水分對消防服用織物導熱系數(shù)及熱防護性能的影響

陳萌 朱方龍

摘 要：為了研究含水率對消防服用織物導熱系數(shù)及熱防護性能的影響，采用瞬態(tài)平面熱源法對不同含水量的阻燃外層織物進行導熱系數(shù)的測試，并將常用消防服各層面料進行配伍組合，潤濕舒適層織物模擬消防員汗?jié)袂闆r，潤濕阻燃外層織物模擬消防用水潤濕情況，在總熱流量達到83kW/m2的情況下，采用熱防護性能測試儀測試銅片熱流計累計吸收的熱量達到人體二級燒傷時需要的時間，以此判定面料組合的熱防護性能。結果表明：a）消防服用織物的導熱系數(shù)隨著其含水率的增大而非線性地增大；b）面料組合的低程度潤濕（含水率在32%以下）對面料組合的熱防護性能有消極影響。面料組合的含水率為26%時，其熱防護性能降到最低。

關鍵詞：含水率；導熱系數(shù)；消防；熱防護

中圖分類號：TS101

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2018）06-0056-06

Abstract：In order to study the influence of moisture content on thermal conductivity and the thermal protective performance of fabrics for fire-fighting suits， transient planar heat source technique was used to test the thermal conductivity of outer flame retardant fabric with different water content， and the commonly used fabric of each layer for fire-fighting suits was combined into fire-retardant multilayer fabric combinations. The comfort layer was moistened to simulate the situation that the fabric absorbs perspiration from a sweating firefighter， and the outer flame-retardant fabric was moistened to simulate the condition that the fabric is wetted by fire water. A thermal protective performance tester was employed to measure the required time of the heat cumulatively absorbed by copper heat flow meter leading to the second-degree burn when the total heat flow reached 83 kW/m2， which can be used to assess the thermal protective performance of the fire-retardant multilayer fabric combinations. The results showed that： a） the coefficient of thermal conductivity of fabrics for fire-fighting suits increases nonlinearly with the increase of their moisture regain； b） low-level moisturizing of fire-retardant multilayer fabric combinations （moisture content below 32%） has a negative impact on their thermal protective performance. And when their moisture content is up to 26%， the thermal protective performance reaches the minimum.

Key words：moisture content； thermal conductivity； fire-fighting； thermal protection

消防員在熱濕環(huán)境中進行消防作業(yè)時會產(chǎn)生汗水，并且消防服外層織物難免會接觸到消防用水，這些水分會通過蒸發(fā)、凝結、吸附、解吸等作用進行熱濕傳遞進而對消防服的熱防護性能產(chǎn)生重要的影響[1]。導熱系數(shù)作為衡量消防服用織物熱濕舒適性的一個重要指標，其受水分的影響也引起了研究者們的注意。楊曉琴等[2]通過對不同纖維原料和組織的織物在不同含水率下的熱舒適性指標及導熱系數(shù)的測試發(fā)現(xiàn)，隨著含水率的增加，導熱系數(shù)值增大，并且纖維吸濕性強的織物其導熱系數(shù)的增強要快些。魏賽男等[3]比較了不同組織結構的織物在含濕狀態(tài)下的熱舒適性能，結果表明滌綸針織物和機織物的導熱系數(shù)λ值隨著含水率的增大呈逐漸升高趨勢，這說明織物含水率的增大對其導熱性能有積極影響。

一些研究者研究了水分對于織物熱防護性能的積極作用。李紅燕[4]測試了在82.21 kW/m2的強輻射和對流聯(lián)合傳熱下單層織物在不同濕狀態(tài)下的熱防護值，結果表明，水分有助于提高織物的熱防護性能，含水量越多，織物的熱防護性能就越好。王云儀等[5]分析了水分對消防服外層織物熱防護性能的影響，發(fā)現(xiàn)外層織物的熱防護值隨著潤濕程度增大趨向增大；Perkins[6]在16.8 kW/m2的輻射熱流量下，用熱流傳感器測試防護織物表面空氣層間隔的溫度分布情況，結果表明含濕織物的熱防護性能比干燥織物好。

但是也有研究者發(fā)現(xiàn)消防服用織物的熱防護性能與含水率之間并不是一個簡單的單一線性關系。Barker等[7]研究表明，在低水平的輻射熱暴露下，織物含水量在15%～20%這樣一個相對較低的水平時，織物的熱防護性能最差，當含水量超出這個水平時，預計達到二級燒傷的時間增加，逐步接近干燥的復合材料的測量值；Chen等[8]研究發(fā)現(xiàn)，在純輻射熱流條件下，含濕織物層下的模擬皮膚溫度值比干燥織物層下的高，隨著時間的延長出現(xiàn)相反的增長趨勢；Fu等[9]設置不同的外部相對濕度和出汗率研究表明，在60%～90%這樣較高的相對濕度下，較高的出汗程度得到的內部水分會很快通過凝結和吸收在防護服裝內形成一個微氣候，這種微氣候會妨礙外界環(huán)境的熱量進入防護服裝內，對防護服裝的熱防護性能有積極影響。

