基于暖體假人實(shí)驗(yàn)的防刺服熱阻和濕阻研究

袁夢琦， 蔣錦輝， 楊杰， 錢新明

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，北京 100081；2.清華大學(xué) 公共安全研究院，工程物理系，北京 100084)

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基于暖體假人實(shí)驗(yàn)的防刺服熱阻和濕阻研究

袁夢琦1， 蔣錦輝1， 楊杰2， 錢新明1

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，北京 100081；2.清華大學(xué) 公共安全研究院，工程物理系，北京 100084)

為有效提高防護(hù)服裝舒適性、降低人員體力消耗、加快人體防護(hù)裝備研制與開發(fā)，開展了利用出汗暖體假人測量防刺服在不同環(huán)境下的熱阻與濕阻特性的研究. 根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)，假人只適用于常溫環(huán)境下服裝的熱阻和濕阻測量. 對原有熱阻模型進(jìn)行修正，結(jié)合熱電偶測量方法以及暖體假人測量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高溫下防刺服熱阻和濕阻測量. 在溫、濕度可控制的氣候室內(nèi)，設(shè)置不同環(huán)境工況，獲得兩套防刺服的熱阻和濕阻特性，比較了不同防刺基板材料對防刺服熱阻和濕阻的影響，以及防刺服不同部位熱阻和濕阻的差異. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，防刺服熱阻隨著溫度升高而降低；而濕阻隨著環(huán)境溫度升高而增大，隨著濕度增加而減少.

防刺服；防護(hù)服；暖體假人；熱阻；濕阻

隨著恐怖和暴力事件的頻繁發(fā)生，個體防護(hù)裝備的研制與開發(fā)越來越受到重視. 為保障人民群眾與執(zhí)法人員的人身安全，亟待研發(fā)安全實(shí)用的防刺服. 美國司法學(xué)會在《國家防刺服標(biāo)準(zhǔn)》中指出防刺服的設(shè)計(jì)理念應(yīng)為“可穿性+適當(dāng)防護(hù)=挽救生命”[1]， 防刺服在達(dá)到防護(hù)性能要求后，要求避免由于防刺服的穿著頻率低下造成緊急情況下人員不能及時穿著而處于危險(xiǎn)境地的狀況.

目前市面上的防刺服分為硬質(zhì)與軟質(zhì)兩大類. 硬質(zhì)防刺服核心部件是硬質(zhì)基片，如不銹鋼、鋁合金等，硬質(zhì)基板具有良好的防刺穿能力，但是限制了穿戴者的活動靈活性；軟質(zhì)防刺服基板多由單一品種的高性能纖維制成，不同形態(tài)纖維聚集和復(fù)配制成的復(fù)合型防刺材料尚在研究中.

一般情況下，人體核心溫度需要在37 ℃左右以保持舒適[2]. 防刺服作為人與環(huán)境間熱量交換的重要介質(zhì)，參與建立了人體-服裝和服裝-環(huán)境兩個熱交換環(huán)境. 作為特殊防護(hù)裝備，防刺服的隔熱和傳濕性能與一般服裝有很大不同，多層基板往往會激發(fā)人體熱應(yīng)力，使警衛(wèi)安保人員感到心理壓力和生理疲憊[3]，從而帶來危險(xiǎn). 因此研究防刺服的熱濕傳遞性能有利于滿足人體與環(huán)境間動態(tài)熱平衡、實(shí)現(xiàn)人體-防刺服-環(huán)境系統(tǒng)的協(xié)調(diào)最優(yōu)、預(yù)防因熱量堆積導(dǎo)致體能速降和穿著不適帶來造成的危險(xiǎn).

服裝的熱濕傳遞性能測試方法有主觀評價法和客觀測量法. 主觀評價方法偶然性較強(qiáng)，不同個體接受-認(rèn)知-反應(yīng)的差別導(dǎo)致測試結(jié)果存在較大差異. 客觀測量法通常通過測量服裝熱阻與濕阻，對其熱濕傳遞性能進(jìn)行評價. 服裝熱阻表征了服裝層兩面的溫度差與垂直通過服裝單位面積的熱流量之比，反映了服裝的隔熱保暖能力；濕阻表征了服裝層兩面的水蒸汽壓力差與垂直通過服裝單位面的蒸發(fā)熱流量之比，反映了服裝的透濕能力[4].

