相變材料在熱防護(hù)服上的應(yīng)用研究進(jìn)展

朱曉榮， 何佳臻,， 王 敏

(1. 蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院， 江蘇 蘇州 215006； 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)

在火災(zāi)救援、冶煉鍛造等高溫作業(yè)環(huán)境中，工作人員必須穿著特定防護(hù)服來(lái)避免人體遭受熱危害，從而保障任務(wù)的有效執(zhí)行。然而，由于熱防護(hù)服特殊的功能性需求，在阻隔外界熱危害的同時(shí)，也阻礙了體熱排出，從而降低了其熱濕舒適性能，打破了作業(yè)人員的正常熱平衡，使其遭受?chē)?yán)重的熱應(yīng)激[1-2]。受熱應(yīng)激的影響，人體會(huì)產(chǎn)生一系列非特異性生理反應(yīng)[3]，如果沒(méi)有得到及時(shí)治療，最終可能會(huì)導(dǎo)致死亡。傳統(tǒng)熱防護(hù)服的材料及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其防護(hù)性與舒適性之間通常存在著此消彼長(zhǎng)的矛盾[4]。厚重的熱防護(hù)服在為人體提供良好熱防護(hù)的同時(shí)，會(huì)降低作業(yè)人員的熱濕舒適感[5]，因此，如何在保證優(yōu)良熱防護(hù)性的同時(shí)，有效提升熱濕舒適性以降低人體熱應(yīng)激是熱防護(hù)服裝領(lǐng)域迫切需要解決的關(guān)鍵性問(wèn)題。

為此，很多研究致力于研發(fā)降溫服以提升防護(hù)服裝的熱濕舒適性。降溫服又稱(chēng)為冷卻服，可分為主動(dòng)冷卻型降溫服與被動(dòng)冷卻型降溫服。主動(dòng)冷卻型降溫服主要指采用氣體、液體為冷卻源，通過(guò)冷卻源的流動(dòng)與人體進(jìn)行對(duì)流換熱，以延長(zhǎng)高溫作業(yè)人員的工作時(shí)間；被動(dòng)冷卻型降溫服主要采用冰塊、凝膠等作為制冷源從人體吸熱[6]。主動(dòng)型冷卻服的降溫方式需要外接動(dòng)力，且作業(yè)人員的機(jī)動(dòng)性受限，裝備沉重，與之相比，被動(dòng)型冷卻服具有服裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、穿脫方便等優(yōu)點(diǎn)。相變材料(PCM)是一類(lèi)能隨外界溫度變化，通過(guò)自身相態(tài)轉(zhuǎn)換來(lái)進(jìn)行吸熱或放熱的材料，其作為被動(dòng)型冷卻服的典型冷卻源，能夠根據(jù)環(huán)境溫度的變化在服裝周?chē)纬蓽囟认鄬?duì)恒定的微氣候，實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)功能，從而達(dá)到制冷效果[7]。

眾多研究者通過(guò)采取暖體假人測(cè)試、著裝人體生理實(shí)驗(yàn)等一系列手段驗(yàn)證了相變材料在提升熱防護(hù)服裝熱濕舒適性、降低人體熱應(yīng)激方面的有效性[8]。考慮到熱防護(hù)服的首要功能仍是為著裝人體提供熱防護(hù)屏障，本文對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行綜述，重點(diǎn)討論相變材料在熱防護(hù)服中的應(yīng)用形式，以及相變材料本身的性能因素對(duì)服裝熱防護(hù)性能的影響。

1 相變材料的類(lèi)型及其特點(diǎn)

相變材料在自然界的存在形式多樣，迄今為止，已被發(fā)現(xiàn)的天然型和合成型PCM已超過(guò)500種[9]，但因相變溫度及加工方式制約著PCM的應(yīng)用，從而使服裝領(lǐng)域可選擇的相變材料類(lèi)型較少。PCM應(yīng)用于熱防護(hù)服中的歷史可追溯到1980年左右美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)研發(fā)的空調(diào)纖維，此后，PCM在熱防護(hù)服中的應(yīng)用便越來(lái)越廣泛。

