長(zhǎng)時(shí)熱輻射環(huán)境對(duì)消防頭盔防護(hù)特性的影響

高子雯,郭 聳,周 筠,王 梓,彭衛(wèi)青,劉洪勝

(南京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院,江蘇 南京 210094)

目前,火災(zāi)是事故應(yīng)急救援中需應(yīng)對(duì)的主要災(zāi)害類(lèi)型,是全球人員意外傷害的第四大原因[1]。消防員作為滅火救援的一線(xiàn)人員,其進(jìn)入火場(chǎng)的人身安全一直是需重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。根據(jù)《2018中國(guó)消防年鑒》,2000—2017年我國(guó)消防隊(duì)伍共出警1 179.3萬(wàn)次,出動(dòng)車(chē)輛2 096.7萬(wàn)輛,共有219名參戰(zhàn)人員犧牲,2 411名參戰(zhàn)人員受傷[2]。該年鑒中列出消防員犧牲和受傷的主要原因有火燒、窒息、摔傷、砸傷、爆炸、中毒、觸電、交通事故等,最容易受傷的部位是軀干和頭頸部,防護(hù)服和消防頭盔是火場(chǎng)救援環(huán)境中消防員的最后一道生命防線(xiàn)[3]。消防人員在進(jìn)行火場(chǎng)救援時(shí)處于火區(qū)高溫環(huán)境,容易遭受熱傷害的威脅[4]。其中,輻射熱危害按等級(jí)可分為常規(guī)、普通、極端三級(jí)[5]。國(guó)外學(xué)者Rossi[6]根據(jù)環(huán)境溫度和輻射熱通量描述了消防員的工作條件,認(rèn)為在演練時(shí)消防員會(huì)受到5～10 kW/m2輻射熱通量的影響;Willi等[7]通過(guò)收集數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),溫和的訓(xùn)練環(huán)境通常在50 ℃的溫度和1 kW/m2的輻射熱通量下,而嚴(yán)格的訓(xùn)練環(huán)境下溫度可達(dá)到150～200 ℃,輻射熱通量范圍可達(dá)3～6 kW/m2。這些研究表示,消防員耐受的輻射熱通量環(huán)境通常在1～10 kW/m2范圍內(nèi)。因此,研究熱暴露環(huán)境中消防頭盔的防護(hù)性能對(duì)消防人員的安全具有重要意義。

消防頭盔是保護(hù)頭部、頸部和面部的最重要的防護(hù)器具[8],消防頭盔的防護(hù)性能包括力學(xué)性能和熱學(xué)性能等。孫宇鵬等[9]對(duì)消防頭盔進(jìn)行了非貫穿性損傷試驗(yàn),即采用鋼錐在1、2、3、4 m高度處對(duì)消防頭盔進(jìn)行模擬沖擊,討論不同沖擊高度對(duì)消防頭盔的損傷情況,并分析不同損傷情況下消防頭盔對(duì)沖擊加速度的防護(hù)性能,結(jié)果表明在發(fā)生沖擊時(shí),消防頭盔受損情況與沖擊加速度成正比,而在同種損傷情況下,當(dāng)消防頭盔損傷情況嚴(yán)重時(shí),沖擊加速度碰撞發(fā)生時(shí)間變慢,沖擊加速度變大;曹永強(qiáng)等[10]通過(guò)對(duì)消防頭盔進(jìn)行沖擊加速度試驗(yàn),得出由于緩沖層的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致頂向沖擊加速度緩沖性能最好的結(jié)論。而熱暴露環(huán)境中,消防頭盔殼體及涂層表面材料具有輻射吸熱性能[11],能有效降低消防員頭部接觸的實(shí)際熱流及受到的熱輻射;周凱[12]使用一種改性尼龍材料作為消防頭盔帽殼材料并對(duì)其進(jìn)行了性能試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明該材料具有優(yōu)良的機(jī)械性能、耐高溫性能和耐燃燒性能,可以成為醚酰亞胺材料的替代材料來(lái)生產(chǎn)消防頭盔帽殼;Carlton[13]和Mandal等[14]使用兩種臺(tái)式熱防護(hù)性能測(cè)試方法對(duì)消防頭盔面罩使用材料的熱防護(hù)性能進(jìn)行了測(cè)試,并利用二級(jí)燒傷時(shí)間的計(jì)算對(duì)材料的熱防護(hù)性能進(jìn)行了分析,結(jié)果表明顆粒阻擋層可提高材料的熱防護(hù)性能,且厚度和重量對(duì)熱防護(hù)性能也有顯著的影響;Barnet[11]以應(yīng)用于高輻射熱環(huán)境的新型消防頭盔為研究對(duì)象,利用搭建的輻射熱傳遞試驗(yàn)平臺(tái),如即抗穿透性、沖擊吸收性、抗拉強(qiáng)度等進(jìn)行了測(cè)試,對(duì)消防頭盔的根據(jù)輻射試驗(yàn)后頭盔各項(xiàng)力學(xué)性能建立了消防頭盔磨耗標(biāo)準(zhǔn),完成了對(duì)盔殼表面磨損反射率的評(píng)估,并對(duì)頭盔外殼及涂層表面材料的性能變化進(jìn)行了研究,對(duì)頭盔耐用性進(jìn)行了簡(jiǎn)單的評(píng)價(jià),結(jié)果表明標(biāo)準(zhǔn)建筑消防頭盔的熱塑性外殼在設(shè)定熱流暴露的初始幾分鐘內(nèi)便失去了機(jī)械完整性,達(dá)到了失效水平。

