熱防護服蓄熱防護與放熱危害雙重特性的研究進展

朱曉榮，何佳臻,，向攸慧，王 敏

(1.蘇州大學 紡織與服裝工程學院，江蘇 蘇州 215006；2.東華大學 現(xiàn)代服裝設計與技術(shù)教育部重點實驗室，上海 200051)

作為重要防護裝備，熱防護服的作用是保護高溫作業(yè)人員免受火焰、熾熱物體和熱蒸汽等對其造成的熱損傷[1]。火焰等高強度的熱災害環(huán)境易造成防護服的熱解破損，導致皮膚燒傷，長期以來關(guān)于服裝熱防護性能的研究主要針對高強度熱暴露模擬環(huán)境(84 kW/m2)展開[2-3]。

根據(jù)一項與建筑火災相關(guān)的報告數(shù)據(jù)反饋，在5～20 kW/m2的低輻射熱環(huán)境中，消防員的皮膚更易被燒傷[4-5]，而非高強度的熱災害環(huán)境。在低輻射熱環(huán)境中，消防員通常會持續(xù)作業(yè)數(shù)分鐘，防護服面料表面雖無明顯損壞現(xiàn)象，但防護服在熱暴露階段有效隔絕熱量傳遞的同時，由于面料系統(tǒng)溫度升高其自身會儲存大量的熱量，而熱暴露結(jié)束后儲存大量熱量的防護服反而成為被動熱源[6]，此時由于織物系統(tǒng)與外部環(huán)境、皮膚之間形成的溫差較大，會不斷地向環(huán)境和皮膚釋放儲存的熱量，熱蓄積的釋放是造成低熱輻射條件下皮膚燒傷的重要原因[6-7]。特別是作業(yè)人員由于運動或受到外界壓力，導致服裝突然接觸皮膚而加劇蓄熱釋放[8]。一項針對非直接接觸火焰的事故調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，消防員的肩部和手臂是事故中最易被燒傷的2個部位，其次為膝關(guān)節(jié)[9]。這是因為熱防護服受到擠壓后，服裝局部熱蓄積加速釋放，造成了燒傷，例如在人體膝蓋或肘部處防護服會由于肢體彎曲而受到擠壓，同樣背部或肩部處的服裝也會由于佩戴呼吸器而受到擠壓。

低輻射熱條件下的燒傷現(xiàn)象引起人們對熱蓄積研究的關(guān)注；但是隨著研究的深入，研究人員逐漸認識到在高強度熱暴露環(huán)境中，其蓄熱現(xiàn)象也更為明顯，而放熱危害作用更是不可忽略[10]，因此，無論在高強度熱災害環(huán)境亦或是在低強度熱災害環(huán)境，熱防護服均具有雙重特性，即熱暴露階段隔絕熱量傳遞、延緩皮膚燒傷的熱防護特性和冷卻階段因蓄熱釋放導致皮膚燒傷的熱危害特性。為此，本文綜述了國內(nèi)外熱防護服蓄放熱雙重特性相關(guān)研究，在對防護服熱蓄積相關(guān)測評方法進行總結(jié)的基礎上，重點討論了影響熱防護服蓄熱防護以及放熱危害效應的因素。

1 防護服熱蓄積的相關(guān)評價方法

現(xiàn)階段與防護服熱蓄積相關(guān)的測評方法并不能直接對織物中的熱蓄積進行量化[11]，而是全面考慮織物系統(tǒng)的完整傳熱階段(包括熱暴露與冷卻階段)，評估其綜合熱防護性能。

1.1 實驗測評

近年，美國材料與試驗協(xié)會制定了3項考慮了冷卻階段蓄熱釋放作用并可以預測皮膚燒傷的測試標準，即ASTM F 2702—2015《預測燒傷的阻燃服裝材料輻射熱防護性能的標準試驗方法》、ASTM F 2703—2013《預測燒傷的阻燃服裝材料非穩(wěn)態(tài)傳熱評估的標準試驗方法》和ASTM F 2731—2018《消防人員防護服系統(tǒng)熱量傳輸和儲存能量測量的標準試驗方法》，3項標準的對比詳見表1。較傳統(tǒng)的熱防護性能(TPP)和耐熱輻射性能RPP(radiant protective performance)測試而言，這3項測試標準增加了冷卻階段織物對模擬皮膚放熱數(shù)據(jù)的采集，并與熱暴露階段的傳熱數(shù)據(jù)相結(jié)合共同用于預測皮膚的燒傷。其主要差異在于熱源類型、熱源強度、皮膚燒傷預測方法以及測試程序。

