高溫接觸條件下形狀記憶合金阻燃面料的隔熱性能

王麗君　盧業(yè)虎　王帥　尤禪懿

摘要： 熱防護(hù)服對(duì)于保護(hù)消防員與應(yīng)急救援人員的健康和人生安全起到至關(guān)重要的作用。文章在熱防護(hù)服的防水透氣層與隔熱層之間設(shè)置若干對(duì)環(huán)境溫度變化反應(yīng)較為靈敏的感溫驅(qū)動(dòng)組件——形狀記憶合金彈簧，研制具有動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)的新型熱防護(hù)服面料。通過(guò)高溫接觸實(shí)驗(yàn)，表征各層面料的溫度變化，從而評(píng)價(jià)不同排列方式的形狀記憶合金彈簧對(duì)面料隔熱性能的影響。研究表明，形狀記憶合金彈簧可以顯著降低傳遞至人體的熱量，彈簧的排列方式對(duì)其熱傳遞也具有一定的影響。此研究結(jié)果為開(kāi)發(fā)性能優(yōu)越的形狀記憶熱防護(hù)服提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 熱防護(hù)服；形狀記憶合金；高溫接觸；排列方式；阻燃面料；熱防護(hù)性能

中圖分類號(hào)： TS101.923

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 10017003（2017）05001905

引用頁(yè)碼： 051104

Abstract： Thermal protective clothing plays an important role in protecting health and safety of firefighters and emergency rescuers. In this study， shape memory alloy （SMA） springs were set between moisture barrier layer and thermal liner layer of thermal protective clothing to develop novel thermal protective materials with dynamic structure. Hot surface contact experiment was done to characterize the changes in temperature at different layers to evaluate the influence of different arrangement modes of SMA springs on thermal insulation performance of the fabric. The results indicate that SMA spring could greatly decrease the heat transfer to human body， and the spring arrangement mode has certain influence on heat transfer. The research findings may be applied to design excellent thermal protective clothing with proper arrangement of SMA springs.

Key words： thermal protective clothing； shape memory alloy； hot surface contact； arrangement mode； fireproof fabric； thermal protective performance

消防員或應(yīng)急救援人員工作中經(jīng)常遭受很多危害，包括熱量上的（火焰、輻射和對(duì)流熱）、生物上的（血液傳染和致病菌）、化學(xué)上的（皮膚接觸）、物理上的（撞擊、碎片和粗糙的表面）及環(huán)境中的（極端環(huán)境溫度和高濕度）災(zāi)害[1]，需要穿著特定的熱防護(hù)服，以保障他們的健康和人身安全。防護(hù)服的隔熱性能和舒適性能直接影響了消防員的救援時(shí)間及消防作業(yè)的進(jìn)行。

為了提高熱防護(hù)服的隔熱性能，一般通過(guò)研制新型阻燃隔熱纖維材料或增加面料的厚度和層數(shù)等手段來(lái)實(shí)現(xiàn)[23]。然而，阻燃隔熱纖維材料的發(fā)展已經(jīng)相對(duì)成熟，其研發(fā)的難度也相對(duì)較大[3]。傳統(tǒng)的熱防護(hù)服則主要通過(guò)多層服裝組合增加服裝熱阻，提高熱防護(hù)性能[1，4]。因此，傳統(tǒng)的防護(hù)服比較厚重，影響熱量散失，易產(chǎn)生熱應(yīng)激[5]。為了解決傳統(tǒng)熱防護(hù)服厚重的問(wèn)題，研究者們采用氣凝膠或者相變材料增加面料的防護(hù)性能[2，67]。氣凝膠嵌入防護(hù)服內(nèi)部，在消防員不作業(yè)時(shí)顯得臃腫使其行動(dòng)不便，同時(shí)其透氣性也較差，制成的服裝也不具有動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力[2，7]。而相變材料在循環(huán)過(guò)程中熱物理性質(zhì)易退化，且易從基體泄漏，產(chǎn)生的熔滴可能會(huì)損傷人體皮膚[6]。更進(jìn)一步，研究者將形狀記憶合金或形狀記憶聚氨酯應(yīng)用于防護(hù)服中[811]。將合金或聚氨酯制成彈簧狀，在常溫下收縮成扁平狀，不影響服裝正常穿著狀態(tài)，遇熱則彈起在服裝中形成一定厚度的空氣層作為隔熱層，自動(dòng)調(diào)節(jié)防護(hù)服的厚度[1012]。然而，以往的研究并沒(méi)有系統(tǒng)地考慮形狀記憶彈簧分布的影響，也沒(méi)有分析高溫?zé)峤佑|環(huán)境下形狀記憶合金的性能。