由此可見(jiàn),熱暴露危害對(duì)消防頭盔的熱防護(hù)性能有著很大的影響,所以消防頭盔在熱暴露環(huán)境下的適應(yīng)能力對(duì)于確保消防救援人員的人身安全至關(guān)重要。消防員在火災(zāi)中暴露的熱負(fù)荷會(huì)損害頭盔外殼材料的力學(xué)性能,這將直接轉(zhuǎn)換為影響整個(gè)頭盔的防護(hù)性能[15]。然而,目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)熱輻射后消防頭盔防護(hù)性能的變化以及熱防護(hù)性能與力學(xué)性能之間關(guān)系的研究非常少。因此,本文將重點(diǎn)研究熱輻射環(huán)境對(duì)消防頭盔防護(hù)性能的影響?；馂?zāi)輻射熱流暴露標(biāo)準(zhǔn)的影響因素主要集中在熱流強(qiáng)度和暴露時(shí)間[16]。消防頭盔的表面溫度和熱輻射反射率將通過(guò)紅外輻射測(cè)定熱傳導(dǎo)來(lái)評(píng)估[17],而針對(duì)消防頭盔材料PA66在高溫下力學(xué)性能的變化,將通過(guò)對(duì)熱輻射試驗(yàn)后的頭盔進(jìn)行硬度測(cè)試來(lái)評(píng)估。根據(jù)研究結(jié)果可對(duì)不同持續(xù)熱輻射環(huán)境下的消防頭盔進(jìn)行適應(yīng)性評(píng)價(jià),以為消防頭盔在熱輻射環(huán)境中的防護(hù)性能判斷提供有效的理論支撐。

1 試驗(yàn)裝置及方法

1.1 消防頭盔性能參數(shù)

消防頭盔主要包括帽殼、帽箍、帽托、緩沖層、下頦帶、面罩、披肩,如圖1所示。采用我國(guó)消防員常用的消防頭盔作為研究對(duì)象,表1列出了選用的典型消防頭盔基本性能參數(shù)。

表1 選用的典型消防頭盔基本性能參數(shù)

圖1 消防頭盔Fig.1 Fire helmet

1.2 試驗(yàn)裝置及測(cè)試方法

為了研究消防頭盔在火災(zāi)熱輻射環(huán)境中防護(hù)性能的變化,自主設(shè)計(jì)搭建了消防頭盔熱輻射測(cè)試平臺(tái),如圖2所示。