表1 考慮織物熱蓄積釋放作用的熱防護性能測試標準

熱蓄積的釋放方式分為2種：一種是自然放熱，即熱量從高溫織物自然地傳遞至人體皮膚及周圍環(huán)境[12]；另一種是受壓放熱，即由于人體運動等原因?qū)е驴椢锸艿綁毫Χ铀贌崃康尼尫臶8]。ASTM F 2702—2015和ASTM F 2703—2013主要針對熱蓄積的自然放熱過程，運用Stoll燒傷準則，預測皮膚的燒傷情況，而ASTM F 2731—2018與上述2個標準的不同之處除皮膚燒傷預測的方法選取Henriques燒傷模型外，還考慮了織物受壓放熱造成的燒傷問題，并且規(guī)定了最小熱暴露時間和固定熱暴露時間2種測試程序評價織物的熱蓄積作用。其中最小熱暴露時間測試程序更易獲得織物綜合熱防護性能的差異化信息，所以其應用更為廣泛[13]。目前我國標準GB/T 38302—2019《防護服裝 熱防護性能測試方法》在傳統(tǒng)TPP測試基礎上，也增加了考慮試樣中熱蓄積釋放作用的測試方法，其測評原理與ASTM F 2703—2013一致。

上述測試方法可有效地評價織物在熱暴露期間和冷卻階段的綜合熱防護性能，但只針對織物小樣。燃燒假人測試可模擬服裝實際穿著狀態(tài)，反映熱災害環(huán)境、防護服與人體之間的熱傳遞。多年來，研究人員已經(jīng)建立了多個完整的假人測試系統(tǒng)以評估服裝整體的熱防護性能，記錄包括熱暴露階段和冷卻階段的全過程傳熱情況[14]，因此，實質(zhì)上燃燒假人實驗已綜合評估了服裝對人體的蓄熱防護和放熱危害雙重作用。闡釋了規(guī)范使用燃燒假人評價服裝整體熱防護性能方法的標準有ASTM F 1930—2018《用假人評估轟然條件下阻燃服裝阻燃性能的標準實驗方法》和ISO 13506—2：2017《防熱阻燃防護服 第2部分:皮膚燒傷預測計算要求和試驗案例》。標準中以皮膚二級、三級燒傷百分比及總燒傷面積百分比作為評價指標，此外最新版的標準ISO 13506—2017《防熱阻燃防護服》定義了皮膚模擬傳感器的能量傳遞系數(shù)(E)作為新的評價方法，該指標E可以量化服裝整體以及局部的熱防護性能，計算方式為

式中：Qm為著裝狀態(tài)下皮膚模擬傳感器在測試過程中吸收的能量，kJ/m2；Qc為裸體狀態(tài)下皮膚模擬傳感器吸收的能量，kJ/m2。

此外，何佳臻等[15-16]提出了一個新的熱防護性能綜合評價模型——二級燒傷最大衰減因子MAF(maximum attenuation factor)，以評估織物或服裝在熱暴露與冷卻階段傳感器響應與依據(jù)Stoll準則預測皮膚達到二級燒傷時所吸收能量的最大比率，使得織物和服裝的熱防護性能測評結(jié)果可以用同一指標進行直接比較。

1.2 數(shù)值模擬

較物理實驗而言，基于數(shù)值建模的熱防護性能評價方法更自由靈活，可對許多復雜問題進行模擬求解。近年來，經(jīng)過研究者不斷地調(diào)整和改善，熱防護織物模型有了較大的變化，具體表現(xiàn)為：研究對象從單層織物發(fā)展至多層組合織物、再從多層組合織物發(fā)展至考慮織物間的空氣層和織物的三維立體結(jié)構(gòu)，傳熱模型從僅考慮干態(tài)傳熱發(fā)展至考慮傳熱介質(zhì)的熱濕耦合模型。這些變化使得熱防護織物模型考慮的因素更全面完整，數(shù)值模擬方法更加合理，運算速度和精度更高。目前熱防護服裝領(lǐng)域所建立的絕大多數(shù)數(shù)值模型主要針對于熱暴露階段[17-18]，考慮冷卻階段服裝蓄熱釋放作用的建模研究有限。表2總結(jié)了近年來考慮熱防護服在熱暴露及冷卻階段傳熱的數(shù)值模型?？梢钥闯觯跀?shù)值模型發(fā)展過程中，所模擬的熱災害暴露環(huán)境大都是閃火及熱輻射條件，所模擬的冷卻階段條件基本都是自然冷卻，這與熱防護服實際應用環(huán)境的多樣性和復雜性有較大差異。

