含水率對(duì)消防服用多層織物系統(tǒng)熱蓄積的影響

何華玲， 于志財(cái)， 張健飛， 宋國(guó)文,4

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院， 天津 300387； 2. 遼東學(xué)院 化學(xué)工程學(xué)院， 遼寧 丹東 118003； 3. 遼東學(xué)院遼寧省功能紡織材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 丹東 118003； 4. 愛(ài)荷華州立大學(xué) 人類科學(xué)學(xué)部， 美國(guó) 艾姆斯 IA50011)

含水率對(duì)消防服用多層織物系統(tǒng)熱蓄積的影響

何華玲1,2,3， 于志財(cái)2,3， 張健飛1， 宋國(guó)文1,4

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院， 天津 300387； 2. 遼東學(xué)院 化學(xué)工程學(xué)院， 遼寧 丹東 118003； 3. 遼東學(xué)院遼寧省功能紡織材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 丹東 118003； 4. 愛(ài)荷華州立大學(xué) 人類科學(xué)學(xué)部， 美國(guó) 艾姆斯 IA50011)

為全面準(zhǔn)確地評(píng)估濕態(tài)下消防服用多層織物系統(tǒng)的熱防護(hù)性能，通過(guò)改進(jìn)現(xiàn)有的熱防護(hù)性能測(cè)試儀器，采用傳統(tǒng)熱防護(hù)性能實(shí)驗(yàn)與蓄積熱實(shí)驗(yàn)2種方法，利用模擬人體皮膚傳感器取代標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試中的銅片熱流傳感器，基于Pennes熱量傳遞方程，根據(jù) Henriques人體皮膚燒傷模型做出燒傷預(yù)測(cè)，并利用迭代法獲得二度燒傷最少熱暴露時(shí)間。分析了織物系統(tǒng)含水率對(duì)二度燒傷最少熱暴露時(shí)間及熱蓄積指數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：2種實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得的二度燒傷最少熱暴露時(shí)間隨含水率的增大明顯降低，熱蓄積指數(shù)也呈降低趨勢(shì)；二度燒傷最少熱暴露時(shí)間與含水率之間存在顯著的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。

消防服； 多層織物系統(tǒng)； 熱蓄積； 含水率

消防服作為保護(hù)消防人員身體免受傷害的防護(hù)服裝，普遍采用4層織物結(jié)構(gòu)，由外及內(nèi)依次為: 防火層、防水透濕層、隔熱層、舒適層[1-3]。在熱暴露過(guò)程中，這種特殊的多層織物系統(tǒng)在提供隔熱作用的同時(shí)，與人體之間也會(huì)蓄積一定的熱量。熱暴露階段的熱傳遞與熱暴露之后蓄積熱量的釋放都會(huì)對(duì)消防員的皮膚燒傷產(chǎn)生影響[4-6]。傳統(tǒng)的織物熱防護(hù)性能測(cè)試方法如熱輻射和熱對(duì)流綜合作用防護(hù)性能(簡(jiǎn)稱TPP)測(cè)試方法、熱輻射防護(hù)性能(簡(jiǎn)稱RPP)測(cè)試方法只考慮了熱暴露過(guò)程中熱傳遞對(duì)皮膚燒傷的影響，忽略了熱暴露結(jié)束后蓄積熱量的釋放引起的燒傷現(xiàn)象[7-9]。熱蓄積測(cè)試方法綜合考慮了織物在熱暴露階段的熱傳遞以及在熱暴露結(jié)束后的冷卻階段熱蓄積釋放對(duì)皮膚燒傷的影響，更能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)織物的熱防護(hù)性能[10-11]。

消防員在搶險(xiǎn)救援時(shí)，身體產(chǎn)生大量汗液，不可避免地會(huì)導(dǎo)致消防服內(nèi)層出現(xiàn)潤(rùn)濕甚至飽和現(xiàn)象[12-13]。諸多研究已證實(shí)，水分的存在會(huì)影響消防服用織物的熱防護(hù)性能[14-16]，但就水分含量對(duì)多層織物系統(tǒng)熱蓄積的影響研究，至今仍鮮見(jiàn)系統(tǒng)報(bào)道。

