蒸汽暴露條件對(duì)織物熱防護(hù)性能的影響

邱 浩， 蘇 云,2， 王云儀,2,3

(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； 3. 同濟(jì)大學(xué) 上海國(guó)際設(shè)計(jì)創(chuàng)新研究院， 上海 200080)

消防、石油和天然氣、食品加工等行業(yè)的作業(yè)人員，除了會(huì)遭遇火焰、熱輻射、高溫液體等災(zāi)害威脅外，還會(huì)面臨熱蒸汽的傷害[1-3]。蒸汽能夠輕易地穿透服裝層將熱量傳遞到人體皮膚表面，造成皮膚嚴(yán)重的燙傷。

目前，閃火和熱輻射條件下織物和服裝的熱防護(hù)性能研究得到較多關(guān)注[4-5]，且已經(jīng)建立了包括熱防護(hù)性能測(cè)試(TPP)、熱輻射防護(hù)性能測(cè)試(RPP)及熱蓄積測(cè)試(SET)等測(cè)試的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。然而，由于熱蒸汽中同時(shí)包含了熱傳遞、濕傳遞、噴射壓力等因素的共同作用，因此不能簡(jiǎn)單地將針對(duì)其他熱災(zāi)害威脅的測(cè)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于蒸汽熱防護(hù)的測(cè)評(píng)。

與蒸汽熱防護(hù)直接相關(guān)的研究工作多從3個(gè)角度展開：1)從織物性能的影響角度，包括織物的滲透性、厚度、透氣性等能改變蒸汽穿透織物系統(tǒng)能力的指標(biāo)，包括來(lái)自法國(guó)海軍建立的蒸汽實(shí)驗(yàn)室在內(nèi)的一系列研究發(fā)現(xiàn)[6-9]，對(duì)于水分和蒸汽均不能透過(guò)的面料，織物熱防護(hù)性能隨厚度的增加得以提升，而良好的透氣性則會(huì)顯著增加蒸汽滲透速率；2)從蒸汽本身特征的角度，有學(xué)者[2]采用圓筒模擬人體軀干，研究低壓蒸汽環(huán)境下織物系統(tǒng)的熱傳遞規(guī)律，發(fā)現(xiàn)皮膚表面最高溫度發(fā)生于最大蒸汽壓力時(shí)；3)從衣下空氣層的角度，有學(xué)者[10]研究低壓蒸汽和低熱輻射混合作用下空氣層的影響，發(fā)現(xiàn)空氣層可以降低皮膚表面的熱流量，降低蒸汽傳遞速率。

本文針對(duì)熱防護(hù)織物，研究蒸汽壓力、蒸汽與人體相對(duì)距離(簡(jiǎn)稱噴射距離)對(duì)織物熱濕傳遞的影響規(guī)律，為蒸汽熱防護(hù)產(chǎn)品開發(fā)及更全面的防護(hù)機(jī)制研究提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

本文實(shí)驗(yàn)選擇了常見的熱防護(hù)服阻燃織物，其厚度和透氣性方面存在差異，織物基本參數(shù)如表1所示。試樣的面積大小為15 cm× 15 cm，靜置于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境氣候艙(溫度為(20±2) ℃，相對(duì)濕度為(65±5)%)預(yù)調(diào)24 h。

表1 實(shí)驗(yàn)織物的基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of fabrics for testing

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本文實(shí)驗(yàn)采用的織物蒸汽熱防護(hù)性能測(cè)評(píng)裝置，已經(jīng)被其他學(xué)者使用并驗(yàn)證了其有效性[9-11]。通過(guò)蒸汽壓力與熱暴露模擬箱內(nèi)溫度標(biāo)定蒸汽熱暴露起始環(huán)境，熱暴露箱內(nèi)的溫度達(dá)到(45±5) ℃為實(shí)驗(yàn)起始溫度[12]。蒸汽熱暴露的時(shí)間通過(guò)移動(dòng)隔熱板進(jìn)行控制。

蒸汽壓力為設(shè)計(jì)壓力，選取5種壓力水平的低壓蒸汽：50、100、150、200、300 kPa。調(diào)節(jié)噴嘴到試樣夾持裝置上的織物的距離，即噴射距離，設(shè)定4種水平的噴射距離：5、8、11、14 cm。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NFPA 1971—2007《建筑火災(zāi)用防護(hù)服》，織物與模擬皮膚傳感器之間設(shè)有6 mm厚空氣層。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.3.1 儲(chǔ)水量和滲透量

