消防服裝防護性能研究進展

牛 麗，錢曉明，張文歡

(天津工業(yè)大學 紡織學院，天津 300387)

消防服裝防護性能研究進展

牛 麗，錢曉明*，張文歡

(天津工業(yè)大學 紡織學院，天津 300387)

消防防護服裝作為進入火場保護消防員生命安全的重要裝備，防護性能得到不斷的改進。從材料、結構等方面優(yōu)化熱防護性能及在消防服裝內部設置微小氣候降溫裝置以降低熱應力兩個方面進行闡述，并對消防服的防護性能進行評價。

消防服；熱防護；降溫；熱應激

氣候變暖，安全隱患的發(fā)生率也隨之上升，應對復雜多變的火災現場，消防人員需面對熱、火焰、及瞬時高溫，增加了工作的危險性，導致效率低下。目前，在中國知網上分別以消防服、熱防護、熱應激作為關鍵字進行搜索，結果見圖1，可以發(fā)現，針對消防防護服裝系統(tǒng)中熱防護性能以及熱應激的關注越來越多，這對維護消防員生命安全有重大意義。消防防護服裝系統(tǒng)是一個由不同服裝組合而成的多層結構體系(以下簡稱為消防防護服裝)，這個系統(tǒng)包括外層、防水透氣層、隔熱層和舒適層。材料層間配置的不同，引起人體-服裝-環(huán)境之間熱傳遞關系的不同，以致消防防護服裝具有不同的熱防護效果。

消防防護服裝阻止外部熱量進入，也避免人體與防護服之間的微氣候溫度過高，人體核心溫度上升到危險水平而導致的嘔吐、中暑、昏厥等熱損傷。所有這些癥狀的發(fā)生，嚴重影響著救援工作的效率及消防員的生命安全。

1 研究現狀

根據熱流量強度、空氣溫度和消防員承受時間的不同，火場環(huán)境一般分為3種，即普通環(huán)境、危險環(huán)境和緊急環(huán)境[1-2]。普通和危險環(huán)境溫度通常小于300 ℃，極限熱輻射為1 kW/m3，消防員能夠承受的時間為60～1 500 s;緊急環(huán)境屬于“閃火環(huán)境”，溫度大于300 ℃，熱流量為10～20 kW/m3，能夠承受的時間小于60 s[3]。在危險和緊急環(huán)境中，消防員承受更多熱輻射，受到更多的熱損傷。

由于消防服的層間結構，在GA10-2014標準中規(guī)定各層均需要阻燃、防水，穿著此種厚重、多層、透氣性較差的防護服裝，進入火場進行長時間、高強度的救援工作時，大量出汗，帶來較大的熱應力，散熱量不足，最終導致消防員身體熱平衡失調，威脅人身安全。目前，為適應人體熱應激生理反應，消防防護服的熱防護性能研究主要集中在兩個方面：一是在材料、結構等方面進行優(yōu)化，確保熱防護性能，增加消防服整體的隔熱性能并且減輕重量；二是在消防服內部，設置主動降溫裝置即微小氣候降溫裝置，降低熱應力，提高熱防護性，延長消防員工作時間。

1.1 提高隔熱性，減輕重量負荷，改善消防防護服裝的熱防護性

對于滅火救援活動中，往往最嚴重的并不是直接的火焰燒傷，而是防護服裝內的高溫灼傷皮膚。消防員進入火場的溫度一般為60～1 100 ℃,輻射熱為115～200 kW/m2·s[4]。目前，使用燃燒假人可更加真實地模擬不同環(huán)境下，消防員的損傷狀況。依托出汗暖體假人研究消防服裝材料組合與設計特征對熱傳遞的影響，結果表明消防服結構設計變化對服裝熱阻影響較大，而服裝材料本身的特性也決定了濕阻的大小[5]，所以，消防服裝熱防護性能的優(yōu)化既要考慮到結構，也要重視材料。

1.1.1 結構優(yōu)化

消防防護服裝多層織物系統(tǒng)的綜合性能，取決于各層織物不同的配伍方式。李俊等[6]通過兩步法選擇織物的基本性能及不同組合方式，首先按消防服標準查詢各層織物的單項基本性能;對符合要求的各組織物按正交表設計組合配伍方案，形成最佳性能的多層織物組合。結果表明，隔熱層+舒適層對整體的熱防護性能、隔熱性能影響最大，優(yōu)化各層織物的組合方式，對熱防護性能有明顯的改善。

