防火服織物的服用熱防護(hù)性能評(píng)價(jià)方法

李小輝，管曼好，李 俊

(1.東華大學(xué)服裝·藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，上海 200051;2.東華大學(xué)功能防護(hù)服裝研究中心，上海 200051;3.東華大學(xué)現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200051)

隨著科技的迅猛發(fā)展和社會(huì)不安定因素的日漸凸顯，承載更高價(jià)值與期望的熱防護(hù)功能服裝的應(yīng)用日益廣泛，其中服裝熱防護(hù)性能量化測(cè)評(píng)及對(duì)合理配備的需求甚為迫切。然而，由于熱防護(hù)性能測(cè)評(píng)不僅要考慮織物性能，還需要考查服裝作為一個(gè)整體的熱防護(hù)性能［1］，其測(cè)試方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)涉及了從纖維材料、織物組織、服裝構(gòu)成、著裝形態(tài)、火場(chǎng)情況等諸多因素。

目前，針對(duì)防火服的熱防護(hù)性能主要是采用織物熱防護(hù)性能值測(cè)評(píng)和燃燒假人系統(tǒng)測(cè)評(píng)?？椢餆岱雷o(hù)服性能測(cè)評(píng)原理是將熱防護(hù)織物暴露在熱流量可控的模擬火場(chǎng)，通過放置在織物后面的熱流傳感器測(cè)量皮膚達(dá)到二度燒傷所需的時(shí)間，用該條件下所采用的熱流量與燒傷時(shí)間的乘積來表征織物的熱防護(hù)性能(TPP)，即織物的TPP值。織物TPP測(cè)試方法雖然能夠較為真實(shí)的反映織物在火場(chǎng)中實(shí)際情況，且因其操作簡(jiǎn)單、成本低而被廣泛采用［2－3］，但只能局限于織物小樣品的熱防護(hù)性能評(píng)價(jià)。燃燒假人系統(tǒng)測(cè)評(píng)方法則通過將整體服裝暴露在火場(chǎng)中來模擬人體皮膚的二度、三度燒傷程度及其分布，并以燒傷面積所占百分比來評(píng)價(jià)服裝熱防護(hù)性能［4－5］。雖然燃燒假人系統(tǒng)可對(duì)服裝整體熱防護(hù)性能進(jìn)行皮膚燒傷評(píng)估，但是由于設(shè)備技術(shù)要求高，成本高，操作復(fù)雜等限制［6］，當(dāng)前國內(nèi)外各燃燒假人系統(tǒng)測(cè)評(píng)結(jié)果還難以形成統(tǒng)一的評(píng)價(jià)指標(biāo)，從而阻礙了行業(yè)內(nèi)熱防護(hù)服裝評(píng)價(jià)指標(biāo)通用性的實(shí)現(xiàn)。

本文通過將織物熱防護(hù)性能測(cè)評(píng)方法拓展至服裝構(gòu)成及著裝形態(tài)，提出了基于織物TPP測(cè)試的服裝熱防護(hù)性能評(píng)價(jià)方法。這種服裝熱防護(hù)性能評(píng)價(jià)方法既利用了織物TPP測(cè)評(píng)的穩(wěn)定、簡(jiǎn)便及成本低等優(yōu)勢(shì)，又充分考慮了服裝層面的衣下間隙、熱形變等影響因素，并以熱防護(hù)服性能值為測(cè)評(píng)結(jié)果的通用性指標(biāo)，既便于高性能防護(hù)服裝的功能設(shè)計(jì)與開發(fā)，還有助于防護(hù)服裝測(cè)評(píng)及合理配備的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化。

1 服裝TPP評(píng)價(jià)方法

1.1 評(píng)價(jià)方法的提出

本文基于織物TPP測(cè)試對(duì)服裝熱防護(hù)性能評(píng)價(jià)方法的構(gòu)架與思路如圖1所示。圖中A1、A2、…、An表示著裝衣下間隙的若干區(qū)域，T1、T2、…、Tm表示不同空氣層厚度和熱形變下測(cè)得的織物熱防護(hù)性能值，TA1、TA2、…、TAm表示對(duì)著裝全身所提取衣下間隙位置所對(duì)應(yīng)的熱防護(hù)性能值。