表2 考慮熱暴露及冷卻階段的傳熱數(shù)值模型研究

2 熱防護服蓄熱防護性能影響因素

2.1 服裝因素

2.1.1 服裝的基本物理性能

一般而言，服裝的厚度越大，其內(nèi)部蓄積的熱量也會相應增多[31]。目前消防服用織物通常由外層、防水透氣層和隔熱層組成。有研究表明，增加隔熱層厚度會降低織物到皮膚的傳導和輻射熱流，從而降低織物和皮膚之間的溫度[32]。He等[7]針對低熱輻射暴露環(huán)境開展了多層熱防護織物的蓄熱特性定量研究，根據(jù)顯熱蓄熱理論，通過測量各面料層的溫度變化對其蓄熱量進行了量化。結(jié)果顯示，外層織物蓄積的熱量約占織物系統(tǒng)總熱量的36%～57%，顯著高于隔熱層和防水透氣層。

此外，研究[33-34]表明，阻燃織物的光學性能對織物系統(tǒng)的熱傳遞速率有影響，多層織物系統(tǒng)中的自發(fā)輻射會在熱暴露時提高熱能傳遞到人體皮膚的速率，從而能夠在織物中儲存更多的熱能。Su等[28]根據(jù)輻射雙通量模型，綜合考慮多孔織物中輻射熱特性的影響，并針對外層熱防護織物高發(fā)射率等特點改進了傳熱模型。研究結(jié)果表明，織物的反射率會改變熱暴露階段織物的儲能速率，而織物系統(tǒng)中的傳熱速率由織物的透射率決定。

2.1.2 衣下空氣層

由于人體曲面凹凸起伏、織物自身的柔韌性以及多層織物各層之間相互作用，服裝與皮膚之間形成厚度不均勻的空氣層。研究表明，空氣層對織物的熱濕傳遞性能影響顯著[35]，但是空氣層厚度過大會降低服裝的合體性，對作業(yè)人員的活動便利性造成消極影響。作為優(yōu)良的熱絕緣體，空氣層在隔絕熱量傳遞的同時也會儲存熱量，從而使得織物系統(tǒng)內(nèi)熱蓄積指數(shù)增加，對于熱暴露階段的熱防護性能具有積極作用[36]。Fu等[37]研究了低水平熱輻射暴露階段空氣層對多層織物熱防護性能的影響，指出在低熱流暴露條件下，延緩皮膚燒傷時間的有效方法是增加空氣層厚度，同時多層織物系統(tǒng)中空氣層位置的不同對服裝整體熱防護性能的影響程度不同。然而有學者[7]定量評估了空氣層厚度對多層熱防護織物能量蓄積的影響，結(jié)果表明，引入的空氣層主要導致隔熱層熱蓄積的增加，但對于外層及防水透氣層的熱蓄積影響較小。

2.1.3 反光帶及加固材料

熱防護服外層織物上的反光帶因其能反射光線而作為警示標志，以此提高服裝的可見度。然而Eni[38]的研究表明，在濕潤織物系統(tǒng)中置入反光帶時，反光帶和熱防護織物表面雖然未有明顯損壞現(xiàn)象，但是附加反光帶部位的衣下皮膚卻發(fā)生了燒傷[11]。究其原因，反光帶使得局部織物層厚度增加，透氣性減弱，織物的熱蓄積能力增強，但儲存的熱量釋放會帶來皮膚嚴重燒傷的后果，從而使熱防護服的防護性能減弱。這和Barker等[13]的研究結(jié)論相類似，然而當采用多孔外層加強材料制成的反光帶置入熱防護服時，卻加強了織物系統(tǒng)的熱防護性能。何華玲等[39]的研究表明，加入反光帶有利于降低熱量傳遞效應，提高熱防護性能。這與Eni[38]的研究結(jié)果相反，可能是因為他們選擇的反光帶面料的透氣性不同。