暖體假人研發(fā)應(yīng)用已有70多年，是測量常溫下服裝熱阻濕阻的理想工具之一. “Walter”與“Newton”是目前使用最為廣泛的兩種暖體假人. “Newton”由美國 Measurement Technology Northwest 公司采用導(dǎo)熱鋁填充碳纖維外殼制造，可以實(shí)現(xiàn)多分區(qū)的溫度、排汗量單獨(dú)控制. 暖體假人“Walter”由香港理工大學(xué)采用防水纖維制造，可以實(shí)現(xiàn)全軀干整體溫度控制[5]. 王發(fā)明等[6]利用“Walter”出汗暖體假人在室溫下測試了3組著裝的熱濕傳遞特性，分析在不同地域測試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性及存在的差異；李菲菲[7]利用“Walter”出汗暖體假人研究了在寒冷環(huán)境下不同類型保暖服裝的熱阻濕阻；韓雪峰等[8]利用“Newton”出汗暖體假人開發(fā)了低溫災(zāi)害模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，模擬了人類生理活動. 暖體假人在室溫與低溫環(huán)境下模擬人體、服裝與環(huán)境的熱交換過程，評價客觀、重復(fù)性好. 而高溫下由于環(huán)境溫度高于假人設(shè)置體溫，導(dǎo)致假人體溫?zé)o法維持恒定，因此發(fā)熱量幾乎為0，假人無法正常測定服裝熱阻和濕阻. 本文建立的高溫下測定熱阻和濕阻方法擴(kuò)展了暖體假人的適用范圍，為系統(tǒng)性研究環(huán)境參數(shù)對防刺服熱阻和濕阻的影響提供了理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器與材料

本實(shí)驗(yàn)采用美國西北測試技術(shù)科技公司生產(chǎn)的出汗暖體假人“Newton”來測量熱阻與濕阻. “Newton”有20分區(qū)，每個分區(qū)有獨(dú)立加熱控制與溫度傳感系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域皮膚的恒溫控制功能和恒定功率加熱功能. 發(fā)汗皮膚系統(tǒng)由20個區(qū)域單獨(dú)控制提供水分，各區(qū)域分別含有獨(dú)立控制器，通過水流控制閥、外部壓力泵調(diào)節(jié)水流量. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用配套的ThermDAC軟件，實(shí)現(xiàn)各個分區(qū)溫度、加熱量以及發(fā)汗速率的獨(dú)立調(diào)節(jié)，以及實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)實(shí)時檢測、控制、記錄和傳輸.

實(shí)驗(yàn)測試在尺寸為6.0 m×5.0 m×2.7 m 的封閉環(huán)境艙內(nèi)，可精確控制的溫濕度范圍為18 ℃±0.5 ℃～48 ℃±0.5 ℃和30%±5%～80%±5%. 環(huán)境艙位于樓內(nèi)大房間中，減少了與外界的熱量交換. 環(huán)境艙墻體由聚乙烯泡沫板與鋼板構(gòu)成. 空調(diào)風(fēng)從天花板進(jìn)風(fēng)，從地板回風(fēng). 艙內(nèi)分布10個WZP-PT100熱電偶(±0.1 ℃)測量環(huán)境艙溫度；AM-101濕度傳感器(±3%)放置于房間中央. 暖體假人放置于環(huán)境艙的實(shí)驗(yàn)場景如圖1所示.

實(shí)驗(yàn)材料為防刺服A(湖南中泰生產(chǎn))與防刺服B(北京中天鋒生產(chǎn))各1件，均為可拆卸背心式，保護(hù)面積為0.3 m2，重量約3 kg；均符合公安部GA68-2008標(biāo)準(zhǔn)[9]. 防刺服A(型號FCF-F-ZT03)主要材料為超高分子模量聚乙烯，防刺服B(型號FCF-J-SD11)主要材料為合金鋼片.