圖1 服裝TPP評(píng)價(jià)方法的研究思路Fig.1 Research framework of clothing TPP

該服裝TPP評(píng)價(jià)方法服裝層面是通過對(duì)款式構(gòu)成、規(guī)格尺寸、人體等著裝形態(tài)特征的提取，最終以量化的衣下間隙作為與織物測(cè)評(píng)集成的數(shù)據(jù)元。熱防護(hù)服的傳熱與傳質(zhì)是由服裝、人體以及二者之間形成的衣下空氣層構(gòu)成。由于衣下空氣的傳導(dǎo)系數(shù)遠(yuǎn)小于熱防護(hù)織物，熱量透過織物傳遞到皮膚的過程中，衣下間隙大小與分布會(huì)明顯地影響輻射、對(duì)流、傳導(dǎo)3種傳熱方式，從而影響服裝的熱防護(hù)性能［7］。從織物層面來看，其測(cè)評(píng)可通過衣下空氣層厚度作為與服裝評(píng)價(jià)集成的數(shù)據(jù)元，然后將由著裝形態(tài)提取出來的衣下間隙與相應(yīng)的織物熱防護(hù)性能值進(jìn)行匹配與集成，最后獲得以熱防護(hù)性能值為結(jié)果的服裝熱防護(hù)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，該服裝熱防護(hù)性能值可采用服裝整體的熱防護(hù)性能(TC)來表示，或者采用最小空氣層所占比例得到的服裝熱防護(hù)性能(TM)來表示。

1.2 織物TPP測(cè)評(píng)

1.2.1 測(cè)評(píng)方法

當(dāng)前典型的織物TPP測(cè)試方法主要是參照美國NFPA—1971《建筑滅火中消防員全套裝備標(biāo)準(zhǔn)》，其熱源主要是采用2個(gè)呈45°放置的燃燒器提供燃燒火焰，同時(shí)還增加了電加熱石英燈管提供輻射熱源，使整個(gè)模擬火場(chǎng)的對(duì)流與輻射熱流比例可調(diào)節(jié)。其中試樣與石英燈管的距離為127mm?？椢锱c熱源的接觸面積為100mm×100mm。根據(jù)火場(chǎng)總熱流量與熱流計(jì)記錄皮膚達(dá)到二度燒傷所用時(shí)間的乘積即TPP值作為測(cè)評(píng)結(jié)果。熱防護(hù)織物的熱防護(hù)性能值越大，表示其熱防護(hù)性能越好，反之則越差。

1.2.2 衣下空氣層測(cè)試裝置

基于現(xiàn)有織物TPP測(cè)試方法可通過增加衣下空氣層裝置來拓展其功能［8］，模擬衣下空氣層的織物測(cè)評(píng)裝置的構(gòu)成如圖2所示。該測(cè)試裝置的衣下空氣層的調(diào)節(jié)裝置由密封框架、間隙大小調(diào)節(jié)裝置等部分構(gòu)成。其中，密封框架材料采用阻燃隔熱材料，并具有化學(xué)穩(wěn)定性、耐酸堿腐蝕性和電絕緣性。同時(shí)，在框架的2邊分別裝有調(diào)節(jié)旋鈕，通過調(diào)節(jié)可設(shè)定所需要的間隙大小，在活動(dòng)板的支架外側(cè)標(biāo)有刻度，可方便校對(duì)所要調(diào)節(jié)的間隙大小。在框架底部的四周可安裝試樣固定齒，主要是用來固定試樣，確保試樣平整，以避免織物遇高溫?zé)崾湛s而造成的影響。

圖2 模擬衣下空氣層TPP測(cè)試裝置Fig.2 TPP testing apparatus simulating clothing air gap

1.3 著裝形態(tài)特征提取

1.3.1 服裝構(gòu)成

服裝的構(gòu)成主要是指款式設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)規(guī)格、合體程度及其配套工藝等;相同面料不同構(gòu)成方式其服裝熱防護(hù)性能也會(huì)有差異，因此，服裝TPP評(píng)價(jià)必須要確定防護(hù)服裝的相關(guān)特征及其規(guī)格尺寸等。