由于蒸汽溫度高于織物表面溫度，蒸汽接觸織物后，一部分會(huì)發(fā)生冷凝并被織物吸收，還有一部分氣態(tài)水則會(huì)穿過(guò)織物進(jìn)入衣下空間。對(duì)織物內(nèi)儲(chǔ)水量與蒸汽滲透量的研究有助于了解蒸汽的這一分離過(guò)程。

通過(guò)計(jì)算蒸汽熱暴露前后織物與吸紙板的質(zhì)量差，作為織物內(nèi)的水分儲(chǔ)存量和穿過(guò)織物的蒸汽滲透量。其中，吸紙板放置于織物背面，為防止織物內(nèi)水分傳遞到吸紙板，與織物間隔3 mm。

1.3.2 溫度和皮膚燒傷時(shí)間

記錄織物正反面溫度，用于分析織物系統(tǒng)的熱量傳遞過(guò)程；記錄模擬皮膚傳感器表面熱流量，用于計(jì)算皮膚達(dá)到二級(jí)燒傷的時(shí)間，評(píng)價(jià)織物的蒸汽熱防護(hù)性能。

使用阻燃線將直徑為0.25 mm的K型熱電偶(OMEGA)固定到織物的正反面，測(cè)量試樣上3處位置的溫度，如圖1所示。暴露時(shí)間為30 s，傳感器在蒸汽暴露停止后仍記錄溫度和熱流量隨時(shí)間的變化，直到90 s停止。每種織物重復(fù)3次，取其平均值。

2 濕傳遞性能分析

2.1 水分儲(chǔ)存量的變化

保持噴射距離為5 cm恒定，不同壓力水平的織物內(nèi)的儲(chǔ)水量如圖2所示?？煽闯?，織物內(nèi)儲(chǔ)水量隨蒸汽壓力增大而增加。Pearson相關(guān)性分析表明，蒸汽壓力與儲(chǔ)水量之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P=0.001< 0.01)。其原因是：壓力越大，蒸汽溫度越高，加劇了分子間運(yùn)動(dòng)，引起水分的擴(kuò)散系數(shù)增大[13]，導(dǎo)致織物表面擴(kuò)散面積增加，提高了織物內(nèi)的儲(chǔ)水量。

不同織物內(nèi)的儲(chǔ)水量存在差異，蒸汽壓力由50 kPa增加到300 kPa時(shí)，織物F2、F6的儲(chǔ)水量上升幅度最大，增加了8.1和7.7倍，織物F3、F4、F5、F7的儲(chǔ)水量上升幅度較小。其中，織物F6儲(chǔ)水量最多，這與面料飽和含水量、回潮率和厚度最大有關(guān)(見表1)。飽和含水量、回潮率代表了面料的吸濕能力，Pearson相關(guān)性分析表明，織物飽和含水量、回潮率與儲(chǔ)水量之間分別呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P值均小于0.01)，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，回潮率與飽和含水量呈顯著正相關(guān)，Pearson系數(shù)為0.952，P=0.001，說(shuō)明回潮率越大，面料吸收水分的能力越強(qiáng)，飽和后面料所含水分也越多；越厚的面料則能夠儲(chǔ)存更多的液態(tài)水，因此，降低水分吸收的有效措施在于減小蒸汽壓力與織物的回潮率。

2.2 蒸汽滲透量的變化

由于蒸汽壓力超過(guò)150 kPa后，蒸汽流出的沖擊力過(guò)大，易造成織物與吸紙板接觸，并將水分傳遞其中，因此，僅分析蒸汽壓力為50、100、150 kPa時(shí)穿過(guò)織物的蒸汽滲透量的變化規(guī)律(噴射距離為5 cm不變)，結(jié)果如表2所示。

表2 不同蒸汽壓力時(shí)蒸汽滲透量Tab.2 Steam permeability under different pressures

從表2可看出，蒸汽壓力為50 kPa時(shí)，蒸汽滲透量最小；蒸汽壓力為150 kPa時(shí)，滲透量最大。Pearson相關(guān)性分析表明，蒸汽壓力與滲透量之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P=0.010< 0.05)。原因可能是蒸汽壓力越大，蒸汽流出的沖擊力越強(qiáng)，導(dǎo)致其滲透阻力越小[14]，所以滲透量隨壓力增大而增加。