2.2 環(huán)境因素

2.2.1 熱源形式

不同的熱源類型對應不同的傳熱外邊界條件，熱防護服的熱防護性能與熱源熱量傳遞方式有較強的關(guān)聯(lián)性，因此理論而言對儲存在織物系統(tǒng)內(nèi)的熱量也具有一定的影響。Mandal等[40]探究了基于不同熱源的織物熱防護性能，實驗結(jié)果表明：當織物置于火焰與熱輻射環(huán)境時，影響其熱防護性能的主要因素分別是織物的熱阻、吸收率和發(fā)射率；當織物放置于火焰和高溫蒸汽環(huán)境中時，熱傳遞的主要形式是熱對流，輻射熱環(huán)境的傳熱方式以輻射傳熱為主，熱接觸暴露環(huán)境的傳熱方式是熱傳導。然而，在熱防護服的實際應用中，引起高溫作業(yè)人員皮膚灼傷的主要傳熱方式之一是熱輻射。事實上，火焰燃燒的熱量中，熱輻射所占比例達80%[41]。表3示出針對不同熱源類型開展的熱暴露與冷卻階段熱防護性能的代表性研究。根據(jù)高溫作業(yè)人員實際所處的熱環(huán)境，目前主要針對熱輻射條件及火焰狀態(tài)下織物的蓄放熱特性進行了探討和研究，而少數(shù)研究人員分別針對熱水、熱蒸汽和接觸熱開展研究。

表3 不同熱源類型的研究現(xiàn)狀

2.2.2 熱源強度

火場環(huán)境復雜多樣，通常把火場環(huán)境分為普通環(huán)境、危險環(huán)境和緊急環(huán)境3個等級[49]。Shalev等[50]以單層熱防護織物為研究對象，探索了其在熱暴露環(huán)境下的熱傳遞性能，研究結(jié)果表明，決定熱防護性能的主要因素是熱源強度。Song等[8]研究了3種低熱流強度(6.3、7.5、8.3 kW/m2)下織物的熱蓄積情況，研究結(jié)果表明，熱暴露期間織物內(nèi)儲存的熱量隨熱源強度的增加而增加，即熱源強度與織物的蓄熱呈正相關(guān)關(guān)系。Eni[38]研究發(fā)現(xiàn)，當熱流量較低為2.4 kW/m2時，冷卻階段熱蓄積的釋放是造成皮膚燒傷的主要原因；當熱流量較高為20.9 kW/m2時，熱暴露階段的熱傳遞是造成皮膚燒傷的主要原因。這表明熱暴露強度能夠改變熱蓄積對防護性能的影響程度。

2.2.3 熱暴露時間

研究發(fā)現(xiàn)，在熱暴露時間較短的情況下，隨著熱暴露時間的增加，存儲在織物系統(tǒng)內(nèi)的能量以及傳遞至皮膚的能量均增加。然而，在相對較長的熱暴露時間內(nèi)，隨著熱暴露時間的增加，傳遞至皮膚的能量持續(xù)上升，而存儲在織物系統(tǒng)內(nèi)的能量則下降[51]。這種轉(zhuǎn)變的原因可能是處于長時間的熱暴露條件下，織物熱降解導致其比熱、質(zhì)量降低[52]，且織物系統(tǒng)在特定的熱暴露強度條件下存儲熱能的能力有限，在達到完全的熱能儲存能力后，任何來自外部環(huán)境的額外熱能都會完全轉(zhuǎn)移到皮膚組織。有研究者[53]分別將織物系統(tǒng)暴露在輻射熱源60、90、120 s條件下以評估在8.4 kW/m2熱流強度下的綜合熱防護效果。研究發(fā)現(xiàn)：熱暴露時間較短為60 s時，冷卻階段織物對皮膚的蓄熱釋放是造成皮膚燒傷的主要原因；而熱暴露時間較長(90、120 s)時，熱暴露過程中的熱傳遞是造成皮膚燒傷的主要原因。

