王鴻博, 馬晶婧， 董維鋒， 喻爽， 黃丹青， 陳文婷

(1.江南大學(xué) 江蘇省功能紡織品工程技術(shù)研究中心，江蘇 無錫 214122；2.江南大學(xué) 生態(tài)紡織教育部重點試驗室，江蘇 無錫 214122)

消防服是集阻燃、隔熱、防水、透濕于一體的多功能熱防護服裝[1-4]，其面料由外向內(nèi)依次是阻燃外層、防水透氣層、隔熱層和舒適層[5]。一方面，消防服可以阻礙外界熱量向人體傳遞、減少皮膚燒傷，起到熱防護的作用，保護消防人員的生命安全；另一方面，它的4層結(jié)構(gòu)阻礙了液體和氣體向外及時傳遞，限制了服裝的導(dǎo)汗散熱能力，極易出現(xiàn)高溫高濕的服裝微環(huán)境[6]，影響人體的舒適感，導(dǎo)致人體熱應(yīng)激反應(yīng)，甚至引起燒傷或猝死，嚴(yán)重威脅消防人員的生命安全。

消防服的熱防護性能和舒適性能往往是相互牽制的。熱防護服的性能受織物厚度、面密度、經(jīng)緯密度等多種因素的影響[7]。LEE Y M[8]、王秀娟[9]、李紅燕等[10]研究發(fā)現(xiàn)影響織物防護性能的首要因素是織物的厚度，其次是面密度、體積密度、透氣性等。面料越厚重，體積密度越大，所含纖維越多，熱量越不易透過織物，二級燒傷時間越長，織物熱防護性能越好，但其舒適性能則越差；此外，織物透氣率、導(dǎo)熱性與熱防護性能具有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，且良好的透氣性有助于提高織物的舒適性。因此開發(fā)實現(xiàn)熱防護性能和熱濕舒適性能協(xié)調(diào)平衡的新型面料，已成為廣大學(xué)者的研究焦點。

文中選用4種市場上常用的消防服用外層面料作為研究對象，分別對其阻燃性能、熱防護性能等進(jìn)行對比研究，并探討厚度、面密度等基本參數(shù)對織物熱防護的影響規(guī)律，分析影響織物熱防護性能的因素。在此基礎(chǔ)上，綜合評價面料的熱防護性與阻燃、透氣等性能，從而找出兼具優(yōu)良熱防護性能與阻燃、透氣等性能的最佳工藝，為進(jìn)一步研制出熱防護性更高效、穿著性更舒適的消防服奠定基礎(chǔ)。

1 實驗

1.1 材料

1.1.1實驗樣品 4種消防服用外層面料，編號分別為1#(純黑色)，2#(大灰白)，3#(小灰白)，4#(灰黃色)，均由江蘇圣華盾防護科技股份有限公司提供。

1.1.2實驗儀器 #403-14型熱防護性能測試儀，美國Thermetrics公司制造；YG141型織物厚度儀、HD026N+型電子織物強力儀、Y511型織物密度鏡、YG416E-Ⅱ型自動織物透氣性儀、EL303型電子天平、YG815型垂直法織物阻燃性能測試儀，均由寧波紡織儀器廠制造。

1.2 實驗方法

1.2.1面料基本性能測試 在標(biāo)準(zhǔn)的溫濕度條件下，分別測試4種消防服用外層面料的基本性能參數(shù)，如織物的厚度、面密度等，測試結(jié)果見表1。

表1 織物參數(shù)

1.2.2面料阻燃性能測試 根據(jù)GB/T 5455—1997，使用織物阻燃性能測試儀對4種消防服外層面料進(jìn)行垂直燃燒實驗測定，探究面料的阻燃性能。

實驗步驟如下所示：打開箱門將尺寸為80 mm×300 mm的外層面料放入試樣框夾中，將框夾垂直懸掛于箱中央。關(guān)門設(shè)置點火時間為12 s，按住點火開關(guān)，待火焰點然后合理調(diào)整火焰高度。按“始動”按鈕后，燃燒器移動至試樣懸掛位置，12 s后燃燒停止并復(fù)位，續(xù)燃自動計時，觀察試樣至無續(xù)燃時，按續(xù)燃停止按鈕，則陰燃自動計時，待無陰燃時按“陰燃停止”按鈕，陰燃計數(shù)停止。多次實驗，測量織物損毀長度和質(zhì)量損失率，結(jié)果取其平均值。

