熱功能防護(hù)服的設(shè)計(jì)與研究

【摘要】2012年，國(guó)家安全監(jiān)管總局發(fā)布的《防溫降暑措施管理方法》中將高溫作業(yè)引起的中暑納入了工傷范圍。人在高溫環(huán)境中工作，往往會(huì)導(dǎo)致中暑等機(jī)體功能失調(diào)的熱致疾患，所以從人文關(guān)懷的角度出發(fā)，熱防護(hù)服的研究可謂非常迫切。所謂的熱功能防護(hù)服是指能夠保護(hù)在極端天氣（高溫或超高溫）和特殊場(chǎng)所工作的人員，減少職業(yè)傷害的服裝。主要用于消防、國(guó)防、建筑施工、野外勘探、冶金以及有明火、熔融金屬和有易燃物質(zhì)的場(chǎng)所。本文基于熱功能防護(hù)服的一般設(shè)計(jì)模式，分析了在防護(hù)服設(shè)計(jì)中常用到的高溫防護(hù)方法；遵從防護(hù)服設(shè)計(jì)原則，明確了“主動(dòng)降溫、被動(dòng)隔熱”的熱功能防護(hù)服機(jī)理，希望可以為從事該研究的工作人員提供幫助。

【關(guān)鍵詞】熱功能防護(hù)服；研究現(xiàn)狀；防護(hù)機(jī)理分析；設(shè)計(jì)研究

【中圖分類(lèi)號(hào)】TD727 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

引言

熱功能防護(hù)服主要適用于高溫環(huán)境下的工作人員，能夠促進(jìn)身體快速散熱，同時(shí)阻擋外界高溫對(duì)人體的傷害，具有防中暑、防燒傷、防灼傷的功能。近年來(lái)，隨著熱防護(hù)技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)身體健康的愈發(fā)重視，社會(huì)對(duì)熱功能防護(hù)服的要求也大大提高。因而，熱功能防護(hù)服不僅要具備良好的防熱功能，還要達(dá)到一般服裝的舒適感、輕便感。在高溫環(huán)境下作業(yè)的人們，有許多是死于熱應(yīng)激導(dǎo)致的心臟病，而并非是燒傷致死。這就警示了我們，在進(jìn)行熱功能防護(hù)服的設(shè)計(jì)時(shí)要充分應(yīng)用“主動(dòng)降溫、被動(dòng)隔熱”的原理來(lái)進(jìn)行服裝設(shè)計(jì)。

一、高溫工作對(duì)人體的影響

我們將可引起人體過(guò)熱的環(huán)境稱(chēng)之為熱環(huán)境。在工作中，我們將氣溫>32℃，炎熱地區(qū)>35℃，或者說(shuō)在氣溫>30℃而相對(duì)濕度大于80%的勞動(dòng)環(huán)境列為高溫工作的范疇[1]。正常情況下，人體體溫調(diào)節(jié)中樞能使機(jī)體環(huán)境和外界環(huán)境保持相對(duì)平衡。但當(dāng)外界溫度過(guò)高時(shí)，會(huì)使體溫調(diào)節(jié)中樞發(fā)生障礙，使人體體溫調(diào)定點(diǎn)上移，導(dǎo)致人體大量產(chǎn)熱而無(wú)法正常散熱，進(jìn)而出現(xiàn)中暑、熱暈厥、脫水、酸堿平衡紊亂、皮疹、行為障礙等一系列癥狀，嚴(yán)重者可突發(fā)心臟病而死亡。因而，為了保護(hù)工作人員，提高工作效率，對(duì)于在沒(méi)有空調(diào)等制冷設(shè)備的高溫環(huán)境下作業(yè)的人員，熱功能防護(hù)服具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

二、國(guó)內(nèi)熱功能防護(hù)服研究現(xiàn)狀

我國(guó)最初的熱功能防護(hù)服研制于19世紀(jì)60年代，是利用冷水循環(huán)進(jìn)行除熱的管式降溫服。80年代末，我國(guó)航空醫(yī)學(xué)研究院研制出管式液冷降溫防暑背心，其防熱效能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于管式降溫服并且具有輕便、安全等特點(diǎn)，在一定程度上可降低人體熱應(yīng)激。90年代末，張吉州等人研制的恒溫防護(hù)服已經(jīng)基本接近目前防護(hù)服的外形，并且適用于高溫、低溫及有害氣體的環(huán)境。其后幾年內(nèi)，電子調(diào)溫服、抗高溫多功能消防服、高溫防護(hù)服、防護(hù)靴等相繼問(wèn)世，其應(yīng)用領(lǐng)域也不斷變廣，效能和舒適度也大大提高。目前，熱功能防護(hù)服可分為五種，分別是高溫防護(hù)服（<200℃）、消防員滅火服（<200℃）、工業(yè)隔熱服（<800℃）、消防隔熱服（<800℃）以及消防避火服（>1000℃）[2]。這五種服裝防熱等級(jí)差距很大，意味著在設(shè)計(jì)生產(chǎn)中，在材料選擇方面，各種防護(hù)服存在極大的差異，而生產(chǎn)熱防護(hù)服主要運(yùn)用的材料有熱絕緣織物、阻燃織物和熱輻射防護(hù)織物等，再采用純紡法、混紡法等多種加工技術(shù)制成。