相變材料的類(lèi)型劃分方法大致有3種[10-11]。按照其相變形式分類(lèi)，可分為固-固、固-液、固-氣、液-氣4種類(lèi)型的PCM。其中氣體PCM具有相變過(guò)程體積變化大的缺點(diǎn)而使用受限，由于固-固和固-液PCM有著較大的相變潛熱，因此，在相變儲(chǔ)熱材料中應(yīng)用最為廣泛。依據(jù)材料的相轉(zhuǎn)化溫度進(jìn)行分類(lèi)，可分為低溫(-50～90 ℃)、中溫(90～550 ℃) 以及高溫(>550 ℃)相變材料。按照材料的化學(xué)組成分類(lèi)，可分為無(wú)機(jī)、有機(jī)及混合型PCM[12]，其特點(diǎn)見(jiàn)表1。其中混合型PCM主要是有機(jī)和無(wú)機(jī)共融相變材料的混合物，該材料自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，界面處理較難，制約了其在服裝中的應(yīng)用。結(jié)合相變材料在熱防護(hù)服中的應(yīng)用要求(儲(chǔ)能大、無(wú)過(guò)冷、低溫段相變、相變過(guò)程可逆、穩(wěn)定等)[13]，有機(jī)石蠟類(lèi)烷烴是較多研究中的選擇對(duì)象。

表1 不同類(lèi)型的相變材料特點(diǎn)Tab.1 Characteristics of different types of phase change materials

2 相變材料在熱防護(hù)服中的應(yīng)用形式

當(dāng)前，相變材料在紡織品中常見(jiàn)的應(yīng)用形式主要有密封袋法、紡絲法、中空纖維填充法和基于微膠囊技術(shù)的織物后整理法[14]。紡絲法與中空纖維填充法均是制備相變調(diào)溫纖維的方式，但紡絲法比中空纖維填充法制備得到的相變調(diào)溫纖維在調(diào)溫方面性能更優(yōu)。基于此，相變材料在熱防護(hù)服中的應(yīng)用形式可大致分為以下3類(lèi)。

2.1 基于密封袋處理的相變背心應(yīng)用

相變冷卻背心因其具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、穿脫方便迅速等優(yōu)點(diǎn)，目前在消防服裝備中已有應(yīng)用。這類(lèi)背心通常是將相變材料直接封裝在袋子中，然后在服裝中設(shè)計(jì)多個(gè)口袋使其與封裝袋的尺寸吻合用于放置相變材料。封裝袋的材料通常具有較高導(dǎo)熱系數(shù),且對(duì)其強(qiáng)度、柔韌性、密封性、熱穩(wěn)定性、抗腐蝕等都有一定要求。這類(lèi)服裝因相變材料的使用量較大、與人體覆蓋面積廣泛，具有良好的調(diào)溫效應(yīng)，常被用在高溫、高熱量環(huán)境中，以降低高溫、高負(fù)荷作業(yè)導(dǎo)致的熱應(yīng)激。Chou等[15]在特定環(huán)境中，考察了受試者穿著PCM背心以及普通冰袋背心在一定運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度后的熱應(yīng)激情況，結(jié)果顯示穿著相變冷卻背心對(duì)降低受試者的熱應(yīng)激效果比穿著普通冰袋背心時(shí)更明顯。朱方龍[16]利用形狀穩(wěn)定型PX35系列相變材料設(shè)計(jì)制作了消防調(diào)溫背心，設(shè)計(jì)時(shí)為避免運(yùn)動(dòng)過(guò)程中相變材料下沉堆積，先將相變材料封裝在2 cm × 2 cm的小正方形袋子中，再制作可拆卸相變材料內(nèi)膽片，結(jié)果表明穿著此內(nèi)膽片能有效阻隔熱量入侵。Gao等[17]選用3種融化溫度不同的相變材料(24、28、32 ℃)制成相變背心，研究了相變材料的相變溫度與暖體假人表面溫度之間的溫度梯度對(duì)相變背心冷卻速率的影響，結(jié)果表明溫度差越大，相變背心的冷卻速率越大。王云儀等[18]采用暖體假人客觀評(píng)價(jià)了相變背心的熱調(diào)節(jié)性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后穿著降溫背心時(shí)假人胸背部的皮膚溫度為 34.0 ℃， 比未穿著降溫背心時(shí)的皮膚溫度低6.3 ℃。

