開放/封閉空氣層對阻燃織物熱防護(hù)性能的影響

王 琦，田 苗,2，蘇 云,2，李 俊,2，余夢凡，許 霄

(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)

消防服是高溫環(huán)境下保護(hù)作業(yè)人員的有效個體防護(hù)裝備(PPE)[1]，是消防員與熱災(zāi)害環(huán)境間重要的防護(hù)屏障[2]。對于阻燃織物熱防護(hù)性能的研究，多集中于材料本身的熱響應(yīng)和織物與皮膚間的能量傳遞[3]?；谌梭w皮膚二級燒傷準(zhǔn)則提出的熱防護(hù)性能(TPP)測試方法是一種織物層面的臺式測試方法，其通過小規(guī)模模擬火場環(huán)境，以溫度標(biāo)定法[4]評價阻燃織物的熱防護(hù)性能，進(jìn)而預(yù)估消防服的熱防護(hù)能力。

在實(shí)際消防作業(yè)中，熱量通過傳導(dǎo)、對流和輻射的方式從外環(huán)境傳遞到人體皮膚，衣下空氣層(特別是靜止空氣層)作為低導(dǎo)熱性的流體可提供顯著的熱阻[5-7]。衣下空氣的靜止或流動狀態(tài)直接影響服裝與皮膚間的熱傳遞方式。為提高服裝整體的熱防護(hù)性能，有必要深入探索不同條件下衣下空氣層的傳熱特性。在TPP測試的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，考慮對流輻射綜合熱量的ASTM F2700—2008《連續(xù)加熱法評估服裝用阻燃材料的非穩(wěn)態(tài)傳熱的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》和ISO 17492—2019《耐熱和火焰的防護(hù)服 暴露于火焰和輻射熱的熱力傳輸?shù)臏y定》，在織物與溫度傳感器之間設(shè)置6.4 mm的封閉式空氣層以模擬服裝與人體間的局部空間關(guān)系。對于該空氣層間傳熱特性的研究表明，對流、輻射和傳導(dǎo)3種傳熱方式存在耦合作用[8-9]，且空氣層內(nèi)的溫度分布具有一定規(guī)律[10]。對動態(tài)空氣層傳熱特性的研究表明，空氣層的變化會引起流體流動，從而導(dǎo)致對流換熱產(chǎn)生明顯差異[6,9,11]。在實(shí)際著裝情況下，外環(huán)境到人體皮膚不僅存在徑向傳熱，當(dāng)局部受熱不均時，衣下空氣層中同時存在平行于人體皮膚的軸向傳熱[12]，因此，在臺式測試中，僅模擬封閉空氣層的狀態(tài)無法全面分析其傳熱方式和作用。

本文在CSI-206型織物熱防護(hù)性能測試儀基礎(chǔ)上，增加空氣層裝置，并設(shè)置無空氣層、封閉式和開放式3種空氣層形式，模擬真實(shí)的人體著裝狀態(tài)。通過圖像處理比較熱暴露前后的織物外觀性能和熱收縮情況，探究空氣層形式對織物與皮膚間傳熱的影響以及3種阻燃織物熱防護(hù)性能的差異。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)織物

選取3種典型的消防服外層織物作為實(shí)驗(yàn)樣本，織物的基本性能見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)織物基本性能特征Tab.1 Basic physical properties of specimens

1.2 熱防護(hù)性能測試

參照NFPA 1971—2018《建筑滅火中消防員全套裝備標(biāo)準(zhǔn)》，采用CSI-206型熱防護(hù)性能測試儀(美國Custom Scientific Instrument公司)進(jìn)行TPP測試。設(shè)定熱流密度為84 kW/m2，熱源類型為對流和輻射熱，分別通過火焰發(fā)生器和電加熱石英燈管實(shí)現(xiàn)。根據(jù)總熱流量與溫度傳感器記錄的皮膚達(dá)到二度燒傷所用時間的乘積得到TPP值(QTPP)，計(jì)算公式為

QTPP=qt2

式中：q為校準(zhǔn)總熱通量，kW/m2；t2為引起二級燒傷的時間，s。TPP值是評價織物熱防護(hù)性能的指標(biāo)，其值越大表示熱防護(hù)性能越好，反之則越差[13]。

實(shí)驗(yàn)過程為參照標(biāo)準(zhǔn)裁取試樣大小為150 mm×150 mm，試樣暴露于熱源的面積為100 mm×100 mm。 測試前將待測試樣放置于恒溫恒濕室((20±2) ℃，(65±5)%)中靜置24 h。然后，基于熱防護(hù)性能測試儀，在織物試樣與傳感器之間增加空氣層裝置，模擬著裝時服裝與人體皮膚的空間關(guān)系，并設(shè)定不同的熱暴露時間，通過傳感器溫度升高值(ΔT) 和TPP值評價“織物-空氣層”系統(tǒng)的傳熱和熱防護(hù)性能；同時，采集熱暴露后的織物圖像，評價織物的熱收縮程度。

