熱防護(hù)服用織物蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的輻射熱性能測評

張泓月， 李小輝,2

(1. 東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院， 上海 200051；2. 東華大學(xué) 現(xiàn)代服裝設(shè)計與技術(shù)教育部重點實驗室， 上海 200051)

火災(zāi)現(xiàn)場的熱效應(yīng)主要是由熱輻射引起的，由熱引起的電磁波輻射統(tǒng)稱為熱輻射[1]。一般火場作業(yè)人員會穿著熱防護(hù)服來抵擋火場環(huán)境中熱輻射等帶來的傷害[2]。為保證其防護(hù)性能，熱防護(hù)服一般由4層面料構(gòu)成，由外向內(nèi)依次是外層、防水透氣層、隔熱層和舒適層。但正是由于熱防護(hù)服的多層結(jié)構(gòu)，在提升其熱防護(hù)性能的同時也會帶來笨重、悶熱等問題。這些問題不僅會降低作業(yè)人員的工作效率，還會對人體造成一定程度的傷害。

針對上述問題，相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者也做了許多研究：有學(xué)者提出改變外層織物來防止明火火焰對織物產(chǎn)生損傷，如使用連續(xù)玄武巖纖維織物和高硅氧玻璃纖維織物，前者具有優(yōu)異的耐熱性能和力學(xué)性能，后者的力學(xué)性能則較前者弱；或者是采用鋁復(fù)合織物或者進(jìn)行表面涂層來反射輻射熱[3]。此外有其他學(xué)者針對隔熱層提出改進(jìn)措施,如采用質(zhì)輕、熱導(dǎo)率低的氣凝膠材料[4-5]或結(jié)合熱濕舒適性好的相變材料[6-7]來抑制熱防護(hù)服內(nèi)溫度突變、減少熱應(yīng)力；以及通過具有特殊記憶功能的形狀記憶材料產(chǎn)生空氣隔熱層來進(jìn)行改善[8]。雖然這些研究在熱防護(hù)性能方面取得了顯著成果，然而在熱防護(hù)服的實際應(yīng)用過程中，如何能在確保輻射熱防護(hù)性能的同時更好地改善其熱濕舒適性能尚需進(jìn)一步探索。

因此，本論文結(jié)合質(zhì)輕、強度高、隔熱性能好的蜂窩結(jié)構(gòu)[9]，針對熱防護(hù)服的隔熱層進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。試驗選取了當(dāng)前典型的熱防護(hù)用面料，采用正交試驗設(shè)計制備蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，并利用熱防護(hù)性能測試儀進(jìn)行測試，明確外層面料、蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的芯厚、壁厚、邊長等因素對輻射熱防護(hù)性能的影響規(guī)律，獲取蜂窩孔型結(jié)構(gòu)的最優(yōu)方案設(shè)計，從而使其應(yīng)用在更多領(lǐng)域的熱防護(hù)服中。

1 試驗部分

1.1 試樣選取

選取當(dāng)前幾種典型的防護(hù)服面料作為實驗材料。外層選用PBI?matrix和Nomex?IIIA 2種面料，防水透氣層選用I-70/PTFE，隔熱層選取4種厚度的 Nomex?氈面料，舒適層采用藍(lán)灰色阻燃粘膠。各層面料參數(shù)如表1所示。

表1 各層面料結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 實驗方案設(shè)計

1.2.1 蜂窩夾芯孔型結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于正六邊形蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的穩(wěn)定性與各向同性[9]，所以本文實驗選取正六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)進(jìn)行實驗。實驗選取4種蜂窩邊長，3種蜂窩壁厚以及4種芯厚，根據(jù)3因素混合水平正交表(如表2所示)設(shè)計出12種不同的蜂窩孔型，得到圖1所示的12種蜂窩孔型方案設(shè)計(蜂窩芯厚h,邊長l，壁厚t)。