2.2 基于紡絲法制成的相變調(diào)溫纖維應(yīng)用

在紡絲過(guò)程中，將相變材料作為添加劑加入到紡絲液中，可生產(chǎn)出具有調(diào)溫功能的相變調(diào)溫纖維。目前，在功能紡織服裝產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用的 Outlast 調(diào)溫纖維就是采用紡絲法制成。喬文靜[19]通過(guò)靜電紡絲法制備的相變調(diào)溫纖維具有快速調(diào)溫功能。馮倩倩等[20]選用由Outlast 纖維與腈綸混紡的調(diào)溫織物，經(jīng)后整理法處理后對(duì)其在消防服中的應(yīng)用展開(kāi)研究，結(jié)果表明將該調(diào)溫織物作為消防服的舒適層能有效減少傳遞到人體皮膚的熱量，具有應(yīng)用可行性。

2.3 基于微膠囊技術(shù)的織物后整理應(yīng)用

微膠囊技術(shù)是當(dāng)前生產(chǎn)相變調(diào)溫纖維最先進(jìn)、成熟的方法之一。通常將相變材料做成微膠囊，然后采用涂覆法或浸軋法將其整理到織物表面，應(yīng)用這種織物，結(jié)合款式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以研發(fā)具備調(diào)溫功能的熱防護(hù)服。高騰[21]以石蠟為芯材，利用原位聚合法制備了納米級(jí)的蓄熱微膠囊，并將其涂覆到滌綸織物上，使其具有一定的蓄熱能力。鄢瑛等[22]采用石蠟微膠囊PCM研制相變致冷背心樣衣，并附加于熱防護(hù)服裝備中，分別討論了穿著未附加和附加相變制冷背心的防護(hù)服時(shí)，人體多個(gè)部位的平均體溫變化規(guī)律。朱方龍等[23]公開(kāi)了一種制備相變阻燃隔熱材料的方法，也是采用原位法將石蠟合成微膠囊材料，然后與黏合劑、增稠劑、阻燃劑等制成整理液涂覆到消防服的隔熱層上，可吸收大量熱量以此來(lái)保護(hù)人體免受燒傷。Geng等[24]制備了一系列可逆熱致變色相變微膠囊，具有優(yōu)異的潛熱儲(chǔ)能效果，熱變色性能可逆且穩(wěn)定，在熱防護(hù)服方面具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。

3 服裝的熱防護(hù)性能預(yù)測(cè)模型

由于美國(guó)及歐洲等一些發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)熱防護(hù)性能的探究起步較早，已經(jīng)制定并實(shí)行了一系列相關(guān)熱防護(hù)性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。其中許多實(shí)驗(yàn)測(cè)試都是基于高溫條件，成本較高，可重復(fù)性較差，因此，在20世紀(jì)80年代后，許多研究者致力于研發(fā)高溫作業(yè)環(huán)境下熱防護(hù)的熱濕傳遞數(shù)學(xué)模型，以預(yù)測(cè)其熱防護(hù)性能。數(shù)值模擬方法是繼物理實(shí)驗(yàn)研究后評(píng)價(jià)服裝熱防護(hù)性能的有效手段[25]。

