消防服用隔熱層孔型結(jié)構(gòu)優(yōu)化與測(cè)評(píng)

胡貝貝， 杜菲菲， 李小輝，2

(1. 東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院， 上海 200051； 2. 東華大學(xué) 現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200051)

多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的消防服系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)其熱防護(hù)性能的同時(shí)，很容易導(dǎo)致笨重、悶熱等。為了平衡消防服的熱防護(hù)性能與舒適性能之間的矛盾，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在新型功能材料、織物配置以及服裝結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了相關(guān)研究。一些研究人員以液體[1]、氣體[2]及相變材料[3-4]為冷卻源制成降溫服，來(lái)緩解消防員著裝工作時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)激。一些學(xué)者將消防服的隔熱層采用氣凝膠等新型材料，利用其隔熱性能良好，密度小等特點(diǎn)，有效地減輕消防服材料的質(zhì)量[5-7]。此外，還有一些研究者提出在消防服特定部位設(shè)置通風(fēng)口，在不同消防環(huán)境下開(kāi)啟或關(guān)閉通風(fēng)口能在一定程度上減少熱蓄積，提高消防服的熱濕舒適性能[8-10]。實(shí)際上，目前消防服的熱防護(hù)本質(zhì)仍是通過(guò)隔絕傳熱的方式，其較好的隔熱性雖然能最大限度地隔絕外界熱量，但同時(shí)也限制了服裝自身的透氣透濕性能，加重了消防服內(nèi)部的熱應(yīng)力以及人體生理負(fù)荷。

正六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)質(zhì)輕、省料，具有優(yōu)良力學(xué)性能、隔熱性能以及熱穩(wěn)定性能[11-13]，本文研究將其應(yīng)用在消防服的隔熱層上，進(jìn)一步對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出蜂窩分層，通過(guò)將消防服用蜂窩直孔改為蜂窩斜孔來(lái)提高織物系統(tǒng)的熱防護(hù)性能，實(shí)現(xiàn)熱防護(hù)性能與舒適性能的綜合提升。并針對(duì)織物系統(tǒng)的熱防護(hù)性能進(jìn)行測(cè)評(píng)，探究直孔、斜孔對(duì)其熱防護(hù)性能的影響，以滿足眾多領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

采用國(guó)內(nèi)外消防服產(chǎn)品中典型的織物材料，外層選取了Nomex?IIIA；防水透氣層采用聚四氟乙烯(PTFE)微孔膜復(fù)合Nomex?氈；隔熱層選取一定面密度的Nomex?氈(I-120氈Nomex?)，并應(yīng)用蜂窩結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；舒適層采用阻燃粘膠，所有實(shí)驗(yàn)材料都選購(gòu)于上海伊貝納紡織品有限公司。實(shí)驗(yàn)所選取各層材料的基本性能如表1所示。其中，隔熱層為實(shí)心織物試樣。

表1 各層試樣及其基本性能Tab.1 Fabric sample of each layer and its fundamental characteristic

1.2 實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

1.2.1 蜂窩尺寸設(shè)計(jì)

正六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)的尺寸設(shè)計(jì)包括邊長(zhǎng)設(shè)計(jì)及壁厚設(shè)計(jì)。相關(guān)研究表明，消防服用蜂窩織物的熱防護(hù)性能與蜂窩邊長(zhǎng)、壁厚的大小有關(guān)[14]。為滿足消防服熱防護(hù)性能的要求，并綜合考慮其舒適性能及服用性能，針對(duì)蜂窩邊長(zhǎng)、壁厚設(shè)計(jì)出6種蜂窩尺寸以及1組實(shí)心對(duì)照組。實(shí)驗(yàn)采用二氧化碳激光切割機(jī)制備隔熱層試樣，其蜂窩結(jié)構(gòu)平面圖如圖1所示，蜂窩尺寸方案如表2所示。表中質(zhì)量減少率表示相同面積內(nèi)，蜂窩隔熱層質(zhì)量減少量與原實(shí)心隔熱層質(zhì)量的比值。

圖1 蜂窩結(jié)構(gòu)平面圖Fig.1 Plan sketch of honeycomb hole structure

孔型尺寸方案編號(hào)邊長(zhǎng)/mm壁厚/mm質(zhì)量減少率/%C1實(shí)心實(shí)心0C215.26.24C317.83.30C425.215.99C527.89.46C635.224.98C737.815.99

