空氣層厚度對熱防護面料蒸汽防護性能的影響

陳 思， 盧業(yè)虎,2

(1. 蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院， 江蘇 蘇州 215006；2. 現(xiàn)代絲綢國家工程實驗室(蘇州)， 江蘇 蘇州 215123)

高壓蒸汽被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、消防、餐飲等領(lǐng)域，通常壓力高達100～4 000 kPa，對工作人員造成了巨大的安全隱患，統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，美國自2004—2013年間約34%的受傷人群是由燙傷引起的，其比例接近由火焰和熱輻射引起的燒傷[1-3]。高壓蒸汽不同于火焰和輻射等熱源災(zāi)害，它可以快速滲透進防護服裝并釋放熱量，造成皮膚燙傷。針對火焰和輻射防護的機制研究已經(jīng)相對明晰，而對蒸汽災(zāi)害防護的研究非常少[4]，因此，開展防護服蒸汽防護性能的研究具有重要的應(yīng)用價值。

現(xiàn)階段，國內(nèi)外對蒸汽防護性能的研究還處于初級階段，主要關(guān)注點在于織物本身性能對蒸汽防護性能的具體影響[4]。研究結(jié)果表明：面料的種類、厚度、透氣性等都會影響其蒸汽防護性能[5-7]。Mandal等[8]測量了面料系統(tǒng)暴露在蒸汽流下的防護性能。結(jié)果表明蒸汽防護性能與面料的厚度和透氣有關(guān)，防水透氣膜的位置影響其防護性能。Rossi等[9]提出圓筒模型來模擬人體出汗，發(fā)現(xiàn)織物在濕潤狀態(tài)下蒸汽防護性能會降低；不透性面料比半透性面料的蒸汽防護性能好。Sati等[10]發(fā)現(xiàn)蒸汽噴射距離和壓力均影響織物的蒸汽防護性能，蒸汽噴射距離最近且壓力最大的條件下，織物的防護性能最差。Desruelle等[11]在80 ℃飽和蒸汽環(huán)境艙內(nèi)測試防護服裝的防護性能發(fā)現(xiàn)，假人測試結(jié)果與面料測試結(jié)果具有很好的一致性。不透氣服裝具有優(yōu)異的蒸汽防護性能，服裝面料的厚度越大，其防護性能也越高，透氣服裝各部位的防護性能不同。

我國學(xué)者對蒸汽防護性能的研究相對較少，且起步較晚，張洪鳳等[12]對多種不透氣芳砜綸復(fù)合材料的蒸汽防護性能進行初步探索(暴露時間為 30 s)，發(fā)現(xiàn)蒸汽噴射條件、不透氣處理方式以及材料的隔熱性能等因素均影響芳砜綸復(fù)合材料的蒸汽防護性能。由于實驗條件有限，該研究僅對芳砜綸復(fù)合材料的蒸汽防護性能進行了初步定性探索，各種因素的影響程度還需要進一步研究。

真實著裝情形下，防護服裝與人體皮膚之間形成的不規(guī)律空氣層分布改變了防護服裝內(nèi)的熱濕傳遞，嚴(yán)重影響了防護服裝對蒸汽的防護性能[4]。雖有學(xué)者研究了熱蒸汽和輻射環(huán)境下空氣層厚度對防護性能的影響[13-14]，但在面對蒸汽管道破裂、爆炸等情況下，著裝者直接面對的是蒸汽噴射條件，蒸汽的壓力較大會對面料的性能以及空氣層的尺寸和分布產(chǎn)生影響。因此，本文旨在采用新研發(fā)的防護性能測評裝置，分析蒸汽噴射環(huán)境下服裝與人體間空氣層厚度對蒸汽防護面料性能的具體影響，為進一步提升服裝蒸汽防護性能提供思路。

1 實驗設(shè)計

1.1 實驗樣本

本文實驗選取常用于制作消防服的面料，包括外層、防水透氣層、舒適層，同時選取由PTFE覆膜的外層面料。所選用的各層面料基本結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。面料的厚度和透氣性分別根據(jù) ASTM D1777—2015《紡織材料厚度測量方法》和 ASTM D 737—2004 《紡織面料透氣性測量方法》進行測量。由不同的面料組成織物系統(tǒng)，其基本性能如表2所示。