鑒于上述傳統(tǒng)熱防護(hù)服的缺陷，本研究在防護(hù)服的防水透氣層與隔熱層之間設(shè)置若干感溫驅(qū)動(dòng)組件——形狀記憶合金彈簧[9，11]，構(gòu)筑一種具有動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)的新型熱防護(hù)服面料。通過(guò)高溫接觸實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)形狀記憶合金彈簧及其排列方式對(duì)面料隔熱性能的影響，獲得熱防護(hù)服性能最佳的新型智能熱防護(hù)服。

1熱防護(hù)服面料組合的設(shè)計(jì)

1.1形狀記憶合金彈簧

為減小在常溫下形狀記憶合金彈簧對(duì)消防服層間空氣層的影響，本研究將形狀記憶合金彈簧設(shè)計(jì)為扁平狀螺旋型，如圖1（a）所示。形狀記憶合金材料為銅基，外徑為28mm，最小直徑14mm，合金絲的直徑為1.5mm，形變溫度45℃左右。當(dāng)溫度超過(guò)形變溫度時(shí)，彈簧會(huì)逐漸彈起，形成圓錐形狀，如圖1（b）所示，完全彈起后的高度為32mm左右。這種形狀記憶合金彈簧本身質(zhì)量較輕且對(duì)環(huán)境溫度變化的感應(yīng)較為靈敏，從而能較好地調(diào)節(jié)消防服的隔熱性能，也能改善防護(hù)服的穿著舒適性且不影響穿著者肢體運(yùn)動(dòng)。

1.2熱防護(hù)服面料組合設(shè)計(jì)

選擇典型的防護(hù)外層、防水透氣層和隔熱層組成三層面料系統(tǒng)，15cm×15cm，各層面料的基本性能如表1所示。將形狀記憶彈簧放置在防水透氣層和隔熱層之間，采用五組不同的排列方式，如表2所示，即一個(gè)彈簧中心排列（One）、兩個(gè)彈簧對(duì)角（Two_diag）及并列（Two_para）排列、三個(gè)彈簧對(duì)角線（Three_diag）及等邊三角形（Three_tria）排列，加上對(duì)比組（CON）沒(méi)有放置任何彈簧共計(jì)六種實(shí)驗(yàn)條件。為了防止彈簧形變過(guò)程中面料相對(duì)位置發(fā)生滑移，同時(shí)模擬實(shí)際穿著過(guò)程中面料之間的相互作用，將面料未放置彈簧的兩個(gè)對(duì)角固定。

2實(shí)驗(yàn)

消防員和應(yīng)急救援人員在救援過(guò)程中易接觸到灼熱的高溫物體，本研究采用熱平板儀模擬高溫?zé)峤佑|，如圖2所示。高溫?zé)崞桨鍍x溫度設(shè)置為400℃，熱接觸時(shí)間為20s。對(duì)六種不同條件的面料組合進(jìn)行高溫?zé)峤佑|實(shí)驗(yàn)，采用NI數(shù)據(jù)記錄儀（NI 9231，美國(guó)）實(shí)時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的防水透氣層與外表面間溫度T1、隔熱層與防水透氣層間溫度T2、隔熱層內(nèi)層溫度T3（T1、T2、T3均為面料中心溫度）。測(cè)量T1的傳感器固定在防水透氣層外表面上，測(cè)量T2的傳感器固定在隔熱層的外表面上，測(cè)量T3的傳感器固定在隔熱層的內(nèi)表面上。NI數(shù)據(jù)記錄儀包括熱電偶測(cè)試模塊和32 gauge T型熱電偶。每組排列方式至少測(cè)試三次，取平均值。

3結(jié)果與分析

3.1防護(hù)外層與防水透氣層間溫度T1

圖3描述了不同形狀記憶彈簧排列方式的試樣防火外層和防水透氣層之間的溫度T1變化曲線。從整體來(lái)看，在試樣外表面與溫度400℃高溫接觸的情況下，防水透氣層與外表面之間溫度T1在0～2s內(nèi)迅速增加到100℃左右，之后緩慢增加，在3s后繼續(xù)穩(wěn)定快速增加。到20s時(shí)，層間溫度T1最終達(dá)到210～270℃。所有試樣均表現(xiàn)出類似的規(guī)律。Two_diag與Three_tria兩種排列方式下試樣的溫度T1在2～5s內(nèi)增加較為緩慢，最終溫度也相對(duì)較低。沒(méi)有安裝形狀記憶合金彈簧的試樣（CON）的T1最終溫度也與兩個(gè)形狀記憶合金彈簧對(duì)角排列（Two_diag）試樣的相近，而其他三種情況下T1的最終溫度均高于CON。