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與計(jì)算方法1.2.1 熱阻實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)在溫度20，30，40 ℃與相對濕度55%的環(huán)境中進(jìn)行. 20 ℃與30 ℃實(shí)驗(yàn)時，參照ISO 9920與ASTM F1291關(guān)于使用暖體假人測量服裝熱阻的要求，分別測量假人只穿紡織物與穿著防護(hù)服時的熱阻. 假人采用恒溫(35 ℃)、不出汗模式. 每次實(shí)驗(yàn)持續(xù)約1 h，保持假人發(fā)熱量恒定約20 min后，使用控制軟件ThermDAC記錄各個區(qū)域加熱量與溫度. 實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次取平均值. 實(shí)驗(yàn)選取軀干4個部位溫度：胸部、胃部、肩部與背部，采取并聯(lián)法與串聯(lián)法計(jì)算熱阻總值. 常溫下各區(qū)域熱阻計(jì)算公式為

(1)

式中：Rct，i為假人對應(yīng)部位的熱阻，m2·K/W；Tskin，i為假人對應(yīng)部位的皮膚表面溫度，K；Tamb為環(huán)境溫度，K；Qi為假人對應(yīng)部位的發(fā)熱量，W/m2.

40 ℃實(shí)驗(yàn)時，環(huán)境溫度遠(yuǎn)高于假人的設(shè)置溫度，假人從環(huán)境吸收熱量使之體溫?zé)o法恒定在35 ℃，因此發(fā)熱量幾乎為0. 由于假人本身的技術(shù)缺陷，ISO 9920與ASTM F1291標(biāo)準(zhǔn)中測量熱阻的方法無法用于高溫環(huán)境中. 為測量高溫環(huán)境服裝的熱阻，采用PT 100溫度探頭獲取防護(hù)服內(nèi)外表面溫度，測量區(qū)域?yàn)樾夭?、胃部、肩部與背部的中心位置. 計(jì)算方法如下.

(2)

式中Ci，Ri分別為假人對應(yīng)部位環(huán)境空氣與防護(hù)服表面的對流換熱速率和輻射換熱速率，W/m2.Ci和Ri分別為[11]

(3)

(4)

式中：hc，i為假人各部位的對流換熱速率系數(shù)[10]，W/(m2·K)；Tout，i為假人對應(yīng)部位防護(hù)服外表面溫度，K；ε為服裝外表面材料的發(fā)射率(取0.9)；δ為Stefan-Boltzmann常數(shù).

防護(hù)服總熱阻串聯(lián)與并聯(lián)算法為

(5)

(6)

式中：N為假人測試部位總數(shù)量；ai為假人對應(yīng)部位表面積占總測量面積的比值.

1.2.2 濕阻實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)分別在環(huán)境艙溫度20，30，40 ℃與相對濕度40%，55%，70%的環(huán)境中進(jìn)行. 實(shí)驗(yàn)參照ASTM 2370關(guān)于使用暖體假人測量服裝濕阻的要求，分別測量假人只穿紡織物皮膚層(裸體)與穿著防護(hù)服時的濕阻. 假人采用恒溫出汗模式，出汗速率在200～300 mL/(hm2). 實(shí)驗(yàn)選取胸部、胃部、肩部與背部溫度. 各區(qū)域濕阻計(jì)算公式為

(7)

式中：Ret，i為假人對應(yīng)部位濕阻，kPa·m2/W；psat，pamb分別為環(huán)境艙環(huán)境與假人皮膚表面的飽和蒸汽壓，kPa；HR為環(huán)境艙相對濕度，

(8)

(9)

2 結(jié)果與討論

2.1 熱阻的結(jié)果與討論

熱阻測量實(shí)驗(yàn)中，環(huán)境艙溫度分別設(shè)置為20，30，40 ℃，相對濕度保持為55%. 按照式(1)～(6)，對防刺服總熱阻對比分析，如圖2所示.