不同織物的蒸汽滲透量存在差異，蒸汽壓力由50 kPa增加到150 kPa時(shí)，織物F2、F4、F6的滲透量增加了5.6～6.5倍，明顯高于其他4種織物，這與面料透氣性有關(guān)。織物F2、F4、F6透氣性是其余4種織物的2.5～ 5.3倍。Pearson相關(guān)性分析表明，織物透氣性與蒸汽滲透量之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P=0.009<0.01)。另外，織物F4的滲透量最高，因其厚度比織物F2、F6更薄，導(dǎo)致蒸汽滲透速率加快，因此，阻擋或降低穿過(guò)織物的蒸汽滲透量的有效措施在于減小蒸汽壓力與面料透氣性。

3 熱傳遞規(guī)律分析

3.1 蒸汽壓力的影響

蒸汽熱暴露階段，將7種實(shí)驗(yàn)織物正反面溫度差與蒸汽壓力進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析的結(jié)果表明，二者呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P=0.000<0.01)，說(shuō)明蒸汽壓力越大，正反面溫差越小，則織物的隔熱性能越差，傳遞到織物反面的熱量越多。

圖3示出織物F1正反面溫度的變化。總體上看，正反面溫度均隨蒸汽壓力增大而上升，說(shuō)明其變化受到蒸汽傳遞的熱量影響，且隨蒸汽壓力增高增幅較大，這與Pearson相關(guān)性分析的結(jié)果一致。從織物正面溫度看，除蒸汽壓力為50 kPa，其余壓力下織物F1正面溫度在蒸汽暴露2 s內(nèi)出現(xiàn)峰值，這是由于壓力為50 kPa時(shí)，蒸汽溫度最低且攜帶的熱量最少，導(dǎo)致織物正面溫升速率低所造成。蒸汽壓力為300 kPa時(shí)，織物F1正反面溫度明顯高于其他壓力水平，這與壓力增加的幅度有關(guān)。

蒸汽壓力為50 kPa，熱暴露結(jié)束時(shí)(30 s)，不同織物上傳感器、下傳感器(見圖1)測(cè)試部位正反面溫差及其標(biāo)準(zhǔn)差如表3所示。

配對(duì)T檢驗(yàn)的結(jié)果表明：織物上、下傳感器測(cè)試位置正反面溫差具有顯著性的差異(t值為6.155,P=0.001<0.05)，即隔熱性能具有顯著的差異?？偟膩?lái)說(shuō)，織物上傳感器所測(cè)試部位的正反面溫差更大，因此其隔熱性能也更好。原因在于：本文試樣是垂直放置，蒸汽成網(wǎng)狀噴射到織物表面，冷凝后經(jīng)重力作用水往下流，造成試樣下方位置儲(chǔ)水量大于上方位置的儲(chǔ)水量。而儲(chǔ)水量增加會(huì)引起織物熱容與導(dǎo)熱性上升[15]，對(duì)織物隔熱性能產(chǎn)生明顯的作用?？椢飪?nèi)儲(chǔ)水量越多，其隔熱性能也越差。因蒸汽壓力能夠明顯地提高織物內(nèi)儲(chǔ)水量，因此，這也解釋了織物的隔熱性能隨蒸汽壓力增大而降低的結(jié)果。

表3 上下傳感器正反面溫差Tab.3 Temperature differences between front and back of fabric for upper and lower sensors

3.2 噴射距離的影響

3.2.1 正面溫度

保持蒸汽壓力為150 kPa恒定，將7種織物在熱暴露階段的正面溫度(蒸汽噴射中心處)與噴射距離進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，結(jié)果表明二者呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，P=0.000。這是由于蒸汽流出后，有空氣加入其中，導(dǎo)致二者混合后溫度下降，噴射距離越大時(shí)，與空氣間熱交換損失的熱量也越多，導(dǎo)致溫度也越低。

3.2.2 反面溫度

織物反面溫度的變化反映了不同噴射距離下，蒸汽流出后熱量經(jīng)過(guò)織物的傳遞能力。Pearson相關(guān)性分析結(jié)果表明，噴射距離與熱暴露階段織物反面溫度(噴射中心處)之間呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P=0.000<0.01)。其原因包括以下3點(diǎn)。

1)噴射距離越遠(yuǎn)，導(dǎo)致蒸汽接觸到織物后，面料正面溫度明顯降低，織物表面張力減小，滲透阻力隨之增大[14]，傳遞到織物反面的熱量減少。

2)噴射距離越遠(yuǎn)，蒸汽接觸織物后產(chǎn)生的沖擊力越小，液體滲透阻力與沖擊力成反比[14]，導(dǎo)致穿過(guò)織物的蒸汽滲透量減小，進(jìn)一步降低了反面溫度。