2.3 人體因素

2.3.1 人體運動

作業(yè)人員在進行高溫勞作時，人體動作會影響空氣層在人體各部位的分布，同時服裝面料會發(fā)生不同程度的變形，從而改變其某些特性[54]。另外，當織物處于高強度熱暴露環(huán)境中時會發(fā)生熱收縮[55]，而織物熱收縮形變也是影響其熱防護性能的因素之一。Li等[56]利用織物拉伸裝置模擬了形變率為12%以下的45°斜向拉伸，實驗結(jié)果表明：4%的定長拉伸將顯著降低熱暴露階段織物的隔熱防護性能；而當拉伸率繼續(xù)增加時，熱防護性能將不會產(chǎn)生顯著的變化。由于存在泊松現(xiàn)象[57]，當縱向拉伸織物時，其在橫向上會收縮，根據(jù)幾何學理論，45°方向拉伸后紗線會滑移從而變得更加緊密，導致織物面積和孔隙率減小。Li等[56]研究發(fā)現(xiàn)，拉伸使織物厚度略微減小，孔隙率和厚度的減小反而最終導致織物的隔熱性能降低、織物儲存的熱量減少。

2.3.2 人體出汗

穿戴熱防護服的作業(yè)人員在從事高溫作業(yè)時，外界環(huán)境的水蒸氣以及液態(tài)水被防護服外層面料所吸收；此外，作業(yè)人員的身體會出汗以調(diào)節(jié)自身體溫，由內(nèi)向外潤濕熱防護服。內(nèi)外部水分的含量和分布通過影響多層織物系統(tǒng)的熱屬性(如比熱、導熱系數(shù))，從而改變織物的熱傳導及其熱蓄積性能。需要注意的是，防護服內(nèi)的水分會蒸發(fā)，進而凝結(jié)在織物和皮膚表面釋放熱量[26,58]，使得皮膚得熱量增多?；趯嶋H作業(yè)環(huán)境，Barker等[43,59]探究了低熱輻射條件下水分所處的位置對二級燒傷時間的影響，結(jié)果表明：當防護服內(nèi)層被潤濕時，水分的存在會延緩發(fā)生二級燒傷的時間；相反，當防護服外層被水分浸潤時會略微增加發(fā)生二級燒傷的時間。此外，有研究[7]采用多個指標定量評估了防護織物中水分位置及其含量在蒸汽熱暴露條件下對其蓄熱特性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：增加內(nèi)層的水分可降低皮膚的得熱，且隨著織物系統(tǒng)中水分含量的增加，織物的蓄熱能力增強；但當織物系統(tǒng)的內(nèi)外層水分含量都較高時，織物的蓄熱能力會減弱。何華玲等[39]探究了織物系統(tǒng)的水分含量對引起二級燒傷的最小熱暴露時間和熱蓄積指數(shù)的影響，研究結(jié)果表明，熱蓄積指數(shù)隨含水率的增大呈降低趨勢。

3 熱防護織物放熱危害性能影響因素

通常認為，按照能量守恒定律，織物蓄熱量越多則放熱量越多，皮膚得熱量也越多，發(fā)生熱災害的概率也越大。有研究[60]指出，織物的放熱量與蓄熱量沒有必然的正相關(guān)關(guān)系，而織物的放熱量會受到所處狀態(tài)的影響，且織物釋放熱量時的狀態(tài)和條件不同對人體造成的熱傷害程度不同。

3.1 織物的基本物理性能

單層織物在熱暴露后雖然不能釋放出較大規(guī)模的熱量，但在織物冷卻初期卻有較高的蓄熱釋放速率[45]。多層織物的放熱特性較為復雜，Su等[28]研究發(fā)現(xiàn)，多層織物系統(tǒng)中織物的自發(fā)輻射在冷卻階段能增加對周圍環(huán)境的傳熱速率。在多層熱防護服中，由于隔熱層織物靠近皮膚，因此其對皮膚的放熱危害作用最大，研究發(fā)現(xiàn)：冷卻階段皮膚吸收的36%～79%的熱量來源于隔熱層；而外層織物對皮膚的放熱危害作用相對較小，僅13%～31%的皮膚吸收熱量來源于外層織物[45]。這是由于隔熱層起到了阻擋外層織物對皮膚的放熱作用。然而，有研究顯示:織物系統(tǒng)厚度越大，在熱暴露期間蓄熱越多；同時,較厚的織物系統(tǒng)釋放熱蓄積能所需的時間較長，其冷卻階段向皮膚釋放的熱量可能會降低[42]。Su等[30]研究也發(fā)現(xiàn)：在蒸汽熱暴露階段，織物厚度的增加明顯降低了皮膚表面溫度；但在冷卻過程中不同厚度織物系統(tǒng)之間對于降低皮膚表面溫度卻沒有顯著差異。

