增強(qiáng)層結(jié)構(gòu)對(duì)消防服熱防護(hù)性及舒適性的影響

陳曉淵 鄢友娟

1.武警總部直屬保障大隊(duì)采購服務(wù)站，北京102613；2.武警研究院，北京 100071

消防服需具備超強(qiáng)的阻燃和隔熱性能，能有效阻止或減緩?fù)饨鐭崃總鬟f到人體皮膚表面，從而滿足消防、鑄造及軍事等特殊領(lǐng)域的熱防護(hù)高標(biāo)準(zhǔn)要求[1]。近年來，消防服的熱防護(hù)性能有了很大的改進(jìn)，但消防員仍面臨著被燒傷的巨大威脅[2]。

目前的消防服主要由具有防火隔熱性的外層、防水透氣性的中層及舒適的內(nèi)層這三層基礎(chǔ)材料(簡(jiǎn)稱“基層材料”)復(fù)合而成。為進(jìn)一步增強(qiáng)消防服的熱防護(hù)性能，通常需在消防服的外層增加額外的防護(hù)層[3]，這種防護(hù)層又稱消防服的增強(qiáng)層。可用作消防服增強(qiáng)層的材料有熱內(nèi)襯層、泡沫復(fù)合材料及皮革襯墊等。增強(qiáng)層的應(yīng)用能為基層材料提供更多的空隙，從而提高消防服的熱防護(hù)性能，降低熱灼傷發(fā)生的可能性。但增強(qiáng)層也會(huì)限制人體皮膚與外界的熱交換，易使消防員產(chǎn)生疲勞感，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)人體中暑和心血管疾病等不良事件[4]。

全套標(biāo)準(zhǔn)消防服包括外套、褲子、頭盔、手套、靴子和自給式呼吸(SCBA)系統(tǒng)，以及工作所需的其他額外工具，總質(zhì)量約為20.00 kg。當(dāng)需要攜帶熱成像相機(jī)、無線電和照明設(shè)備等裝備時(shí)，消防員的負(fù)載質(zhì)量可達(dá)30.00 kg。若外套和褲子因滅火而浸濕，則消防員的整體負(fù)載質(zhì)量將進(jìn)一步增加。相關(guān)研究顯示，因熱壓而不幸犧牲的消防員人數(shù)占消防員總死亡人數(shù)的42%[5]。因此，相關(guān)研究人員在設(shè)計(jì)消防服時(shí)，除考慮增強(qiáng)其熱防護(hù)性能外，還需注意增強(qiáng)層的輕便性問題，合理調(diào)整消防服增強(qiáng)層的重量和“體積”，使消防服更輕便。

目前，服裝的熱舒適性主要采用歐洲和美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中的發(fā)汗熱板法進(jìn)行測(cè)試和評(píng)價(jià)。本文首先對(duì)含有不同增強(qiáng)層結(jié)構(gòu)的消防服的熱阻和熱散失量進(jìn)行測(cè)試和計(jì)算，然后采用人體模型對(duì)穿著各消防服試樣的體表核心溫度進(jìn)行預(yù)測(cè)，最后對(duì)消防服的熱防護(hù)性和舒適性進(jìn)行評(píng)估。研究旨在為今后消防服增強(qiáng)層的設(shè)計(jì)提供參考。

1 試樣

以3種具有不同增強(qiáng)層結(jié)構(gòu)的消防服為試樣，包括：標(biāo)準(zhǔn)消防服(A型)、含有單個(gè)增強(qiáng)層且質(zhì)量較輕的輕質(zhì)消防服(B型)、含有泡沫襯墊增強(qiáng)層的商用重型消防服(C型)。以符合NFPA-2013Standardonprotectiveclothingandequipmentforfirefighting規(guī)定的A型消防服作為試驗(yàn)的對(duì)比樣。與A型消防服相比，B型輕質(zhì)消防服的外層僅包含一層增強(qiáng)層，不含加固材料；C型消防服為市售重型消防套裝，其胸部、后背、肩膀和手臂部位均添加有較厚的泡沫材料增強(qiáng)層，并且包含一個(gè)較寬的衣領(lǐng)和一個(gè)特殊的三層帽兜。

1.1 基層材料

3種消防服試樣的基層材料相同，其外層、中層和內(nèi)層所用材料及其基本性能如表1所示。3種消防服的總質(zhì)量分別為3.86 kg (A型)、4.60 kg (B型)和4.98 kg (C型)。

