滅火消防服熱防護性能的研究進展

孫振云 錢曉明 劉永勝 錢 幺 朵永超

（天津工業(yè)大學(xué)，天津，300387）

消防員是一項危險的職業(yè)，肩負著保護財產(chǎn)和營救被困人員的職責，因此常常與火場保持密切的距離或進入火場［1］。在消防救援過程中，皮膚燒傷和熱應(yīng)激反應(yīng)比較常見。2016年，在美國因熱應(yīng)力或燒傷就造成2 500名消防員受傷。皮膚燒傷最常發(fā)生在頭部、手臂、肩部和腿部［2］。因此，滅火消防服的熱防護性能對消防員有著重要作用，研究滅火消防服熱防護性能對有效保護消防員的人身安全具有重要意義。

1 滅火消防服結(jié)構(gòu)及防護原理

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前滅火消防服的結(jié)構(gòu)大致分為上下一體式和上下分體式。由于上下一體式滅火消防服散熱性差、質(zhì)量重、行動不方便等原因，國內(nèi)外市場上主要使用的是上下分體式滅火消防服。

為了提高滅火消防服的熱防護性能與舒適性，目前滅火消防服主要采用四層結(jié)構(gòu)，即外層、防水透氣層、隔熱層和舒適層。

滅火消防服的外層直面火場，需要具有優(yōu)異的耐熱、阻燃及熱穩(wěn)定性，對滅火消防服的熱防護性能起著重要作用。目前采用對織物進行阻燃改性或者直接采用阻燃纖維織造的方法，以達到該性能要求。國外滅火消防服最外層采用高性能纖維制成，主要有PBI纖維、芳綸1414、芳綸1313等，其中又以美國杜邦公司采用芳綸1313制成的商品名為 Nomex的纖維使用最為廣泛［3］。國內(nèi)開發(fā)出的芳砜綸纖維，能夠承受250℃高溫，經(jīng)研究其熱防護性能優(yōu)于Nomex纖維［4］。

防水透濕層需要有防水透濕的功能，它不僅要防止液態(tài)水滲入衣服內(nèi)部，還要允許穿著者產(chǎn)生的氣態(tài)水通過，其防水透濕的效果是影響消防服內(nèi)水分蓄熱量的主要因素，通常是非織造材料和防水透氣膜的復(fù)合材料［5］。防水透氣膜通常采用多微孔膜如聚四氟乙烯PTFE、PU或者聚偏氟乙烯PVDF等，其中Gore?Tex的PTFE性能穩(wěn)定，應(yīng)用最為廣泛。我國對于PTFE的大力開發(fā)始于“非典”期間，目前國產(chǎn)的PTFE膜的穩(wěn)定性與國外相比仍有一定的差距。

隔熱層常采用針刺或者三維網(wǎng)眼針織物，通過添加空氣層以減少熱量進入來提供更好的保護，對消防服的熱防護性能起著主要作用［6］。目前常用的材料有阻燃棉纖維、芳綸1313、芳綸1414以及聚酰胺纖維等。

舒適層［7］，也稱為內(nèi)襯，由阻燃材料和高彈性舒適阻燃纖維材料制成，綜合了阻燃性能與舒適性能。

2 滅火消防服熱防護性能影響因素

滅火消防服熱防護性能受諸多參數(shù)的影響。這些參數(shù)可以根據(jù)使用的織物、服裝中水分以及織物與皮膚之間存在的氣隙進行分類。這些參數(shù)中有許多是相互關(guān)聯(lián)的，并且這些參數(shù)對于熱防護性能的影響是復(fù)雜的。例如，織物的熱和光學(xué)性能取決于熱源溫度、織物的熱解和織物中存在的水分等。

2.1 織物的影響

織物的傳熱是一個多模態(tài)的傳熱問題。它包括紗線與紗線間空隙的傳導(dǎo)傳熱、紗線間空隙的對流傳熱、紗線間空隙的輻射和紗線間空隙的傳導(dǎo)傳熱，直接影響著織物的機械性能及熱物理性能。

2.1.1 織物的物理性質(zhì)

