消防服外層織物熱防護(hù)性與舒適性綜合評(píng)價(jià)

翟勝男， 陳太球， 蔣春燕， 傅佳佳， 王鴻博

(1. 江南大學(xué) 江蘇省功能紡織品工程技術(shù)研究中心， 江蘇 無(wú)錫 214122； 2. 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))， 江蘇 無(wú)錫 214122； 3. 圣華盾防護(hù)科技股份有限公司， 江蘇 無(wú)錫 214413)

消防服是消防人員在進(jìn)行滅火作業(yè)時(shí)所穿著的具有防護(hù)功能的一類服裝，具有較高的阻燃和熱防護(hù)性能，避免消防人員在滅火作業(yè)過(guò)程中受到燒傷和燙傷等危害。目前，國(guó)內(nèi)消防服依據(jù)《消防員滅火防護(hù)服》標(biāo)準(zhǔn)裁制：消防類服裝由4層材料構(gòu)成，分別為阻燃外層、防水透氣層、隔熱層及舒適層。其中，外層織物直接與火焰接觸，須具備較高的阻燃和耐高溫性能，因而常使用高性能阻燃纖維織造，如芳綸纖維等[1-2]；防水透氣層可阻止水向隔熱層滲透，同時(shí)又可排出水蒸氣和人體產(chǎn)生的汗液和濕氣，提高服裝舒適性；隔熱層起到隔絕高溫高熱的作用；舒適層則直接與人體接觸，具備舒適性及熱防護(hù)性能。這4層結(jié)構(gòu)的存在雖有效地提高了服裝的熱防護(hù)性能，但同時(shí)也會(huì)阻礙人體熱量和汗液的排出，易造成人體熱應(yīng)激反應(yīng)，威脅消防人員生命安全[3-6]。

有很多學(xué)者從事織物參數(shù)對(duì)熱防護(hù)性能影響的研究：Sun等[7-8]指出單層織物成分對(duì)防護(hù)性能起著決定性作用，織物的厚度、面密度等也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響；李俊等[9-12]則在此基礎(chǔ)上又進(jìn)一步對(duì)消防服各層材料性能進(jìn)行研究，推導(dǎo)防護(hù)性或舒適性的最佳結(jié)構(gòu)。但目前對(duì)于兼顧服裝熱防護(hù)性和舒適性方面的研究還較少，本文則基于此對(duì)外層織物的熱防護(hù)性和舒適性進(jìn)行研究，定性地描述織物參數(shù)對(duì)二者的影響，此外采用模糊綜合評(píng)判法對(duì)織物的綜合性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出評(píng)價(jià)最優(yōu)的織物，以期為消防服裝外層織物綜合性能的研究提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

材料：消防服外層織物，由江蘇圣華盾防護(hù)科技股份有限公司提供。

儀器：#403-14型熱防護(hù)性能測(cè)試儀(美國(guó)Thermetrics公司)；YG141型織物厚度儀、電子天平、YG461E-Ш型全自動(dòng)透氣量?jī)x、YG601-Ⅱ型電腦式織物透濕量?jī)x(寧波紡織儀器廠)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

在標(biāo)準(zhǔn)溫濕度條件下，測(cè)試了7種消防服外層織物的參數(shù)，結(jié)果如表1所示。

表1 織物參數(shù)Tab.1 fabric parameters

1.2.1織物熱防護(hù)性能測(cè)試

1.2.1.1 測(cè)試儀器及原理 熱防護(hù)性能測(cè)試儀器如圖1所示。該儀器的測(cè)試裝置包括：組合對(duì)流輻射熱源(對(duì)流熱源6、輻射熱源7)、試樣3及傳感器支撐結(jié)構(gòu)4、用于暴露控制的隔熱遮板5、銅量熱傳感器1、銅量熱傳感器組件2和數(shù)據(jù)采集/分析系統(tǒng)等。此外，儀器還設(shè)有自動(dòng)化裝置，控制試樣暴露及遠(yuǎn)離熱源；同時(shí)設(shè)有循環(huán)水冷裝置。

