李俊， 管曼好

(1.東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，上海 200051；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)

應(yīng)急救援人員和軍隊(duì)士兵在執(zhí)行任務(wù)時(shí)往往會(huì)受到火焰、輻射、高溫液體、高溫蒸汽、熔融金屬液滴、有害化學(xué)液體和毒氣等傷害。為保護(hù)作業(yè)個(gè)體的安全，需穿著特定的功能防護(hù)服裝，佩戴特定裝備。熱防護(hù)服裝作為功能防護(hù)服裝的重要類(lèi)別，是在極端熱環(huán)境下和應(yīng)急救援中保障作業(yè)人員生命安全及有效執(zhí)行任務(wù)的關(guān)鍵裝備。熱防護(hù)服裝泛指在火災(zāi)、高溫工業(yè)場(chǎng)所等熱危害環(huán)境下保護(hù)人體皮膚免受燒傷的服裝，主要用來(lái)減緩環(huán)境向人體皮膚傳遞熱量的速度，延緩皮膚產(chǎn)生燒傷的時(shí)間。熱防護(hù)服裝一般具有防火、隔熱、耐磨、耐折、阻燃、反輻射熱等特性，廣泛應(yīng)用于作戰(zhàn)、反恐、消防、應(yīng)急救援等場(chǎng)合以及石油化工、冶金、天然氣、食品加工等行業(yè)。

1 熱防護(hù)服裝構(gòu)成

1.1 阻燃纖維

熱防護(hù)服裝纖維的主要特征之一是具有高阻燃性[1-3]。纖維的阻燃性可用燃燒所需最小含氧量，即極限氧指數(shù)(limiting oxygen index，LOI)表達(dá)。如果纖維的極限氧指數(shù)大于21%，則該纖維稱(chēng)為阻燃纖維。根據(jù)纖維阻燃特性的形成方法，阻燃纖維可分為常規(guī)阻燃纖維和本質(zhì)阻燃纖維[2, 4]。常規(guī)阻燃纖維是在纖維制造過(guò)程中，利用共聚、共混、皮芯復(fù)合紡絲或接枝共聚等改性方法，將阻燃劑加入到普通纖維中，以提高纖維阻燃性能[4]。常規(guī)阻燃纖維原材料易得、生產(chǎn)簡(jiǎn)便且成本較低。但長(zhǎng)期來(lái)看，尤其在重復(fù)洗滌后，常規(guī)阻燃纖維阻燃性不穩(wěn)定，且在燃燒過(guò)程中會(huì)釋放有毒氣體[2]。本質(zhì)阻燃纖維是通過(guò)在合成纖維高聚物分子鏈中引入苯環(huán)或者芳雜環(huán)來(lái)提高纖維熱裂解溫度，增強(qiáng)合纖高聚物大分子本身的熱穩(wěn)定性能[5]，具有較好的高溫穩(wěn)定性和不易發(fā)生熔融滴落等優(yōu)點(diǎn)。本質(zhì)阻燃纖維適用于建筑火災(zāi)救援的熱防護(hù)服裝。由于常規(guī)阻燃纖維的極限氧指數(shù)(28.4%～35%)大多顯著低于本質(zhì)阻燃纖維的極限氧指數(shù)(32%～98%)[2]，且無(wú)法自動(dòng)熄滅，因此常規(guī)阻燃纖維不適用于高強(qiáng)度火災(zāi)環(huán)境，而通常用于野火救援或交通救援熱防護(hù)服裝中。

1.2 熱防護(hù)織物

熱防護(hù)服裝可分為單層熱防護(hù)服裝、雙層熱防護(hù)服裝和多層熱防護(hù)服裝。單層熱防護(hù)服裝由單層阻燃隔熱材料構(gòu)成。多層熱防護(hù)服裝在不同的國(guó)家有不同標(biāo)準(zhǔn)，美國(guó)建筑物火災(zāi)滅火防護(hù)服裝標(biāo)準(zhǔn)NFPA 1971—2018規(guī)定其由外到內(nèi)包括最外層、防水透氣層和隔熱層；中國(guó)國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)消防員滅火防護(hù)服GA 10—2014規(guī)定其由外到內(nèi)包括最外層、防水透氣層、隔熱層和舒適層。多層熱防護(hù)服裝最外層織物通常為機(jī)織織物，由于其直接接觸火焰等熱災(zāi)害環(huán)境，因此需具備阻燃隔熱、高溫穩(wěn)定和無(wú)熔融滴落等性能，此外也需具備足夠的抗切割、撕裂、刺穿和耐磨性能，并具備相應(yīng)的色牢度等[6-7]。防水透氣層既要防止高溫液體、高溫氣體和蒸汽等穿透防護(hù)層，也要允許人體的汗氣通過(guò)服裝系統(tǒng)排至環(huán)境中，以保證人體的熱平衡[7]。隔熱層主要用于減緩環(huán)境向人體熱傳遞的速度，同時(shí)保證汗液及時(shí)散發(fā)到體外，防止熱蓄積的產(chǎn)生[7]。

