煤矿作业是地下开采。作为一种特殊环境的职业，矿井作业人员要长期处于距地面几百米以下的矿井中进行工作[1]，而大多数煤矿现场作业条件差、黑暗潮湿、工作面狭窄，还时刻伴随着瓦斯、煤尘、水、火、顶板等灾害的威胁[2-3]。因此，为保障广大煤矿从业人员的生命安全，使用预防职业危害的有效防护用品显得尤为重要。
近年来随着我国煤矿开采深度的增加，冲击地压问题越来越突出，冲击地压的发生严重威胁煤矿作业人员的人身安全[4]。冲击地压是指煤矿井巷或工作面周围煤(岩)体由于弹性变形能的瞬时释放而产生的突然、剧烈破坏的动力现象。冲击地压发生时会产生强烈的冲击波并以突然、猛烈的形式将煤岩体抛出，导致作业人员被砸伤、掩埋甚至致死[5-8]。目前现有防护服虽种类繁多，但还没有专门针对井下冲击地压而设计的防护服。
针对煤矿井下冲击地压的问题，课题组设计开发了一种新型矿用纳米吸能防冲击服，经过防护机理分析、材料选择、多方试验检测和对比，防冲击服各项指标均满足煤矿安全生产规定要求，发生紧急情况时能够有效保护井下作业人员的人身安全。
长期从事矿井工作会存在一定的安全风险，像冲击地压的发生会直接危害人的生命安全，因此，在特定的工作场景下需要装备防冲击服。目前防冲击服的形式虽多样，但大多数都存在多种问题：从活动功能来看，矿井作业人员在工作时劳动幅度大，防护服穿着不灵活，不易穿脱，穿着后不能够实现两臂的自由运动、以及人体的跪、跳、蹲、跑、转体等活动，在工作过程中极不方便[9]；
从功能性来看，为了提供冲击吸能和稳定性，往往会增加金属材质，在危险发生时金属碎片会直接导致风险增加。总体来说，目前现有的防护服不能够满足灵活性和防护性能的整体要求，导致防护服相对笨重，实用性差。基于结构稳定性和抗冲击性能的综合考虑，需对防护服进行新的结构设计。
美国学者GOLDMAN R F在功能服装设计研制过程中提出“4F”原则，即Fashion(时尚性)、Fit(适合性)、Feel(舒适性)、Function(功能性)[10]。因此新型防冲击服结构结合人体工学，采用模块化设计，如图1所示，其由内衬板嵌套构成，内衬板由多个组合护板通过选用合适面料将其包覆缝制；
组合护板由抗压板和缓冲层组成，整体具有多层缓冲吸能效果。抗压板采用轻质高强度复合材料，抗冲击力强；
缓冲层贴近人体一侧，采用纳米吸能材料制成纳米吸能缓冲层。目前关于纳米吸能材料已有大量的研究，它是一种非牛顿流体，主要由纳米多孔材料和非浸润性功能液体组成，吸能密度可达到30 J/g以上，常规状态下为均匀可流动液体。吸能机理如图2所示，在外力冲击作用时，外界动能会迫使非浸润性功能液体流入纳米多孔材料孔道内部，将外力机械功转化为固体-液体的界面能和摩擦热能，外力撤销后，功能液体流出纳米孔道，材料可多次重复利用。这样在受到冲击力的时候可以瞬时响应，逐层缓冲耗能，最终将冲击载荷耗散在缓冲层，实现了矿井作业人员的有效防护。基于此，将防护性、功能性融入矿井作业劳动中，考虑服装舒适性的同时，贴合人体，注入灵活性，不影响弯腰下蹲等动作，使得井下作业人员穿着作业时更加安全、方便、高效。
图1 矿用纳米吸能防冲击服
图2 纳米吸能材料吸能机理
矿用防护服的设计应遵循功能服装的设计原则，同时也应结合特殊而复杂的工作环境，所以防冲击服的服装材料选择非常重要[11-12]。本款防冲击服所采用的材料遵循MT/T 843—1999《矿工普通工作服》的要求，同时保证在《煤炭工业职工劳动防护用品发放标准》规定的使用期限内，满足防火、防水、防静电的“三防”要求，以最大限度保障矿井作业人员作业劳动的安全性、舒适度。
矿用纳米吸能防冲服所涉及的材料有面料、抗压板和缓冲材料等。面料选用超高分子量聚乙烯纤维，这种纤维具有高剪切强度、耐冲击和高模量的特殊属性，在面对外力或者锐器威胁时可耐冲击，同时作为面料，耐疲劳、耐摩擦性能优良。在面料包覆的内衬组合护板，其中抗压板选用轻质纤维增强塑料，该种材料除了可抗冲击以外，加工工艺简单，可用于大规模生产；
同时在模块化的抗压板背部粘连缓冲层。缓冲层则采用柔性材料封装新型纳米吸能材料研制而成。在外力冲击作用时，纳米吸能材料面对非线性、高速冲击甚至多次冲击时，缓冲吸能效果优异。目前该材料的研制已满足阻燃抗静电性能，可在矿井底下使用。