圖1 熱防護(hù)測(cè)試儀的示意圖Fig.1 Schematic of thermal protection tester

該儀器設(shè)有雙重?zé)嵩?，?個(gè)輻射熱源和2個(gè)對(duì)流熱源，模擬火場(chǎng)環(huán)境中輻射熱和對(duì)流熱。對(duì)流熱源為2個(gè)呈一定角度安裝的火焰發(fā)生裝置，對(duì)稱放置在樣品下方，通過(guò)連接丙烷氣筒產(chǎn)生火焰；輻射熱源由9個(gè)水平排列的紅外石英燈管(500 W，240 V交流電)組成。在樣品上方放置一溫度傳感器組件模擬服裝與人體皮膚的接觸，通過(guò)該組件測(cè)試樣品溫度變化，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集/分析系統(tǒng)記錄描繪試樣的溫度變化曲線，并將該曲線與Stoll 標(biāo)準(zhǔn)曲線相比較(兩曲線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)的數(shù)值即為達(dá)到二級(jí)燒傷的時(shí)間t(s))。

1.2.1.2 測(cè)試方法 根據(jù)GA10—2014《消防員滅火防護(hù)服》規(guī)定：測(cè)試樣品數(shù)量至少3塊，尺寸為(150±2) mm×(150±2) mm(不含接縫部位)，實(shí)驗(yàn)總熱流量設(shè)定為(83±2) kW/m，熱暴露時(shí)間設(shè)定為 30 s。測(cè)試前樣品需在溫度為(20±2) ℃、相對(duì)濕度為(65±4)%的恒溫恒濕箱中調(diào)濕處理 24 h。在取出后3 min內(nèi)進(jìn)行測(cè)試[10]。通過(guò)下式計(jì)算樣品的熱防護(hù)系數(shù)。

TPP=tq

式中：TPP為熱防護(hù)系數(shù)，kW·s/m2；q為暴露熱通量，kW/m2；t為二級(jí)燒傷的時(shí)間，s。

TPP值越大，達(dá)到二級(jí)燒傷時(shí)間t越長(zhǎng)，織物熱防護(hù)性能越好；反之，則越差。

1.2.2透濕率測(cè)試

依據(jù)GB/T 12704.1—2009《紡織品 織物透濕性試驗(yàn)方法 第1部分：吸濕法》，使用電腦式織物透濕儀測(cè)定織物的透濕性能。測(cè)試條件：溫度為38 ℃，相對(duì)濕度為90%，每種織物不同部位各取3塊，通過(guò)下式計(jì)算透濕量。

式中：WVT為織物的透濕量，g/(m2· d)；S為織物測(cè)試面積，m2；t為測(cè)試時(shí)間，h；Δm為同一實(shí)驗(yàn)組合體 2次稱量質(zhì)量之差，g。

1.2.3透氣性測(cè)試

依據(jù)GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測(cè)定》，在實(shí)驗(yàn)前將待測(cè)試樣進(jìn)行預(yù)調(diào)濕：溫度為(20±2) ℃，相對(duì)濕度為(65±2)%。使用全自動(dòng)透氣量?jī)x測(cè)定試樣透氣率，測(cè)試壓差為100 Pa；測(cè)試面積為20或30 cm2，測(cè)試次數(shù)要求同一試樣不同部位重復(fù)測(cè)量至少10次，取平均值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

表2示出了7種消防服織物熱防護(hù)性能及舒適性能測(cè)試值。

表2 織物熱防護(hù)性能及舒適性能Tab.2 Thermal protection and comfort properties of fabric

注：H12、H24分別為溫度升高12 ℃和24 ℃時(shí)試樣吸收的熱量值。

2.1 織物熱防護(hù)性能影響因素分析

2.1.1纖維種類對(duì)熱防護(hù)性能的影響

由表2可看出，7種試樣TPP值按從大到小排列順序?yàn)?#>7#>5#>6#>2#>3#>4#。其中，不含芳綸纖維的試樣4#、3#達(dá)到二級(jí)燒傷時(shí)間最短，TPP值最小，說(shuō)明這2種試樣的熱防護(hù)性能最差。含芳綸纖維的試樣1#、7#、5#、6#及2#的TPP值大于4#和3#，說(shuō)明這幾組織物熱防護(hù)性能較好。