1.2.1 開放/封閉空氣層設(shè)置

在高溫火場環(huán)境中存在對流、輻射和傳導(dǎo)3種熱傳遞方式。在TPP測試中，當(dāng)織物與傳感器之間的空氣層厚度大于6.4 mm時，開始出現(xiàn)對流傳熱[14]。本文利用硅酸鋁板制作厚度為10 mm的空氣層模擬裝置，分別構(gòu)建封閉式和開放式2種空氣層裝置，形成“織物-空氣層”系統(tǒng)，并與無空氣層的情況進(jìn)行比較。

圖1示出無空氣層、封閉式和開放式空氣層3種裝置示意圖。通過在織物與傳感器間加入圈型墊板搭建封閉式空氣層；開放式空氣層則僅保留墊板的四角位置，打開空氣層與外界環(huán)境間能量交換的通路。

1.2.2 熱暴露時間設(shè)定

消防服外層織物采用的是高性能芳香族高聚物纖維混紡織物，雖然能達(dá)到優(yōu)良的防火阻燃效果，但易發(fā)生熱收縮現(xiàn)象[15]，為探究空氣層設(shè)置對織物收縮的影響，設(shè)定3種熱暴露時間。在本文實(shí)驗(yàn)的熱流密度下，通過預(yù)實(shí)驗(yàn)可觀測到織物在5 s內(nèi)會出現(xiàn)明顯焦化和脆化，基本失去熱防護(hù)性能與服用性能，因此，本文選擇熱暴露時間為3.5、4.5、5.5 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 織物外觀及熱收縮情況分析

織物試樣在TPP實(shí)驗(yàn)前后呈現(xiàn)出明顯的外觀差異。圖2示出熱暴露4.5 s后試樣的外觀變化?？芍?種Nomex?ШA織物均發(fā)生不同程度的尺寸收縮、手感變硬、表面焦化及脆化，其中N2試樣在相對更短的熱暴露時間內(nèi)出現(xiàn)更嚴(yán)重的上述現(xiàn)象；N1試樣出現(xiàn)經(jīng)向裂口，且封閉式空氣層條件下的裂口面積明顯大于開放式的。這表明Nomex?ШA織物在火焰發(fā)生器的兩側(cè)發(fā)生明顯的收縮，并由于空氣層墊板的壓力難以向內(nèi)部收縮進(jìn)而出現(xiàn)破裂?？椢锏氖湛s程度隨熱暴露時間的增長、空氣層的加入和開放空氣層的設(shè)置而加劇。Kevlar織物(N3) 具有良好的熱尺寸穩(wěn)定性，僅出現(xiàn)黑色的燃燒痕跡，且燃燒痕跡也隨熱暴露時間的增長、空氣層的加入和開放空氣層的設(shè)置而加深。燃燒痕跡呈現(xiàn)出兩側(cè)深、中間淺的分布特點(diǎn)。

圖2 熱暴露4.5 s后試樣的外觀變化Fig.2 Images of N1, N2 and N3 samples after heat exposure for 4.5 s at device without air layer (a), with closed air layer (b) and open air layer (c)

為進(jìn)一步了解Nomex?ШA織物尺寸收縮特點(diǎn)，利用圖像處理軟件對織物試樣在熱暴露后的面積保持率進(jìn)行評估。計(jì)算程序通過將試樣圖像轉(zhuǎn)化為灰度模式，得到織物面積(黑色像素)/圖像面積(總像素)的比值r，再通過下式計(jì)算試樣的面積保持率。面積保持率越大，織物的尺寸穩(wěn)定性能越好。

R=r試樣/r標(biāo)準(zhǔn)樣×100%

式中：r試樣為熱暴露后試樣面積與圖像面積的比值，%；r標(biāo)準(zhǔn)樣為標(biāo)準(zhǔn)樣面積(15 cm×15 cm)與圖像面積的比值，%。

表2示出TPP實(shí)驗(yàn)后N1、N2試樣的面積保持率測試結(jié)果。在不同熱暴露條件下，2種Nomex?ШA織物的面積保持率在81.9% ～ 99.8%之間，收縮情況總體上隨熱暴露時間的增長而加劇，且有空氣層時的收縮程度更大，其中開放式空氣層最大。無空氣層時，織物在3.5～4.5 s收縮明顯，N1和N2試樣的面積保持率均下降約4%，在4.5～5.5 s之間收縮趨勢減緩，面積基本保持不變。在有空氣層的2種情況下，織物在0～3.5 s 時面積保持率的下降較無空氣層時更多，N1試樣下降約5%以上，N2試樣下降達(dá)到10%以上；而3.5～4.5 s時面積保持率的下降明顯減小，即織物在3.5 s之前已基本收縮定型。這表明空氣層的加入和開放空氣層的設(shè)置會加劇織物熱收縮并使收縮現(xiàn)象更早發(fā)生。

表2 TPP實(shí)驗(yàn)后N1、N2試樣的面積保持率Tab.2 Area retention rates of N1 and N2 samples after TPP test