3.1 皮膚傳熱模型及燒傷評(píng)估

在熱災(zāi)害環(huán)境中，熱防護(hù)服作為人與環(huán)境之間的唯一防護(hù)屏障，可減緩熱量從環(huán)境向人體皮膚的傳遞。在外界熱量傳遞的過(guò)程中，織物會(huì)吸收和反射一部分熱量，剩余一部分熱量則會(huì)穿過(guò)織物到達(dá)皮膚表面，造成皮膚燒傷[26]。主要的皮膚傳熱模型包括Pennes皮膚傳熱模型以及TWMBT皮膚傳熱模型[27]。

人體皮膚結(jié)構(gòu)從外到內(nèi)分為表皮、真皮、皮下組織3個(gè)部分，其中當(dāng)人體皮膚表層下方80 μm附近的基面溫度超過(guò)44 ℃時(shí)，皮膚開(kāi)始出現(xiàn)燒傷現(xiàn)象，且燒傷程度與溫度升高成對(duì)數(shù)關(guān)系加深[28]。根據(jù)皮膚表面破壞程度和組織壞死程度可將皮膚燒傷分為4個(gè)層次，當(dāng)達(dá)到二級(jí)燒傷程度時(shí)整個(gè)皮膚表皮層都遭到破壞。從皮膚燒傷評(píng)估的角度來(lái)定量評(píng)價(jià)織物的熱防護(hù)性能，需要建立在織物系統(tǒng)內(nèi)的傳熱模型基礎(chǔ)之上，采用皮膚傳熱模型獲得皮膚組織內(nèi)的溫度場(chǎng)分布，并結(jié)合皮膚燒傷預(yù)測(cè)模型，從而獲得人體皮膚達(dá)到二級(jí)、三級(jí)燒傷所需時(shí)間。對(duì)皮膚燒傷模型，人們進(jìn)行了廣泛研究探索，熱防護(hù)服裝領(lǐng)域的皮膚燒傷評(píng)價(jià)主要采用Henriques皮膚燒傷積分模型和Stoll燒傷準(zhǔn)則[27]。

3.2 附加相變材料的熱防護(hù)服傳熱模型

早期研究者們側(cè)重于實(shí)驗(yàn)，而沒(méi)有從數(shù)值模擬角度對(duì)相變材料在纖維內(nèi)及織物表面的應(yīng)用效果進(jìn)行探討。直到20世紀(jì)90年代末，研究人員采用數(shù)學(xué)模型研究了消防服各織物層的熱傳遞[29]，而后有學(xué)者采用數(shù)值模擬法，針對(duì)“熱環(huán)境-防護(hù)服-皮膚”系統(tǒng)的熱傳遞開(kāi)展了較多研究[30-31]，然而這些研究中所涉及的熱防護(hù)服并未包含相變材料。Rossi等[32]對(duì)附加相變材料熱防護(hù)服的傳熱建模進(jìn)行了初探性研究，采用穩(wěn)態(tài)法詳細(xì)探究了多層織物系統(tǒng)內(nèi)的溫度分布，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PCM對(duì)于提高多層織物系統(tǒng)的熱防護(hù)性能有顯著作用。葉宏等[33]以皮膚表面溫度為參考，在圓柱體的周壁上包覆了石蠟相變材料，構(gòu)建了“火場(chǎng)-相變服-人體皮膚”的簡(jiǎn)化模型，用于研究在2種極端環(huán)境中PCM的潛熱、熔點(diǎn)及厚度對(duì)相變防護(hù)服防護(hù)性能的影響。在分析相變材料層時(shí)采用的是焓法模型，這為研究附加相變材料的熱防護(hù)服傳熱模型提供了理論基礎(chǔ)。此后，基于數(shù)值模擬法研究加入相變材料的防護(hù)服體系便開(kāi)展起來(lái)，相關(guān)建模研究如表2所示。