織物的厚度、結(jié)構(gòu)及織造方法等物理性質(zhì)都是影響熱防護性能的重要因素。一般情況下織物厚度越大，織物的熱防護性能越好，隨著織物厚度的增加，熱阻增大，二級燒傷的時間增加，在低輻射下織物厚度是影響織物熱防護性能的主要因素。MAJUMDAR等比較了三種織物結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)平紋針織物的熱阻最小，透氣性最高，其次是羅紋針織物和棉毛針織物［8］。即使對于相同紗線線密度或捻系數(shù)的織物結(jié)構(gòu)，熱阻隨著折皺增加也會變大，而水蒸氣滲透性則會增加。機織物一般用作滅火消防服的外層，斜紋組織織物的耐熱性和透氣性均高于平紋織物。

為預(yù)測二級燒傷時間和服裝內(nèi)溫度變化，TORVI在只考慮織物物理性能影響的情況下，利用比爾定律建立了一種一維數(shù)學(xué)模型［9］，在忽略水分的情況下，該模型能準確地計算出傳感器所在位置的表面溫度。

2.1.2 織物收縮和熱解的影響

在高溫下，紗線的變化會導(dǎo)致織物出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，收縮程度與溫度和時間呈正相關(guān)。橫向收縮會導(dǎo)致織物厚度的變化。起初，由于織物的橫向收縮，織物的厚度增加；后來，由于熱解導(dǎo)致材料的損失，織物的厚度減少。收縮不僅減小了服裝與皮膚之間的氣隙，而且影響了織物的熱物理性能［10］。LI等對火焰人體模型進行研究時，發(fā)現(xiàn)暴露時間、人體姿態(tài)、織物性能和服裝尺寸對熱收縮都有顯著的影響［11?12］。

此外，在熱解溫度下，織物發(fā)生不可逆的化學(xué)變化，導(dǎo)致炭質(zhì)物質(zhì)與可燃/不可燃氣體共存［13］。從文獻中可以明顯看出，很少有人通過織物的熱收縮、熱裂解和熱降解過程進行研究，以考察這些因素如何影響防護服裝的熱濕傳遞，因此在這一領(lǐng)域的研究有很大的前景。

2.2 水分的影響

當纖維與水分接觸時，織物中纖維吸收的水分，通常稱為結(jié)合水。如果越來越多的水分與織物接觸，當達到飽和回潮率時，水分會在固體纖維周圍形成一層水膜，固體纖維不能吸收更多的水分，因此，剩余的水分占據(jù)了纖維之間的空隙，稱為自由水。同樣，在存在水分的情況下，織物的傳熱包括固體纖維和水的傳熱［14］。水比空氣具有更優(yōu)秀的導(dǎo)熱能力。因此，隨著回潮率的增加，織物的有效導(dǎo)熱系數(shù)增加［15］。這意味著隨著織物回潮率的增加，織物的傳熱增加，織物的熱防護性能降低。然而，一些研究表明，對于火焰暴露和亞閃絡(luò)輻射暴露［16］，情況正好相反。實際上，水分對防護性能的影響是非常復(fù)雜的，濕織物與干織物相比，通過濕織物進行的傳熱可能增加或減少，這取決于使用的織物、暴露的性質(zhì)和強度［17］以及織物與皮膚之間的氣隙［18］。

2019年JIA等人提出一種三維服裝熱濕傳遞模型［19］，將熱輻射集中到模型中，基于質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律，考慮氣體中的對流換熱、液體和氣體中的導(dǎo)濕換熱、相變引起的換熱以及熱輻射，而后采用有限體積法求解耦合傳熱傳濕方程，可準確理解傳熱傳濕過程，提高服裝的熱防護性能。

熱防護服內(nèi)水分的傳熱非常復(fù)雜，影響著從周圍環(huán)境到人體皮膚的溫度和熱流密度。也是國內(nèi)外學(xué)者在該領(lǐng)域研究的重點和難點。