表1 消防服試樣的基層材料及其基本性能

1.2 增強(qiáng)層

增強(qiáng)層大多設(shè)計(jì)在消防服的外層，為實(shí)現(xiàn)更好的熱防護(hù)效果，增強(qiáng)層的層數(shù)可達(dá)十幾層。本試驗(yàn)涉及消防服試樣的外層均配有口袋、口袋蓋、皮墊、標(biāo)簽、反射裝飾條等增強(qiáng)部件。增強(qiáng)部件的層數(shù)、厚度和面密度如表2所示。

表2 增強(qiáng)部件的層數(shù)、厚度和面密度

本試驗(yàn)選用的A型、B型和C型3種消防服中，基層材料占整套消防服的質(zhì)量比分別為50.1%、40.1%和35.4%。A型和B型消防服基層材料的面積約占整套消防服總面積的50.0%，而C型消防服的基層材料的面積僅占其總面積的22.0%。

2 熱防護(hù)性測(cè)試

消防服的熱防護(hù)性能主要包括隔熱性和蒸汽阻隔性，通常采用傳導(dǎo)熱阻、蒸發(fā)熱阻和熱散失量指標(biāo)來表征。其中，傳導(dǎo)熱阻、蒸發(fā)熱阻越大，消防服的熱防護(hù)性越好。本文將對(duì)3種消防服試樣(包括口袋、加固材料、靴子、手套、兜帽和頭盔等)的傳導(dǎo)熱阻、蒸發(fā)熱阻和熱散失量進(jìn)行測(cè)試和計(jì)算。

2.1 傳導(dǎo)熱阻

根據(jù)ASTM F 1291-2010Standardtestmethodformeasuringthethermalinsulationofclothingusingaheatedmanikin[6]，將測(cè)試環(huán)境的相對(duì)溫濕度分別調(diào)整為23 ℃和50%后，對(duì)3種消防服試樣的傳導(dǎo)熱阻進(jìn)行測(cè)試。同一試樣重復(fù)測(cè)試3次。按照式(1)計(jì)算各試樣的傳導(dǎo)熱阻。

(1)

其中：Rt——服裝的傳導(dǎo)熱阻，℃·m2/W；

A——人體模型的表面積，m2；

Ts——人體模型的表面溫度，℃；

Ta——流經(jīng)服裝的氣流溫度，℃；

H——模擬加熱條件下人體模型獲得的熱量，W。

經(jīng)計(jì)算得A型、B型和C型消防服試樣的傳導(dǎo)熱阻分別為36.4、32.1和43.6 ℃·m2/W。

2.2 蒸發(fā)熱阻

根據(jù)ASTM F 2370-2010Standardtestmethodformeasuringtheevaporativeresistanceofclothingusingasweatingmanikin[7]，采用出汗人體模型對(duì)不同消防服試樣的蒸汽阻隔性(蒸發(fā)熱阻)進(jìn)行測(cè)試。通過式(2)計(jì)算各試樣的蒸發(fā)熱阻。

(2)

其中：Ret——服裝的蒸發(fā)熱阻，kPa·m2/W；

Ps——出汗人體模型表面的水蒸氣壓，kPa；

Pa——空氣流動(dòng)壓，kPa；

A——出汗人體模型的表面積，m2；

He——測(cè)試出汗面積所需的熱量，W；

T′s——出汗人體模型的表面溫度，℃；

T′a——流動(dòng)空氣的溫度，℃；

R′t——服裝整體和表面空氣層的熱阻，℃·m2/W。

經(jīng)計(jì)算得A型、B型和C型消防服試樣的蒸發(fā)熱阻分別為28.5、26.4和34.7 kPa·m2/W。

2.3 熱散失量

依據(jù)ASTM F 2370-2010標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法，在靜止空氣條件下(風(fēng)速為0.4 m/s)，采用出汗人體模型對(duì)3種消防服試樣的蒸發(fā)熱散失量和傳導(dǎo)熱散失量進(jìn)行靜態(tài)測(cè)量，結(jié)果如表3所示。由表3可知，C型消防服試樣的蒸發(fā)熱散失量(為30.1 W/m2)和傳導(dǎo)熱散失量 (為22.4 W/m2) 均較低，A型與B型消防服試樣的蒸發(fā)和傳導(dǎo)熱散失量相當(dāng)，表明標(biāo)準(zhǔn)消防服(A型消防服)與輕型消防服(B型消防服)在熱散失量統(tǒng)計(jì)學(xué)方面幾乎不具有差異，消防服增強(qiáng)層的添加有助于降低其表面的熱散失量。

