消防服多層織物間熱濕傳遞研究進(jìn)展*

南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院， 江蘇 南通 226019

消防服是最常見的熱防護(hù)服，對保護(hù)火場救援人員的生命安全起著至關(guān)重要的作用。隨著科技的發(fā)展，消防服已具備阻燃、透氣和熱防護(hù)等性能，其能夠有效防護(hù)消防員在危險環(huán)境中不會被火焰燒傷。消防服一般較厚重，熱量會在服裝和人體的微環(huán)境中累積，不易散出，熱量累積嚴(yán)重時會對人體造成傷害[1]。目前，對消防服多層織物間的熱濕傳遞分析還比較匱乏，主要側(cè)重于單層織物尤其是防水透氣層和隔熱層的熱濕傳遞性能，且大多在人體非靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行，沒有考慮織物性能的影響。本文主要總結(jié)消防服多層織物間熱濕傳遞的研究進(jìn)展及發(fā)展態(tài)勢。

1 消防服的熱濕傳遞研究

1.1 消防服相關(guān)研究進(jìn)展

隨著科技的進(jìn)步，國內(nèi)外對消防服的應(yīng)用研究呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的勢頭。DanishViking Life-Saving Equipment A/S公司研制的新一代智能消防服，是由歐洲委員會和23個歐洲成員國組成的財團(tuán)、大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)、公司等，為火場救助人員共同研發(fā)的，其織物內(nèi)集成了熱傳感器[2]。在國內(nèi)，浙江大學(xué)開發(fā)出一種智能定位消防服，其頭盔頂部裝有攝像頭[3]。智能消防服的研究方向主要有智能定位、調(diào)控溫度、緊急報警等，通過嵌入式系統(tǒng)融入多個不同的傳感器，并結(jié)合生物醫(yī)學(xué)、智能電子學(xué)和智能信息處理等技術(shù)，主要研究如何在智能服裝的應(yīng)用過程中高質(zhì)量地采集數(shù)據(jù)和迅速分析數(shù)據(jù)，以及最大化地發(fā)揮用戶與系統(tǒng)的交互性能。

消防服由外層(A)、防水透氣層(B)、隔熱層(C)、舒適層(D)等多層織物復(fù)合而成(圖1)。阻燃性是外層織物的基本要求；防水透氣層的作用主要是防止水或有害物質(zhì)滲入，并將人體產(chǎn)生的汗液和濕氣及時排出；隔熱層要求具備良好的隔熱、防熱輻射性；舒適層提供與人體接觸的舒適性。多層織物復(fù)合形成消防服，需提供的主要性能是整體熱防護(hù)性、透水蒸氣性和舒適性。

圖1 消防服結(jié)構(gòu)示意

消防服的常用材料：對位芳香族聚酰胺纖維、高強(qiáng)高模的聚乙烯纖維、拒油的含氟化合物、抗輻射的聚酰亞胺纖維、抗靜電集聚的腈綸絡(luò)合銅纖維等。

杜邦公司研發(fā)了一種智能纖維(即DuPont Nomex on DemandTM)，其在緊急情況下的抗熱性能比平時提高20%左右。當(dāng)溫度達(dá)到250 ℃時, DuPont Nomex on DemandTM自動膨脹，它符合NFPA(National Fire Protection Association，美國消防協(xié)會)標(biāo)準(zhǔn)要求, 并且通過了UL(Underwriter Laboratories Inc.，美國保險商試驗所)認(rèn)證[4]。消防服各層常用織物/纖維及特性與應(yīng)用見表1。

表1 消防服各層常用織物/纖維及特性與應(yīng)用

1.2 熱濕傳遞模型研究

熱濕傳遞是一種由溫度差、濕度差引起的熱能和水分傳遞的現(xiàn)象。只要物體內(nèi)部或物體間有溫度差存在，熱能必然以一種或多種方式(如熱輻射、熱傳導(dǎo)、熱對流)從高溫處向低溫處傳遞。

智能消防服可以有效緩解高溫處的熱能傳遞至人體皮膚表面，降低外界強(qiáng)熱流環(huán)境對人體造成的傷害。目前，智能消防服的熱濕傳遞模型研究主要集中在一維熱濕傳遞模型，它可以對單層織物進(jìn)行數(shù)字化模擬，還可以模擬多層織物之間的熱濕傳遞過程。王云儀等[5]總結(jié)了現(xiàn)有的熱濕傳遞模型，并進(jìn)行對比分析，建立了水蒸氣和不可壓縮氣體的傳遞模型，它雖然考慮了多孔介質(zhì)中的兩相傳導(dǎo)因素，但沒有考慮輻射傳熱的影響。由于輻射是熱能傳遞的主要方式，未考慮輻射傳熱會導(dǎo)致較大的試驗誤差。所以，今后要在此模型的基礎(chǔ)上，考慮輻射傳熱，促進(jìn)織物熱濕傳遞機(jī)制的完善和發(fā)展。

2 單層和多層織物熱濕傳遞研究現(xiàn)狀

2.1 單層織物

程浩南[6]的試驗表明，消防服的各層織物中，隔熱層、舒適層對消防服的熱防護(hù)性能、隔熱性能、透水蒸氣性能的影響最大，其次是外層，防水透氣層的影響最小。于淼等[7]的研究表明，多層織物的熱濕傳遞性能與各層織物的厚度和密度的關(guān)系密切，與多層織物間的溫度變化及其分布的關(guān)系也很密切，各層織物的溫度分布符合指數(shù)函數(shù)的變化規(guī)律，并通過試驗證實(shí)了多層織物的各層溫度具有相同的變化趨勢但有差異。但多層織物的熱濕傳遞性能與各層織物的面密度、燃燒后各層織物的質(zhì)量損失率的關(guān)系不是很大。綜合來看，影響多層織物間熱濕傳遞性能的主要因素有織物性能(尤其是透氣吸濕性)、空氣層厚度、空氣流動速度等。