本文采用改進(jìn)的熱防護(hù)測(cè)試儀器(TPP測(cè)試儀)，采用TPP/RPP測(cè)試與熱蓄積測(cè)試(SET)2種方法對(duì)含水率不同的消防服用織物的熱防護(hù)性能進(jìn)行評(píng)估，旨在分析水分含量對(duì)多層織物系統(tǒng)熱蓄積及防護(hù)性能的影響，從而為人體皮膚燒傷預(yù)測(cè)以及消防服熱防護(hù)性能的評(píng)估提供一定的參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本文實(shí)驗(yàn)選用的消防服外層、防水透濕層、隔熱層、舒適層面料，均為國(guó)內(nèi)外消防服常用的織物品類(隔熱層與舒適層縫合在一起)。實(shí)驗(yàn)用織物的基本參數(shù)如表1所示；多層織物系統(tǒng)的組合方式及主要規(guī)格參數(shù)如表2所示。

表1 織物規(guī)格參數(shù)表

注：PBI纖維為聚苯并咪唑纖維的簡(jiǎn)稱；PTFE纖維為聚四氟乙烯。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

表2 多層織物系統(tǒng)規(guī)格參數(shù)

本文實(shí)驗(yàn)將傳統(tǒng)的TPP 2703熱防護(hù)性能測(cè)試儀(上海圖新電子科技有限公司)進(jìn)行改進(jìn)，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。實(shí)驗(yàn)中用如圖2所示模擬人體皮膚傳感器代替設(shè)備中原有的銅片傳感器。模擬皮膚傳感器的皮膚模擬部分采用的材料其熱屬性與人體皮膚相似，因而其傳熱方式與人體皮膚相近，使得測(cè)試數(shù)據(jù)更加真實(shí)可靠。采用基于Labview2010 軟件開(kāi)發(fā)的虛擬溫度測(cè)試儀采集傳感器數(shù)據(jù)并進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

圖1 熱防護(hù)測(cè)試儀器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic diagram of TPP tester

圖2 皮膚模擬傳感器Fig.2 Skin simulant sensor

為模擬人體運(yùn)動(dòng)對(duì)織物擠壓導(dǎo)致蓄積熱被迫快速釋放的現(xiàn)象，采用了自行研制的用于熱防護(hù)性能測(cè)試儀的熱防護(hù)織物擠壓器，如圖3所示。該裝置移動(dòng)靈活、拆卸方便，操作簡(jiǎn)便，有效地?cái)U(kuò)展了原測(cè)試儀器的功能。

圖3 熱防護(hù)織物擠壓器Fig.3 Squeezer for thermal protective fabric

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

消防服裝與織物的熱防護(hù)性能主要是通過(guò)預(yù)測(cè)人體皮膚二度燒傷時(shí)間值來(lái)定量評(píng)估。為預(yù)測(cè)二度燒傷時(shí)間，研究者們提出了很多方法。其中，被廣為應(yīng)用的2種方法為Henriques皮膚燒傷積分模型與Stoll燒傷準(zhǔn)則。本文實(shí)驗(yàn)用基于Henriques 燒傷積分方程的分析軟件Skin Burn Prediction 代替原有熱防護(hù)性能測(cè)試儀中基于Stoll二度燒傷準(zhǔn)則的分析軟件來(lái)評(píng)價(jià)織物的熱防護(hù)性能[17-18]。試樣尺寸為150 mm×150 mm。其熱流量的計(jì)算方法與皮膚燒傷預(yù)測(cè)程序與ASTM F 1930—2000 《用于評(píng)估阻燃服的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法—燃燒假人法》中方法類似。首先根據(jù)Duhamel準(zhǔn)則，由皮膚模擬傳感器溫度變化量計(jì)算出其表面的熱流量，然后依據(jù)Henriques Burn Integral 模型預(yù)測(cè)出皮膚二度燒傷時(shí)間。