1.3.2 著裝人體

人體體型的差異也會(huì)造成服裝熱防護(hù)性能的不同，因而服裝熱防護(hù)性能評(píng)價(jià)還取決于著裝對(duì)象的體型特征。也就是說，服裝TPP評(píng)價(jià)應(yīng)明確防護(hù)服裝適用的人體范圍。

1.3.3 衣下間隙表征與測(cè)量

著裝形態(tài)特征提取的關(guān)鍵是對(duì)衣下間隙進(jìn)行客觀表征與測(cè)量。衣下間隙的獲取方法是先對(duì)著裝前人體或人體模型進(jìn)行三維掃描，再在相同條件下對(duì)著裝后人體或人體模型三維掃描，然后將系統(tǒng)獲取的三維數(shù)據(jù)利用逆向工程軟件進(jìn)行處理、比對(duì)和提?。?］，從而實(shí)現(xiàn)衣下間隙特征的客觀表征和間隙尺寸測(cè)量。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 試樣制備

2.1.1 實(shí)驗(yàn)面料

本文實(shí)驗(yàn)服裝面料選取2種當(dāng)前典型的耐熱阻燃芳綸類外層面料(Nomex?ШA，美國杜邦公司)，面料的基本性能特征見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)面料基本性能特征Tab.1 Basic physical properties of specimens

2.1.2 服裝款式構(gòu)成

實(shí)驗(yàn)服裝款式為上下連體的單層結(jié)構(gòu)，樣衣為雙層翻折領(lǐng)，前中有門襟開口，腰部有橫向分割;縫紉線為芳綸防火阻燃材料，規(guī)格為40 s/3。具體款式構(gòu)成及工藝制作如圖3所示。

圖3 試樣款式構(gòu)成與工藝Fig.3 Design and workmanship of clothing

2.1.3 服裝規(guī)格尺寸

本文根據(jù)著裝合體程度選擇X(貼體)、Y(適中)2種規(guī)格，細(xì)部規(guī)格尺寸見表2。其中選用N2(面密度為210g/m2的Nomex?ШA面料)分別制作X規(guī)格和Y規(guī)格試樣X1和X2，選用N1(面密度為150g/m2的Nomex?ШA面料)和Y規(guī)格制作試樣 X3。

表2 服裝試樣細(xì)部規(guī)格尺寸Tab.2 List of clothing detail measurement cm

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

2.2.1 織物測(cè)試儀器與方法

本文實(shí)驗(yàn)采用的熱防護(hù)性能測(cè)試儀器為美國Custom Scientific Instrument公司的 CSI-206 TPP測(cè)試儀，并增加了衣下空氣層測(cè)試裝置?？諝鈱雍穸冗x取了0～24mm之間9個(gè)尺寸。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度為(20±2)℃、相對(duì)濕度為(65±5)%?？椢餃y(cè)試相關(guān)參數(shù)見表3。

表3 織物測(cè)試相關(guān)參數(shù)Tab.3 Parameters for experimental protocol

2.2.2 著裝三維掃描系統(tǒng)及處理軟件

本文實(shí)驗(yàn)采用的［TC］2三維人體掃描系統(tǒng)(Textile and Clothing Technology Corporation，美國)為非接觸式測(cè)量手段，并利用逆向工程軟件Geomagic Qualify 12.0為三維建模技術(shù)的處理平臺(tái)，進(jìn)行衣下間隙特征的色譜表征與測(cè)量［9］。實(shí)驗(yàn)衣下間隙測(cè)量是采用熱流傳感器相應(yīng)位置衣下間隙特征提取的方法，同時(shí)所提取的衣下間隙個(gè)數(shù)也依據(jù)熱流傳感器數(shù)量而定。在具體操作過程中，將全身衣下間隙測(cè)量時(shí)選擇注釋類型為偏差，偏差的名稱以燃燒假人部位熱流傳感器編號(hào)命名，測(cè)量區(qū)域的半徑參照實(shí)際熱流傳感器半徑的尺寸設(shè)為15mm。