1.軸流式風(fēng)機(jī);2.錐形集氣罩;3.鋁合金框架;4.頂部熱輻射源裝置;5.四周熱輻射源裝置;6.DV攝像機(jī);7.熱輻射探頭;8.石英燈輻射功率總控制臺(tái);9.數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng);10.電子臺(tái)秤;11.旋轉(zhuǎn)支撐臺(tái);12.試驗(yàn)樣品;13.纖維石膏隔熱板;14.K型熱電偶;15.高溫隔熱板。圖2 消防頭盔熱輻射測(cè)試平臺(tái)整體布置圖Fig.2 Overall layout of fire helmet thermal radiation testing platform

其中,熱輻射源為石英燈紅外加熱器,將25 ℃±2 ℃和60%±5% RH預(yù)處理12 h的試驗(yàn)樣品置于輻射板正前方,根據(jù)人體頭部、太陽(yáng)穴部位脆弱易受傷的特性[18],將熱電偶固定在被測(cè)樣品表面和內(nèi)部(內(nèi)部測(cè)點(diǎn)布置對(duì)應(yīng)外表面相同位置),消防頭盔溫度測(cè)點(diǎn)位置如圖3所示。通過(guò)控制輻射源熱通量大小,模擬不同輻射強(qiáng)度下的高溫?zé)嵩?實(shí)時(shí)測(cè)量消防頭盔內(nèi)外部的溫度分布,如圖4所示。

圖3 消防頭盔溫度測(cè)點(diǎn)位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the location of temperature measuring points of the fire helmet

圖4 消防頭盔熱輻射試驗(yàn)測(cè)試圖Fig.4 Thermal radiation test of the fire helmet

基于消防頭盔防護(hù)性能適應(yīng)性的研究要求,利用LX-D邵氏硬度儀在輻射熱流持續(xù)作用過(guò)程中,在0、5、10、20、30 min的時(shí)間點(diǎn)使試驗(yàn)人員身著防護(hù)裝備,使硬度儀壓針垂直壓入消防頭盔試樣,3 s內(nèi)進(jìn)行讀數(shù),在被測(cè)點(diǎn)相距至少6 mm的不同位置測(cè)量5次,以其峰值指數(shù)平均值作為測(cè)量結(jié)果。在熱輻射作用后,通過(guò)10 kW穩(wěn)定強(qiáng)光源在固定距離處對(duì)消防頭盔面罩進(jìn)行照射,利用V10數(shù)字照度計(jì)測(cè)量頭盔面罩的照度(受照面上光通量的面密度),每種輻射熱流下進(jìn)行10次采樣并記錄照度。

2 結(jié)果與討論

消防頭盔主要由面罩和盔殼組成,本次消防頭盔熱輻射試驗(yàn)分別測(cè)試了面罩和盔殼在不同熱輻射強(qiáng)度下熱學(xué)、力學(xué)、光學(xué)性能的變化過(guò)程,其受到的熱輻射強(qiáng)度分別為(2±0.5)、(5±0.5)、(7±0.5)和(10±0.5) kW/m2,在對(duì)應(yīng)時(shí)間的熱暴露過(guò)程中采集面罩和盔殼內(nèi)外溫升的數(shù)據(jù)。

2.1 熱輻射環(huán)境下面罩的性能變化

圖5給出了分別在熱輻射強(qiáng)度為2、5、7、10 kW/m2下熱輻射30 min后消防頭盔面罩外觀形貌圖。

圖5 不同熱輻射強(qiáng)度下試驗(yàn)30 min后消防頭盔面罩 外觀形貌圖Fig.5 Appearance topography of the fire helmet mask after 30 min test under different thermal radiant intensity