試樣的預(yù)處理方案：將S-1與S-2 2種4層織物組合分別分為4組，編號(hào)分別為1～4，每組每種織物暫取9塊(如實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)試樣數(shù)目不夠情況，另行添加)，第1組不添加水分，為模擬人體出汗情況，第2～4組試樣分別用膠頭滴管將一定量的蒸餾水滴加于舒適層表面，使得織物組合的含水率分別為25%、50%、75%(相對(duì)于織物質(zhì)量)。為保障水分均勻分布于織物，其滴加路徑如圖4所示，且每滴水滴落在1 cm×1 cm方格的中間位置[20]。將吸濕后的織物放置在密封袋密封后連同未加水試樣靜置于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境(溫度(20±2)℃，相對(duì)濕度(65±5)% 平衡24 h，實(shí)驗(yàn)時(shí)將樣品從密封袋中取出并盡快用于實(shí)驗(yàn)，以減少誤差產(chǎn)生。

圖4 織物水分滴加方法Fig.4 Moisture-supplying method for samples

利用已改進(jìn)的TPP熱防護(hù)性能測(cè)試儀，基于 NFPA 1977《森林消防戰(zhàn)斗服和裝備標(biāo)準(zhǔn)》 與ASTM F 2731—2011《防火服多層織物系統(tǒng)熱傳遞及熱蓄積測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)》，測(cè)試步驟如下。

1)開(kāi)啟TPP測(cè)試儀，設(shè)置并校正輻射熱源強(qiáng)度為15.5 kW/m2(由9根紅外石英燈管提供)。

2)將經(jīng)預(yù)處理的4層試樣組合水平放置在特定的樣品夾上，啟動(dòng)程序。

3)試樣開(kāi)始暴露后通過(guò)模擬皮膚傳感器記錄溫度隨時(shí)間的變化。虛擬溫度測(cè)試儀每0.1 s 接收 1個(gè)溫度，試樣暴露預(yù)定時(shí)間后離開(kāi)熱源。

4)數(shù)據(jù)采集達(dá)預(yù)定時(shí)間后停止，將溫度和時(shí)間數(shù)據(jù)輸入Skin Burn Prediction軟件中，進(jìn)行計(jì)算得到皮膚二度燒傷時(shí)間即二度燒傷最少熱暴露時(shí)間TTPP/RPP。

5)如考慮熱蓄積對(duì)熱防護(hù)性能的影響，則實(shí)驗(yàn)完成步驟3)之后，按以下步驟繼續(xù)進(jìn)行。

6)數(shù)據(jù)采集繼續(xù)，并于試樣完成暴露5 s后用自制熱防護(hù)織物擠壓器對(duì)試樣組合進(jìn)行擠壓。

7)數(shù)據(jù)采集總時(shí)長(zhǎng)90 s(包括熱暴露時(shí)間及冷卻時(shí)間)后結(jié)束，將溫度和時(shí)間數(shù)據(jù)輸入Skin Burn Prediction軟件中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，預(yù)測(cè)是否發(fā)生二度燒傷。

8)若在織物受擠壓階段沒(méi)有發(fā)生二度燒傷或已經(jīng)發(fā)生二度燒傷，則改變熱暴露時(shí)間，使用新的試樣重復(fù)實(shí)驗(yàn)，直至二度燒傷恰好發(fā)生在織物受擠壓階段，最后一次實(shí)驗(yàn)的熱暴露時(shí)間即為達(dá)到二度燒傷的最小熱暴露時(shí)間TSET。

為減小實(shí)驗(yàn)誤差，每組試樣測(cè)試3次，結(jié)果取其平均值。

根據(jù)TPP/RPP與熱蓄積測(cè)試方法測(cè)得的二度燒傷最少熱暴露時(shí)間值，按下式[19]計(jì)算熱蓄積指數(shù)。

式中：TTPP/RPP為采用TPP/RPP測(cè)試方法得到的二度燒傷最少熱暴露時(shí)間；TSET為采用熱蓄測(cè)試方法得到的二度燒傷最少熱暴露時(shí)間。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 含水率對(duì)多層織物系統(tǒng)熱防護(hù)性能影響