2.2 “織物-空氣層”系統(tǒng)的傳熱性能

熱傳遞指標(biāo)HTI(heat transfer index)從能量傳遞的角度標(biāo)定織物的傳熱性能，定義為銅片傳感器溫度上升12或24 ℃時織物的總傳遞能量[4]。說明用傳感器的溫升可表征“織物-空氣層”系統(tǒng)的傳熱性能，溫升越大，則系統(tǒng)隔熱能力越差。隨熱暴露時間的增長，織物表面的熱量累積值逐漸增大，進(jìn)而傳遞給皮膚，表現(xiàn)為傳感器溫度(ΔT) 升高。表3示出傳感器溫度升高情況。

表3 傳感器溫度升高情況Tab.3 Temperature rise of copper sensor

無空氣層條件下，傳感器溫度升高的范圍為2.73～18.9 ℃；封閉式空氣層為1.23～8.83 ℃；開放式空氣層為0.7～7.2 ℃。表明空氣層的加入和開放空氣層的設(shè)置可明顯減少織物傳遞至皮膚的熱量。無空氣層和封閉式空氣層條件下，傳感器的溫升速率呈現(xiàn)出很高的一致性，傳感器溫度上升速率均隨熱暴露時間的增長而增大，表明隨著熱暴露時間增長，“織物-空氣層”系統(tǒng)的隔熱效果逐漸變差。在開放式空氣層的條件下，N1試樣對應(yīng)的傳感器溫升速率在4.5～5.5 s呈現(xiàn)出較3.5～4.5 s減緩的趨勢，推斷可能是由于織物纖維結(jié)構(gòu)發(fā)生改變所致。3種織物系統(tǒng)中N3試樣對應(yīng)的傳感器溫度變化量明顯大于N1和N2，即在同種熱暴露條件下，N3試樣組成的織物系統(tǒng)傳遞給皮膚的熱量最多。

2.3 “織物-空氣層”系統(tǒng)的熱防護(hù)性能

以TPP值和二級燒傷時間評估織物的熱防護(hù)性能，測試結(jié)果如表4所示。對比無空氣層的情況，封閉式空氣層使織物的TPP值提升34%～52%，二級燒傷時間(t2)增加2～3 s；開放式空氣層使TPP值提升51%～76%，二級燒傷時間增加2.9～4.4 s。

表4 織物的TPP值和二級燒傷時間Tab.4 TPP value and second degree burn time of fabric

無空氣層的情況下，織物以傳導(dǎo)和輻射2種形式將熱量直接傳遞至傳感器。封閉式空氣層的加入在織物與傳感器之間形成過渡層，由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)較小，可有效減少單位時間內(nèi)織物向傳感器所傳遞的能量，使對流傳熱比例增加。在開放式空氣層的情況下，對流傳熱加劇且傳熱路徑更加復(fù)雜：1)熱量通過織物和空氣層垂直傳遞至傳感器；2)由織物傳遞至空氣層的熱量通過開放邊界向周圍環(huán)境釋放，導(dǎo)致傳遞至傳感器的熱量減少。開放式空氣層對應(yīng)的熱防護(hù)性能大于封閉式空氣層，因此，空氣層的加入和開放空氣層的設(shè)置可明顯提升“織物-空氣層”系統(tǒng)的熱防護(hù)性能。在實(shí)際著裝局部受熱不均的情況下，高溫區(qū)域向低溫區(qū)域的傳熱可能會降低高溫區(qū)域的燒傷等級，因此，TPP封閉式空氣層的設(shè)計(jì)可能會導(dǎo)致偏高的燒傷預(yù)測結(jié)果。

3種阻燃織物中，N2表現(xiàn)出最優(yōu)的熱防護(hù)性能，且2種Nomex?ШA織物的熱防護(hù)性能均優(yōu)于Kevlar織物，這表明織物的成分、面密度和厚度會影響其熱防護(hù)性能；但Nomex?ШA織物在熱暴露過程中出現(xiàn)熱收縮和破損的情況會嚴(yán)重降低其服裝層面的熱防護(hù)性能。

3 結(jié) 論

本文通過設(shè)置不同的熱暴露時間和3種空氣層形式，探究傳熱方式對消防服用外層織物的外觀、熱收縮、“織物-空氣層”系統(tǒng)的傳熱和熱防護(hù)性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，空氣層的加入和開放式空氣層的設(shè)置對以上性能均具有明顯作用，得出如下主要結(jié)論。

1)織物熱暴露后的外觀性能與熱收縮和織物的組成材料密切相關(guān)。Nomex?ШA織物的熱穩(wěn)定性低于Kevlar織物，在熱暴露后發(fā)生明顯的尺寸收縮、焦化和脆化，甚至是破裂現(xiàn)象；有空氣層的情況加劇并加速了織物的熱收縮。

2)“織物-空氣層”系統(tǒng)的熱防護(hù)性能隨熱暴露時間的增長逐漸下降，空氣層的加入和開放空氣層的設(shè)置可有效降低傳熱效率，進(jìn)而提升系統(tǒng)的熱防護(hù)性能。

3)開放式和封閉式空氣層模擬表明，其會導(dǎo)致“織物-空氣層”系統(tǒng)內(nèi)熱傳遞方式和空氣層內(nèi)熱流路徑的改變，進(jìn)而影響服裝系統(tǒng)的傳熱過程和熱防護(hù)性能。