1.3 熱防護(hù)服裝

根據(jù)環(huán)境熱危害類(lèi)型，可將熱防護(hù)服裝分為單層阻燃防護(hù)服、多層滅火防護(hù)服、熱輻射防護(hù)服、高溫液體防護(hù)服及高溫蒸汽防護(hù)服等若干類(lèi)。此外為應(yīng)對(duì)熱危害，也有研究人員對(duì)智能降溫防護(hù)服進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

阻燃、滅火防護(hù)服是熱防護(hù)服裝中最常見(jiàn)的類(lèi)型。單層阻燃防護(hù)服主要用于有潛在明火危險(xiǎn)的施工環(huán)境，要求服裝面料具有良好的阻燃性能和高溫隔熱性能。多層滅火防護(hù)服主要用于火災(zāi)救援場(chǎng)所，主要作用是隔絕或減少環(huán)境向人體的熱量傳遞，從而使人體處于可承受的溫度變化范圍內(nèi)，為解救受困人員提供足夠時(shí)間。

熱輻射防護(hù)服通常采用表面鍍鋁且具有高反射率的織物，但鍍鋁織物不適用于存在明火的熱災(zāi)害環(huán)境，而適用于作業(yè)人員與火災(zāi)相隔一定距離的熱輻射環(huán)境。多層滅火防護(hù)服在熱輻射環(huán)境中也同樣適用，目前針對(duì)熱輻射環(huán)境的研究也主要針對(duì)這類(lèi)防護(hù)服裝展開(kāi)。

高溫液體和蒸汽易穿透服裝并釋放大量熱量，從而造成皮膚損傷，因此減小液體和蒸汽穿透力是高溫液體和蒸汽防護(hù)的主要要求之一。同時(shí)，在高溫液體和蒸汽暴露過(guò)程中，熱防護(hù)面料會(huì)吸收大量液體，而這些液體在冷卻階段也會(huì)不斷向皮膚釋放熱量，因此降低液體吸收和傳遞能力也是此類(lèi)熱防護(hù)服裝必須具備的條件[7]。

2 熱防護(hù)服裝研究現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，熱防護(hù)服裝的主要研究方向之一是熱防護(hù)服裝與其織物的性能評(píng)價(jià)，以及性能所涉及相應(yīng)機(jī)制的探索。性能評(píng)價(jià)主要涉及熱防護(hù)性能評(píng)價(jià)、熱生理性能評(píng)價(jià)及工效性能評(píng)價(jià)。

2.1 熱防護(hù)性能

熱防護(hù)性能是指服裝或織物阻止環(huán)境熱量向人體進(jìn)行傳遞的性能。熱防護(hù)性能包括阻燃性能和熱傳遞性能，其中熱傳遞性能為通常狹義所指的熱防護(hù)性能，其測(cè)評(píng)主要以皮膚燒傷為生理基礎(chǔ)，通常由熱暴露環(huán)境下皮膚產(chǎn)生二級(jí)燒傷的時(shí)間進(jìn)行表征，皮膚達(dá)到二級(jí)燒傷所需時(shí)間越長(zhǎng)，熱防護(hù)服裝或織物的熱防護(hù)性能越好。當(dāng)前對(duì)熱防護(hù)服裝或織物的性能測(cè)評(píng)和研究主要針對(duì)熱防護(hù)性能。