1.2.3面料透氣性能測試 依據(jù)GB/T 5453—1997，利用自動織物透氣性儀進(jìn)行透氣性測試，測試前選取無拉伸、折痕與疵點的4種外層面料各1塊(足夠大)，進(jìn)行預(yù)調(diào)濕處理，溫度為20 ℃，在相對濕度65 %的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓環(huán)境中達(dá)到平衡，耗時大于24 h。

其中1#,2#和4#面料的實驗條件為：口徑0.8 cm，壓差100 Pa，測試面積20 cm2。3#小灰白面料的實驗條件為：口徑1.2 cm，壓差100 Pa，測試面積20 cm2。分別對4塊外層面料進(jìn)行5次實驗測試，記錄數(shù)據(jù)，取其平均值，結(jié)果見表1。

1.2.4面料熱防護性能原理 熱防護性能測試真實模擬火場環(huán)境中熱輻射和熱對流的混合效果，TPP值為評價消防服熱防護性能的綜合指標(biāo)，常用于建筑火災(zāi)領(lǐng)域等緊急情況下的測試[12]。熱防護性能測試裝置如圖1所示。

注:1 銅片熱流計；2 試樣固定器組件；3 試樣；4 傳感器支撐結(jié)構(gòu)；5 用于暴露控制的隔熱遮板；6 對流熱源；7 輻射熱源。圖1 TPP測試裝置Fig.1 TPP testing equipment

圖1中儀器設(shè)有自動化裝置，控制試樣暴露及遠(yuǎn)離熱源；同時設(shè)有循環(huán)水冷裝置降低溫度。該儀器設(shè)有雙重?zé)嵩?，即一個輻射熱源和兩個對流熱源，模擬火場環(huán)境中輻射熱和對流熱。對流熱源為兩個呈一定安裝角度的火焰發(fā)生裝置，對稱放置在樣品下方，通過連接丙烷氣筒發(fā)生火焰；輻射熱源由9個水平排列的紅外石英燈管(500 W，240 VAC)組成。在樣品上方放置一溫度傳感器組件，模擬服裝與人體皮膚的接觸；通過該組件測試樣品溫度變化，模擬人體皮膚表面溫度變化。通過數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)記錄描繪試樣的溫度變化曲線，并將該曲線與Stoll 標(biāo)準(zhǔn)曲線相比較，兩曲線的交點所對應(yīng)橫坐標(biāo)的數(shù)值即為達(dá)到二級燒傷的時間t。

1.2.5面料熱防護測試方法 根據(jù)GA 10—2014《消防員滅火防護服》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：測試時，樣品尺寸為(150±2) mm×(150±2) mm(不含接縫部位)，對同種外層面料需重復(fù)測試至少3次，實驗織物表面的熱流量設(shè)定在(83±2)kW/m2，熱暴露時間設(shè)定為30 s。測試前需進(jìn)行調(diào)濕處理：在溫度(20±2)℃，相對濕度(65±4)%的恒溫恒濕箱中24 h，拿出后3 min內(nèi)進(jìn)行測試。熱防護性能表達(dá)式為

αTPP=t×q

(1)

式中:αTPP為熱防護系數(shù)，單位kW·s/m2；q為暴露熱通量，單位kW/m2；t為二度燒傷的時間，單位s。

從式(1)可看出：熱防護系數(shù)αTPP越大，達(dá)到二級燒傷時間t越長，面料熱防護性能越好；反之，則越差。

2 結(jié)果與討論

2.1 面料阻燃性能

4種外層面料垂直燃燒法的測試結(jié)果見表2。

表2 織物垂直燃燒法測試結(jié)果

由表2可知,4種外層面料都不阻燃及不續(xù)燃，損毀長度均小于100 mm，符合GA 10—1024，其中,損毀長度由大到小依次為1#>3#>2#>4#；此外，損毀質(zhì)量和質(zhì)量損失率均為：1#>3#>2#>4#；且4#面料燃燒后收縮較小。由此表明，4#面料的阻燃性能最佳，2#面料次之，3#面料較差，1#面料燃燒后收縮較大，阻燃性能最差。