隔熱舒適層施加不同量的水分后，用TPP/RPP與SET測(cè)試方法分別測(cè)得4層織物系統(tǒng)的二度燒傷最少熱暴露時(shí)間，并計(jì)算得出蓄積熱指數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同含水率織物系統(tǒng)的二度燒傷最少熱暴露時(shí)間與熱蓄積指數(shù)

由表3可得出，隨隔熱舒適層含水量的增加，對(duì)于織物組合S-1與S-2，傳統(tǒng)的TPP/RPP方法與蓄積熱測(cè)試方法測(cè)得的二度燒傷最少熱暴露時(shí)間明顯降低，即熱防護(hù)性能下降。這與前人[10]研究結(jié)果一致。S-1組合的TTPP/RPP從54.5 s下降到43.2 s，TSET從45 s下降到33 s。S-2組合的TTPP/RPP從58.5 s下降到46.9 s，TSET從45 s下降到 37s。熱蓄積指數(shù)隨含水率增加呈下降趨勢(shì)。這可能是由于水分的加入以增加織物系統(tǒng)的導(dǎo)熱系數(shù)為主要影響因素，導(dǎo)致熱防護(hù)性能下降。熱蓄積指數(shù)的降低表明織物系統(tǒng)在熱暴露過(guò)程中，傳遞到模擬皮膚傳感器的熱量增加，而蓄積在織物內(nèi)部的能量減少。換句話說(shuō)，多層織物系統(tǒng)內(nèi)層水分含量越大，冷卻階段熱蓄積釋放對(duì)皮膚燒傷產(chǎn)生的影響越小，熱暴露階段的熱傳遞對(duì)人體皮膚燒傷起主導(dǎo)作用，因此，低輻射熱暴露下，消防員本身產(chǎn)生的汗液削弱了織物組合的熱蓄積。

2.2 皮膚基面熱流量變化分析

為深入分析水分含量對(duì)熱蓄積的影響，依據(jù)熱蓄積測(cè)試方法，將含水率不同的S-1 和S-2織物組合體試樣分別暴露于15.5 kW/m2的100%輻射熱源下，根據(jù)模擬皮膚基面的溫度變化，由Duhamel準(zhǔn)則，計(jì)算出其表面的熱流量，模擬皮膚基面熱流量變化曲線見(jiàn)圖5。

圖5 不同織物組合的熱流量曲線圖Fig.5 Heat flux profiles from different fabric systems.

由圖5可看出，對(duì)于S-1與S-2織物組合，干燥狀態(tài)下的熱流量曲線與隔熱舒適層含濕狀態(tài)下熱流量曲線相比，曲線走勢(shì)明顯不同?？椢锝M合熱暴露過(guò)程中熱流量曲線主要包括以下幾個(gè)階段。

1)第1階段：最初幾秒熱流量曲線變化平緩，傳感器表面(皮膚)熱流量緩慢增加。此階段，試樣剛開(kāi)始接觸熱源，織物以及織物內(nèi)部的水分吸收了輻射熱源的較大部分熱量，使得透過(guò)織物的熱量較少。且試樣含水率越大，熱流量變化愈平緩，這是由于常溫下，水的比熱容為4.18 J/(g·℃)(約為干纖維的2～3倍)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于干纖維的比熱容所致[21]。

2)第2階段：曲線變陡峭?？椢锵到y(tǒng)已吸收了足夠熱量，開(kāi)始作為蓄熱源向模擬皮膚傳導(dǎo)熱量。由于水的導(dǎo)熱系數(shù)較纖維材料大，所以含水織物的導(dǎo)熱系數(shù)大于無(wú)水織物。此階段，水分的存在以增大系統(tǒng)導(dǎo)熱系數(shù)為主要影響因素，因此，含水率越高的織物組合的熱流量曲線越陡峭。