表1 單層面料的基本性能

表2 面料系統(tǒng)的基本性能

1.2 實驗設(shè)備

為測量蒸汽防護性能，本研究使用了與加拿大MAYC公司聯(lián)合研制的型號MYAC0001型蒸汽防護性能測試，如圖1所示。該設(shè)備主要包括蒸汽發(fā)生器、蒸汽傳輸和控制裝置、測試單元、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。該設(shè)備可設(shè)置壓力為70～700 kPa，溫度為95～250 ℃的蒸汽，蒸汽暴露時間可以自行設(shè)定，采樣頻率為10 Hz。待測試樣水平放置在直徑為150 mm的圓形面料板上。面料板中間為皮膚熱流傳感器，固定在穿有細(xì)小孔隙的支架上。皮膚熱流傳感器熱慣性與皮膚接近，可測量熱流量隨時間的變化，精度在±3%以內(nèi)。皮膚熱流傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連，并用電腦控制記錄溫度變化曲線。蒸汽噴射和數(shù)據(jù)采集時間可以根據(jù)測試要求設(shè)定。采用Pennes皮膚傳熱模型和Henriques模型預(yù)測皮膚達到二級或三級燒傷的時間，同時計算皮膚總吸收能量。

圖1 蒸汽防護測試儀

皮膚組織內(nèi)的熱傳遞預(yù)測采用3層皮膚傳熱模型，主要包括表皮層、真皮層和皮下組織內(nèi)的皮膚傳熱，同時考慮了皮膚血流對傳熱的影響。皮膚內(nèi)的熱量傳遞Pennes方程如下所示：

(1)

式中：ρs為皮膚組織的密度，g/cm3；Cs為皮膚組織的比熱容，J/(kg·K)；ks為皮膚的熱傳導(dǎo)率，W/(m·K)；ρb為血液的密度，g/m；Cb為血液的比熱容，J/(kg·K)；ωb為皮膚血流灌注率，認(rèn)為是恒定的參數(shù)，即表皮內(nèi)的血流量為0，真皮層和皮下組織內(nèi)的血流量為0.001 25 kg/(m3·s)；T為皮膚組織溫度，℃；x為皮膚組織的厚度，m。Ta為血管動脈溫度即37 ℃。皮膚邊界條件如式 (2) 和 (3) 所示，外邊界條件為隨時間變化的熱流量，內(nèi)邊界條件為血管的溫度即恒溫37 ℃。皮膚組織的初始溫度假定為線性函數(shù)，即從皮膚表面32.5 ℃逐漸增加到37 ℃。

(2)

T|x=Le+Ld+Ls=Ta

(3)

式中:kt為皮膚組織的熱傳導(dǎo)率，W/(m·K)；qn(t)為t時刻傳遞至皮膚的熱流量，W/m2；Le、Ld、Ls分別是表皮層、真皮層和皮下組織的厚度，m；T是皮膚組織溫度，℃；x是皮膚組織的厚度，m。

1.3 實驗方案

織物試樣的尺寸為190 mm×190 mm，放置于溫度為(20±2)℃、濕度為65%±10%的恒溫恒濕室靜置24 h以上。為表征衣下空氣層對防護性能的影響，制作了厚度為6和12 mm的墊片，用于模擬不同的空氣層厚度，分別為6、12、18 mm。測試的蒸汽溫度為(134±1)℃(壓力值為(207±10)kPa)，蒸汽暴露時間為20 s，數(shù)據(jù)采集時間為60 s。測試時將面料放置在面料板上并壓緊固定，待傳感器的初始溫度為(30±1)℃，打開蒸汽并采集數(shù)據(jù)。為減少實驗誤差，每種面料系統(tǒng)進行3次重復(fù)實驗。基于SPSS 22.0軟件采用One-way ANOVA方法分析不同測試條件下熱流量、二級燒傷時間、三級燒傷時間和總吸收能量的顯著性差異，顯著性水平設(shè)定為P<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 空氣層厚度對蒸汽熱防護性能的影響

表3示出了不同面料系統(tǒng)設(shè)置不同空氣層厚度時的二級燒傷時間、三級燒傷時間、總吸收能量?？芍?，面料S和D1在增加18 mm空氣層時沒有產(chǎn)生二級和三級燒傷，且面料D1在4種情況下均沒有產(chǎn)生3級燒傷。整體上看，3種面料的二級燒傷和三級燒傷時間都隨空氣層厚度增加顯著增加，而吸收的熱量呈現(xiàn)下降趨勢，面料系統(tǒng)的蒸汽防護性能有顯著提升。統(tǒng)計分析表明：3種面料系統(tǒng)的二級燒傷時間和總吸收能量均有顯著性差異(P<0.05)，所以空氣層厚度對織物的蒸汽熱防護性能有顯著影響。

表3 各面料系統(tǒng)不同空氣層下的防護性能

注：**表示極其顯著(P<0.01)，NS表示無顯著性，NB表示無燒傷，SD表示誤差。S+6/12/18 mm表示在面料系統(tǒng)S下方加入厚度為6/12/18 mm的空氣層，D1+6/12/18 mm和D2+6/12/18 mm同理。