對(duì)材料熱防護(hù)性能的評(píng)價(jià)主要針對(duì)明火和輻射條件，包括對(duì)流輻射混合熱暴露、輻射熱暴露以及冷卻階段壓縮等條件下的熱防護(hù)性能評(píng)價(jià)。近年來(lái)，隨著熱防護(hù)性能測(cè)評(píng)設(shè)備的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，對(duì)熱防護(hù)性能的評(píng)價(jià)也拓展至高溫液體和高溫蒸汽等熱暴露環(huán)境下[8-10]。相比針對(duì)明火、輻射等較為成熟的織物熱防護(hù)性能評(píng)價(jià)體系，針對(duì)高溫液體和高溫蒸汽等熱暴露下的織物熱防護(hù)性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和研究較少。高溫液體熱防護(hù)性能測(cè)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)有ASTM F2701-08[11]，高溫蒸汽熱防護(hù)性能測(cè)評(píng)尚未出臺(tái)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。服裝熱防護(hù)性能的研究環(huán)境主要為閃火環(huán)境[12-14]，部分研究涉及高溫液體噴濺環(huán)境[15-16]。

常用的對(duì)流和輻射熱暴露下熱防護(hù)服裝和織物熱防護(hù)性能測(cè)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1[17-26]。由于在實(shí)際熱危害環(huán)境中，熱防護(hù)服裝所面臨的熱暴露情況十分復(fù)雜，單一實(shí)驗(yàn)不能模擬實(shí)際影響熱防護(hù)服裝熱防護(hù)性能的全部因素。在現(xiàn)階段的熱防護(hù)性能測(cè)評(píng)方法中，環(huán)境因素只考慮特定熱源的影響，測(cè)試時(shí)對(duì)熱源性質(zhì)和強(qiáng)度進(jìn)行模擬，通過(guò)熱流傳感器計(jì)量特定熱暴露下到達(dá)人體皮膚的熱流量。

表1 熱防護(hù)服裝對(duì)流、輻射熱暴露下熱防護(hù)性能測(cè)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)

Tab.1 Evaluation standards for thermal protective performance of thermal protective clothing under convective and radiant heat exposure

測(cè)試對(duì)象標(biāo)準(zhǔn)號(hào)標(biāo)準(zhǔn)名熱暴露類(lèi)型熱流密度/(kW/m2)評(píng)價(jià)指標(biāo)織 物ASTM F2700—08持續(xù)熱暴露下服用阻燃織物非穩(wěn)態(tài)熱傳遞評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法50%輻射熱、50%對(duì)流熱84±2熱傳遞性能ASTM F1939—2015持續(xù)熱暴露下服用阻燃織物輻射熱阻標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法輻射熱84±2,21±2輻射熱阻ASTM F2731—2018消防服裝系統(tǒng)熱傳遞及熱蓄積標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法輻射熱8.5±0.5測(cè)試時(shí)間,燒傷程度ASTM F2703-08考慮皮膚燒傷下服用阻燃織物非穩(wěn)態(tài)熱傳遞評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法50%輻射熱、50%對(duì)流熱84±2熱性能評(píng)估ASTM F2702—2015考慮皮膚燒傷下服用阻燃織物輻射熱性能標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法輻射熱84±2,21±2輻射熱性能ISO 9151—2016隔熱防火防護(hù)服———火焰暴露下熱傳遞評(píng)估對(duì)流熱80熱傳遞指標(biāo)ISO 6942—2002防護(hù)服———隔熱防火———輻射熱暴露下材料和材料系統(tǒng)評(píng)估方法輻射熱5～80熱傳遞因子ISO 17492—2003防熱、火服裝———火焰和輻射熱暴露下熱傳遞評(píng)估50%輻射熱、50%對(duì)流熱80±2熱臨界指標(biāo),熱傳遞指標(biāo)服 裝ASTM F1930—2018使用假人評(píng)估阻燃服裝防火性能標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法對(duì)流熱84±4.2預(yù)測(cè)2/3級(jí)燒傷百分比、總燒傷百分比等ISO 13506-1—2017隔熱防火防護(hù)服———第一部分:完整服裝測(cè)試方法———使用假人測(cè)量傳遞能量對(duì)流熱84±4.2總傳遞能量、能量傳遞系數(shù)等

2.1.1織物熱防護(hù)性能 織物熱防護(hù)性能包括織物阻燃性能和熱傳遞性能。目前研究的熱傳遞性能主要針對(duì)熱暴露階段織物對(duì)環(huán)境熱量的隔熱性能，部分研究開(kāi)始關(guān)注織物儲(chǔ)存的熱量在熱暴露停止后冷卻階段向皮膚進(jìn)行釋放的性能，稱(chēng)為蓄熱性能。