3)第3階段：干態(tài)織物組合(含水率為0)的曲線變化趨于平緩，熱流量緩慢上升；潤(rùn)濕狀態(tài)的織物組合其熱流量曲線出現(xiàn)突然下降后繼續(xù)平穩(wěn)上升，這一現(xiàn)象可能是由于織物內(nèi)部溫度過(guò)高導(dǎo)致水分汽化吸熱，吸收了部分輻射熱量，使熱流量出現(xiàn)下降，而且含水率越高的織物組合，熱流量下降幅度越大。同時(shí)，水分的相變過(guò)程造成織物組合內(nèi)部蓄積熱降低。

2種試樣組合在結(jié)束熱輻射暴露之后的冷卻階段，其熱流量曲線變化包括以下2個(gè)階段。

1)第1階段；熱暴露結(jié)束5 s之后，熱流量曲線出現(xiàn)尖銳上升后呈斷崖式下降。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于熱防護(hù)擠壓器對(duì)織物組合的突然擠壓，使得大部分蓄積在織物內(nèi)部的潛在熱量被迫快速釋放后，織物內(nèi)部?jī)H剩余少量蓄積熱，因此，向傳感器傳遞的熱量迅速減少。此階段，S-1與S-2組合的熱流量峰值分別達(dá)到5.57、5.78 kW/m2，且含水率越高的織物試樣，熱流量上升幅度越小，說(shuō)明水分的存在對(duì)熱蓄積產(chǎn)生了消極的影響。

2)第2階段：熱流量平緩下降。此階段只有織物內(nèi)部尚存的蓄積熱作為輻射源，因此，導(dǎo)致向傳感器傳遞的熱量呈現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì)。

2.3 二度燒傷最少暴露時(shí)間線性回歸模型

為進(jìn)一步研究熱蓄積測(cè)試方法測(cè)得的二度燒傷最少熱暴露時(shí)間TSET與含水率的關(guān)系，以TSET為因變量, 含水率為回歸自變量, 采用SPSS 軟件建立一元線性回歸模型，如圖6所示。

圖6 二度燒傷最少熱暴露時(shí)間與含水率的關(guān)系Fig.6 Relations of exposure time required to generate 2nd degree skin burn and moisture content percent

由圖6可得二度燒傷最少熱暴露時(shí)間與含水率的一元線性回歸模型。x為試樣含水率。R為相關(guān)系數(shù)，相關(guān)系數(shù)的平方R2表示擬合優(yōu)度。對(duì)于S-1及S-2試樣組合，其擬合優(yōu)度R2分別為0.979，0.952，極其接近1，因此，2個(gè)回歸模型的擬合優(yōu)度很高。S-1與S-2織物組合二度燒傷最少熱暴露時(shí)間的變化分別為97.9%，95.2%。這是因含水率的變化而改變的， 含水率與織物二度燒傷最少熱暴露時(shí)間之間有較強(qiáng)的線性關(guān)系，含水率越高， 織物的二度燒傷最少熱暴露時(shí)間越小，因此，在低輻射熱環(huán)境中(15.5 kW/m2)，消防員的出汗量直接影響到消防服的熱防護(hù)性能。出汗量越大，消防服的熱防護(hù)性能越差。

3 結(jié) 論

本文研究為模擬熱暴露之后多層織物系統(tǒng)中熱蓄積受壓釋放的情形(消防員匍匐行進(jìn)、跪地、翻滾等動(dòng)作)，采用了自行設(shè)計(jì)研發(fā)的一種壓縮裝置：熱防護(hù)織物擠壓器。通過(guò)改進(jìn)現(xiàn)有的熱防護(hù)性能測(cè)試儀器，在熱輻射強(qiáng)度為15.5 kW/m2的條件下，采用傳統(tǒng)熱防護(hù)性能實(shí)驗(yàn)與蓄積熱實(shí)驗(yàn)2種方法，分析了織物系統(tǒng)含水率對(duì)二度燒傷最少熱暴露時(shí)間及熱蓄積指數(shù)的影響。

