基于計(jì)算機(jī)仿真的聚酰亞胺消防服的研發(fā)

萬(wàn)賢福,張小云,杜世儀，李俊玲，汪 軍

(1.東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201620；2.中國(guó)紡織科學(xué)研究院 江南分院，浙江 紹興 312071)

聚酰亞胺(polyimide, PI)具有優(yōu)良的耐腐蝕、耐高低溫、耐磨損等性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天等高科技領(lǐng)域[1-3]。聚酰亞胺纖維是近年來(lái)纖維高分子材料領(lǐng)域應(yīng)用廣泛且發(fā)展迅速的一類(lèi)高性能纖維，有望在電磁屏蔽、雷達(dá)紅外隱身、建筑材料及防護(hù)用品等領(lǐng)域或惡劣的環(huán)境中得到廣泛應(yīng)用[1-3]。在消防服領(lǐng)域，目前世界上的功能性消防服市場(chǎng)廣泛采用杜邦公司生產(chǎn)的芳綸纖維，即Nomex和Kevlar纖維[4]。聚酰亞胺纖維在消防服上的應(yīng)用仍處于探索階段[4-5]。

筆者課題組基于聚酰亞胺纖維，進(jìn)行了滅火防護(hù)服外層面料的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。 在設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需要對(duì)面料和服裝的防護(hù)效果進(jìn)行預(yù)測(cè)。 除了對(duì)面料進(jìn)行熱防護(hù)性能測(cè)試之外， 在服裝層面的測(cè)試涉及消防假人，使用成本過(guò)于昂貴。 因此，采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)來(lái)預(yù)測(cè)面料防護(hù)效果，從而為聚酰亞胺防護(hù)織物和服裝的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。

1 計(jì)算機(jī)仿真模型

由于消防服涉及生命安全，多年來(lái)，科研工作者對(duì)于消防服計(jì)算機(jī)模型開(kāi)展了大量的研究。 其中，絕大部分工作主要關(guān)注消防服本身的防護(hù)機(jī)理，而忽略人體與消防服的動(dòng)態(tài)熱濕交互作用對(duì)防護(hù)效果的影響。 然而，防護(hù)過(guò)程是環(huán)境、消防服和人體3個(gè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)熱濕交互的結(jié)果；除了消防服的防護(hù)性能外，防護(hù)效果還受到消防服與人體的動(dòng)態(tài)熱濕交互作用的影響；人體熱生理調(diào)節(jié)作用也具有一定的影響。這需要將人體動(dòng)態(tài)熱生理模型與消防服模型結(jié)合起來(lái)，建立起消防服-人體-環(huán)境的一體化模型。

基于文獻(xiàn)[6]建立的消防服-人體-環(huán)境的一體化模型[6]，進(jìn)行聚酰亞胺消防服的研發(fā)。 為了方便讀者閱讀，下面對(duì)此模型進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述，具體細(xì)節(jié)參閱文獻(xiàn)[6]。

該模型主要包括如下幾個(gè)部分：人體熱生理系統(tǒng)、消防服和皮膚燒傷模型以及各系統(tǒng)間的交互行為的建模。通過(guò)將這些數(shù)學(xué)模型結(jié)合起來(lái)，在交界面上互為邊界條件，一起求解就得到了一體化模型。

(1) 人體熱生理系統(tǒng)模型[7]。人體熱生理系統(tǒng)模型把人體簡(jiǎn)化為多段(頭、軀干、手臂、手、腿和腳等)，其中，除了頭簡(jiǎn)化為球體之外，其他都看作圓柱體，每一段又分為4層，即內(nèi)核、肌肉、脂肪和皮膚。血液循環(huán)系統(tǒng)簡(jiǎn)化為一個(gè)中心血池，與之前每個(gè)節(jié)點(diǎn)(各段的各層)通過(guò)對(duì)流的方式進(jìn)行熱交換，層與層之間通過(guò)導(dǎo)熱方式進(jìn)行熱交換，針對(duì)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)建立熱平衡方程。

此外，模型以人體中性狀態(tài)溫度為基準(zhǔn)，根據(jù)中樞及皮膚處的溫度與基準(zhǔn)的差確定熱暖信號(hào)，產(chǎn)生出汗、打顫、血管收縮或擴(kuò)張等4種反應(yīng)量。 根據(jù)這些反應(yīng)量，調(diào)節(jié)相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的新陳代謝率、血流量以及出汗量，從而實(shí)現(xiàn)體溫調(diào)節(jié)。