3)蒸汽熱暴露階段，將7種實(shí)驗(yàn)織物正反面溫度差(噴射中心處)與噴射距離進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析的結(jié)果表明，二者呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P=0.000<0.01)，說(shuō)明噴射距離越大，織物的隔熱性能越優(yōu)，這也是反面溫度隨噴射距離增大而呈降低趨勢(shì)的原因之一。

4 皮膚燒傷分析

4.1 蒸汽壓力的作用規(guī)律

4.1.1 皮膚燒傷時(shí)間

保持噴射距離為5 cm不變，經(jīng)不同壓力的蒸汽熱暴露后，7種織物測(cè)試時(shí)皮膚達(dá)到二級(jí)燒傷的時(shí)間如圖4所示。

蒸汽壓力為50 kPa時(shí)，皮膚二級(jí)燒傷時(shí)間最長(zhǎng)；蒸汽壓力為300 kPa時(shí)，皮膚二級(jí)燒傷時(shí)間最短?？傮w來(lái)看，蒸汽壓力越大，皮膚發(fā)生二級(jí)燒傷的時(shí)間越短，即織物對(duì)蒸汽熱防護(hù)性能下降。Pearson相關(guān)性分析表明，蒸汽壓力與皮膚二級(jí)燒傷時(shí)間呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P=0.000< 0.01)。其原因可能包括以下2點(diǎn)。

1)增加蒸汽壓力能夠顯著提高織物內(nèi)儲(chǔ)水量，使織物的隔熱性能降低，傳遞到皮膚的熱量增多，導(dǎo)致發(fā)生二級(jí)燒傷的時(shí)間越短。

2)增加蒸汽壓力明顯地提高了蒸汽滲透量，穿過(guò)織物的蒸汽攜帶大量的熱量(100 ℃時(shí)具有2 257 kJ/kg的熱量)傳遞到皮膚表面，導(dǎo)致織物熱防護(hù)性能下降。

不同織物的二級(jí)燒傷時(shí)間存在差異，同一蒸汽壓力時(shí)，透氣性差的織物F1、F3、F5、F7的皮膚二級(jí)燒傷時(shí)間比透氣性好的織物F2、F4、F6的二級(jí)燒傷時(shí)間更長(zhǎng)，Pearson相關(guān)性分析也表明，織物透氣性與皮膚二級(jí)燒傷時(shí)間呈顯著負(fù)相關(guān)性(P=0.007< 0.01)。ANOVA方差分析表明：蒸汽壓力對(duì)織物F1、F3、F5、F7的二級(jí)燒傷時(shí)間具有顯著影響(P=0.000< 0.05)，但對(duì)織物F2、F4、F6的二級(jí)燒傷時(shí)間沒有顯著影響(P=0.097> 0.05)。原因在于：良好的透氣性使蒸汽滲透速率加快[9]，引起更多的熱量傳遞到皮膚表面，蒸汽壓力達(dá)到150 kPa后，透氣性好的織物F2、F4、F6的皮膚在2 s內(nèi)達(dá)到二級(jí)燒傷，進(jìn)一步增大蒸汽壓力也不會(huì)對(duì)二級(jí)燒傷時(shí)間產(chǎn)生顯著影響?？椢颋1的皮膚二級(jí)燒傷時(shí)間最長(zhǎng)，這與其厚度有關(guān)，織物F1與F6厚度比其他織物厚，能夠減小熱量傳遞速率[16]，但織物F6的透氣性為F1的4.7倍，導(dǎo)致織物F6的二級(jí)燒傷時(shí)間明顯縮短。

4.1.2 織物儲(chǔ)水量

將皮膚二級(jí)燒傷時(shí)間與織物內(nèi)的儲(chǔ)水量進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，結(jié)果表明二者呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P=0.022< 0.05)，對(duì)于同一種織物，儲(chǔ)水量越多，皮膚發(fā)生二級(jí)燒傷的時(shí)間越短。蒸汽熱暴露環(huán)境下，濕態(tài)織物熱傳導(dǎo)與濕傳遞以及水分的對(duì)流傳熱成為織物系統(tǒng)間主要熱傳遞方式，織物吸收水分后，導(dǎo)熱性與熱容上升[15]，增加了熱傳遞速率，且隔熱性能降低，故儲(chǔ)水量增加時(shí)，皮膚二級(jí)燒傷時(shí)間縮短，因此，降低水分吸收是提高蒸汽熱防護(hù)服裝性能的必要條件。