1.2.2 蜂窩孔型結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)消防服及蜂窩傳熱機(jī)制的研究發(fā)現(xiàn)，消防服用蜂窩熱傳遞的主要方式是熱輻射。對(duì)消防服用蜂窩織物進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，將單層蜂窩隔熱層變?yōu)?層蜂窩隔熱層，通過(guò)層與層之間蜂窩結(jié)構(gòu)的錯(cuò)位，減小蜂窩上下表面間的輻射角系數(shù)，使得外界熱流不能直接通過(guò)垂直的蜂窩孔洞進(jìn)入服裝內(nèi)部，在質(zhì)量不變的情況下提高其熱防護(hù)性能。

圖2 隔熱層用蜂窩孔型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Diagram of honeycomb hole structure for thermal barrier.(a) E (straight hole); (b) S (oblique hole)

如圖2隔熱層用蜂窩孔型結(jié)構(gòu)示意圖所示，模擬E(直孔)和S(斜孔)2種開(kāi)孔方式。其中S(斜孔)是在E(直孔)的基礎(chǔ)上將每一層的蜂窩都相對(duì)下一層蜂窩沿同一方向平移同一距離(正六邊形對(duì)邊寬的二分之一)，最終實(shí)現(xiàn)最上層六邊形的一條邊與最下層六邊形同一邊的對(duì)邊重合，該孔洞在俯視視角下不通。

1.2.3 實(shí)驗(yàn)方案

選取同一外層、防水透氣層、隔熱層和舒適內(nèi)層面料，其中隔熱層為3層蜂窩試樣疊加組合而成的復(fù)合材料。蜂窩孔型尺寸有6種(C2～C7)，開(kāi)孔方式有2種(E、S)，加上1種實(shí)心對(duì)照組，共13種實(shí)驗(yàn)方案，見(jiàn)表3。對(duì)13種試樣各做3次實(shí)驗(yàn)，取其平均值，即共計(jì)39次實(shí)驗(yàn)。

表3 實(shí)驗(yàn)方案Tab.3 Experimental scheme

1.3 織物熱防護(hù)性能測(cè)試

采用熱防護(hù)性能(TPP)測(cè)試裝置來(lái)測(cè)定復(fù)合織物的熱防護(hù)能力。實(shí)驗(yàn)具體使用CSI-206型熱防護(hù)性能測(cè)試儀(美國(guó)Custom Scientific Instrument公司)測(cè)試織物組合的熱防護(hù)性能。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，將試樣水平放置在熱源上，在規(guī)定的距離內(nèi)，接受輻射熱和對(duì)流熱為1∶1比例的2種不同形式的傳熱。燃燒實(shí)驗(yàn)試樣尺寸為150 mm×150 mm，測(cè)試時(shí)要求試樣與火焰直接接觸，當(dāng)織物表面熱流量達(dá)到規(guī)定值(84±4)kW/m2時(shí)開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，置于試樣背面的銅片熱流計(jì)測(cè)量其溫度并得到升溫曲線，與Stoll標(biāo)準(zhǔn)曲線比較，從而得到二級(jí)燒傷所需要的時(shí)間，再乘以此條件下暴露的總熱流量得到TPP值，計(jì)算公式為

TPP=qt

式中：TPP為試樣整體的熱防護(hù)性能值，kW·s/m2；q為暴露的輻射和對(duì)流總熱流量，kW/m2；t為導(dǎo)致二度燒傷所需要的時(shí)間，s。織物系統(tǒng)的TPP值越大，表明其熱防護(hù)性越好，反之則越差。

此外，為了檢測(cè)開(kāi)孔織物熱流密度的均勻度問(wèn)題，本文采用Optris-PI400型紅外熱像儀對(duì)各實(shí)驗(yàn)試樣燃燒時(shí)的溫度分布進(jìn)行檢測(cè)，熱暴露時(shí)間設(shè)置為30 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 蜂窩開(kāi)孔對(duì)熱流密度的影響