由圖5可以看出:當(dāng)熱輻射強(qiáng)度為2、5 kW/m2時(shí)消防頭盔面罩表面無(wú)任何可見(jiàn)的形貌變化;而當(dāng)熱輻射強(qiáng)度為7 kW/m2時(shí),面罩與帽檐接觸的環(huán)狀部位在試驗(yàn)9 min后出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞,試驗(yàn)結(jié)束時(shí)其破壞面積約為12.56 cm2,表現(xiàn)為塑料內(nèi)部細(xì)小空隙由大量小氣泡鼓滿(mǎn),導(dǎo)致透明塑料變?yōu)榘咨煌腹獠馁|(zhì),同時(shí)盔殼上方出現(xiàn)部分焦黃斑點(diǎn),帽圈聚乙烯在熱輻射作用下發(fā)生少量脫落,面罩凸起中心下,帽圈發(fā)生約3 cm的燒結(jié)寬度,燒結(jié)部位表面硬度上升,并伴隨些微刺激性氣體產(chǎn)生;當(dāng)熱輻射強(qiáng)度達(dá)到10 kW/m2時(shí),試驗(yàn)持續(xù)10 min后,頭盔材質(zhì)出現(xiàn)明顯軟化并在正面凸起結(jié)構(gòu)處產(chǎn)生鼓泡、腫脹及變形,鼓泡面積持續(xù)擴(kuò)大,鼓泡周邊氣泡不斷填充,刺激性氣體顯著增多,盔殼表面部分由明黃變?yōu)樽厣?面罩最終變形面積約為40 cm2,其變形面積處兼具白色不透明及淺焦黃不透明的顏色特征。

圖6為熱輻射強(qiáng)度為2、5、7、10 kW/m2時(shí)消防頭盔面罩各測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn),表2為不同熱輻射強(qiáng)度下消防頭盔面罩各測(cè)點(diǎn)的最高溫度。

表2 不同熱輻射強(qiáng)度下消防頭盔面罩各測(cè)點(diǎn)的最高溫度

圖6 不同熱輻射強(qiáng)度下消防頭盔面罩各測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線(xiàn)Fig.6 Temperature variation curves of each measuring point of the fire helmet mask under different thermal radiant intensity

由圖6和表2可知:

1) 熱暴露期間,消防頭盔面罩內(nèi)外表面溫升可分為三個(gè)階段,即0～5 min躍增、5～10 min緩慢上升、10 min后趨于平穩(wěn);面罩內(nèi)空氣層溫升則分為兩個(gè)階段,即0～10 min拋物線(xiàn)式增長(zhǎng)、10 min后呈低斜率的線(xiàn)性增長(zhǎng)。

2) 在持續(xù)30 min的2、5、7、10 kW/m2熱輻射強(qiáng)度作用下,面罩內(nèi)外表面平均溫差分別達(dá)到10.5、15.9、 28.9、38.6 ℃,可見(jiàn)不同熱輻射強(qiáng)度的熱流下面罩內(nèi)外表面的平均溫差隨熱輻射強(qiáng)度的增大而增加。

強(qiáng)輻射熱流環(huán)境下,消防頭盔面罩內(nèi)外溫差的增長(zhǎng)展現(xiàn)了其抗熱輻射的能力,但長(zhǎng)時(shí)的熱傳導(dǎo)與空氣對(duì)流傳熱使面罩內(nèi)空氣層最終溫度提高,面罩內(nèi)(假人面部)空氣層最高溫度始終與熱輻射強(qiáng)度值呈線(xiàn)性關(guān)系,如圖7所示,符合y=4.18x+43.93(其中y為消防頭盔面罩內(nèi)空氣層最高溫度;x為熱輻射強(qiáng)度值)。

圖7 消防頭盔面罩下空氣層最高溫度與熱輻射強(qiáng)度 關(guān)系曲線(xiàn)Fig.7 Relation curve between maximum temperature of air layer under the fire helmet mask and the thermal radiant intensity

同時(shí),從面罩材料吸熱和傳導(dǎo)的角度看,面罩內(nèi)表面與空氣層的對(duì)流傳熱及熱傳導(dǎo),是使面罩內(nèi)表面溫度始終與外表面溫度產(chǎn)生較大溫差的主要因素。