比較不同面料系統(tǒng)防護性能的差異發(fā)現(xiàn)，面料S的蒸汽防護性能明顯比面料D1差，這是因為D1組合比面料S多加了一層3-D間隔織物，增加了防護面料系統(tǒng)的厚度，降低了熱量傳遞的速度。由此可見，對于不透氣織物，厚度越大其防護性能越強。進一步比較S與D2的防護性能發(fā)現(xiàn)，在沒有空氣層的情況下，S與D2的二級燒傷和三級燒傷時間沒有差異，而S吸收的總能量較低。這與2種織物的構(gòu)造方式有關(guān)，即S為覆膜的外層面料OS，而D2為OS+MB的面料組合。S的透氣性為0，蒸汽無法穿透面料，在不吸濕的情況下，噴射的蒸汽在對面料造成沖擊后，通過四周預(yù)留的孔隙之間散逸到空氣中。而D2中的外層OS會吸收大量水分，MB為防水透氣層，導(dǎo)致在MB面料表面易形成積水，增大了面料系統(tǒng)的熱傳導(dǎo)率。盡管D2的厚度大于S，但在沒有空氣層的情況下，S的防護性能略優(yōu)于D2。當(dāng)增加6和12 mm空氣層時，D2的二級、三級燒傷時間和總吸收能量均略大于S。由于2種面料系統(tǒng)均為不透氣結(jié)構(gòu)，盡管OS吸收了大量的水分，但降低了蒸汽的溫度，此時空氣層的存在使得較厚的面料仍然可以延緩熱量傳遞速度，面料系統(tǒng)儲存的熱量較多，系統(tǒng)具有較好的防護性能，吸收的總熱量也較多。當(dāng)空氣層尺寸進一步增加到18 mm時，S的防護性能優(yōu)于D2。進一步證明了空氣層對蒸汽防護性能的影響非常復(fù)雜，與面料的組合關(guān)系很大。

圖2示出了空氣層厚度對二級燒傷時間的影響。圖3示出了空氣層厚度與傳感器的總吸收能量之間的關(guān)系。結(jié)合表3可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)空氣層厚度增加時，二級燒傷時間和三級燒傷時間都顯著增加，總吸收熱量呈現(xiàn)下降趨勢，面料系統(tǒng)的蒸汽防護性能有顯著提升。分別對3組面料系統(tǒng)的空氣層厚度和二級燒傷時間、三級燒傷時間和總吸收能量進行配對T檢驗。結(jié)果顯示：3種面料系統(tǒng)的二級燒傷時間和總吸收能量的P值均小于0.05，S和D2的三級燒傷時間的P值也小于0.05，所以空氣層厚度對織物的蒸汽熱防護性能有顯著影響。進一步分析發(fā)現(xiàn)，對于面料D2，空氣層厚度與二級燒傷時間存在顯著相關(guān)性，在面料S與面料D1中，除無空氣層與6 mm空氣層之間無顯著相關(guān)(Ps=0.089>0.05，PD1=0.446>0.05)，其他空氣層厚度與二級燒傷時間存在顯著差異。上述結(jié)果表明，空氣層厚度的增加能顯著增強面料的蒸汽熱防護性能，當(dāng)空氣層厚度足夠大時，有些面料甚至能夠?qū)ζつw提供足夠的保護，不會產(chǎn)生皮膚燒傷。由于本實驗?zāi)M的蒸汽噴射壓力較大，在蒸汽暴露階段，面料會被蒸汽壓迫，面料與皮膚之間存在的6 mm空氣層會被壓縮，因而較之沒有空氣層的情況，6 mm空氣層不一定能提供更好的防護性能。圖3表明加入空氣層時，皮膚吸收的熱量要小于無空氣層時，并且空氣層厚度越大，皮膚吸收的熱量越少。比較面料S與面料D1可以發(fā)現(xiàn)：在空氣層厚度為0、6、12 mm時，織物D1總吸收能量較低；但當(dāng)空氣層厚度增加到 18 mm時，織物S總吸收能量更少，這可能與D1在蒸汽暴露過程中吸收的能量在冷卻階段釋放有關(guān)，可結(jié)合熱流量曲線(2.2節(jié))進一步分析。

圖2 空氣層厚度對面料二級燒傷時間的影響

圖3 空氣層厚度對總吸收熱量的影響

2.2 空氣層厚度對熱流量的影響

皮膚吸收的熱流量變化可以用來評價空氣層厚度對織物系統(tǒng)傳熱的影響。面料S、D1、D2在不同空氣層厚度下傳感器吸收的熱流量隨時間變化的曲線如圖4～6所示。20 s之前為蒸汽暴露階段，20～60 s 為冷卻階段。研究發(fā)現(xiàn)，無空氣層時的熱流量值均最大，加入18 mm空氣層的熱流量值都最小，因此面料與傳感器直接接觸時，其吸收的總能量更多，二級燒傷時間最短(見表3)。在暴露階段，無空氣層和6、12 mm空氣層的熱流量曲線中會出現(xiàn)1～2個峰值，即在蒸汽暴露數(shù)秒內(nèi)，熱流量迅速增加然后逐漸回落；而空氣層為18 mm時在暴露階段熱流量逐漸增加到一定值后基本保持平穩(wěn)。