表2 三因素混合水平正交表

圖1 蜂窩孔型方案示意圖

熱防護(hù)服用織物的熱防護(hù)性能研究結(jié)果表明，隔熱層越厚，防護(hù)性能越好。同時考慮到服裝的熱防護(hù)性能、舒適性能等，蜂窩芯厚也不能無限增加[10-11]。試驗方案如表3所示，其中設(shè)置4個實心結(jié)構(gòu)的對照組E4、E8、E12、E16進(jìn)行對比試驗。

1.2.2 試驗儀器

本文試驗采用美國Thermetrics公司的輻射熱防護(hù)性能(RPP)測試儀。

表3 試驗方案設(shè)計

根據(jù)美國材料與試驗協(xié)會(ASTM)的ASTM F1939《持續(xù)熱暴露條件下阻燃服裝材料抵抗輻射熱標(biāo)準(zhǔn)測試方法》，設(shè)定輻射熱源的輻射熱流密度為(20.2±2.1)kW/m，將試樣外層朝熱源方向放置在夾持器的中心位置，當(dāng)傳感器溫度從室溫(20±5)℃達(dá)到引起皮膚二度燒傷溫度時，熱源屏蔽裝置會自動放下，同時計算機軟件會記錄下所用的時間。RPP值的計算公式為

QRPP=q×t2

式中：q為試驗設(shè)定的輻射熱流量，kw·s/m2；t2為引起皮膚二度燒傷所需的時間，s。RPP值表示輻射熱防護(hù)性能的好壞，其值越大表示輻射熱防護(hù)性能越好，反之越差。

試驗根據(jù)RPP測試儀的要求，將各層面料裁切成尺寸為10.5 cm×25.0 cm的矩形，并采用激光切割進(jìn)行蜂窩夾芯孔型結(jié)構(gòu)的制備。取2種外層(PBI?matrix 和Nomex?IIIA)、防水透氣層、隔熱層的所有組合，按照上述12個試驗組以及4個對照組，共設(shè)計32種試驗方案。設(shè)置第8、16、24、32組為實心對照組。為提高試驗的準(zhǔn)確性，減小誤差，每種試樣準(zhǔn)備3份，進(jìn)行3次RPP測試，結(jié)果取平均值，共進(jìn)行96次RPP測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 外層對蜂窩結(jié)構(gòu)輻射熱防護(hù)性能影響

由于防護(hù)服的外層直接接觸火場環(huán)境，所以其熱防護(hù)性能就顯得至關(guān)重要[12]。試驗研究了2種外層織物(PBI?matrix 和Nomex?IIIA)條件下試樣E1～E16的RPP值，如圖2所示。結(jié)合其隔熱層的厚度可以看出試樣的RPP值隨著蜂窩芯厚的增大而增加。

圖2 不同外層條件下蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的RPP值

當(dāng)外層織物為A1時，E1的RPP值最小，E13最大，分別為 21.08、34.54 kw·s/m2；當(dāng)外層織物為A2時RPP值最小的是E2，最大的是E13，分別為15.55、26.11 kw·s/m2。

試驗表明，外層織物對蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的輻射熱性能存在影響，且試驗結(jié)果中E13的RPP值最高，表明其輻射熱防護(hù)性能較好；同時試驗也說明 PBI?matrix 作外層織物時輻射熱性能比 Nomex?IIIA作外層織物時要好，從而說明外層會對試樣整體的輻射熱防護(hù)性能產(chǎn)生影響。

2.2 芯厚對蜂窩結(jié)構(gòu)輻射熱防護(hù)性能影響

上一組試驗可以看出，蜂窩芯厚對織物的RPP值存在影響。為研究不同芯厚條件下蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的RPP值，本組試驗在2種外層條件下選取4種芯厚(1.04、1.43、2.04、2.84 mm)對織物組合進(jìn)行RPP值測試。結(jié)果表明，2種外層條件下，具有蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的試樣其RPP值均隨芯厚的增加而增大。當(dāng)外層為A1時，極差R1為7.63 kw·s/m2；外層為A2時，極差R2為7.10 kw·s/m2。