如圖2所示，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，串聯(lián)法得到的總阻值比并聯(lián)法的結(jié)果大，這與熱防護(hù)服的總熱阻的分析結(jié)果[8]保持一致. 同一實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差較小，主要來源于實(shí)驗(yàn)操作誤差與儀器系統(tǒng)誤差. 20 ℃和30 ℃條件下防刺服總熱阻范圍為0.15～0.28 m2·K/W，而高溫下40 ℃條件下總熱阻減小到0.10 m2·K/W左右. 此外，30 ℃時防刺服總熱阻比20 ℃時總熱阻高20%左右，原因可能是30 ℃時環(huán)境溫度與假人皮膚溫度(35 ℃)差別較小，導(dǎo)致服裝外表面與環(huán)境之間熱傳遞減少. 40 ℃條件下，服裝材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高[11]；同時熱空氣層與服裝之間換熱加劇，對流換熱系數(shù)增加，使高溫下總熱交換量增加，因此防刺服總熱阻值變小. 20 ℃和30 ℃條件下，防刺服A的總熱阻小于防刺服B的總熱阻，主要是由于防護(hù)基板導(dǎo)熱性的差異：防刺服A采用自生產(chǎn)的超高模量聚乙烯纖維材料，其導(dǎo)熱性能是鋼板的2倍[12].

相同實(shí)驗(yàn)條件下，同一件防護(hù)服的不同部位熱交換也不相同. 圖3給出了20，30和40 ℃實(shí)驗(yàn)條件下防刺服胸部、肩部、胃部與背部的局部熱阻. 相同溫濕度條件下，胃部熱阻值較大，肩部熱阻值較小，這可能與防刺服的設(shè)計(jì)有關(guān). 背心式防刺服的設(shè)計(jì)導(dǎo)致胃部與背部遮蓋較嚴(yán)密，胸部次之. 包覆式防護(hù)使得假人皮膚層與防刺服之間空氣層稀薄，降低了假人皮膚層與外界空氣熱交換，因此熱阻值較大.

2.2 濕阻的結(jié)果與討論

濕阻測量實(shí)驗(yàn)中，環(huán)境艙實(shí)驗(yàn)環(huán)境分別設(shè)定為：環(huán)境艙溫度20 ℃，相對濕度55%與70%；環(huán)境艙溫度30 ℃，相對濕度40%，55%與70%；環(huán)境溫度40 ℃，相對濕度55%. 按照濕阻的計(jì)算公式(9)，對不同材質(zhì)防刺服的總濕阻進(jìn)行對比分析，如圖4所示.

在相同實(shí)驗(yàn)條件環(huán)境艙下，串聯(lián)法得到的防刺服總濕阻高于并聯(lián)法得到的結(jié)果如圖4所示. 常溫時實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差較小，主要來源于實(shí)驗(yàn)操作誤差與儀器系統(tǒng)誤差；高溫時實(shí)驗(yàn)誤差較大，主要原因是黏貼于防刺服內(nèi)外側(cè)的電熱偶遇水氣后測量精確性降低. 當(dāng)環(huán)境艙相對濕度恒定在55%時，防刺服總濕阻隨著環(huán)境艙溫度升高而增加. 當(dāng)環(huán)境艙溫度恒定時，防刺服總濕阻隨著環(huán)境艙相對濕度升高而減少. 其中，防刺服A的總濕阻小于防刺服B.