三、熱功能防護(hù)服防護(hù)機(jī)理分析與設(shè)計(jì)研究

熱功能防護(hù)服應(yīng)用于各種高溫環(huán)境，因而必須具有阻燃性、隔熱性、防液體透過(guò)性、完整性和舒適性等性能?？紤]到人體對(duì)外界溫度的適應(yīng)性，在進(jìn)行熱功能防護(hù)服設(shè)計(jì)時(shí)，研究者應(yīng)當(dāng)注重如何提升防護(hù)服隔絕外界溫度內(nèi)導(dǎo)和內(nèi)部熱量散失的能力。

（一）主動(dòng)降溫

熱功能防護(hù)服通過(guò)外部冷源（氣體、液體、固體等）與人體形成熱量對(duì)流，在人體和防護(hù)服上形成熱交換[3]。同時(shí)，吸濕快干、涼爽型面料可以最大程度上促進(jìn)散熱并擁有顯著區(qū)別與其他面料的舒適感。以上方式都可以達(dá)到“主動(dòng)降溫”的目的，使人體皮膚熱量和衣下空氣層熱量快速向外散失。

1.功能性面料的設(shè)計(jì)與選擇

面料的選擇在服裝設(shè)計(jì)中是非常重要的一個(gè)步驟，這不僅關(guān)乎到服裝穿著的舒適度，還關(guān)乎它在工作環(huán)境中所能起到的作用。在高溫環(huán)境中，人體的能量消耗非常大，如果不能很好地隔熱，很有可能使人體感到不適，而大量出汗不僅會(huì)導(dǎo)致人體脫水，還會(huì)降低防護(hù)服熱阻以及紫外線(xiàn)的防護(hù)功能，增加皮膚黏著度，使隔熱效果下降。因此，功能性面料的選擇顯得尤為重要。針對(duì)大量出汗這一現(xiàn)象，我們通常采用吸濕快干、涼爽型的面料，這樣，防護(hù)服就可以起到熱交換的作用。同時(shí)，出于人性化設(shè)計(jì)的原則，我們可以依照現(xiàn)實(shí)情況進(jìn)行不同面料的優(yōu)化配置，例如，面部這種皮膚較薄的部位通常易于曬傷，因而選用紫外線(xiàn)防護(hù)性能較好的面料，而像前胸、后背以及腋下這種汗腺發(fā)達(dá)的部位則可以選用透氣性能好、吸濕快干的優(yōu)質(zhì)面料。例如，研究者可以選擇相變材料（PCM），相變材料是一種能夠依靠自身可逆相變從環(huán)境中吸收或釋放能量的物質(zhì)，它的這一特點(diǎn)使它成為防護(hù)服研究領(lǐng)域的材料明星[4]，這樣就可以滿(mǎn)足人體的生理需要。

2.外部冷源降溫設(shè)計(jì)

目前，常見(jiàn)的降溫服裝形式是降溫背心，它將冷源（氣體、液體、固體等，制作成微小系統(tǒng)內(nèi)置于防護(hù)服中，通過(guò)熱交換的形式來(lái)達(dá)到降溫的目的。我們將空氣通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)用到防護(hù)服的設(shè)計(jì)中，在高溫環(huán)境下進(jìn)行降溫背心性能試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在穿著降溫背心時(shí)，受試者每公里的跑步時(shí)長(zhǎng)明顯低于沒(méi)有穿降溫背心的受試者，并且人體溫度也相對(duì)正常，但沒(méi)做防護(hù)措施的受試者則出現(xiàn)散熱功能障礙。由此我們可以明確外部冷源設(shè)計(jì)確實(shí)可以起到熱防護(hù)功能。