消防頭盔面罩在熱輻射環(huán)境下的力學(xué)性能即表面強(qiáng)度由其在不同熱輻射強(qiáng)度下的平均硬度數(shù)值表征,具體測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同熱輻射強(qiáng)度下不同時(shí)間消防頭盔面罩的平均硬度(HA)

由表3可知:試驗(yàn)前消防頭盔面罩硬度維持在70～80 HA;在熱輻射強(qiáng)度為2、5 kW/m2條件下,面罩硬度下降約4 HA,可見(jiàn)這兩種熱輻射強(qiáng)度條件對(duì)面罩表面強(qiáng)度無(wú)較大的影響。

本試驗(yàn)中利用照度計(jì)對(duì)試驗(yàn)前后消防頭盔面罩的透光性能進(jìn)行了分析,不同熱輻射強(qiáng)度下消防頭盔面罩照度的測(cè)試結(jié)果,見(jiàn)表4。

表4 試驗(yàn)前后消防頭盔面罩的照度對(duì)比

由表4中可知:

1) 試驗(yàn)前消防頭盔面罩正常照度值大多大于25 000 lx,最大值為29 550 lx,最小值為24 240 lx,最大差值為5 330 lx,平均波動(dòng)范圍為20%。

2) 經(jīng)熱輻射強(qiáng)度試驗(yàn)后,在熱輻射強(qiáng)度為2、5 kW/m2條件下,面罩均未起泡,未起泡處照度均在正常波動(dòng)范圍內(nèi),且最小值大于20 000 lx;相比而言,在熱輻射強(qiáng)度為7、10 kW/m2條件下,面罩均發(fā)生鼓泡,起泡處照度最大值為19 420 lx,最小值為2 699 lx,照度降低了30%～90%,根據(jù)我國(guó)消防頭盔標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的面罩性能指標(biāo)中無(wú)色透明面罩的可見(jiàn)光透光率應(yīng)≥85%[19],而面罩起泡處的可見(jiàn)光透光率明顯低于這一數(shù)值,所以起泡處人眼無(wú)法通過(guò)面罩清晰看到外部環(huán)境,造成面罩透視功能失效。

綜合上述試驗(yàn)現(xiàn)象,7 kW/m2的熱輻射強(qiáng)度下試驗(yàn)20 min后消防頭盔面罩發(fā)生鼓泡,此時(shí)面罩外表面溫度約為184 ℃,面罩表面硬度降至50～60 HA;10kW/m2的熱輻射強(qiáng)度下試驗(yàn)5 min后面罩發(fā)生鼓泡,面罩外表面溫度在188～198 ℃之間,面罩表面硬度降為26.4 HA,這表明強(qiáng)熱輻射的長(zhǎng)時(shí)作用使面罩材料接近熱變形溫度205 ℃[20],其表面強(qiáng)度及抗變形能力隨溫度的上升逐漸下降。結(jié)合圖5的面罩外觀變化圖可知,在7 kW/m2的熱輻射強(qiáng)度作用下,較小的起泡面積對(duì)于整體面罩光學(xué)性能的影響較小,但10 kW/m2的熱輻射強(qiáng)度作用下生成的近40 cm2變形面積使面罩起泡處平均照度相較于未起泡處平均照度降低了67%,其影響程度較高。

2.2 熱輻射環(huán)境下盔殼的性能變化

表5為不同熱輻射強(qiáng)度下盔殼各部位最高溫度和溫差,圖8給出了不同熱輻射強(qiáng)度下消防頭盔盔殼側(cè)面、背面和頂部?jī)?nèi)外溫度的變化曲線(xiàn)。

表5 不同熱輻射強(qiáng)度下消防頭盔盔殼各部位最高溫度和溫差

注:標(biāo)號(hào)1、2為盔殼表面溫度,標(biāo)號(hào)3、4 為盔內(nèi)頭部上方空氣腔的溫度。圖8 不同熱輻射強(qiáng)度下消防頭盔盔殼各部位溫度的變化曲線(xiàn)Fig.8 Temperature change curves of different parts of the fire helmet shell under different thermal radiant intensity