本文在探究水分對消防服阻燃外層織物導熱系數(shù)的影響基礎上，選用常用消防服各層面料進行配伍得到4種面料組合，以熱防護性能測試儀測得的二級燒傷時間作為依據(jù)，研究水分對消防服用織物熱防護性能的影響，為更好地理解在有消防用水的環(huán)境下水分對消防服材料熱防護性能的影響提供參考依據(jù)。

1 實 驗

1.1 實驗材料

消防服通常由4層組成：阻燃外層，防水透氣層，隔熱層和舒適層。本實驗選用4種消防服常用外層織物（編號為1#，2#，3#，4#）為實驗對象，研究織物內水分對其導熱系數(shù)的影響，另選用2種不同的阻燃外層（A1、A2），一種防水透氣層（B），一種隔熱層（C）和兩種舒適層（D1、D2）進行面料配伍，組合成4種不同的面料系統(tǒng)探討水分對熱防護性能的影響。實驗材料的基本參數(shù)如表1所示。

1.2 實驗儀器

TPS 2500S型導熱系數(shù)測試儀（瑞典Hot Disk公司）；TPP-1型TPP熱防護性能測定儀（莫帝斯燃燒技術（中國）有限公司）；GZX-9140-MBE型烘箱（上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)療設備廠）；JA2003型電子天平（上海恒平科學儀器有限公司）。

1.3 實驗方法

水分含量不同的樣品的制備：將1#，2#，3#，4#試樣裁剪為直徑15 cm的圓形，將A1，A2，B，C，D1，D2試樣裁剪為15 cm×15 cm的矩形；為比較不同含水率對消防服用織物導熱系數(shù)和熱防護性能的影響，先預設不同的含水量梯度，然后測量織物樣品的干重Md，依據(jù)式（1）和式（2）計算在設定含水率φ下所對應的濕重Mw及加水量Mj；再用噴壺將所需加水量均勻地噴到織物上，直至測得試樣質量為所需含水率對應的濕重，即得到了預設定含水率對應的樣品。但實際加水量與理論加水量Mj有出入，4種阻燃外層織物（1#，2#，3#，4#）的實際含水率如表2所示，4種不同面料組合的實際含水率如表3所示。

1.3.1 導熱系數(shù)測試

導熱系數(shù)測試采用瞬態(tài)平面熱源法，在測試過程中需要用兩片待測試樣將探頭緊緊夾持住，形成“三明治”一樣的夾層結構。Hot disk探頭以恒定的功率加熱試樣，它既被用作加熱熱源又被用作溫度傳感器，測試與探頭相接觸的試樣表面平均溫度分布。由于溫度升高，探頭兩端電壓會產(chǎn)生變化，探頭的電阻值會產(chǎn)生變化，將電阻溫度系數(shù)可轉化為探頭表面的溫升。探頭表面的溫度響應由待測試樣的熱輸運性質決定，即試樣的熱導率信息可以通過記錄探頭表面平均溫升隨時間的變化情況得到[10]。

探頭表面在測量過程中平均溫升的精確測量可以通過測量鎳金屬絲的電阻變化實現(xiàn)。金屬絲阻值與溫升二者的關系如式（3）所示。

式（4）即為瞬態(tài)平面熱源探頭的理想溫升模型，熱導率k通過斜率P0π3/2ak計算得到。

導熱系數(shù)測試實驗在恒溫恒濕室進行，溫度20 ℃，相對濕度65%。根據(jù)預先測量的樣品厚度選擇合適的測量探頭，調整加熱功率及加熱時間使得溫升、特征時間、平均偏差4個參數(shù)在規(guī)定范圍內。每個樣品進行3次測量取平均值。

1.3.2 TPP性能測試

據(jù)GB 8965.1—2009《防護服裝阻燃防護第1部分：阻燃服》標準，該實驗的測試原理為待測試樣在83 kW/m2的輻射熱源下，采用銅片熱流計來測試并模擬人體皮膚在防護服保護下的溫度升高程度，從而計算銅片熱流計累計吸收的能量達到人體燒傷等級需要的時間來確認阻燃材料的防護等級。燃氣采用標準丙烷，供給流量不小于10 L/min，燃氣壓力不低于56 kPa。

2 結果與分析

2.1 含水率對導熱系數(shù)的影響

不同含水率的4種阻燃外層織物的導熱系數(shù)測試結果如圖1所示。

由圖1可以看出，4種阻燃外層織物的導熱系數(shù)隨含水率的增大而非線性增大，即總體上講，含水率越大，導熱系數(shù)越大。織物的導熱系數(shù)實際上是纖維、空氣、水分三者的混合物的導熱系數(shù)[11]。隨著織物含水率的增加，固相纖維的導熱系數(shù)不變，而水分占據(jù)了紗線及纖維之間的孔隙，空氣部分對織物導熱系數(shù)的貢獻減小，水分部分對織物導熱系數(shù)的貢獻增大，故織物的導熱系數(shù)增大。