外層織物為A1或A2時，4個水平指標(biāo)中RPP值最大的都是當(dāng)芯厚h為2.84 mm時的情況。結(jié)合表3可以得知，試驗組E13～E15具有較好的輻射熱防護(hù)性能，即芯厚為2.84 mm時的試樣；此外，計算比較2個極差R1與R2的值均大于7，可知芯厚對輻射熱防護(hù)性能的影響較大，且芯厚越大，蜂窩夾芯層的輻射熱防護(hù)性能越好。

2.3 邊長對蜂窩結(jié)構(gòu)輻射熱防護(hù)性能影響

蜂窩的邊長和壁厚是蜂窩孔型的2個設(shè)計變量。本組試驗選取4種邊長(2、4、6、8 mm)進(jìn)行蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的織物組合的RPP儀測試。結(jié)果表明，外層為A1時，極差R3為1.90 kw·s/m2；外層為A2時，極差R4為0.73 kw·s/m2。

當(dāng)外層織物為A1時，邊長l為2 mm的試樣具有最大的RPP值；而外層織物為A2時試樣的RPP值并不具備顯著變化，但此時邊長l為6 mm的試樣具有最大的RPP值。即外層為PBI?matrix時，蜂窩邊長為2 mm的蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)具有較好的輻射熱防護(hù)性能；外層為Nomex?IIIA、蜂窩邊長為6 mm的蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)具有較好的輻射熱防護(hù)性能。

結(jié)合之前的試驗結(jié)果可以得到，外層材料選用PBI?matrix時的織物組合具有更好的輻射熱防護(hù)性能。又有極差R3、R4的值均比R1、R2小得多，可知蜂窩邊長對輻射熱防護(hù)性能的影響小于芯厚的影響；此外邊長越小，蜂窩夾芯層的輻射熱防護(hù)性越好。

2.4 壁厚對蜂窩結(jié)構(gòu)輻射熱防護(hù)性能影響

不同壁厚條件下，相同蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)織物組合的RPP值也會有所不同，本次試驗選取3種蜂窩芯厚水平(2.6、5.2、7.8 mm)對織物組合進(jìn)行RPP儀測試。結(jié)果表明，在2種外層試驗條件下，測得試樣的RPP值隨壁厚的增加而減小。當(dāng)外層為A1時，極差R5為5.03 kw·s/m2；外層為A2時，極差R6為1.99 kw·s/m2。即外層織物為A1或A2時，織物組合試樣的RPP值均隨蜂窩壁厚的增大而增加。其中壁厚為7.8 mm(E3、E7、E9)試樣的RPP值最大?？梢酝茰y是因為隔熱層的蜂窩壁厚越大，面密度越大，輻射熱防護(hù)性能越好。

從上述結(jié)果可以看出，在3種不同蜂窩壁厚的蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)中，蜂窩壁厚為7.8 mm的蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)具有相對好的輻射熱防護(hù)性能；又極差R5、R6的值均大于R3、R4但小于R1、R2，所以蜂窩壁厚對輻射熱防護(hù)性能的影響大于蜂窩邊長的影響，但小于芯厚對輻射熱防護(hù)性能的影響。

3 結(jié) 論

1)蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)可顯著減少多層織物組合的克重，改善防護(hù)服的笨重問題。

2)其他因素不變，外層織物的改變會對蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的輻射熱防護(hù)性能產(chǎn)生影響。

3)芯厚對蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的輻射熱防護(hù)性能影響最大，其次是蜂窩壁厚，最后是蜂窩邊長；且芯厚越大，壁厚越大，邊長越小，蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的輻射熱防護(hù)性能越好。試驗結(jié)果表明：防水透氣層與舒適層面料不變的條件下，外層為PBI?matrix、蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)為芯厚2.84 mm、邊長2 mm、壁厚7.8 mm的織物組合具有較好的輻射熱防護(hù)性能。