由圖8可以看出:

1) 消防頭盔盔殼側(cè)面、背面的外表面溫升曲線(xiàn)以及內(nèi)部空氣腔升溫曲線(xiàn)皆呈對(duì)數(shù)形式變化。由表5可知:盔內(nèi)最大溫差與盔殼外表面最大溫差在同熱輻射強(qiáng)度、不同輻射熱源接收面的偏差不超過(guò)5 ℃,同種熱輻射強(qiáng)度條件不同暴露源位置,盔內(nèi)溫升差距不大,但隨著熱輻射強(qiáng)度的增大,盔內(nèi)溫差增加。這是由于熱輻射長(zhǎng)時(shí)作用下,頭盔內(nèi)部帽箍、佩戴襯底、頂部滌綸織帶等部位的溫度顯著升高,內(nèi)部熱量積累導(dǎo)致盔內(nèi)溫度隨熱輻射強(qiáng)度的增大逐步增加,但由于盔殼處熱輻射強(qiáng)度較高、材質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)大,使其在強(qiáng)熱輻射作用下溫升速度更快,在強(qiáng)熱輻射作用下與盔殼表面盔內(nèi)溫度差異較大。大量的研究表明,當(dāng)人體皮膚表面溫度達(dá)到44 ℃以上便會(huì)發(fā)生燒傷,而當(dāng)人體皮膚溫度達(dá)到70 ℃時(shí),不可逆轉(zhuǎn)的損傷基本上立即發(fā)生。但由于靜止空氣的導(dǎo)熱系數(shù)小,可以減緩熱量通過(guò)盔殼向人體皮膚的傳遞[21],所以結(jié)合本試驗(yàn)結(jié)果,在5 kW/m2熱輻射強(qiáng)度作用下,盔內(nèi)最高溫度已超過(guò)55 ℃,根據(jù)熱暴露期間的溫升規(guī)律,前5 min內(nèi)頭盔內(nèi)溫度呈跳躍式增長(zhǎng),5 min后頭盔內(nèi)溫度對(duì)于消防人員的皮膚已經(jīng)可能產(chǎn)生燒傷,因此在實(shí)際救火過(guò)程中,當(dāng)盔內(nèi)溫度達(dá)到55 ℃、持續(xù)時(shí)間超過(guò)5 min時(shí),就會(huì)對(duì)消防員造成傷害。

2) 相同熱輻射環(huán)境下,頭盔盔殼側(cè)面、背面的盔內(nèi)溫度偏差顯著小于頂部熱輻射作用下盔內(nèi)溫度偏差,且側(cè)、背面盔內(nèi)溫升吻合情況在可接受范圍內(nèi)。這是由于盔殼改性尼龍的增韌對(duì)于內(nèi)部抗熱沖擊并無(wú)顯著改善能力,但佩戴頭盔的假人頭部上方空氣腔處填充的泡沫聚醚吸收了大量的輻射熱量,有效提高了頭盔頂部對(duì)熱源的抗沖擊能力,使其最低溫度偏差提高了10%～20%。

消防頭盔盔殼在熱輻射環(huán)境下的力學(xué)性能即表面強(qiáng)度由盔殼在不同熱輻射作用下的平均硬度值來(lái)表征,表6給出了不同熱輻射強(qiáng)度下消防頭盔盔殼頂部、側(cè)面和背面的平均硬度值,根據(jù)表6中數(shù)據(jù),繪制了時(shí)間-熱輻射強(qiáng)度-硬度三維坐標(biāo)圖,見(jiàn)圖9。

表6 不同熱輻射強(qiáng)度下不同時(shí)間消防頭盔盔殼各部位的平均硬度

圖9 消防頭盔盔殼各部位硬度-熱輻射強(qiáng)度-時(shí)間三維圖Fig.9 Three dimensional diagram of hardness-thermal radiant intensity-time of different parts of the fire helmet shell