2.2.3 燃燒測(cè)試

實(shí)驗(yàn)服裝的燃燒測(cè)試采用東華大學(xué)燃燒假人測(cè)評(píng)系統(tǒng)“東華火人”［10］。該系統(tǒng)為6組12支噴火頭，假人全身分布135個(gè)傳感器，實(shí)驗(yàn)不含頭手足的測(cè)評(píng)，主要為軀干和四肢的118個(gè)熱流傳感器;假人本體尺寸為中國標(biāo)準(zhǔn)中間體型。燃燒測(cè)試程序依據(jù)GB/T 23467—2009《燃燒假人用假人評(píng)估轟然條件下服裝阻燃性能測(cè)試方法》的相關(guān)要求。熱源下暴露時(shí)間4 s，假人為靜止自然站立姿勢(shì)。

3 結(jié)果與討論

3.1 織物TPP測(cè)評(píng)結(jié)果與分析

圖4示出編號(hào)為N1、N22種試樣在不同衣下空氣層下的熱防護(hù)性能值變化趨勢(shì)。從圖可看出，試樣的熱防護(hù)性能值隨著衣下空氣層的增加而增大。這是由于衣下空氣的熱傳導(dǎo)系數(shù)比織物要小得多，從而降低了熱量傳遞速度，起到了很好的隔熱作用。同時(shí)也說明，在熱流傳感器與織物直接接觸時(shí)(即0空氣層厚)溫度上升速度最快，而在24mm時(shí)上升的速度為最慢;當(dāng)空氣層厚度為0～6mm時(shí)溫升速度增加幅度最大，而為6～24mm時(shí)的溫升速度增加幅度相對(duì)較小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在輻射與對(duì)流的強(qiáng)熱流環(huán)境中透過織物的熱傳遞速度隨著衣下間隙的逐漸增加而減弱，相對(duì)較小的空氣層對(duì)熱防護(hù)性能的影響相對(duì)較大。

圖4 不同空氣層厚度的熱防護(hù)性能值Fig.4 Fabric TPP of different air gaps

3.2 衣下間隙結(jié)果與分析

根據(jù)織物測(cè)試的9個(gè)模擬空氣層厚度，將全身118個(gè)位置獲取的衣下間隙相應(yīng)分為9個(gè)區(qū)域，其中 0≤A1＜3mm，3≤A2＜6mm，6≤A3＜9mm，9≤A4＜12mm，12≤A5＜15mm，15 ≤A6＜18mm，18≤A7＜21mm，21≤A8＜24mm，A9≥40mm。圖5示出2種服裝結(jié)構(gòu)規(guī)格衣下間隙尺寸頻數(shù)累計(jì)百分比的比較。從圖中的累計(jì)頻率百分比變化曲線可看出，2種試樣在A1和A22個(gè)區(qū)域(即0～6mm)衣下間隙頻率所占的比例較高。從二者的衣下間隙分布來看，小于24mm衣下間隙所占比例都在80%以上，從而說明相對(duì)較小的衣下間隙在全身占有較大比例，分布在0～24mm區(qū)間內(nèi)的衣下間隙最多，大于24mm以上的衣下間隙則相對(duì)較少;其中，X1在每個(gè)區(qū)間的衣下間隙頻率百分比都為最高，而X2則相對(duì)較小;也就是說X1的衣下間隙相對(duì)于X2整體都偏小，從而說明服裝整體衣下間隙均值隨著合體程度由貼體變?yōu)閷捤啥黾印?/p>

圖5 X1、X22種規(guī)格服裝的衣下間隙厚度分布比較Fig.5 Air gaps distribution with different clothing sizes

3.3 服裝TPP評(píng)價(jià)結(jié)果與分析

根據(jù)織物測(cè)試和著裝衣下間隙測(cè)試結(jié)果，基于前面所述服裝TPP評(píng)價(jià)方法的構(gòu)成思路，可獲得服裝熱防護(hù)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，即:

式中:TC表示服裝的熱防護(hù)性能，kJ/m2;m表示在著裝全身各個(gè)位置中提取衣下間隙的總數(shù)量;TAi表示在著裝全身所提取衣下間隙位置所對(duì)應(yīng)的熱防護(hù)性能值，kJ/m2。

由于同等條件下較小空氣層區(qū)域的熱量傳遞快而更易燒傷，通?？蓪⑿】諝鈱?A1和 A2(即0～6mm)區(qū)域內(nèi)所得的熱防護(hù)性能值作為服裝熱防護(hù)性能指標(biāo)，即:

式中:TM表示基于小空氣層的服裝熱防護(hù)性能，kJ/m2;T1和T2分別表示織物在0和3mm空氣層厚度的熱防護(hù)性能值，kJ/m2;x1和x2分別表示在A1和A2區(qū)域中的衣下間隙數(shù)量。

服裝TM、TC值越高，說明其熱防護(hù)性能越好;反之，則說明其熱防護(hù)性能就越差。本文試樣的服裝TC值和TM值的測(cè)試結(jié)果如表4所示。

從服裝TPP評(píng)價(jià)結(jié)果可看出，其中TM值和TC值的變化規(guī)律一致，但TM值的評(píng)價(jià)相對(duì)較為嚴(yán)格;從3種試樣比較可看出，X1和X22種試樣所用面料相同而服裝規(guī)格不同，由于X2服裝規(guī)格相對(duì)寬松，其熱防護(hù)性能則相對(duì)較好;X2和X32種試樣的服裝規(guī)格相同而面料不同，由于X2面料性能好其服裝熱防護(hù)性能相對(duì)X3要好;同樣，根據(jù)X1和X32種試樣的服裝熱防護(hù)性能值的比較可看出，雖然X3的規(guī)格設(shè)計(jì)相對(duì)X1較好，但是X3的面料性能相對(duì)較差，X3服裝的綜合防護(hù)性能相對(duì)X1要差，也說明在本次實(shí)驗(yàn)中體現(xiàn)出了相對(duì)于面料性能，服裝規(guī)格對(duì)服裝熱防護(hù)影響相對(duì)較小。

表4 試樣的服裝TPP值Tab.4 Clothing TPP of different samples

3.4 TPP評(píng)價(jià)與燃燒假人燒傷結(jié)果對(duì)比

表5示出3種試樣在熱源下暴露時(shí)間4s、靜止自然站立姿勢(shì)條件下燃燒假人系統(tǒng)所測(cè)得的燒傷結(jié)果。從皮膚燒傷結(jié)果的比較可看出，三者服裝熱防護(hù)性能X2最好，其次為X1，而X3的熱防護(hù)性最差，從而說明面料性能和規(guī)格設(shè)計(jì)都會(huì)影響服裝熱防護(hù)性能，同等條件下面料性能越好服裝熱防護(hù)性能越好，同等條件下規(guī)格設(shè)計(jì)越貼體其熱防護(hù)性能越差，而面料性能相對(duì)于規(guī)格設(shè)計(jì)對(duì)服裝熱防護(hù)性能的影響較大。

表5 燃燒假人系統(tǒng)燒傷結(jié)果Tab.5 Burn results of flame test manikin system %

從燃燒假人的燒傷結(jié)果與服裝TPP評(píng)價(jià)結(jié)果的比較可看出，雖然服裝熱防護(hù)性能值和燃燒假人燒傷的評(píng)價(jià)指標(biāo)不同，其中燃燒假人燒傷評(píng)價(jià)側(cè)重于在一定的火場(chǎng)熱暴露時(shí)間內(nèi)皮膚達(dá)到燒傷程度的百分比，而服裝TPP評(píng)價(jià)則側(cè)重于人體著裝達(dá)到二度燒傷所吸收的總熱量及其達(dá)到二度燒傷的時(shí)間，但是二者所反映服裝熱防護(hù)性能的規(guī)律具有一致性。