表2 附加相變材料的熱防護(hù)服傳熱模型的發(fā)展Tab.2 Development of heat transfer model for thermal protective clothing with phase change materials

值得一提的是，Buhler等[39]構(gòu)建的模型并沒(méi)有研究熱防護(hù)織物系統(tǒng)的熱傳遞，而是僅考慮相變材料填充層質(zhì)量和相變溫度變化的影響，其所開(kāi)發(fā)的模型可根據(jù)服裝的隔熱性及外界環(huán)境的熱強(qiáng)度確定在此應(yīng)用條件下所需的PCM類(lèi)型和數(shù)量。水分對(duì)熱防護(hù)服性能的影響起著重要作用，有研究學(xué)者在構(gòu)建不含相變材料的熱防護(hù)織物熱傳遞模型時(shí)，考慮到了水分傳遞的影響[43-44]。但由于相變材料的吸熱效應(yīng)大于水分轉(zhuǎn)移對(duì)于溫度變化的影響，因此，表2中模型在確定不增加額外復(fù)雜性的條件下，均未考慮到水分傳遞的影響,且附加相變材料建立的數(shù)學(xué)模型大都是建立在一維的基礎(chǔ)上。

4 附加PCM的熱防護(hù)性能影響因素

在“環(huán)境-服裝-人體”這個(gè)系統(tǒng)中，許多因素可能會(huì)對(duì)附加相變材料的熱防護(hù)服性能產(chǎn)生影響。這些影響因素主要包括相變材料類(lèi)型、相變溫度，以及相變材料覆蓋人體的面積，相變層相對(duì)于人體皮膚和熱防護(hù)服的位置，環(huán)境的熱暴露強(qiáng)度等，因此，相變材料在消防服等熱功能防護(hù)服中的應(yīng)用形式絕不是簡(jiǎn)單的組合和線(xiàn)性疊加問(wèn)題，而是需要結(jié)合這些影響因素從多個(gè)角度考慮，合理選擇相變材料種類(lèi)并設(shè)計(jì)相變材料在服裝中的配置方式。

4.1 相變材料的類(lèi)型

有研究指出相變材料的蓄熱能力與相變材料的類(lèi)型有關(guān)[45]，一般而言，PCM在服裝中的含量越多，其因相變導(dǎo)致的熱效應(yīng)就越大。然而，在織物中添加大量的PCM會(huì)使其變得堅(jiān)硬和粗糙，成本也隨著PCM含量的增加而增加，在考慮實(shí)際添加量和成本的同時(shí)，選擇合適類(lèi)型的相變材料使其調(diào)溫效果最大化至關(guān)重要。PCM是一種通過(guò)相變潛熱來(lái)儲(chǔ)熱和放熱的材料，與顯熱相反，以潛熱形式存在的能量通常以較低的質(zhì)量?jī)?chǔ)存更多的能量，相變材料的高潛熱意味著單位質(zhì)量可儲(chǔ)存或釋放更多的能量[46]，即儲(chǔ)存能量的相變材料具有更大的焓差，從而提供更長(zhǎng)的冷卻和升溫時(shí)間；因此，作為熱防護(hù)服的材料應(yīng)選擇或研制出具有較大潛熱儲(chǔ)存能力的相變材料。在Fonseca等[47]的研究中，提出了一種在不同熱暴露時(shí)間和熱暴露強(qiáng)度下用于消防服的PCM含量選擇標(biāo)準(zhǔn)，選取5種融化溫度和溶解潛熱不同的PCM(硬脂酸、三水乙酸、八水氫氧化鋇、Rubithernm PX82、六水硝酸鎂)，結(jié)果表明相比于高等強(qiáng)度(84 kW/m2)， 在中等強(qiáng)度(12 kW/m2)的熱暴露環(huán)境中，潛熱較大且融化溫度較低的PCM具有在較低溫度下儲(chǔ)存更多熱量的能力，當(dāng)熱暴露時(shí)間為600 s時(shí)，熔點(diǎn)最高、潛熱最低的六水硝酸鎂的質(zhì)量要求為4.1 kg，而融化溫度和潛熱均位于第2位的三水乙酸質(zhì)量要求為3.5 kg，在此熱暴露強(qiáng)度下，2種相變材料之間潛熱的差異對(duì)質(zhì)量的要求大于融化溫度差異對(duì)質(zhì)量的要求。