3.2 空氣層配置

冷卻階段，空氣層的厚度和位置同樣會影響熱蓄積向皮膚的釋放。在熱暴露期間，空氣層可有效減緩織物向皮膚的熱量傳遞[2]，織物蓄熱能力增大；在冷卻期間，空氣層也會起到阻隔蓄熱釋放的作用，從而影響皮膚燒傷[8]。研究結(jié)果表明，將織物系統(tǒng)和皮膚表面之間的空氣層厚度設置為6.4 mm時，織物對皮膚的放熱量平均下降了9.6%[45]。因此，可認為在熱暴露和冷卻2個階段，空氣層對熱防護織物的防護性能都能產(chǎn)生積極作用。此外，有研究者[45]通過設定織物與皮膚之間有無空氣層2種條件，探究了空氣層配置對多層熱防護織物蓄熱釋放的影響，結(jié)果表明：在蓄熱自然釋放時，空氣層的存在只能降低外層和防水透氣層對皮膚的放熱，隔熱層對皮膚的放熱反而會增加；而在織物受壓釋放時，外層及防水透氣層的放熱顯著增強，隔熱層放熱卻無明顯增加。He等[47]針對熱蒸汽暴露條件，建立了空氣層厚度(0～18 mm)和位置影響蓄放熱雙重特性的回歸模型，研究結(jié)果表明：在熱蒸汽暴露結(jié)束后，空氣層厚度的增加會降低織物對皮膚的蓄熱釋放；雖然在熱暴露階段靠近皮膚的內(nèi)側(cè)空氣層所產(chǎn)生的蓄熱防護效果更為明顯，但在冷卻階段外側(cè)空氣層對蓄熱釋放的阻隔效果更為顯著。

3.3 織物水分

織物中的水分會蒸發(fā)，冷卻階段進而凝結(jié)至皮膚上會放熱，使得皮膚表面獲得的熱量增加，間接加重了織物的熱危害效應。水分的存在使得多層織物系統(tǒng)的比熱容增大，但也使材料的導熱系數(shù)增加，隔熱性能降低，而這2種影響結(jié)果相互制約，尤其在多層織物系統(tǒng)中，這種制約影響變得更加復雜[46]。當前在探討織物水分和蓄放熱性能關(guān)系的研究中，大都是在實驗前給織物施加定量的水分[61]，而非真實模擬人體內(nèi)部持續(xù)出汗的實際情形。有研究人員[38]向織物系統(tǒng)中施加固定的含水量(其自身質(zhì)量的15%)，研究結(jié)果表明，織物系統(tǒng)的TPP值減小，熱防護性能變差；但綜合考慮冷卻階段熱蓄積的釋放時，織物系統(tǒng)中的水分對熱防護性能的影響較小。Su等[30]基于蒸汽壓力條件，建立了考慮織物受到環(huán)境的碰撞射流、壓差引起的蒸汽流動、動態(tài)吸濕和相變的織物熱濕傳遞模型，研究結(jié)果表明，在冷卻過程中，織物初始水分含量的增加有助于皮膚表面的冷卻效果，具有高導熱率的水分可加速熱量從皮膚表面散發(fā)到外界環(huán)境。

3.4 織物受壓

相較于熱蓄積在自然狀態(tài)下的放熱狀態(tài)，織物在受到擠壓時的蓄熱釋放效率顯著增大，尤其在冷卻階段初期[45]。關(guān)于受壓程度對蓄熱釋放的影響研究發(fā)現(xiàn)，在壓強從10.34 kPa上升到20.68 kPa時，對織物施加的壓力顯著影響織物釋放的熱量，但進一步增強壓力，其對皮膚燒傷影響并不顯著[60]。這主要是因為熱防護服受到的壓力造成織物厚度變薄以及衣下空氣層減小，空氣含量的降低大大增加了織物的導熱系數(shù)。雖然增加空氣層厚度可以減少暴露及冷卻過程中來自熱源的熱量傳遞，但如果熱防護服在冷卻階段受到擠壓，其熱蓄積的加速釋放會對人體皮膚造成更大的熱危害[62]。此外，施加的壓力還可降低織物與傳感器間的接觸熱阻，影響織物系統(tǒng)的隔熱性能。Su等[29]建立了受壓狀態(tài)下防護織物的傳熱模型，模型中考慮了各層織物厚度、織物內(nèi)部空氣層厚度隨壓力的動態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)施加的壓力可減少防護服與皮膚表面的空氣層，降低防護服的隔熱性能，且影響不同壓力下接觸傳熱的重要因素是織物厚度和導熱系數(shù)。Song等[8]通過對熱防護性能測試儀的改進研究證實了在冷卻階段施加的壓力可增強織物系統(tǒng)對皮膚的蓄熱釋放作用。