由試樣纖維組成分析造成這種現(xiàn)象的原因可能是：織物4#和3#所含纖維(阻燃棉、腈/棉混紡)為阻燃后整理纖維，暴露于火焰時(shí)極易燃燒，達(dá)到二級(jí)燒傷時(shí)間較短，TPP值較低，織物熱防護(hù)性能較差；織物1#、7#、5#、6#及2#所含的芳綸纖維因其自身特殊的苯環(huán)結(jié)構(gòu)，阻燃性和耐熱性能良好[2]，暴露于火焰時(shí)不易燃燒，TPP值較大，織物熱防護(hù)性能較高。

由以上分析可以看出：纖維的種類對(duì)織物的熱防護(hù)性能有很大影響，纖維阻燃和耐熱性能越高，TPP值越高，織物的熱防護(hù)性能越好，特別是本質(zhì)阻燃的纖維織物熱防護(hù)性能要優(yōu)于后整理阻燃的纖維織物。

2.1.2纖維含量對(duì)熱防護(hù)性能的影響

含有芳綸纖維的試樣1#、2#、5#、6#和7#，其中1#、5#、6#和7#芳綸纖維含量均在98%左右。芳綸纖維含量估算為：1#(245 g/m2)>7#(215 g/m2)>5#(199 g/m2)>6#(178 g/m2)>2#(125 g/m2)，這與織物TPP值變化相同。芳綸纖維含量越高，織物熱防護(hù)性能越好。

與此類似，試樣3#含有棉纖維約95 g/m2，小于試樣4#所含的310 g/m2，而TPP值為3#>4#。說(shuō)明阻燃棉纖維的含量越少，織物熱防護(hù)性能越高。

由以上分析可以得到，纖維含量對(duì)織物熱防護(hù)性能同樣有很大影響：阻燃和耐熱性能好的纖維含量越多，越有利于提高織物熱防護(hù)性能；阻燃和耐熱性能差的纖維含量越少，越有利于提高織物熱防護(hù)性能。

2.1.3組織參數(shù)對(duì)熱防護(hù)性能的影響

在纖維原料相近(如1#、5#、6#、7#)情況下，隨著織物厚度和面密度的增大，TPP值相應(yīng)增大，織物的熱防護(hù)性能提高。

此外，織物的熱防護(hù)性能還與總緊度有關(guān)。由表2可知，織物總緊度為6#<5#<7#<1#，織物TPP值相應(yīng)減小。由此可知，隨著織物總緊度的增大，TPP值相應(yīng)增大，織物熱防護(hù)性能提高。

2.2 織物舒適性能影響因素分析

2.2.1織物參數(shù)對(duì)透濕性的影響

從表2看出，試樣6#的透濕性能最好，3#的透濕性能最差。為找出影響織物透濕性的主要因素，采用灰色關(guān)聯(lián)度分析法，通過(guò)隨機(jī)性的時(shí)間序列找到關(guān)聯(lián)性，從而尋找系統(tǒng)中各因素的主要關(guān)系，進(jìn)而找到主要影響因素，步驟如下。

1)確定分析數(shù)列。設(shè)因變量數(shù)據(jù)構(gòu)成參考序列，自變量數(shù)據(jù)構(gòu)成比較序列：

Xi(k)=[Xi(1)、Xi(2)、…、Xi(m)]

Yi(k)=[Yi(1)、Yi(2)、…、Yi(m)]

式中：Yi(k)為參考序列；Xi(k)為比較序列；m為序列長(zhǎng)度；k為關(guān)聯(lián)時(shí)刻。

2)初始序列初值化處理。對(duì)比較序列和參考序列進(jìn)行初值化處理。

3)計(jì)算差序列。差序列是指計(jì)算每個(gè)點(diǎn)上參考序列和比較序列差的絕對(duì)值。

式中：Δ0i(k)為差序列；Δmax為差序列極大值；Δmin為差序列極小值。

4)計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)。關(guān)聯(lián)系數(shù)是指比較序列與參考序列在同一時(shí)刻的關(guān)聯(lián)程度。