黃冬梅等[8]對火焰環(huán)境下消防服的耦合熱傳遞和水分交換進(jìn)行了水分導(dǎo)出模型的變量研究，并運(yùn)用有限差分法對多層織物間、織物與皮膚間的傳熱過程進(jìn)行模擬。但是，消防服在火焰環(huán)境下受到很多不定性因素的影響，比如織物結(jié)構(gòu)、熱效應(yīng)參數(shù)、暴露時間等，因此需要綜合考慮這些影響因素，對既有模型進(jìn)行驗證、優(yōu)化，進(jìn)一步完善模型的精準(zhǔn)性[9]。

2.2 多層織物

目前，很多研究分析了消防服多層織物中各層織物的熱濕傳遞性能及多層織物系統(tǒng)的隔熱性能，但是只對單層織物的熱濕傳遞進(jìn)行研究，雖然考慮了多層織物之間空氣層的對流傳熱和輻射傳熱(圖2)，但多層織物在傳導(dǎo)吸收過程中會產(chǎn)生能量，其影響因素較多，對此還沒有深入探究。劉國熠等[10]用有限差分法建立了多層服裝傳熱模型用來評價皮膚燒傷。Mell、Spangler等分別建立了輻射熱流條件下多層織物間的傳熱模型和多層織物中層與層的反射模型[11]。他們假設(shè)織物處于干態(tài)，所用參數(shù)基于現(xiàn)有研究，未考慮水分蒸發(fā)和熱分解反應(yīng)的影響。此外，這兩位學(xué)者對長時間處于濕態(tài)的多層織物中各層的熱濕傳遞過程進(jìn)行數(shù)字化模擬，其缺陷在于假設(shè)試驗材料中不存在液態(tài)水[12]。Barker為彌補(bǔ)上述試驗的不足，研究出多層服裝系統(tǒng)的熱濕傳遞模型，用來預(yù)測織物的溫度和回潮率及其分布情況[13]。當(dāng)試驗材料中存在液態(tài)水時，Barker模型可以監(jiān)測加熱、制冷階段的溫度變化，但是沒有改變制冷階段熱傳遞的計算方法和公式，也沒有考慮織物的對流傳熱系數(shù)、熱分解反應(yīng)產(chǎn)生的影響，所以局限性較大[14]。

圖2 多層織物系統(tǒng)輻射傳熱示意

3 研究難點(diǎn)及發(fā)展趨勢

雖然消防服的熱濕傳遞模擬取得了飛速發(fā)展，但是各有側(cè)重點(diǎn)，其傳遞機(jī)制的模擬條件比較理想化，而實(shí)際上消防員面臨的火場環(huán)境既復(fù)雜又多變。綜上，消防服多層織物間熱濕傳遞研究未來的主要方向：

(1) 就織物本身而言，它是一種多孔介質(zhì)，因而在考察多層織物系統(tǒng)的熱濕傳遞過程時，應(yīng)該考慮多相物質(zhì)組成形式[15]?？椢锶菀装l(fā)生熱分解反應(yīng)，同時其所含的水分蒸發(fā)也會導(dǎo)致熱量散失和傳遞，而且火場環(huán)境的熱負(fù)荷和熱應(yīng)力較大，消防員出汗多，易產(chǎn)生水氣空氣層，導(dǎo)致多層織物間的熱傳遞復(fù)雜且不可控。

(2) 研究多層服裝系統(tǒng)的熱濕傳遞機(jī)制。消防服一般為四層結(jié)構(gòu)，目前對多層服裝的整體研究還存在一定的缺陷。多層織物的熱濕傳遞不僅與織物的組成形式、結(jié)構(gòu)和性能有關(guān)，而且與多層織物間熱濕傳遞過程中的水分蒸發(fā)和能量消耗等因素有關(guān)[16]。目前，針對一維熱濕傳遞機(jī)制的研究較多，多維多層織物系統(tǒng)的相關(guān)研究還有很大空間。此外，在不同的人體動作姿勢或不同的干濕環(huán)境條件下，研究消防服的熱濕傳遞也是發(fā)展方向之一。

4 結(jié)語

從單向一維材料的熱濕傳遞到三維服裝系統(tǒng)的熱濕傳遞，從簡化的單層織物到人體皮膚的熱濕傳遞分析，消防服熱濕傳遞模型的研究歷時彌久。本文從智能消防服的研究進(jìn)展入手，總結(jié)了消防服熱濕傳遞研究現(xiàn)狀，概括了單層織物和多層織物的熱濕傳遞研究。

目前對消防服的熱濕傳遞研究主要是單層織物(即外層和隔熱層)在潤濕條件或非穩(wěn)定狀態(tài)下的熱濕傳遞情況，而有關(guān)多層織物整體的熱濕傳遞的研究較少。多層織物的熱濕傳遞受到織物組成、結(jié)構(gòu)、性能(主要是透氣性、回潮率)及熱濕傳遞過程中纖維熱分解等因素的影響，而且與熱濕在各層織物間傳遞時所產(chǎn)生的熱量損耗和水分蒸發(fā)及熱濕到達(dá)人體皮膚時所剩余的熱量有關(guān)，但相關(guān)研究較少。加強(qiáng)消防服多層織物的熱濕傳遞研究，可以為消防服的使用提供更精確的指導(dǎo)，也有利于推動消防服熱濕傳遞性能測試的發(fā)展。