2.3 空氣層的影響

空氣層是熱防護服分析中最為關(guān)鍵的部分之一，因為熱防護服的性能在很大程度上取決于空氣層的寬度。很明顯，織物與皮膚之間的空氣層寬度取決于人體的位置、衣服的合身程度以及穿著者的動作/姿勢［20］。在賴軍的綜述中可以了解到，空氣層的厚度直接影響著熱量在服裝內(nèi)的傳遞方式是熱傳導(dǎo)還是熱對流，不同的測試環(huán)境發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生熱對流的空氣層厚度不同［21］。在充分模擬火場情況下，滅火消防服中空氣層厚度在7 mm以內(nèi)不會產(chǎn)生熱對流。

近年來，TALUKDAR在充分考慮了垂直與水平兩個氣隙方向?qū)醾鲗?dǎo)的影響，計算了不同方向的傳熱情況［22］。結(jié)果表明，垂直氣隙方向比水平氣隙方向具有更高的燃燒時間和熱防護性能?？椢锱c人體皮膚之間存在的空氣層對保暖服裝的防護起著重要作用。不同傳熱方式的氣隙傳熱取決于氣隙的大?。庀秾挾龋?、氣隙的結(jié)構(gòu)或方向以及機體運動引起的氣隙的動態(tài)變化。

3 新材料的開發(fā)

近年來國內(nèi)外對于滅火消防服熱防護性能的研究主要集中在新材料的開發(fā)（如相變材料、形狀記憶材料、氣凝膠）以及加入人體自冷裝置來展開，以減輕滅火消防服的質(zhì)量、提高熱防護性能和控制二級燒傷的時間。

3.1 相變材料

大量研究表明，在滅火消防服結(jié)構(gòu)中添加相變材料（以下簡稱PCM）能有效減輕出現(xiàn)燒傷的情況［23］。PCM是一種潛在的蓄熱材料，在相變過程中能夠儲存或釋放熱量。在滅火消防服中，PCM最初是固態(tài)的，當暴露在加熱條件下后，開始發(fā)生融化，這一過程需要PCM吸收能量［24］。由于它吸收熱量，減緩熱量通過滅火消防服傳遞到皮膚外部的速率，延長了二級燒傷的時間。PCM應(yīng)用到外層與防水透濕層之間能夠發(fā)揮最好的防護性能［25］。在滅火消防服中使用PCM時，在不考慮皮膚傳熱的條件下有研究發(fā)現(xiàn)，在有PCM層的滅火消防服中，當暴露在低輻射（2.5 k W）下時，其最內(nèi)層的溫度比沒有PCM層的滅火消防服低7℃。試驗表明，添加PCM材料的樣品達到44℃的時間較不添加PCM樣品增加32%［26］。

3.2 形狀記憶材料

形狀記憶材料（以下簡稱SMM）是一種結(jié)合檢測和驅(qū)動的智能材料，它具有形狀記憶效應(yīng)，也就是說在某些情況下，在某種熱塑性變形后，它可以通過外部條件完全恢復(fù)到原狀［27］。廣泛用于功能性紡織品設(shè)計的SMM包括形狀記憶合金（以下簡稱SMA）和形狀記憶聚合物（以下簡稱SMP）。SMA的形狀記憶效應(yīng)可由溫度觸發(fā)，SMP記憶效應(yīng)可以通過熱、光、電、化學(xué)感應(yīng)和其他條件來觸發(fā)。作為一種新材料，SMM普遍用于航空航天、自動控制系統(tǒng)、醫(yī)藥、能源和智能紡織品［28］。

國內(nèi)關(guān)于SMM的熱防護研究起步較晚。在現(xiàn)有熱防護服的研究中，都只用隔熱層反面的熱度去預(yù)測、評價面料或服裝體系的防護性能，而沒有關(guān)聯(lián)熱流量指標，也缺乏對整個面料體系表面溫度的概括性表征。