王棋生等[7]研究了相變材料包間隙大小對熱防護性能的影響。實驗中采取熱平板儀模擬環(huán)境溫度，使用8個探頭對服裝相變層和間隙處表面溫度測試，結果表明，高溫環(huán)境的溫度越低，且材料包之間的間隙量越小時，熱緩沖效果越好。相變材料包排列布局上的改變，也對隔熱性能有大的影響。

李紅燕等[8]研究了6種耐高溫阻燃織物之間不同的面料組合，使得熱防護性能最大化。實驗模擬消防服的層次結構，采用垂直燃燒試驗以及TPP試驗測試，結果表明消防服采用NomexⅢA、三維阻燃間隔織物和阻燃棉布的配伍方式，TPP值可以達到50.7，從而獲得較好的綜合熱防護性能，并在一定程度上減輕了消防員的熱損傷。

1.1.2 材料優(yōu)化

消防防護服裝的隔熱性主要通過增加隔熱層材料厚度改善，國內外消防防護服裝各層常用材料見表1[5]。過厚的消防服阻礙了消防員活動的靈活性，選擇質輕且高效的隔熱材料成為消防防護服裝研發(fā)的重點。

表1 消防防護服裝各層常用材料

20世紀80年代，美國航天事業(yè)研發(fā)的PBO纖維，憑借自身優(yōu)良的阻燃性能和柔軟性，很快應用在消防防護服裝的研究中。隨后，擁有良好絕緣性能和穩(wěn)定化學性能的Kynol纖維，也迅速被應用。20世紀90年代，德國的BASF公司生產的Basofil纖維依托良好的耐火性和防護性能被廣泛使用。

近年來，據統(tǒng)計，全球氣凝膠市場規(guī)模年復合增長率36.4%，而國內氣凝膠市場的年復合增長率高達61.1%[9]。氣凝膠材料憑借納米孔隙結構、極低導熱率和低密度的優(yōu)良特性，作為世界上最輕的固體材料，已經成為消防服隔熱層的主導材料，不僅減輕了消防防護服裝的重量，也大大降低了使用時的工作損耗。

任乾乾等[10]通過對比了耐高溫纖維玄武巖纖維、碳纖維、E玻纖、S玻纖、芳綸、巖棉的各種性能，最終選擇玻璃纖維二氧化硅氣凝膠氈作為隔熱層。其熱防護性能大于60，并且可以經受450 ℃高溫火焰燃燒50 s。結果說明，氣凝膠作為隔熱層材料，在熱防護性方面有明顯提高，可以抵御進入火場的瞬時高溫。

張興娟等[11]對比兩種不同材料的隔熱層的防護性,以獲得消防服裝的熱防護性能。經熱防護性能測試，傳統(tǒng)Kevlar R隔熱纖維作為隔熱層消防服試樣的綜合導熱系數為0.196 W/m·K，而SiO2氣凝膠材料作為隔熱層的新型消防服試樣的綜合導熱系數為0.057 W/m·K，是傳統(tǒng)材料的1/4左右。測試結果表明新型消防服在保證隔熱性能的同時，材質更加輕薄，使用更加高效。

Abu Shai等[12]在氣凝膠中加入相變材料革新消防服隔熱層。實驗中使用孔狀結構的氣凝膠粒子對靠近環(huán)境一側的隔熱層表面進行涂層；另外，使用相變材料和氣凝膠的混合物粉末對靠近皮膚的一側涂層。傳統(tǒng)氣凝膠阻止了熱流量的進入，與相變材料進行混合以后不僅顯示了優(yōu)異的熱防護性，延長感受到痛覺的時間，同時改善了消防服的穿著舒適性能，也給消防員提供了更多危險反應時間。