4.2 相變溫度

關(guān)于相變溫度對(duì)熱防護(hù)織物熱防護(hù)性能的影響，許多研究都對(duì)其進(jìn)行了探討，主要考慮到皮膚的舒適溫度及到達(dá)燒傷的閾值溫度[33-34]。趙蒙蒙[48]選用融化溫度分別為29和24 ℃的相變材料制成調(diào)溫織物作為消防服中的舒適層，結(jié)果表明由于 29 ℃ 的相變溫度更接近模擬的人體表面皮膚初始溫度，在火焰高溫下，相對(duì)較低相變溫度的PCM融化較快、較早，導(dǎo)致在整個(gè)熱暴露環(huán)節(jié)吸熱效應(yīng)不及融化溫度為29 ℃的相變材料，最終舒適層采用具有較高融化溫度的相變調(diào)溫織物時(shí)，二度燒傷時(shí)間延緩了8.4 s，熱防護(hù)性能(TPP)值提高了50.6%。Zhang等[49]選用相變溫度分別為45和50 ℃的微膠囊相變材料(MPCMs)附加在消防服防水透氣層與隔熱層、隔熱層與舒適層之間，研究相變溫度對(duì)熱防護(hù)性能的影響，結(jié)果表明，當(dāng)MPCMs的相變溫度為45 ℃時(shí)，防護(hù)織物的熱防護(hù)性能最佳，這是因?yàn)槿梭w皮膚發(fā)生二級(jí)燒傷時(shí)的溫度在44 ℃以上，而使用相變溫度為50 ℃的MPCMs時(shí)，皮膚可能在尚未達(dá)到該相變溫度時(shí)便發(fā)生了燒傷，因此，該溫度下的相變材料發(fā)揮不了抑制皮膚燒傷的作用。

4.3 相變材料添加量

相變材料的蓄熱不僅取決于相變過(guò)程中的焓，還取決于防護(hù)服中相變材料的添加量。研究表明，多層防護(hù)織物的熱防護(hù)性能隨相變材料添加量的增加而提升[39]，但相變材料比熱防護(hù)服中使用的普通材料密度更大，隨著PCM添加量的增多必然導(dǎo)致防護(hù)服的質(zhì)量增加，增加人體著裝負(fù)荷，由此產(chǎn)生人體生理以及著裝工效學(xué)方面的消極影響。Reinertsen等[50]也揭示了熱應(yīng)激的降低與相變材料的含量有關(guān)。Yoo等[51]研究了PCM的添加量和位置對(duì)4層服裝熱調(diào)節(jié)性能的影響，結(jié)果表明隨著PCM在服裝中摻入量的增加，織物的加熱和冷卻效果也得到了提高。朱方龍等[52]針對(duì)含PCM的夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了用量估計(jì)，假設(shè)織物夾層中添加PCM的面密度為200 g/m2，火焰對(duì)流以及輻射熱在穩(wěn)態(tài)下入射到織物層內(nèi)的熱流密度值q為1.2 kW/m2，相變焓值為200 J/g的相變材料能使吸熱緩沖時(shí)間延長(zhǎng)33 s。由此可見(jiàn)，當(dāng)夾層中所用相變材料含量增加時(shí)，即相變材料袋的潛熱值增加，吸熱緩沖時(shí)間便延長(zhǎng)，吸熱效果更加突出。