(2) 消防服模型。消防服分3層組成，包括阻燃層、防水層和隔熱層。通過(guò)一定的簡(jiǎn)化，基于熱傳遞機(jī)理，建立多層消防服面料的熱傳遞方程[8]，如式(1)所示。

(1)

式中：T為溫度；C為材料的比熱容；ρ為各層材料的密度；k為熱導(dǎo)率；γ為熱輻射衰減系數(shù)；qr(x=0)各層材料外表面的輻射熱通量；x方向垂直于織物表面，從織物的外表面指向內(nèi)表面。

(3) 皮膚燒傷模型。皮膚燒傷采用Henriques模型[9]，計(jì)算出皮膚燒傷指數(shù)(Ω)為燒傷預(yù)測(cè)的指標(biāo)。當(dāng)T(皮膚角質(zhì)層與真皮層之間的界面溫度)到達(dá)44 ℃之后，Ω>0.53時(shí), 指示皮膚發(fā)生Ⅰ度燒傷，而當(dāng)Ω=1.00時(shí)，則指示皮膚發(fā)生Ⅱ度燒傷。

2 聚酰亞胺消防服的仿真

為了將計(jì)算機(jī)仿真模型應(yīng)用于聚酰亞胺消防服的研發(fā)，首先需要獲得消防服各材料的物性參數(shù)。筆者課題組開(kāi)發(fā)了一種聚酰亞胺消防服外層面料，其物性參數(shù)見(jiàn)表1。 為了便于分析，仿真中提供對(duì)照試樣。對(duì)照試樣是一件Nomex消防服[8]，其物性參數(shù)列見(jiàn)表1。表1中的防水層和隔熱層也同樣參照文獻(xiàn)[8]。

表1 計(jì)算機(jī)仿真中各層材料的物性參數(shù)Table 1 Physical characteristics of fabric layers in the computer simulation

仿真的救災(zāi)過(guò)程如下：消防員進(jìn)入火場(chǎng)后所處的危險(xiǎn)環(huán)境即輻射熱通量為1.5 kW/m2，對(duì)流熱通量為2.0 kW/m2。救災(zāi)過(guò)程中，消防員做中等負(fù)荷(新陳代謝率為180 W/m2)的工作，15 min后撤離至安全區(qū)域。

將消防服物性參數(shù)和消防員救災(zāi)過(guò)程參數(shù)配置在仿真程序中，運(yùn)行獲得仿真結(jié)果。

3 結(jié)果與分析

3.1 燒傷情況動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)

皮膚燒傷指數(shù)預(yù)測(cè)如圖1所示。由圖1可知：對(duì)照試樣于13 min達(dá)到燒傷指數(shù)0.53，發(fā)生Ⅰ度燒傷，并于16 min到達(dá)燒傷指數(shù)1.00，發(fā)生Ⅱ度燒傷；而聚酰亞胺消防服則在19 min才到達(dá)Ⅱ度燒傷。 顯然聚酰亞胺消防服的性能優(yōu)于對(duì)照的消防服。

圖1 兩種消防服的皮膚燒傷指數(shù)預(yù)測(cè)對(duì)比Fig.1 Comparison of skin burn index prediction of two firefighting clothing

身體各部位燒傷指數(shù)預(yù)測(cè)如圖2所示。由圖2可知，呈現(xiàn)燒傷的先后順序?yàn)樾⊥?、手臂、大腿和胸，兩種消防服所呈現(xiàn)的燒傷分布是一致的，盡管程度不同。 這或許與模型的假設(shè)有一定的關(guān)系，仿真模型假設(shè)環(huán)境的輻射熱通量和對(duì)流熱通量都均勻作用于各部位表面。 這與現(xiàn)實(shí)情況有一定的出入。

圖2 兩種消防服的身體各部位皮膚燒傷指數(shù)的預(yù)測(cè)Fig.2 Prediction of skin burn index in body parts for two firefighting clothing

3.2 消防員的熱生理指標(biāo)的動(dòng)態(tài)變化

消防員的體核溫度變化如圖3所示。由圖3可知，消防員的體核溫度在4 min后呈現(xiàn)快速上升的趨勢(shì)，但兩種消防服的上升速率并不相同。 對(duì)照試樣的增速快于聚酰亞胺消防服， 兩者最后都進(jìn)入了危險(xiǎn)區(qū)域，其中，對(duì)照試樣達(dá)到41 ℃，而聚酰亞胺則是40.5 ℃。

圖3 消防員體核溫度對(duì)比Fig.3 Comparison of the core temperature of firefighters

消防員皮膚平均溫度隨時(shí)間的變化如圖4所示。

圖4 消防員皮膚平均溫度隨時(shí)間的變化Fig.4 Comparison of the average skin temperature of firefighter over time