形狀記憶彈簧一個(gè)中心排列（One）與三個(gè)對(duì)角排列（Three_diag）的T1溫度偏高可能由于傳感器縫制在試樣中心，正對(duì)著防水透氣層內(nèi)部中心的形狀記憶彈簧。彈簧受熱彈起，壓縮了中心點(diǎn)防水透氣層與外表面間的間隙，以及增加了防火外層與熱板的接觸。兩個(gè)并排排列（Two_para）試樣T1溫度偏高可能由于兩個(gè)彈簧間的距離較近，對(duì)中心點(diǎn)防水透氣層與外表面間間隙層的壓縮也較明顯，導(dǎo)致溫度傳導(dǎo)的速度較快。

3.2防水透氣層與隔熱層之間溫度T2

圖4描述了不同形狀記憶彈簧排列方式的試樣隔熱層外表面的溫度T2變化曲線。從整體來(lái)看，在同樣實(shí)驗(yàn)條件下，防水透氣層與隔熱層之間的溫度T2在0～4s內(nèi)快速增長(zhǎng)至65℃左右，隨后略有下降后保持相對(duì)穩(wěn)定，之后T2繼續(xù)迅速增長(zhǎng)。在20s時(shí)，試樣的最高溫度可達(dá)76～115℃，并且呈明顯增長(zhǎng)的趨勢(shì)。所有試樣均呈現(xiàn)出類似的變化規(guī)律，但變化區(qū)間不同。

如表3所示，試樣初始接觸熱源，試樣與熱源溫度差較大，熱傳導(dǎo)的速率較大，所以在0～2.5s溫度快速增長(zhǎng)。隨著彈簧彈起，空氣層逐漸變厚，減慢了熱量傳遞，當(dāng)空氣層進(jìn)一步增加，層間發(fā)生空氣對(duì)流，散熱略大于吸熱致使溫度在短時(shí)間內(nèi)降低。當(dāng)形狀記憶彈簧達(dá)到最大高度，空氣層厚度穩(wěn)定，散熱效果也基本穩(wěn)定，此時(shí)吸熱大于散熱，熱量繼續(xù)傳遞，溫度再次升高。而沒(méi)有安裝（CON）彈簧的試樣由于層間隙較薄，在4～10s散熱與吸熱達(dá)到平衡，溫度穩(wěn)定不變，隨后在持續(xù)受熱的情況下較薄的層間隙導(dǎo)致溫度升高的速度也較快。較之CON，設(shè)置形狀記憶彈簧試樣的T2溫度顯著降低，其不同的排列方式對(duì)隔熱效果的影響也不同。其中Three_tria排列方式的試樣較沒(méi)有設(shè)置形狀記憶彈簧（CON）試樣的T2溫度在20s時(shí)低39℃，高溫環(huán)境下這種排列方式能在織物間形成較穩(wěn)定的空氣層，且其厚度也較為平均，溫度增加速率也較低（3.0℃/s），故最終達(dá)到的溫度也較低。相比較而言，Two_para排列方式的最終溫度略高于其他幾種排列方式，可能與傳感器測(cè)量位置的空氣層厚度偏低有關(guān)系。

3.3隔熱層內(nèi)表面溫度T3

圖5描述了不同形狀記憶彈簧排列方式的試樣T3變化曲線。由圖5可知，沒(méi)有安裝形狀記憶合金彈簧試樣的內(nèi)表面溫度在0～1s增長(zhǎng)緩慢，1～6s迅速增長(zhǎng)，隨后緩慢增長(zhǎng)至最高溫度58℃后逐漸下降后維持在54℃左右。排列方式Two_diag的試樣溫度T3變化趨勢(shì)與CON類似，最高溫度為57℃，最終達(dá)到52℃。排列方式Two_para的試樣溫度T3變化趨勢(shì)與CON和Two_diag一致，最高溫度53℃，最終溫度為47℃。排列方式Three_tria的試樣溫度T3在0～2s緩慢增長(zhǎng)，之后快速增長(zhǎng)至53℃，隨后緩慢下降至48℃。與上述四種情況不同，排列方式One的試樣溫度T3在0～20s持續(xù)緩慢增長(zhǎng)，最終達(dá)到45℃。Three_diag排列方式試樣的T3溫度在0～1s緩慢增長(zhǎng)，隨后以一定的速度增長(zhǎng)至45℃。