1.2 降低熱應力，延長消防員工作時間

消防員在超重工作負荷和極端的環(huán)境條件下，導致生理代謝熱過大，人體蒸發(fā)散熱量不足，受到較大的熱應力影響，從而影響單兵作戰(zhàn)的效率，也產生一系列的熱疾病。因此，消防設計服在考慮隔熱防護性能的同時，也要考慮降低熱應力，延長工作時間。國內外的研究人員已經做了很多研究，將降溫體系應用于消防服中，變被動為主動，成為降低熱應激的主要舉措。

微氣候冷卻系統(tǒng)(Microclimate Cooling System,MCS)可分為將預冷氣體或是液體通過管道網絡，以傳導和對流的方式進行個體散熱的主動冷卻系統(tǒng)(氣冷降溫裝置、液冷降溫裝置)和由冷卻包進行降溫的被動冷卻系統(tǒng)(相變材料包降溫裝置)兩類。

1.2.1 主動冷卻服

主動冷卻服是通過冷卻源循環(huán)供應，吸收人體多余的熱量。主要包括通過環(huán)境空氣或壓縮空氣進行冷卻的氣冷服(Air Cooling Garment)和通過冷卻液在換熱管路中循環(huán)進行降溫的液冷服(Liquid Cooling Garment)。

2015年，Meredith McQuerry等[13]討論了5套消防服不同的通風設計帶來的總熱量消耗，并對增大散熱量進行優(yōu)化。實驗在4種不同的環(huán)境下進行，均降低了消防員在執(zhí)行任務時受到的熱應力，主動通風設計比被動設計帶走了更多的熱量，提高了環(huán)境汗液蒸發(fā)量，穿著更加舒適。

1962年，Farnborough皇家空軍基地使用40根編織在棉質內衣中的細塑料管制成了第1件液冷服(見圖2)，冷卻水流經腳踝、腕部沿四肢和軀干返回，降低了士兵的新陳代謝熱。

2014年，Lennart P.J.Teunissen等[14]評估了冷水分布和冷卻冰袋兩種冷卻系統(tǒng)的冷卻效果。結果表明，由管道型背心、背包和泵組成內側密封袋里的2個裝有冰的瓶子與背包相連，冷水循環(huán)的液冷系統(tǒng)冷卻效果更好，時間更久；冷卻冰袋背心剛開始冷卻效果好，但隨著時間的推移冷卻效果下降。目前，將液冷服的冷卻原理更多的應用于消防服還在實驗中。

雖然低溫液體或冷卻氣體便于獲得，可以長時間制冷，但是，氣冷或液冷裝置的冷源使用導管連接，并在外部需要動力供應。因而，消防員的行動范圍受到限制，在滅火救援中造成不便。

1.市場主導原則。按照市場規(guī)律，在線上線下互動創(chuàng)新發(fā)展中發(fā)揮市場配置資源的基礎性作用，尊重企業(yè)的市場主體地位，并充分相信轄區(qū)企業(yè)和企業(yè)經營者的智慧，尊重企業(yè)“+電子商務”的自主經營權。

1.2.2 被動冷卻服

被動冷卻服裝即不能主動連續(xù)提供冷卻源的服裝，常被設計成為便攜背心的樣式，將相變材料(Phase Change Material Cooling，PCM)降溫袋預先放置在冷環(huán)境中蓄冷，使用時取出，裝進背心的口袋，相變材料的溫度低于人體溫度，不斷吸收人體多余熱量，保持消防員的熱濕舒適性。當能量放盡，需重新蓄冷并更換儲冷劑。相變材料分有機材料、無機材料和共晶體材料，常見的是鹽水化合物、石蠟、脂肪酸等。

Gao等[15]、Chou等[16]分別對比了受試者在高溫負荷下外穿消防服內穿與未穿降溫背心時的熱應激狀況，指出穿著裝有相變材料的降溫背心能有效對受試者的皮膚溫度、核心溫度進行降溫。

Bennett等[17]對比了背心中不同個數降溫帶的降溫狀況。結果表明使用6個降溫袋的降溫效果比4個降溫袋的效果更好。數量越多效果越好的同時，也帶來較大的身體負荷，重量影響了消防員的活動能力。