4 結(jié)論

服裝TPP評(píng)價(jià)方法是通過對(duì)服裝層面的款式構(gòu)成、規(guī)格尺寸、人體等著裝形態(tài)特征提取衣下間隙作為與織物測(cè)評(píng)集成的數(shù)據(jù)元;同時(shí)在不同空氣層厚度下對(duì)織物進(jìn)行織物TPP測(cè)評(píng)，然后根據(jù)著裝衣下間隙大小與分布進(jìn)行服裝熱防護(hù)性能的匹配與集成，從而獲得以熱防護(hù)性能值為測(cè)試結(jié)果的服裝整體熱防護(hù)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。

根據(jù)服裝TPP評(píng)價(jià)結(jié)果可知，織物性能與規(guī)格都會(huì)影響到服裝熱防護(hù)性能。相同織物條件下服裝規(guī)格設(shè)計(jì)會(huì)造成服裝熱防護(hù)性能的不同，相對(duì)寬松的服裝其熱防護(hù)性能較好;對(duì)于同等服裝規(guī)格設(shè)計(jì)，織物性能越好服裝熱防護(hù)性能越好。

服裝熱防護(hù)性能值與燃燒假人燒傷評(píng)價(jià)所反映的服裝熱防護(hù)性能具有一致性，基于織物測(cè)試的服裝TPP評(píng)價(jià)，可與織物TPP測(cè)試、燃燒假人燒傷評(píng)估共同作為服裝熱防護(hù)性能評(píng)價(jià)方法。服裝TPP評(píng)價(jià)可利用織物測(cè)試的穩(wěn)定性、成本低等優(yōu)勢(shì)，使各燃燒假人系統(tǒng)之間建立測(cè)評(píng)結(jié)果之間的關(guān)聯(lián)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)熱防護(hù)服裝功能量化設(shè)計(jì)與合理配備具有實(shí)用價(jià)值。

［1］BARR D，GREGSON W，REILLY T.The thermal ergonomics of firefighting reviewed［J］. Applied Ergonomics，2010，41(1):161 －172.

［2］KIM I Y，LEE C，LI P，et al.Investigation of air gaps entrapped in protective clothing systems［J］.Fire and Materials，2002(26):121 －126.

［3］TORVI D A，DALE J D，F(xiàn)AULKNER B.Influence of air gaps on bench-top test results of flame resistant fabrics［J］.Journal of Fire Protection Engineering，1999，10(1):1－12.

［4］HOLMER I.Thermal manikin history and applications［J］.Journal of Applied Physiology，2004(92):614－618.

［5］CAMENZIND M A，DALE D J，ROSSI R M.Manikin test for flame engulfment evaluation of protective clothing:historical review and development of a new ISO standard［J］.Fire and Materials，2007(31):285 －295.

［6］LEE C，KIM I Y，WOOD A.Investigation and correlation of manikin and bench-scale fire testing of clothing systems［J］.Fire and Materials，2002(26):269－278.

［7］SONG G W.Clothing air gap layers and thermal protective performance in single layer garment［J］.Journal of Industrial Textiles，2007，36(3):193 －205.

［8］LI X H，LU Y H，LI J，et al.A new approach to evaluate the effect of moisture on heat transfer of thermal protective clothing under flashover［J］.Fibers and Polymers.2012，13(4):549 －554.

［9］王云儀，張雪，李小輝，等.基于Geomagic軟件的燃燒假人衣下空氣層特征提取［J］.紡織學(xué)報(bào)，2012，33(11):102－106.WANG Yunyi， ZHANG Xue， LI Xiaohui， et al.Geomagic based characteristic extraction of air gap under clothing［J］. Journal of Textile Research， 2012，33(11):102－106.

［10］王敏，李小輝.我國建成國際領(lǐng)先的服裝燃燒假人系統(tǒng)—“東華火人”［J］.中國個(gè)體防護(hù)裝備，2011(5):54－55.WANG Min，LI Xiaohui.The latest flame test manikin system developed in China［J］. China Personal Protective Equipment，2011(5):54 －55.