綜上所述,這4種外層面料的阻燃性能均符合GA 10—2014對消防服外層織物的規(guī)定，其中較為理想的阻燃外層面料為4#面料。

2.2 面料熱防護性能

織物熱防護性能測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 織物熱防護性能 Fig.2 Thermal protection histogram of fabric

由圖2可以看出，這4種外層面料的熱防護性能αTPP：2#>4#>3#>1#;二級燒傷時間：2#>4#>3#>1#,其中，二級燒傷時間越長，織物熱防護性能αTPP越大，織物熱防護性能越好。

綜上，2#面料的二級燒傷時間最長，織物熱防護性能αTPP最大，織物熱防護性能最好；4#面料次之，3#和1#面料熱防護性能較差，其中1#面料的二級燒傷時間最短，織物熱防護性能αTPP最小，織物熱防護性能最差。結(jié)合表1中對織物基本性能的測試發(fā)現(xiàn)面料的厚度和面密度對其熱防護性能有重要影響：隨著厚度和面密度的增大，熱防護性能TPP值相應(yīng)增大，面料的熱防護性能提高。此外，面料的阻燃性能與其熱防護性能也密切相關(guān)，其阻燃性能越好，面料相應(yīng)的熱防護性能越好。

2.3 面料透氣性能

織物的透氣性是以透氣率表示。透氣率越大，織物透氣性越好，反之，則越差。由表1可以看出，3#面料的透氣率最大，透氣性能最好；1#和2#次之；而4#面料的透氣率最小，透氣性能最差；但1#、2#和4#透氣性能相差不大。這可能與面料本身的厚度、面密度等性能相關(guān)，面料厚度越厚，面密度越大，緊密程度越大，其相應(yīng)的透氣率減小，透氣性能下降，舒適性變差。

2.4 面料綜合性能評價

運用綜合評價法對4種外層面料的阻燃性能f1(x)、熱防護性能f2(x)和透氣性能f3(x)進(jìn)行綜合評價。其中，面料的阻燃性能f1(x)、熱防護性能f2(x)和透氣性能f3(x)的數(shù)值越大，織物相應(yīng)的阻燃性、熱防護性及透氣性越好，即織物綜合性能f(x)值越大，織物綜合性能越好。面料綜合性能表達(dá)式為

(2)

式中：f(x)為綜合性能值；fi(x)為各項性能指標(biāo)值；Wi為fi(x)的加權(quán)因子。

其計算方法如下：假設(shè)已知某指標(biāo)的變動范圍

αi≤fi(x)≤βi,

令

Δfi(x)=-(αi-βi)/2,

則該項指標(biāo)的加權(quán)因子為

Wi=1/(Δfi(x))2,

其值的大小決定了目標(biāo)函數(shù)的數(shù)量級重要程度。

經(jīng)計算W1=240.370；W2=1.003；W3=0.004。

由此推斷，面料的性能指標(biāo)重要程度為：阻燃性能>熱防護性能>透氣性能。面料綜合性能計算結(jié)果見表3。

由表3可知，4種面料的綜合性能值：4#>2#>3#>1#。這表明在這4種外層面料中，4#面料的熱防護性能僅次于2#面料和透氣性能一般，但其阻燃性能最好，面料綜合性能最好；2#面料的熱防護性能最好，但其阻燃性能和透氣性能較差，面料綜合性能次之；1#和3#面料的綜合性能較差，且1#面料的阻燃性能、熱防護性能和透氣性能均較差，面料相應(yīng)的綜合性能最差。

表3 面料綜合性能測試

注：面料的阻燃性能用其損毀長度的倒數(shù)表示，其值越大，面料阻燃性能越好。

3 結(jié)語

通過對4種外層面料的阻燃性能、熱防護性能、透氣性能等的研究發(fā)現(xiàn)：4#面料的損毀長度最小，損毀質(zhì)量和質(zhì)量損失率也均為最小，其阻燃性能最好；2#面料的二級燒傷時間最長，αTPP最大，其熱防護性能最好；3#面料的透氣率最大，其透氣性能最好。此外，通過綜合性能評價發(fā)現(xiàn)這4種面料中，4#面料的綜合性能值最大，其綜合性能最佳，在這4種面料中，最適宜做消防服的外層面料。