4.4 相變材料層的配置方式

目前，我國(guó)所使用的消防服是97型消防戰(zhàn)斗服，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求仍是根據(jù)GA 10—2002《消防員滅火用防護(hù)服》制定，從外到內(nèi)依次為外層、防水透氣層、隔熱層與舒適層。李俊等[53]采用二步法求解消防服用多層織物系統(tǒng)的最佳配伍組合問(wèn)題，結(jié)果表明消防服的隔熱層和舒適層對(duì)整體的熱防護(hù)性能、隔熱性能、透水透氣性能影響最大。綜上，研究相變材料夾層在多層織物系統(tǒng)中的最佳配置位置也顯得尤為有意義。Pause[54]也強(qiáng)調(diào)了相變材料在多層織物中配置位置的重要性，并指出位置不同效果會(huì)有很大差異。表3示出在多層熱防護(hù)織物體系中與相變材料層配置位置相關(guān)的研究?？煽闯?，現(xiàn)有研究主要將相變材料層配置在隔熱層附近。朱方龍[36]研究結(jié)果指出相變材料具體放置在隔熱層的內(nèi)側(cè)(靠近皮膚一側(cè))還是外側(cè)，取決于熱流環(huán)境的高低，在相對(duì)較高的熱流環(huán)境下，將相變材料放置于隔熱層的外側(cè)有利于緩解服裝最內(nèi)側(cè)界面的溫度上升速度，熱防護(hù)效果較好，反之則放置在隔熱層內(nèi)側(cè)。在此配置方式的基礎(chǔ)上，Phelps等[42,56]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果又驗(yàn)證了添加的空氣層設(shè)計(jì)能額外增強(qiáng)熱防護(hù)性能。有研究表明，隨著外界溫度升高，相變持續(xù)時(shí)間呈指數(shù)形式下降[36]，即外界溫度越高，相變作用時(shí)間越短，相變速度越快，因此，在表3所示研究中運(yùn)用于高溫?zé)岱婪南嘧儾牧蠈泳鶝](méi)有配置在服裝系統(tǒng)的最外層。Hu等[40]嘗試將相變材料放置在外層與防水透氣層之間，但熱防護(hù)效果并不如放置在防水透氣層與隔熱層之間?？紤]到實(shí)際外界高溫環(huán)境和服裝的內(nèi)環(huán)境均是動(dòng)態(tài)的，織物系統(tǒng)間的微氣候也是不斷變化的，這相對(duì)于PCM的固定相變溫度而言，就不容易確定相變材料在服裝中固定配置方式的最優(yōu)方案。

4.5 相變材料在熱防護(hù)服裝中的設(shè)計(jì)

附加相變材料熱防護(hù)服裝的款式設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)規(guī)格及其配套工藝等方面對(duì)其熱防護(hù)性能有影響。陳柔羲[13]從高溫作業(yè)人員運(yùn)動(dòng)需求、生理需求出發(fā)，對(duì)相變材料在熱防護(hù)服中的分布區(qū)域配置、分布間隙及款式結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最終確定上衣式高溫防護(hù)服款式結(jié)構(gòu)為立領(lǐng)，肩部進(jìn)行分割，袖窿線(xiàn)向內(nèi)移動(dòng)6 cm等的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，對(duì)相變材料的配置及提高人體熱舒適性方面具有較優(yōu)效果。王棋生[58]還研究了在不同高溫條件下，相變材料包彼此間的分布間隙規(guī)律對(duì)織物熱防護(hù)性能產(chǎn)生的影響，實(shí)驗(yàn)表明，熱防護(hù)效果隨著相變材料包彼此間的間隙量的減小而增強(qiáng)。