3.3 氣凝膠

氣凝膠是一種具有連續(xù)三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的多孔納米高分散材料，其組成中99%為氣體［29］。氣凝膠的制備通常分為三個步驟:凝膠的制備，凝膠的老化和干燥。與氧化鋁、碳、二氧化鈦、氧化鋯等氣凝膠相比，硅基氣凝膠的研究最為廣泛，且相對容易制備。隨著溶膠?凝膠研究的深入以及超臨界干燥技術(shù)的逐步完善，氣凝膠制備技術(shù)得到了較大的發(fā)展。氣凝膠的高孔隙率、低密度和特殊的三維納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使其成為目前世界上導(dǎo)熱率最低的固體材料。在常溫常壓條件下，其導(dǎo)熱系數(shù)相當于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，僅為0.02 W/（m·K），而室 溫 真 空 導(dǎo) 熱 系 數(shù) 可 達0.001 W/（m·K）［30］，在建筑隔熱、蓄熱蓄冷設(shè)備、航天飛行器、宇航服、傳感器、太陽能窗、聲學(xué)、超聲波設(shè)備等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［31］。

3.4 人體冷卻裝置

盡管熱防護服領(lǐng)域發(fā)展迅速，但在高熱流暴露下，僅提供幾秒鐘以上的短時間保護是不夠的。這就需要尋找一些額外的方法，國內(nèi)外提出了各種方法來實現(xiàn)熱防護服裝的冷卻。熱防護服裝的冷卻方法有蒸發(fā)冷卻法、液體冷卻法、冰包法和PCM冷卻法。在液體冷卻服裝（以下簡稱LCS）中，在微泵的幫助下，冷液體在管道中通過服裝與皮膚接觸循環(huán)；液體受熱后變熱，在裝滿冰袋的液體儲存器的幫助下，這種熱液體被冷卻回來。經(jīng)過一定的時間后，冰會融化，將不再具備冷卻效果［32］。充冰量、環(huán)境溫度和管內(nèi)液體流量是決定LCS總持續(xù)時間的主要參數(shù)［33］。LCS的生命周期可以通過增加冰包的數(shù)量來增加，但這會增加服裝系統(tǒng)的質(zhì)量。這些參數(shù)應(yīng)優(yōu)化為一個有效和輕量的LCS。

此外，直到目前為止，這些系統(tǒng)還沒有經(jīng)過測試，需要在實際條件下進行進一步的開發(fā)和測試，以檢查這些熱防護服冷卻系統(tǒng)的可靠性。

4 發(fā)展趨勢

消防員在滅火過程中要面臨各種各樣復(fù)雜的情況，這就要求滅火消防服在具有阻燃和耐熱性能的同時還允許消防員行動自如。未來滅火消防服的發(fā)展趨勢如下。

（1）新型材料的開發(fā)及多種材料的組合應(yīng)用。如相變材料、形狀記憶材料、氣凝膠等材料在滅火消防服中應(yīng)用的開發(fā)，并以最優(yōu)的方式組合應(yīng)用到滅火消防服中，達到最優(yōu)的熱防護性能。

（2）智能服裝的開發(fā)。在滅火消防服中嵌入智能設(shè)備，可全面評估火場情況，實時監(jiān)控制定救援方案，提高定位精度達到更好的救援效果。在提高熱防護性能的同時，提高救援效率。

（3）滅火消防服結(jié)構(gòu)設(shè)計。滅火消防服的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)盡量減輕質(zhì)量、符合人體工學(xué)的要求，以使消防員在復(fù)雜的火場環(huán)境中行動自如，達到更高的工作效率。

5 總結(jié)

滅火消防服作為滅火過程中保護消防員、防止皮膚燒傷的重要屏障，其熱防護性能已經(jīng)得到了全球的認可。歐美國家及我國都對滅火消防服制定了各自的標準，對其熱防護性能、材料強度、洗滌次數(shù)及舒適性都提出了相應(yīng)的要求。隨著技術(shù)的革新和對滅火消防服熱防護性能重視程度的提高，對于影響滅火消防服防護性能的因素，如面料的結(jié)構(gòu)與制造方法、織物的熱收縮和分解、水分都有了具體的研究成果，并且在加入了相變材料、形狀記憶材料、氣凝膠及人體自冷設(shè)備之后，滅火消防服的熱防護性能有了跳躍式提高?？椢锏臒嵛锢硇院蜔彷椛湫阅艿墓罍y、計量以及上述因素對性能的影響是目前迫切需要關(guān)注的領(lǐng)域。