圖4 不同空氣層厚度時面料系統(tǒng)S的熱流量曲線

圖5 不同空氣層厚度時面料系統(tǒng)D1的熱流量曲線

圖6 不同空氣層厚度時面料系統(tǒng)D2的熱流量曲線

從圖4可以發(fā)現(xiàn)，面料S在空氣層厚度越大時皮膚吸收的熱流量越小，在空氣層厚度為0、6、12 mm 時，暴露階段的熱流曲線呈現(xiàn)相似趨勢，都是先急劇上升到1個峰值后開始平緩下降，該峰值與蒸汽穿透織物接觸皮膚釋放大量的能量有關(guān)；而在空氣層厚度為18 mm時，熱流量緩慢上升，并在某一時刻后保持穩(wěn)定，平均熱流量值也很小。進一步分析可以看到，當(dāng)空氣層厚度增加到12 mm時，皮膚吸收的熱流量值明顯低于0和6mm。這表明在這4種空氣層厚度中，18 mm的空氣層厚度下面料S的蒸汽防護性能最佳，且對于面料S來說，在空氣層厚度增加到12 mm后，其防護性能得到明顯增強。當(dāng)空氣層厚度為6 mm時，高壓蒸汽壓迫面料導(dǎo)致空氣層厚度降低，熱流量傳遞仍然較快，防護效果不明顯(見表3)。

從圖5可以發(fā)現(xiàn)，面料D1的熱流量低于面料S。這是因為對比其他2種面料系統(tǒng)而言，D1面料系統(tǒng)厚度更大。以往的研究表明，面料的厚度越大，其蒸汽防護性能越好[5]，所以D1面料的熱流量普遍低于其他2類，性能優(yōu)于其他2類。在空氣層厚度為0和6 mm時，蒸汽暴露和冷卻階段傳感器的熱流量曲線幾乎相同，當(dāng)空氣層厚度增加到 12 mm 時，熱流量略低于0和6 mm的情形，而當(dāng)厚度達到18 mm時，熱流量明顯降低，表明面料D1在空氣層厚度達到18 mm時性能最佳。

從圖6可以發(fā)現(xiàn)，面料D2在空氣層厚度為0時，熱流曲線出現(xiàn)了2個峰值，這是因為在10 s左右的時候，外層面料吸濕后導(dǎo)致熱傳導(dǎo)率顯著增加，且冷凝的蒸汽釋放大量的熱量，同時部分蒸汽穿透進去接觸皮膚，使得熱流量上升。在空氣層厚度為6和12 mm時，熱流量曲線的趨勢一致，先急劇上升到達某一峰值后開始下降，后有一段時間達到平穩(wěn)。在空氣層厚度為18 mm時，熱流量曲線沒有出現(xiàn)明顯峰值，數(shù)值較其他3個厚度小。與面料S的結(jié)論相似，18 mm的空氣層厚度時蒸汽防護性能最佳，在空氣層厚度增加到12 mm后，其防護性能得到明顯增強。與面料S相比，D2的熱流量普遍高于S，這是因為D2的外層吸收大量水分，不僅增大了面料整體的熱傳導(dǎo)率，同時吸收的水分儲存熱更多，在暴露和冷卻階段不斷地向皮膚釋放，因此熱流量較S大。而S在暴露過程中，蒸汽接觸面料后變成熱水從面料表面流失，儲存熱較少。由此可見，面料的構(gòu)造方式對蒸汽暴露過程中的熱濕傳遞具有重要的影響。

3 結(jié) 論

通過探討空氣層厚度對熱防護面料蒸汽防護性能的影響發(fā)現(xiàn)，熱防護面料的蒸汽防護性能與空氣層厚度有著顯著相關(guān)性。面料與人體間的空氣層可顯著降低皮膚吸收的總能量，延長二級燒傷時間和三級燒傷時間，提高面料的蒸汽防護性能。其次，在空氣層厚度增加到12 mm及以上時，防護服的蒸汽防護性能會得到顯著提升。此外，不同面料系統(tǒng)的蒸汽防護性能不同，增加面料系統(tǒng)的厚度有利于提升其防護性能，但與面料組合方式有關(guān)，即防水透氣膜越靠近蒸汽熱源，系統(tǒng)的防護性能越好。分析熱流量曲線有助于進一步理解面料系統(tǒng)的蒸汽防護機制。本文的研究結(jié)論可用于蒸汽防護面料的開發(fā)和防護服裝的設(shè)計，提升防護系統(tǒng)的防護性能。