由表6可知:試驗(yàn)前消防頭盔盔殼硬度值在65～73 HA之間,盔殼表面硬度變化趨勢(shì)與輻射熱流作用下面罩表面強(qiáng)度變化趨勢(shì)保持一致,皆隨熱輻射強(qiáng)度的增大而下降。

盔殼材料占據(jù)組成部件的90%,是頭盔提供防護(hù)性能的主要保障。與面罩在強(qiáng)熱輻射作用下起泡變形的變化不同,在4種不同熱輻射強(qiáng)度的強(qiáng)熱流持續(xù)作用30 min后盔殼不同部位硬度的平均值分別為63.3、43.3、37.3、11.7 HA(表6),其硬度隨著溫度的上升而降低,但其表觀變化除顏色變焦外,并未引起熱膨脹,且具有一定的韌性[22]。相同溫度下盔殼頂部硬度平均值略低于側(cè)面、背面的硬度平均值,這是由于硬度測(cè)量的隨機(jī)性和頭盔五面立體凹凸的特性,受力點(diǎn)的表面不均勻?qū)е缕骄?個(gè)測(cè)點(diǎn)的硬度誤差偏大,但整體規(guī)律性地展示了頭盔的硬度與溫度的非線(xiàn)性關(guān)系。

已有研究結(jié)果表明,長(zhǎng)時(shí)熱輻射下盔殼的熱學(xué)防護(hù)性能下降較多,可以考慮從消防頭盔盔殼的材料方面進(jìn)行改善,比如纖維復(fù)合材料不僅可以增強(qiáng)頭盔殼體材料的防護(hù)性能,而且能夠減小頭盔殼體材料的重量[23]。本試驗(yàn)中佩戴頭盔的假人頭部上方空氣腔溫度明顯低于盔殼內(nèi)其他方位的溫度,在不影響穿戴的情況下,可在頭盔內(nèi)其他方向適當(dāng)填充泡沫聚醚,以提高頭盔其他部位對(duì)熱源的防護(hù)能力,使頭盔兼具耐高溫性能和優(yōu)良的隔熱性能。

3 結(jié) 論

本文利用自主設(shè)計(jì)的高溫長(zhǎng)時(shí)熱輻射試驗(yàn)裝置,測(cè)試了2、5、7、10 kW/m24種熱輻射強(qiáng)度下消防頭盔面罩、盔殼的防護(hù)性能變化規(guī)律,研究了頭盔在熱災(zāi)害環(huán)境中的適應(yīng)性,得到結(jié)論如下:

1) 在7 kW/m2以上熱輻射強(qiáng)度作用下,溫度達(dá)到180～200 ℃時(shí)消防頭盔面罩開(kāi)始發(fā)生鼓泡,盔殼表觀在強(qiáng)熱輻射持續(xù)作用下僅顏色由明黃色變?yōu)樽睾谏?性能無(wú)明顯變化。

2) 消防頭盔的內(nèi)外溫差隨著熱輻射強(qiáng)度的增大而增加,但頭盔頂部填充的緩沖層材質(zhì)能顯著減少約10% 盔內(nèi)溫差,有效提高了頭盔頂部對(duì)熱源的抗沖擊能力,增強(qiáng)了消防頭盔的熱防護(hù)性能。

3) 消防頭盔盔殼表面硬度變化趨勢(shì)與熱輻射作用下面罩表面強(qiáng)度變化趨勢(shì)保持一致,皆隨熱輻射強(qiáng)度的增大而下降。在10 kW/m2熱輻射強(qiáng)度長(zhǎng)時(shí)作用下,消防頭盔面罩和盔殼的硬度皆降至10 HA以下,其力學(xué)防護(hù)性能失效。

4) 高熱輻射強(qiáng)度下消防頭盔面罩光學(xué)性能顯著降低,高溫下產(chǎn)生的起泡導(dǎo)致面罩透光率嚴(yán)重下降,達(dá)不到人眼可視范圍,而低熱輻射強(qiáng)度下,面罩透光性能變化較小。