3.通風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

研究者可以將物理原理充分運(yùn)用到防護(hù)服的設(shè)計(jì)中，例如，我們可以利用“鼓風(fēng)效應(yīng)”和“煙囪效應(yīng)”來(lái)調(diào)節(jié)人體體表溫度。所謂“煙囪效應(yīng)”即在服裝設(shè)計(jì)中利用上下開(kāi)口促進(jìn)自然對(duì)流，以達(dá)到散熱效果。同時(shí)，防護(hù)服的設(shè)計(jì)通常采用寬松型而不是緊致型，這樣的設(shè)計(jì)可以增加衣下空氣層，促進(jìn)內(nèi)外空氣循環(huán)。最后，我們的防護(hù)服需要局部開(kāi)口設(shè)計(jì)，以供著裝者呼吸等生理功能的完成。

（二）被動(dòng)隔熱

所謂“被動(dòng)隔熱”便是避免或者減少外界熱量向內(nèi)部傳導(dǎo)。在高溫環(huán)境下，太陽(yáng)輻射、空氣溫度等因素可導(dǎo)致熱暈厥等病理現(xiàn)象。因此，“被動(dòng)隔熱”的研究在熱防護(hù)領(lǐng)域是十分必要的。

1.選用反射率高的服裝材料

我們將反射率高的反輻射背心與冬季棉襖進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，發(fā)現(xiàn)，由于冬季棉襖的熱阻大，因而擁有較好的隔熱功能，但卻無(wú)法進(jìn)行散熱。而反輻射背心卻能夠很好地隔絕外熱，同時(shí)擁有良好的體內(nèi)散熱效果。

2.增加服裝覆蓋面積

增加服裝對(duì)人體體表的覆蓋面積也是隔絕外熱的有效手段。目前，我們所設(shè)計(jì)的防護(hù)服基本都運(yùn)用了這一原理，達(dá)到了全身覆蓋的目的。防護(hù)衣、防護(hù)帽、防護(hù)褲、防護(hù)靴在高溫工作時(shí)缺一不可?？紤]到活動(dòng)性、靈活性，研究者應(yīng)當(dāng)在服裝的細(xì)微細(xì)節(jié)上多加揣摩，以實(shí)現(xiàn)著裝方式的多樣化，例如，衣領(lǐng)的翻領(lǐng)和立領(lǐng)設(shè)計(jì)，褲腿的長(zhǎng)短變換等。

3.預(yù)防紫外線(xiàn)

面料的結(jié)構(gòu)、類(lèi)型、顏色等因素均會(huì)影響到防護(hù)服對(duì)紫外線(xiàn)的阻擋能力。在夏季戶(hù)外作業(yè)時(shí)，紫外線(xiàn)防護(hù)是必須重視的一個(gè)點(diǎn)。因而，在防護(hù)服的設(shè)計(jì)上尤其重視面料的選擇。前文所提到的相變材料（PCM）并不具備紫外線(xiàn)防護(hù)能力，所以，在研究設(shè)計(jì)中，我們不能單一地運(yùn)用某種面料，而要靈活變通，將各種材料的優(yōu)點(diǎn)相整合。

四、結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)的石油、冶金行業(yè)還處在高速發(fā)展階段，而社會(huì)危險(xiǎn)因素（火災(zāi)等）一直存在，人們也越來(lái)越追求付出極小的損失得到最大的挽回，尤其是消防人員在執(zhí)行任務(wù)時(shí)由于熱應(yīng)激而死亡的事例，更是極大地推動(dòng)著熱防護(hù)服行業(yè)的發(fā)展。研究者應(yīng)當(dāng)致力于研制具有良好隔熱效果，又具備一定熱濕傳遞能力的熱功能防護(hù)服。但是我們必須正視的問(wèn)題是，目前，國(guó)內(nèi)在熱防護(hù)服的發(fā)展與研究中存在一對(duì)相互矛盾的因素，即減少機(jī)體代謝熱負(fù)荷和增加防護(hù)服防熱性能這兩點(diǎn)，有待研究者在未來(lái)熱功能防護(hù)服的設(shè)計(jì)中能更加深入地研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]李紅彥，孫成勛，朱寶余，蘇云.夏季高溫環(huán)境戶(hù)外作業(yè)服的熱功能設(shè)計(jì)方法[J].西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，41（6）：146-151.

[2]盧業(yè)虎.高溫液體環(huán)境下熱防護(hù)服裝熱濕傳遞與皮膚燒傷預(yù)測(cè)[D].東華大學(xué)，2013.

[3]王來(lái)力.高性能防護(hù)服的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].中國(guó)個(gè)體防護(hù)裝備，2013（3）：20-22.

[4]沈蘭萍，李一玲，潘海蓉，范立紅.雙層阻燃、防熱防護(hù)服織物的研制[J].北京紡織，2014（1）：46-47.

作者簡(jiǎn)介：馬菡婧（1989-），女，漢，江蘇連云港，碩士，助教，研究方向：服裝設(shè)計(jì)。