3.5 環(huán)境溫度

由于溫度梯度的存在，蓄熱后的織物會向外界環(huán)境和皮膚釋放熱量，直到織物系統(tǒng)內(nèi)外溫度達到平衡穩(wěn)定的狀態(tài)。Su等[27]針對低輻射熱條件暴露后多層熱防護織物的放熱過程進行數(shù)值模擬，研究發(fā)現(xiàn)，給定從0 ℃升溫到50 ℃的外界環(huán)境條件，織物與皮膚之間的溫度梯度增大，但織物對皮膚的放熱百分比沒有出現(xiàn)大幅度的上升，而只是略微上升。其主要原因是織物向皮膚釋放的熱量主要來自于隔熱層，而向外界釋放熱量的主要是外層織物，因此在冷卻期間保持織物在低溫環(huán)境中并不是降低皮膚燒傷的有效方法。

4 結(jié)束語

本文首先介紹了熱防護服熱蓄積的產(chǎn)生機制及其對皮膚燒傷的影響，其次闡明了防護服熱蓄積相關(guān)的測試方法以及數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀，最后從蓄熱防護性能以及放熱危害性能2個方面分析了防護服雙重特性的相關(guān)影響因素。在今后的研究中，應全面考慮熱防護服使用的實際環(huán)境及各影響因素，建立完善的熱防護性能評價體系，相關(guān)結(jié)論及未來的研究方向總結(jié)如下。

1)基于熱防護服蓄放熱雙重效應探究其最優(yōu)的配伍設計。熱防護服對人體皮膚既存在熱防護的積極作用也存在熱危害的消極作用，并且在綜合考慮熱防護服雙重特性時，織物的蓄熱性能與其放熱性能并非絕對的成比例，這為現(xiàn)代防護類服裝的工程化創(chuàng)新設計提供了新思路。開展熱防護服的最優(yōu)化配伍設計研究，需要進一步量化蓄熱、放熱與熱防護性能之間的復雜關(guān)系，以及考慮多因素交互的影響，更加優(yōu)化熱暴露階段熱蓄積起到的熱防護作用，降低冷卻階段熱蓄積釋放造成的熱危害效應，為全面測評熱暴露和冷卻階段的織物熱防護性能提供理論基礎和評價依據(jù)。

2)針對熱防護服實際應用環(huán)境開展形式多樣化的熱暴露環(huán)境和冷卻環(huán)境研究。目前針對低輻射熱條件下織物蓄放熱性能的研究相對較為成熟，而在實際應用中，熱災害環(huán)境具有多樣性和復雜性(如接觸熱、熔融金屬噴濺物、高溫蒸汽熱、電弧所產(chǎn)生的高熱、高溫液體噴濺等)，熱防護服的性能要求隨著使用目的和使用環(huán)境的不同而有所差別，但一定時間穿著下的熱防護服在所有熱災害環(huán)境中均會產(chǎn)生熱蓄積及熱量釋放過程，并且不同的冷卻環(huán)境均會影響到蓄熱的釋放量及釋放速率。目前在考慮熱防護服蓄熱釋放的綜合熱防護性能評價研究中，針對火焰和熱輻射條件下的評價方法已經(jīng)成熟，而其它熱災害環(huán)境及相應冷卻條件下的研究相對空白，同時相關(guān)測試標準也尚未建立。

3)附加新材料的織物系統(tǒng)蓄放熱特性探索。近年來，為提升熱防護服的防護性能，形狀記憶材料、氣凝膠和相變材料等新材料逐漸應用于熱防護服，并在熱防護性能提升方面顯示出積極作用。前期研究中鮮少考慮附加新材料的織物系統(tǒng)由于熱蓄積釋放所導致的熱危害作用，但附著于熱防護服系統(tǒng)內(nèi)的儲能材料其自身在凝固時會釋放熱量，加上織物內(nèi)本身儲存的熱量在冷卻階段會釋放，這2部分熱量可能會增加皮膚燒傷，因此，未來對于附加新材料的熱防護織物系統(tǒng)的蓄放熱特性研究，以及其蓄熱量、蓄熱釋放量之間的關(guān)聯(lián)性研究還需要更為準確的探討和量化。