圖4的總濕阻實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能與防刺服內(nèi)外兩面的水蒸汽壓差變化有關(guān). 相對濕度表示空氣中絕對濕度與最高濕度的比值. 相對濕度保持一定時，環(huán)境溫度升高，其對應(yīng)的最高濕度值增大，因此空氣中絕對濕度增加，導(dǎo)致假人皮膚層的發(fā)汗水分蒸發(fā)速率減慢、單位面積的蒸發(fā)熱流量減少，所以濕阻增加. 當(dāng)測試環(huán)境溫度保持一定時，由于假人皮膚表面的蒸汽壓為飽和蒸汽壓，環(huán)境艙相對濕度增加表明環(huán)境艙蒸汽壓越接近飽和蒸汽壓，防刺服兩面的水蒸汽壓差減少，因此濕阻減小. 此外，防刺服A的防刺基板由超高模量聚乙烯纖維疊加黏合制成，材料之間空隙大于防刺服B的防刺合金鋼板，加速了發(fā)汗水蒸氣的蒸發(fā)，因此濕阻較小.

相同實(shí)驗(yàn)條件下，同一件防護(hù)服不同部位的局部濕阻也不相同. 圖5為相對濕度55%時，防刺服胸部、肩部、胃部與背部的濕阻實(shí)驗(yàn)結(jié)果. 在相同的相對濕度下，胃部的濕阻較大，肩部的濕阻較小. 背心式的防刺設(shè)計(jì)導(dǎo)致胸部與肩部裸露較多，發(fā)汗產(chǎn)生的水分從邊界裸露區(qū)域蒸發(fā)傳遞到空氣中，因此單位面積蒸發(fā)熱流量較大，濕阻值減少.

3 結(jié) 論

通過控制環(huán)境艙溫度和濕度，采用暖體假人對兩套防刺服熱阻與濕阻進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了環(huán)境溫濕度對防刺服熱濕傳遞性能的影響、不同防刺材料對熱阻和濕阻的影響以及防刺服不同部位熱阻和濕阻的差異性. 實(shí)驗(yàn)研究表明：

① 并聯(lián)法得到的防刺服總熱阻比串聯(lián)法減少約20%；30 ℃時防刺服總熱阻比20 ℃時高出約0.05 m2·K/W，40°C高溫下防刺服總熱阻比20 ℃和30 ℃大幅減??；暖體假人身著防刺服時胃部熱阻較大，肩部熱阻較??；軟質(zhì)防刺服的熱阻比硬質(zhì)防刺服的熱阻小.

② 并聯(lián)法得到的防刺服總濕阻比串聯(lián)法得到的總阻值減少10%～30%；防刺服濕阻隨環(huán)境溫度升高而增加，隨環(huán)境濕度升高而降低；暖體假人身著防刺服時胃部濕阻較大，肩部濕阻較小；軟質(zhì)防刺服濕阻比硬質(zhì)防刺服濕阻小.

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(責(zé)任編輯：劉雨)

Investigation on Thermal Insulation and Vapor Resistances of Stab-Resistance Body Armor Using Thermal Manikin Method

YUAN Meng-qi1， JIANG Jin-hui1， YANG Jie2， QIAN Xin-ming1

(1.School of Mechatronical Engineering， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China; 2.Department of Engineering Physics， Institute of Public Safety Research， Tsinghua University， Beijing 100084， China)

To improve the wearing comfort of body armor and decreasing human energy consumption, a thermal manikin was used to investigate the thermal insulations and vapor resistances of two stab-resistance body armors in a temperature and humidity individually controlled climate chamber. Thermal manikin was generally applied to evaluate the thermal insulation and vapor resistance in room temperatures based on the international standards. In this paper, the general thermal insulation model was revised by combining the thermocouple detection method and thermal manikin measurement method. The effects of air temperature and relative humidity of the climate chamber, and stab-resistance material on the thermal insulation and vapor resistance were studied. The results show that the thermal insulation increases with the air temperature decreasing; the vapor resistance increases with the air temperature increasing, and decreases with the chamber relative humidity increasing.

stab-resistance; body armor; thermal manikin; thermal insulation; vapor resistance

2014-11-01

2014北京理工大學(xué)學(xué)術(shù)啟動計(jì)劃項(xiàng)目(3020012261407)；爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究資助項(xiàng)目(YBKT16-13)

袁夢琦(1989—)，女，博士，講師，E-mail：myuan@bit.edu.cn.

X 968

A

1001-0645(2016)06-0569-05

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.06.004