由圖4可知，消防員皮膚平均溫度在前4 min上升很快，到達(dá)41～42 ℃，后續(xù)則增速變緩，超過(guò)44 ℃，進(jìn)入燒傷區(qū)域,聚酰亞胺比對(duì)照試樣的皮膚平均溫度低約1.5 ℃。

3.3 消防服的動(dòng)態(tài)溫度變化

以胸部位置為例，兩種消防服的各層溫度隨時(shí)間的變化如圖5所示。由圖5可知：消防服的各層溫度上升極為迅速，2 min左右就接近平衡；后續(xù)的增長(zhǎng)相對(duì)緩慢。 溫度分布從外到里遞減， 聚酰亞胺比對(duì)照試樣溫度低10 ℃左右。

圖5 兩種消防服各層溫度分布預(yù)測(cè)(胸部位置)Fig.5 Prediction of temperature distribution in two firefighting clothing (chest position)

3.4 理論分析

聚酰亞胺消防服的防護(hù)效果顯著優(yōu)于對(duì)照試樣，造成的差異性原因值得探究。兩種消防服的胸部皮膚顯熱傳入量和輻射熱通量對(duì)比如圖6所示。由圖6(a)可知，與對(duì)照試樣相比，聚酰亞胺消防服傳入胸部皮膚的顯熱通量約小30 W/m2。 這個(gè)差異性是造成兩者防護(hù)效果不同的原因，但這只是中間過(guò)程中的因素，并非根本的決定性因素。

由圖6(b)可知，聚酰亞胺消防服和對(duì)照試樣輻射熱通量的差異僅為3.5 W/m2左右。因此，兩種消防服防護(hù)效果的顯著差異主要是皮膚處的導(dǎo)熱和對(duì)流引起的，而不是輻射熱的差異造成的。有趣的是，與對(duì)照試樣相比，聚酰亞胺熱導(dǎo)率小一些，但是材料更薄，這些因素?zé)o法造成皮膚處兩者的導(dǎo)熱與對(duì)流傳熱量的較大差異性。但兩者的輻射衰減系數(shù)差異很大，而皮膚處輻射熱通量卻差異不大。

圖6 兩種消防服的胸部皮膚顯熱傳入量和輻射熱通量對(duì)比Fig.6 Comparison of sensible and radiant heat flux on chest skin for two firefighting clothing

圖5中兩種消防服各層材料的溫度差異給出了啟示。熱輻射在材料內(nèi)傳遞的過(guò)程中不斷地轉(zhuǎn)化成材料的內(nèi)能，衰減系數(shù)大的材料可阻擋住更多的熱輻射，因此轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的熱輻射較少，從而材料溫度更低。這部分內(nèi)能接著又以導(dǎo)熱和對(duì)流的形式傳入皮膚。這是造成兩種消防服的防護(hù)效果差異的根本原因。輻射熱不是直接以輻射形式傷害人體，而是轉(zhuǎn)化成內(nèi)能間接作用于人體。

以上對(duì)比和分析為改善聚酰亞胺消防服的防護(hù)效果給出了方向，即通過(guò)改變面料的輻射衰減系數(shù)來(lái)提升防護(hù)效果。聚酰亞胺消防服外層面料的輻射衰減系數(shù)對(duì)皮膚燒傷的影響預(yù)測(cè)如圖7所示。由圖7可知：當(dāng)輻射衰減系數(shù)小于12 000 m-1，隨輻射衰減系數(shù)的增大，防護(hù)效果顯著提高；當(dāng)輻射衰減系數(shù)大于12 000 m-1時(shí)，防護(hù)效果幾乎沒(méi)有改善。在此基礎(chǔ)上綜合考慮其他多方面因素和成本，可以實(shí)現(xiàn)消防服面料防護(hù)效果優(yōu)化的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。

圖7 聚酰亞胺消防服外層面料的輻射衰減系數(shù)對(duì)皮膚燒傷的影響預(yù)測(cè)Fig.7 Prediction of the influence of thermal radiation extinction coefficient of the outer fabric in the polyimide firefighting clothing on skin burns

4 結(jié) 語(yǔ)

本文采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，比較了聚酰亞胺消防服外層面料和對(duì)照樣Nomex面料的防護(hù)效果。結(jié)果顯示，與Nomex消防服相比，聚酰亞胺消防服防護(hù)效果更好。通過(guò)深入分析差異性的機(jī)理，找到了材料防護(hù)效果的差異源于輻射衰減性能的不同，為優(yōu)化消防服面料防護(hù)效果提供方法和依據(jù)。