式中，ρ為分辨系數(shù)，一般取0.5。

5)計(jì)算關(guān)聯(lián)度。

設(shè)置目標(biāo)值Y1為透濕量，X1為厚度，X2為面密度，X3為經(jīng)向密度，X4為緯向密度，X5為總緊度。

經(jīng)計(jì)算所得各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)聯(lián)度為：

γ11=0.658、γ12=0.610、γ13=0.642、

γ14=0.640、γ15=0.729

由此可看出，織物的緊度對(duì)透濕性能影響最為顯著，其次為厚度、經(jīng)緯密度及面密度。

2.2.2織物參數(shù)對(duì)透氣性的影響

與分析織物參數(shù)對(duì)織物透濕性能影響相類似，通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)度法計(jì)算得到織物透氣率與各項(xiàng)參數(shù)的關(guān)聯(lián)度：

γ21=0.564、γ22=0.543、γ23=0.701、

γ24=0.737、γ25=0.716

由此可看出，織物經(jīng)緯密度及緊度對(duì)織物透氣性有顯著影響，其次為織物的面密度、厚度。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際可以得出，緊密程度以及厚度越小的織物，結(jié)構(gòu)越疏松，透氣性能越好。

2.3 綜合評(píng)價(jià)織物熱防護(hù)與舒適性

在分析熱防護(hù)和舒適性能影響因素后，運(yùn)用分層評(píng)價(jià)模式，從織物TPP值(安全Si)、透濕量(服用Ci)、透氣率(舒適Di)3個(gè)方面對(duì)消防服外層織物綜合性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，并計(jì)算得到質(zhì)量評(píng)價(jià)綜合指數(shù)(Qi)[11]，選出綜合性能最優(yōu)的織物。

將3項(xiàng)指標(biāo)值做歸一化處理，即將單項(xiàng)參數(shù)與該項(xiàng)參數(shù)所有樣本之和求比值，結(jié)果如表3所示，表中數(shù)據(jù)作為評(píng)價(jià)分指數(shù)使用。

表3 測(cè)試數(shù)據(jù)處理結(jié)果Tab.3 Test data processing results

質(zhì)量評(píng)價(jià)綜合指數(shù)Qi由3個(gè)分指數(shù)加權(quán)計(jì)算得到，其值越大,織物綜合質(zhì)量越好。

Qi=u1Di+u2Si+u3Ci

式中：u1、u2、u3這3個(gè)權(quán)重值的設(shè)定由實(shí)驗(yàn)室專業(yè)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)賦值，其中u1=0.30，u2=0.55，u3=0.15[13]。

由表3可看出，7種織物中，芳綸防靜電防護(hù)織物(試樣6#)的評(píng)價(jià)綜合指數(shù)Qi最高，說(shuō)明織物綜合熱防護(hù)與熱濕舒適性能最好；全棉阻燃織物(試樣4#)的評(píng)價(jià)綜合指數(shù)Qi最低，綜合性能最差。

結(jié)合上述分析得出：在織造消防類織物時(shí)，原料優(yōu)選本質(zhì)阻燃纖維且纖維的阻燃性及耐熱性能要好，如芳綸纖維，該類纖維在織物中含量越多越有利于提高熱防護(hù)性能。此外，為同時(shí)保證服裝舒適性能，在參數(shù)方面，要對(duì)織物厚度、密度、緊度等進(jìn)行合理選擇。具體參數(shù)選擇還有待于進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究。

3 結(jié) 論

1)通過(guò)對(duì)織物熱防護(hù)性能分析發(fā)現(xiàn)，織物的熱防護(hù)性能主要取決于纖維原料、織物的厚度、面密度以及緊度等?？椢锏暮穸仍酱?，緊度越大，熱防護(hù)性就越好；反之，則越差。

2)通過(guò)對(duì)織物舒適性能分析發(fā)現(xiàn)，織物的舒適性與織物緊密度及厚度、面密度有關(guān)，緊密度及厚度、面密度越小的織物，透氣性能越好。

3)通過(guò)對(duì)織物綜合性能分析發(fā)現(xiàn)：7種織物中，芳綸防靜電防護(hù)織物綜合性能最好；全棉阻燃織物綜合性能最差。