所有的試樣在最初的2s內(nèi)，T3緩慢增加是因?yàn)槊媪辖M合的隔熱作用，熱量傳遞至隔熱層內(nèi)表面需要一定的時(shí)間。隨后CON、Two_diag、Two_para、Three_tria排列方式試樣溫度增加較快可能由于中心點(diǎn)無(wú)彈簧，且隨著彈簧距中心點(diǎn)位置越遠(yuǎn)，空氣層厚度增長(zhǎng)越慢，溫度增長(zhǎng)越快。隨著空氣層變厚，接觸外部空氣向外的散熱大于熱源向內(nèi)的導(dǎo)熱，溫度呈下降趨勢(shì)。持續(xù)加熱，散熱與吸熱趨于平衡，溫度趨于穩(wěn)定。對(duì)于Three_tria排列方式試樣的T1與T2溫度都較低，而T3溫度較高可能由于試樣在實(shí)驗(yàn)時(shí)為防止織物間位置滑移及仿真服裝穿著時(shí)面料之間的相互作用，將其對(duì)角位置固定，受內(nèi)部空間限制，空氣層厚度雖穩(wěn)定但彈簧較多導(dǎo)致沒(méi)有彈起到最大高度。

排列方式為One、Three_diag的試樣內(nèi)表面溫度一直穩(wěn)定增長(zhǎng)，最終達(dá)到45℃，相對(duì)于沒(méi)有安裝形狀記憶彈簧的試樣（CON），內(nèi)表面溫度降低了近10℃，是CON試樣溫度的18.5%。由于中心縫制有形狀記憶彈簧，空氣層增長(zhǎng)速度較快，并形成最大空氣層，從而這兩種排列方式的溫度較低，能有效地減慢溫度的增長(zhǎng)速度，降低內(nèi)表面溫度，達(dá)到較好的隔熱效果。

鑒于人體皮膚溫度超過(guò)44℃時(shí)（溫升為12℃）開(kāi)始出現(xiàn)損傷，而當(dāng)皮膚溫度超過(guò)56℃（溫升為24℃）可能出現(xiàn)二級(jí)燒傷。如表4所示，以T3溫度達(dá)到44℃和56℃分析六組試樣的隔熱效果。較之其他四種情形，排列方式為One、Three_diag的試樣隔熱性能最好，Three_tria的效果也優(yōu)于兩個(gè)彈簧的排列方式。以皮膚溫度達(dá)到44℃出現(xiàn)損傷為界定，兩種排列方式制成的智能熱防護(hù)服能有效增長(zhǎng)消防員救援時(shí)間至17s，比傳統(tǒng)防護(hù)服救援時(shí)間提高了389%，以皮膚溫度達(dá)到56℃出現(xiàn)燒傷為界定，可增長(zhǎng)時(shí)間至20s以上，最少比傳統(tǒng)服裝提高了263%。應(yīng)用形狀記憶合金彈簧，在高溫環(huán)境中能起到瞬時(shí)隔熱的效果，增加救援時(shí)間，這與陳艷[9]、Yoo S[10]、Congaltion[12]的研究結(jié)果一致。由此可見(jiàn)，與傳統(tǒng)消防服相比，智能防護(hù)服更具有動(dòng)態(tài)特征，能夠根據(jù)環(huán)境的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)防護(hù)服的厚度，使熱防護(hù)性能在遇到強(qiáng)熱災(zāi)害環(huán)境時(shí)顯著提高，從而提高搶救效果，減少損失。

4結(jié)論

1）6種排列方式下溫度T1和T2變化規(guī)律類似，其中Three_tria排列方式試樣溫度較低。

2）設(shè)置形狀記憶合金彈簧可以顯著降低傳遞至人體的熱量，隔熱層內(nèi)表面層溫度T3除One、Three_diag排列方式試樣的內(nèi)表面溫度在0～20s內(nèi)呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)，其余排列方式總體先快速增長(zhǎng)后緩慢下降。One、Three_diag排列方式試樣最終達(dá)到的溫度在45℃左右，比其他排列方式的最高溫度低8～14℃，有較理想的隔熱效果。形狀記憶彈簧的排列方式對(duì)防水透氣層與隔熱層間的空氣層平均厚度有直接的影響，從而影響其隔熱作用。

3）One、Three_diag排列方式的智能熱防護(hù)服在不導(dǎo)致皮膚損傷的條件下，能有效增長(zhǎng)消防員救援時(shí)間至17s，比傳統(tǒng)防護(hù)服救援時(shí)間提高了389%。在不導(dǎo)致皮膚燒傷的條件下，可延長(zhǎng)至20s以上，是傳統(tǒng)防護(hù)服的近三倍。

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