圖3為實(shí)心織物系統(tǒng)和蜂窩斜孔織物系統(tǒng)在熱暴露時(shí)間為0、10、20、30 s時(shí)的紅外熱像儀檢測(cè)圖。以實(shí)心對(duì)照組(1#)和蜂窩斜孔織物系統(tǒng)(9#)為例?？梢钥闯觯悍涓C斜孔織物系統(tǒng)在整個(gè)熱暴露過(guò)程熱流密度均勻，孔洞部分和織物部分無(wú)明顯溫差；且在20 s時(shí)，蜂窩斜孔織物系統(tǒng)的溫度明顯小于傳統(tǒng)實(shí)心結(jié)構(gòu)。

圖3 紅外熱像檢測(cè)示意圖Fig.3 Diagram of infrared thermal imager inspection.(a) Solid fabric system; (b) Honeycomb oblique hole fabric system

2.2 開(kāi)孔方式對(duì)熱防護(hù)性能的影響

圖4示出了13組實(shí)驗(yàn)方案的TPP值。可以看出：開(kāi)孔方式為E(直孔)的織物系統(tǒng)TPP值變化范圍是45～52.2 kW·s/m2；開(kāi)孔方式為S(斜孔)的織物系統(tǒng)TPP值范圍為47.4～54.9 kW·s/m2。對(duì)于蜂窩C3(邊長(zhǎng)1 mm，壁厚7.8 mm)，開(kāi)孔方式對(duì)TPP值影響最大，當(dāng)開(kāi)孔方式由E變?yōu)镾時(shí)，TPP值提高2.7 kW·s/w2；對(duì)于蜂窩C4(邊長(zhǎng)2 mm，壁厚5.2 mm)，開(kāi)孔變化對(duì)TPP值影響最小，當(dāng)孔洞斜度由E變化為S時(shí)，TPP值增加0.3 kW·s/m2。

圖4 織物系統(tǒng)的TPP值Fig.4 TPP value of fabric system

此外，由圖4還可觀察到，對(duì)于C2、C3、C4、C5、C6、C7這6種蜂窩尺寸，斜孔織物組合的TPP值均大于直孔織物組合的TPP值。但相比于實(shí)心結(jié)構(gòu)而言，只有蜂窩C3(邊長(zhǎng)1 mm，壁厚7.8 mm)的TPP值有提高，這是因?yàn)镃3的面密度減小得最少，其余空心結(jié)構(gòu)相比實(shí)心結(jié)構(gòu)而言面密度明顯下降，而面密度又是影響熱防護(hù)性能的主要因素。

為進(jìn)一步研究開(kāi)孔方式對(duì)織物系統(tǒng)熱防護(hù)性能的影響，運(yùn)用SPSS對(duì)TPP值進(jìn)行兩配對(duì)樣本的非參數(shù)檢驗(yàn)(秩和檢驗(yàn))，檢驗(yàn)P值為0.028，小于顯著性水平0.05，即直孔和斜孔存在顯著性差異。進(jìn)一步比較直孔織物系統(tǒng)和斜孔織物系統(tǒng)的中位數(shù)：48.95(直孔)<50.40(斜孔)，這說(shuō)明斜孔織物系統(tǒng)的熱防護(hù)性能得到了顯著增強(qiáng)。

消防服用蜂窩織物的傳熱方式包括織物部分的熱傳遞(傳導(dǎo)及輻射)、蜂窩孔洞空氣的傳導(dǎo)熱以及蜂窩空腔上下兩面間的輻射換熱。而斜向的蜂窩孔洞主要是通過(guò)改變蜂窩孔洞的傾斜角度來(lái)降低輻射傳熱的實(shí)際有效面積，使得蜂窩孔洞部分的輻射強(qiáng)度下降，織物的熱防護(hù)性能提高。

3 結(jié) 論

1)傳統(tǒng)消防服增加熱防護(hù)性的同時(shí)，會(huì)增加織物系統(tǒng)的面密度；而將蜂窩孔洞引入消防服中，可以在減小面密度的同時(shí)盡量減少熱防護(hù)性的損失。開(kāi)孔方式的引入是在隔熱層蜂窩結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上的進(jìn)一步優(yōu)化，斜孔S相對(duì)于直孔E可以在織物系統(tǒng)面密度相同的情況下增加其熱防護(hù)性。

2)開(kāi)孔方式對(duì)消防服用蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)織物系統(tǒng)的熱防護(hù)性能有顯著影響(P值為0.028<0.05)，同一邊長(zhǎng)、壁厚情況下，斜孔S比直孔E具有更好的熱防護(hù)性能。

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