3.1 测试标准
目前适用于国内防护服的性能测试标准为MT/T 843—1999《矿工普通工作服》和GB/T 12014—2019《防护服装防静电服》，包括了防护服的防护面积、防静电能力、面料断裂强度、耐磨性能和衣片的缝纫强力。
3.2 测试仪器和设备
测试委托国家安全生产徐州劳动防护用品检测检验中心，测试涉及的仪器有：XQB 46-10加热型全自动洗衣机、YG741型缩水率烘箱、YG026型织物强力机、落球冲击试验仪、Y522型圆盘式织物耐磨机和ZC-90G型高绝缘电阻测量仪。
3.3 试验结果分析
3.3.1 基本性能评价
试验参照标准MT/T 843—1999《矿工普通工作服》和GB/T 12014—2019《防护服装防静电服》检测本矿用纳米吸能防冲击服的基本性能，主要通过对防护面积、面料断裂强力、耐磨性能、衣片缝纫强力进行评价，通过测试得出，矿用纳米吸能防冲击服符合矿井作业人员穿戴的基本要求，基本性能达标。基本性能评价见表1。
表1 矿用纳米吸能防冲击服基本性能评价
3.3.2 防静电能力
煤矿生产过程中重复触碰、分离的作业动作往复会产生摩擦，这会使得作业设备产生静电，当该静电点位达到上千上万伏时，会累积大批量电荷，大于一定标准数量后会产生火花或者放电等情况。此时静电火花最小值比周围可燃瓦斯气体的临界值大时，会发生火灾或者爆炸等安全事故，这会直接威胁矿井工作人员的人身安全，同时给煤矿企业带来极大损失，因此矿井作业人员防护服的防静电能力很重要[13-15]。文中通过参照标准GB/T 12014—2019《防护服装防静电服》进行对比测试点对点电阻，用来评估矿用纳米吸能防冲击服的防静电能力。
从表2中可以看出，矿用纳米吸能防冲击服的点对点电阻相对于普通防护服明显更大，这是因为在矿用纳米吸能防冲击服的材料选择时，完全考虑了矿井工作情况，选用材料包括自主研发的纳米吸能材料配方均满足阻燃抗静电的要求。从矿用纳米吸能防冲击服的最外层至最内层表面形成科学合理的抗静电分子层，强化表面的平滑性，大大减小摩擦，降低静电荷出现的概率。
表2 防静电能力检测
3.3.3 抗冲击性能
针对上述提出的抗冲击地压问题，对比测试矿用纳米吸能防冲击服的抗冲击性能和稳定性。测试使用不同质量的落锤，从1 m高度自由下落，冲击防护服正面，观察防护服的变化。
通过对比测试发现，普通防护服在面对质量为1 kg、2 kg的落锤时，无破裂、无穿透；
当面对质量为3 kg的落锤时，普通防护服出现破裂、穿透，如图3所示。然而矿用纳米吸能防冲击服在面对质量为1 kg、2 kg、3 kg、4 kg、5 kg的落锤时，无破裂、无穿透；
当面对质量为6 kg的落锤时，矿用纳米吸能防冲击服内衬板未发现破裂与穿透，拆开面料发现抗压板面出现轻微破裂、轻微穿透，纳米吸能缓冲层未出现破裂、穿透，如图4所示。
图3 普通防护服样品抗冲击试验前后对比
图4 矿用纳米吸能防冲击服样品抗冲击试验前后对比
出现该种情况是因为矿用纳米吸能防冲击服按照人体工学，采用模块化设计，利用抗压板和纳米吸能缓冲层层层缓冲递减，尤其是当冲击力到达贴近人体侧的纳米吸能缓冲层时，内置的纳米吸能材料可以瞬时将冲击力转化为固体-液体的界面能和摩擦热能，将冲击载荷耗散在缓冲层，实现了矿井工人的个体防护。
(1)针对矿井冲击地压和矿井作业人员作业劳动存在的问题，设计开发出一款矿用纳米吸能防冲击服，该防冲击服结合人体工学，采用模块化设计，由超高分子量聚乙烯纤维包覆内衬板缝制而成；
同时内衬板由多个组合护板构成，而组合护板是由抗压板和纳米吸能缓冲层组成，具有多层缓冲吸能效果。整个矿用纳米吸能防冲击服在受到外力冲击时，从外到内层层缓冲，尤其当冲击能量缓冲至最内纳米吸能缓冲层时，可瞬时吸能，减缓冲击能量，最大程度地保障矿井作业人员在复杂工况下的安全性和舒适性，实现人体防护。
(2)针对矿用纳米吸能防冲击服进行的测试，其满足基本防护服性能要求；
同时对比普通防护服，其防冲击服表现出优异的抗冲击性能和稳定性。总之，这种防冲击服结合新材料开发应用，针对具体问题，为极端环境下工作的作业人员所必备的防护服提供了一种研究思路及方向。