4.6 環(huán)境溫度

Gao等[17,59]的研究結(jié)果表明，服裝中的冷卻效果取決于人體所處環(huán)境的體表溫度以及相變材料的融化溫度，選取了3種融化溫度(24、28、32 ℃)的相變材料在2種人體模型溫度(34、38 ℃)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明測(cè)試相變背心的降溫速率與暖體假人和相變背心融化溫度間的溫度梯度呈正相關(guān)。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了相變材料的吸熱效率與外界環(huán)境溫度有關(guān)。上文介紹了相變持續(xù)時(shí)間隨著環(huán)境溫度的升高呈指數(shù)形式下降，當(dāng)在熱流環(huán)境較強(qiáng)的情況下穿著含相變材料的熱防護(hù)服時(shí)，相變材料的溫度選擇對(duì)于織物系統(tǒng)的吸熱效果起著至關(guān)重要的作用，當(dāng)所選相變材料溫度過(guò)低時(shí)，相變材料還未來(lái)得及相變吸熱，人體皮膚就已達(dá)到燒傷閾值，此時(shí)相變材料對(duì)于織物系統(tǒng)內(nèi)溫度突變就起不到抑制的作用。

表3 相變材料在多層消防服體系內(nèi)的配置研究Tab.3 Study on configuration of phase change materials in multi-layer fire clothing system

5 結(jié)束語(yǔ)

將相變材料(PCM)應(yīng)用于消防服等熱防護(hù)服中，在降低服裝舒適性與防護(hù)性之間的矛盾方面具有一定的可行性，但仍有許多問(wèn)題需要進(jìn)行更深一步的探討，未來(lái)的研究發(fā)展趨勢(shì)可從以下3個(gè)方面展開(kāi)。

1)新型服用相變材料的研發(fā)。目前，已知的PCM種類(lèi)很多，但服裝領(lǐng)域可應(yīng)用的PCM類(lèi)型相對(duì)較少。固-液PCM目前應(yīng)用最為廣泛，然而無(wú)機(jī)PCM的過(guò)冷、相分離、有機(jī)PCM的易燃等缺點(diǎn)是影響固-液相變材料應(yīng)用和發(fā)展的重要因素。未來(lái)可通過(guò)開(kāi)發(fā)新型復(fù)合相變材料、研究新型封裝定型技術(shù)，以降低相變材料的過(guò)冷、相分離現(xiàn)象并解決易燃問(wèn)題，繼續(xù)開(kāi)發(fā)儲(chǔ)能密度大、吸熱效率高的新型復(fù)合相變材料是相變儲(chǔ)熱技術(shù)今后發(fā)展的主要趨勢(shì)之一。

2)基于模型法優(yōu)化相變材料在熱防護(hù)服中的配置方式。在“環(huán)境-相變服裝-人體”這三者系統(tǒng)的傳熱過(guò)程中，處于中間系統(tǒng)的PCM層的傳熱特性是影響整體服裝系統(tǒng)熱防護(hù)性能最關(guān)鍵的因素之一，尤其是在高溫火災(zāi)環(huán)境下，外層服裝材料的表面溫度甚至高達(dá)上百攝氏度，這時(shí)PCM在熱防護(hù)中的配置就顯得非常重要，因此，基于模型法研究多層防護(hù)服中PCM的不同配置方式與服裝熱防護(hù)性能的關(guān)系，可將服裝內(nèi)部的熱傳遞過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化。

3)降低相變材料儲(chǔ)存熱釋放導(dǎo)致的負(fù)面效應(yīng)。消防員離開(kāi)火場(chǎng)后，消防服內(nèi)儲(chǔ)存的熱量會(huì)釋放出來(lái)，同時(shí)PCM本身就是一種儲(chǔ)能材料，附加在消防服體系中的相變層由液體變?yōu)楣腆w也要釋放大量熱量，這2部分熱蓄積的累積可能增加消防作戰(zhàn)人員燒傷的潛在威脅，因此，如何采取有效手段降低附加PCM的熱防護(hù)服裝中的儲(chǔ)存熱對(duì)皮膚造成的次生燒傷是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。