綜上所述，蒸汽壓力上升能夠顯著增加織物內(nèi)的儲(chǔ)水量，從而進(jìn)一步降低織物的隔熱性能，導(dǎo)致熱防護(hù)性能顯著下降。

4.1.3 蒸汽滲透量

蒸汽壓力為50、100、150 kPa時(shí)，7種實(shí)驗(yàn)織物的皮膚二級(jí)燒傷時(shí)間與蒸汽滲透量的Pearson相關(guān)性分析的結(jié)果表明，二者呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P=0.029<0.05)。究其原因可能是由于蒸汽攜帶大量的熱量，當(dāng)蒸汽溫度達(dá)到100 ℃時(shí)潛熱能夠超過(guò)2 000 kJ/kg[17]。蒸汽透過(guò)織物接觸皮膚，一方面，能夠直接造成皮膚燙傷；另一方面，部分蒸汽在皮膚表面冷凝，導(dǎo)致熱量傳遞速率加快，熱量傳遞的更多，熱暴露結(jié)束后，模擬皮膚傳感器上發(fā)現(xiàn)大量的小水珠也證明此結(jié)論，因此，減少蒸汽滲透是提高織物系統(tǒng)和防護(hù)服裝熱防護(hù)性能的重要因素之一，蒸汽壓力對(duì)蒸汽滲透量具有顯著影響，且二者呈顯著正相關(guān)關(guān)系。

綜上所述，蒸汽壓力上升能夠減小織物的滲透阻力，明顯增加蒸汽滲透量，引起熱量傳遞速率加快，導(dǎo)致織物的蒸汽熱防護(hù)性能顯著降低。

4.2 噴射距離的作用規(guī)律

保持蒸汽壓力為150 kPa恒定，4種水平的噴射距離下，不同實(shí)驗(yàn)織物的皮膚二級(jí)燒傷時(shí)間如圖5所示。

總體來(lái)看，隨著噴射距離的增大，7種織物的皮膚二級(jí)燒傷時(shí)間均逐漸增加。Pearson相關(guān)性分析結(jié)果表明，噴射距離與皮膚二級(jí)燒傷時(shí)間之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系，P=0.003。說(shuō)明在蒸汽熱暴露環(huán)境下，隨著噴射距離的增大，人體皮膚受到的傷害越小，織物熱防護(hù)性能較好體現(xiàn)。其原因如下。

1)相同的蒸汽流動(dòng)速率下，噴射距離越遠(yuǎn)，蒸汽流出后需更長(zhǎng)的時(shí)間到達(dá)織物表面，且與空氣間熱交換散失的熱量更多，織物正面溫度隨噴射距離增大而顯著降低也反映了熱量急劇下降。

2)液體滲透阻力與沖擊壓力呈反比[16]，噴射距離越大，對(duì)織物造成的沖擊力越弱，導(dǎo)致蒸汽較難滲透織物，從而傳遞到織物反面的熱量減少。

3)噴射距離越大時(shí)，蒸汽所攜帶的能量損耗較多，因此，皮膚發(fā)生二級(jí)燒傷的時(shí)間越長(zhǎng)。

同一噴射距離下，透氣性好的織物F2、F4、F6的皮膚二級(jí)燒傷時(shí)間比其他4種織物的更短。Pearson相關(guān)性分析表明，織物透氣性與皮膚二級(jí)燒傷時(shí)間在不同噴射距離條件下呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P=0.000< 0.01)。其中，織物F1表現(xiàn)出最好的熱防護(hù)性能，這還與其具有較厚的厚度有關(guān)。

5 結(jié) 論

本文討論了蒸汽暴露條件對(duì)織物熱防護(hù)性能的作用規(guī)律，所得結(jié)論歸納為以下4個(gè)方面：蒸汽壓力能夠顯著增加織物內(nèi)儲(chǔ)水量，從而降低織物的熱防護(hù)性能；蒸汽壓力上升會(huì)顯著增加蒸汽滲透量，加快熱量傳遞速率，導(dǎo)致皮膚二級(jí)燒傷時(shí)間明顯縮短；降低儲(chǔ)水量和蒸汽滲透量的有效措施分別是降低織物的回潮率和透氣性；較大噴射距離對(duì)應(yīng)較高的蒸汽攜帶能量損耗，使皮膚二級(jí)燒傷時(shí)間顯著增加；蒸汽暴露條件下，皮膚二級(jí)燒傷時(shí)間與織物透氣性呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。