Chinmei Chou等[18]依據測試者的生理和心理感受對應用于消防服的冰袋和相變材料包的冷卻效率進行對比，實驗者經過4段50 min的運動測試，測量了直腸溫度、平均皮膚溫度、身體重量損失和試驗者的主觀感受，結果表明相變材料包憑借更大的冷卻面積，更高的融化溫度，和更柔軟貼身的感受等優(yōu)于冰袋的冷卻效果。并且相變溫度20 ℃的PCM效率更佳，有效地降低了穿著消防服的生理負荷。

相變材料包方便攜帶，易使用；但是冷卻時間較短，當材料內部的蓄冷量釋放完畢之后，需放入冷環(huán)境中重新蓄冷，對于工作在緊急熱環(huán)境中的消防員來說，每一次打開防護服就是對生命的一次威脅。因此，相變材料包的冷卻背心發(fā)展也存在著一定的限制。

2 消防服防護性能發(fā)展趨勢

2.1 多種冷卻方式組合，提高冷卻效率

Yehu Lu等[19]將相變材料包與微型小風扇結合，借用假暖體對比測試4種消防服裝。研究得出，冷卻中相變材料包隨著時間的推移，皮膚表面濕度增加，冷卻效果下降；此時，微型小風扇開始通過蒸發(fā)進行冷卻，降低人體與消防服間的熱蓄積量。兩種冷卻方式組合，相互彌補，達到冷卻性能的最大值，提高了消防員的工作效率。這樣的方式既節(jié)約能源又可將各種冷卻方式的效能發(fā)揮到最大，在未來有很大的發(fā)展?jié)摿?。但是怎樣根據火場環(huán)境選取不同的組合方式還有待于進一步研究。

2.2 對傳統(tǒng)的冷卻服進行優(yōu)化

消防防護服裝內部加入冷卻裝置，可以明顯的降低人體的核心溫度，由于液冷服的冷卻效果顯著，有效的帶走了人體大量的代謝熱，散熱量平均達到2617 kJ。通過調整冷卻液進口溫度或液體流速，避免消防員進入火場之后，溫度的瞬時改變，產生過冷現象和熱應激反應。液冷服換熱管路的排布決定了冷卻的效果，將液冷服與消防服進行組合，在日后研究中對排管密度與提高消防服的熱防護性能的影響進行系統(tǒng)的討論。

2.3 提高消防防護服裝的穿著舒適性

消防防護服裝的不同結構需要與火災不同的形態(tài)進行選擇，才能夠及時適應各種大規(guī)?；馂牡木仍?。符合人體工效學的消防防護服裝不僅可以更好地保護消防員作戰(zhàn)時的安全，也可以提高工作效率，穿著舒適透氣，防止產生熱疾病，這對于關注消防員和消防服未來的發(fā)展很重要。

2.4 消防防護服裝與冷卻服裝進行配套使用

在不同溫度、濕度環(huán)境中長時間作業(yè)，熱量主要是以輻射滲透為主，根據熱體產生的熱量不同，以及熱量散發(fā)的難易程度，選擇不同的冷卻服裝與消防防護服裝進行配套組合使用，能夠更好地降低消防員的生理熱應激。

3 結語

消防防護服裝作為消防員應對火場的個人防護裝備，在保證熱防護性能的同時，降低熱應激，維護消防員的生命安全方面也有重要的現實意義。從消防服層間配置、隔熱材料、冷卻裝置等方面對消防防護服裝進行分析，維持人體核心溫度的恒定，完善降溫裝置對今后消防服的發(fā)展具有推動作用。

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Research Progress of Firefighting Uniform Protective Property

NIU Li, QIAN Xiao-ming*, ZHANG Wen-huan

(College of Textiles，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China)

Firefighting uniform was one of the great important apparatus to firemen. It can protect them from a variety of injuries in the fire scene as they were routinely exposed to heat and fire．The protective property was optimized from the materials and clothing structure. The microclimate cooling system was installed in firefighting uniform to decrease heat stress. The protective performance was evaluated.

firefighters′ clothing; thermal protective; cooling; heat stress

2016-09-22；

2016-09-27

牛 麗(1991-)，女，山東淄博人，在讀碩士研究生，主要從事服裝功能性及舒適性研究。

*通信作者：錢曉明(1964-)，男，博士，教授，E-mail：qxm@tjpu.edu.cn。

TS 941.73

A

1673-0356(2016)11-0005-04