研究得出：1)熱防護(hù)性能實(shí)驗(yàn)與蓄積熱實(shí)驗(yàn)2種方法測(cè)得的二度燒傷最少熱暴露時(shí)間均隨含水率的增加而降低，熱蓄積指數(shù)呈下降趨勢(shì)，這說(shuō)明了多層織物系統(tǒng)內(nèi)層水分含量越高，冷卻階段蓄積熱釋放對(duì)織物組合的整體熱防護(hù)性能的影響降低，熱暴露階段的熱傳遞對(duì)人體皮膚燒傷起主導(dǎo)作用，因此，低輻射熱暴露下，消防員本身產(chǎn)生的汗液削弱了織物組合的熱蓄積，但防護(hù)性能明顯降低。

2)干態(tài)織物系統(tǒng)與含水織物系統(tǒng)的熱流量曲線相比較，曲線走勢(shì)明顯不同。其明顯差異在于：起初幾秒內(nèi)，由于水分的導(dǎo)熱能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于干態(tài)纖維，導(dǎo)致含水率越大的織物，熱流量上升越快。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的熱暴露之后，由于織物系統(tǒng)中的水分發(fā)生相轉(zhuǎn)變(汽化過(guò)程)吸收了部分熱量，含水織物系統(tǒng)的熱流量呈現(xiàn)斷崖式下降現(xiàn)象，且含水量越多，熱流量下降幅度越大。

3)多層織物系統(tǒng)含水率與采用熱蓄測(cè)試方法得到的二度燒傷最少熱暴露時(shí)間之間存在著顯著的線性回歸關(guān)系。對(duì)于S-1與S-2組合，含水率每增加1%, 其值分別縮短0.068，0.08 s。

4)后續(xù)研究中將考慮熱暴露強(qiáng)度、織物組合的種類及水分施加位置對(duì)織物系統(tǒng)熱蓄積的影響，以期為人體皮膚燒傷預(yù)測(cè)以及消防服用織物熱防護(hù)性能的提高提供更為準(zhǔn)確的理論參考。

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Influence of moisture content on heat storage performance of multilayer fabric assemblies for firefighters

HE Hualing1,2,3， YU Zhicai2,3， ZHANG Jianfei1， SONG Guowen1,4

(1.SchoolofTextiles,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China; 2.SchoolofChemicalEngineering,EasternLiaoningUniversity,Dandong,Liaoning118003,China; 3.LiaoningProvincialKeyLaboratoryofFunctionalTextileMaterials,EasternLiaoningUniversity,Dandong,Liaoning118003,China; 4.CollegeofHumanScience,LowaStateUniversity,AmesIA50011,USA)

In order to evaluate the influence of moisture content on thermal protective performance of fabric for firefighters, burning predication was proposed according to the Henriques human body skin burn model by using the modified existing thermal protective performance tester, adopting two kinds of method of conventional thermal protective performance test and thermal storage test, and utilizing the skin simulant sensor to replace the copper sheet sensor. The influence of the moisture content of the fabric assembly on second degree skin burn (MET) and stored energy index (SEI) were investigated. The results show that the MET obtained by these two methods reduces with the increase of the moisture content and the SEI also decreases. A negative correlation relationship exists between the moisture content and MET. Simple linear regression equations are developed between SET and the moisture content.

firefighters′ protective clothing; multilayer fabric assembly; heat storage; moisture content

10.13475/j.fzxb.20160900706

2016-09-05

2017-05-12

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51206122)；遼寧省教育廳項(xiàng)目(L2015188)

何華玲(1983—)，女，博士生。主要研究方向?yàn)楣δ芊雷o(hù)紡織品。宋國(guó)文，通信作者：E-mail:gwsongsgs@gmail.com。

TS 941.731

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