表3 消防服試樣的熱散失量測(cè)試結(jié)果 單位：W/m2

2.4 總熱損

特定環(huán)境溫度和濕度條件下的服裝總熱損(即總熱散失量)可反映其散熱性?？偀釗p值越大，說明服裝的散熱性越好。根據(jù)傳導(dǎo)熱阻Rt和蒸發(fā)熱阻Ret的測(cè)試結(jié)果，可根據(jù)式(3)對(duì)總熱損進(jìn)行預(yù)測(cè)。

(3)

其中：Qt——一定溫濕度條件下服裝的總熱損預(yù)測(cè)值，W/m2；

P′s——人體表面的水蒸氣壓，kPa；

P′a——局部環(huán)境的煅燒水蒸氣壓，kPa。

3 舒適性測(cè)試

為更好地評(píng)估含有不同增強(qiáng)層的消防服試樣的舒適性，采用人體建模試驗(yàn)來預(yù)測(cè)消防服的穿著舒適性。因消防服的相關(guān)測(cè)試目前不允許進(jìn)行真實(shí)人體穿戴試驗(yàn)，因此，研究人員通常使用人體模型來模擬不同溫濕度環(huán)境下人體穿著消防服的生理反應(yīng)。本文參照文獻(xiàn)[8]的方法，選用RadTherm傳熱分析軟件預(yù)測(cè)人體的瞬態(tài)傳熱行為，獲取輻射、傳導(dǎo)和對(duì)流的熱傳導(dǎo)率模擬結(jié)果。RadTherm傳熱分析軟件同時(shí)也是一個(gè)服裝數(shù)據(jù)庫，包含不同服裝和面料的熱阻和蒸氣阻隔性數(shù)據(jù)。該軟件結(jié)合了多種技術(shù)，可根據(jù)身高、體質(zhì)量和種族來預(yù)測(cè)不同體型人體的體表核心溫度。本文建模使用的參數(shù)設(shè)置如表4所示。

表4 人體模型的參數(shù)設(shè)置

根據(jù)2.4節(jié)服裝總熱損的計(jì)算結(jié)果，預(yù)測(cè)穿著不同消防服試樣時(shí)出汗人體模型體表核心溫度隨時(shí)間的變化，用以反映含不同增強(qiáng)層的消防服的穿著舒適性。預(yù)測(cè)結(jié)果如圖1所示。

圖1 出汗人體模型體表核心溫度隨時(shí)間的變化

由圖1可知，消防服增強(qiáng)層的應(yīng)用使出汗人體模型的體表核心溫度上升，意味著消防服的穿著舒適性下降。在測(cè)試結(jié)束(90 min)時(shí)，3種消防服試樣的預(yù)測(cè)體表核心溫度均超過40.0 ℃。其中，A型消防服和B型消防服的預(yù)測(cè)體表核心溫度約為40.1 ℃，C型消防服的預(yù)測(cè)體表核心溫度為40.7 ℃，這0.6 ℃的溫度差將給穿著舒適性帶來嚴(yán)重的負(fù)面影響。

各消防服試樣的預(yù)測(cè)體表核心溫度與總熱損之間的關(guān)系分析如圖2所示。由圖2可知，兩者之間存在較強(qiáng)的線性關(guān)系(R2=0.95)，預(yù)測(cè)體表核心溫度每上升0.6 ℃，消防服的總熱損減少9 W/m2。

圖2 體表核心溫度預(yù)測(cè)值與總熱損預(yù)測(cè)值間的關(guān)系

由3種消防服試樣的熱防護(hù)性和舒適性測(cè)試結(jié)果可知，消防服增強(qiáng)層的添加一方面可提高消防服的熱防護(hù)性能，另一方面會(huì)降低其穿著舒適性。

4 結(jié)論

本文以含有相同的基層材料和不同增強(qiáng)層結(jié)構(gòu)的3種消防服為試樣，通過對(duì)熱阻、熱散失量和人體模型體表核心溫度的測(cè)試和預(yù)測(cè)，分析了不同消防服試樣的熱防護(hù)性能及其舒適性。研究結(jié)果表明，在消防服的設(shè)計(jì)中，增加增強(qiáng)層的層數(shù)可提高消防服的熱防護(hù)性能，但穿著增強(qiáng)型消防服后，人體的體表核心溫度升高，熱散失量減小，不利于消防人員的身心健康。未來消防服的設(shè)計(jì)需在熱防護(hù)性能和穿著舒適性方面做出合理的平衡。