在15%左右的低含水率下，4種織物的導熱系數(shù)隨著含水率的增大程度接近，而含水率在此基礎上進一步增加后，4種織物的導熱系數(shù)不同程度地進一步增大；在含水率達到25%左右繼續(xù)增大時，4種織物的導熱系數(shù)呈現(xiàn)不同趨勢的變化，有增有降。這是由于織物導熱系數(shù)還受到本身的組成、結構、密度、溫度、濕度、空氣的壓力等因素的影響，織物含水率的增大還導致其密度發(fā)生變化，所以4種阻燃外層織物的導熱系數(shù)隨著含水率的變化產(chǎn)生了不同程度的變化。

圖1顯示，4種阻燃外層織物在干燥狀態(tài)以及含水率為25%左右時的導熱系數(shù)由大到小的順序依次是4#>3#>2#>1#，而在4種織物的含水率達到25%左右繼續(xù)增大后，其導熱系數(shù)的大小順序有所改變，在45%左右及55%左右的含水率下，可觀察到4種織物的導熱系數(shù)由大到小的順序依次是4#>1#>2#>3#。這說明不同消防服外層織物在超過25%含水率的較大程度潤濕下，其導熱系數(shù)的大小順序可能會發(fā)生變化，這在水滅火的消防環(huán)境下消防服的阻燃外層織物的選擇有指導意義，如選擇組成成分不含親水性纖維或由親水性較差的纖維組成的外層阻燃織物。

以導熱系數(shù)為因變量，含水率為回歸自變量，采用Sigmaplot軟件進行線性回歸分析，建立一元線性回歸方程，并獲得含水率對織物的導熱系數(shù)影響的線性回歸圖，如圖2所示，其回歸方程y=y0+ax也列如圖中。

上述回歸式中，僅試樣3#線性回歸方程中的相關系數(shù)R較小，其值為0.677 2，其相關性較小，另三種試樣的含水率與其導熱系數(shù)成顯著的線性正相關關系。上式中所用的樣本量較少，因此?。?）式進行統(tǒng)計驗證，回歸方程的顯著性檢驗：F=72.586 2，對應的概率P=0.001，接近為0值。

試樣3#的相關系數(shù)R值較小說明試樣3#的導熱系數(shù)受水分的影響程度最小。由于水分對織物導熱系數(shù)的影響主要是由于水分取代空氣占據(jù)了纖維及紗線之間的孔隙，推測導致這一現(xiàn)象的原因是試樣3#的孔隙率較小。故采用全自動壓汞儀測試了4種阻燃外層織物的孔隙率，結果顯示1#，2#，3#和4#的孔隙率分別是54.8%，55.9%，46.1%，53.2%，可見試樣3#的孔隙率最小，故其導熱系數(shù)受到含水率的影響最小，即試樣3#線性回歸方程中的相關系數(shù)R較小。

2.2 含水率對熱防護性能的影響

表4給出不同含水率的4種織物組合在83 kW/m2的熱流暴露下的二級燒傷時間與TPP值測試結果。圖3給出4種織物的含水率與熱防護性能TPP值的關系曲線。

由圖3可以看出，4種面料組合的TPP值隨著含水率的增加而大幅下降，這是由于水分的吸收使得4種面料系統(tǒng)的導熱系數(shù)增大；在含水率為26%左右時4種織物組合的TPP值均降到最低，并且隨著含水率的增加開始上升，這是因為水分的吸入使得4種面料組合的比熱及蒸發(fā)吸熱量大大增加，那么面料組合的溫度上升變慢，二級燒傷時間增大，TPP值增大?？傮w上講，4種面料組合的TPP較初值均有所下降，可見消防服織物系統(tǒng)的低程度潤濕（32%含水率以下）對其熱防護性能有消極影響。

3 結 論

a） 4種阻燃外層織物的導熱系數(shù)隨含水率的增大而非線性增大，這說明水分對織物的隔熱性能有消極影響。消防用水的吸入會改不同種阻燃外層織物導熱系數(shù)大小的順序，這對于在水滅火的消防環(huán)境中消防服阻燃外層織物的選擇有指導意義。

b） 在低含水率下（32%以下）4種消防服面料組合的熱防護性能下降。4種面料組合的TPP值隨著含水率的增大先減小后增大，但均小于初值。這說明消防服阻燃外層和舒適層的潤濕對其熱防護性能有消極影響。消防服阻燃外層和舒適層織物的潤濕程度使得面料組合的含水率為26%時，面料組合的熱防護性能降到最低。

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