1)阻燃性能。阻燃性能是保證良好熱防護(hù)性能的基礎(chǔ)，阻燃性能好的織物在熱環(huán)境中不易發(fā)生自身燃燒，可以避免織物從保護(hù)層轉(zhuǎn)變?yōu)閭υ?。常用的阻燃性能測(cè)試方法包括垂直燃燒法、45°傾斜法和極限氧指數(shù)法。這3種測(cè)試方法雖然可以評(píng)價(jià)織物的阻燃能力，但是用于服用織物熱防護(hù)性能評(píng)價(jià)時(shí)，具有難以評(píng)價(jià)多層織物系統(tǒng)以及未考慮人體燒傷的局限性。

2)隔熱性能。當(dāng)織物具有相似的阻燃性能時(shí)，隔熱性能好的織物可以更有效地阻止或減緩熱對(duì)流、熱輻射和熱傳導(dǎo)的熱量傳遞。19世紀(jì)70年代，有學(xué)者基于Stoll人體皮膚二級(jí)燒傷的燒傷準(zhǔn)則，提出使用熱防護(hù)性能(thermal protective performance, TPP)測(cè)試裝置測(cè)試織物的熱傳遞性能[27]?；赥PP測(cè)試方法，ASTM及ISO等標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)制定了一系列不同熱暴露環(huán)境下的織物熱防護(hù)性能測(cè)試方法。但這類(lèi)評(píng)測(cè)方法僅考慮織物在熱暴露階段的隔熱性能，而未將冷卻階段織物可能釋放的熱量考慮在內(nèi)[28]。

3)蓄熱性能。在熱暴露階段熱防護(hù)織物內(nèi)若蓄積了大量熱量，在其離開(kāi)熱源的一段時(shí)間內(nèi)，會(huì)繼續(xù)向人體釋放其內(nèi)部蓄積的能量，從而造成燒傷。基于對(duì)熱暴露結(jié)束后冷卻階段織物熱蓄積因素的考量，ASTM機(jī)構(gòu)制定了ASTM F2703—2008[20]和ASTM F2702—2015[21]標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)涵蓋冷卻階段的織物熱防護(hù)性能進(jìn)行評(píng)估。

基于已有測(cè)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)影響織物熱防護(hù)性能的因素開(kāi)展了大量實(shí)驗(yàn)研究，并對(duì)織物熱濕傳遞過(guò)程建立數(shù)學(xué)模型，借助模型對(duì)織物熱濕傳遞過(guò)程的影響因素進(jìn)行參數(shù)化研究，其影響因素包括熱源的性質(zhì)和強(qiáng)度、水分、纖維的類(lèi)型和成分、織物的性質(zhì)(結(jié)構(gòu)參數(shù)、熱物性等)和變形以及空氣層等[29-33]。研究中對(duì)環(huán)境因素的考量，由單一危害因素防護(hù)逐漸向多種危害因素綜合防護(hù)轉(zhuǎn)變。例如，由只考慮對(duì)流暴露，到綜合評(píng)估對(duì)流、輻射、傳導(dǎo)、蒸汽、高溫液體暴露等不同條件下影響織物熱防護(hù)性能的因素[34]；由研究單次危險(xiǎn)環(huán)境暴露，到分析不同環(huán)境的重復(fù)暴露對(duì)防護(hù)服使用壽命的影響[35-36]。

2.1.2服裝熱防護(hù)性能 20世紀(jì)60年代，美國(guó)空軍研究所開(kāi)發(fā)了第一個(gè)男性燃燒假人以進(jìn)行燒傷評(píng)估[37]。20世紀(jì)80—90年代，燃燒假人系統(tǒng)陸續(xù)在多個(gè)研究機(jī)構(gòu)建立，如美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)[38]、加拿大阿爾伯特大學(xué)[39]和美國(guó)北卡州立大學(xué)[40]。隨后，美國(guó)伍斯特理工學(xué)院[41]、瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)研究所[42]等研究機(jī)構(gòu)也對(duì)燃燒假人測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了研究，部分燃燒假人系統(tǒng)如圖1所示。另外，東華大學(xué)也利用燃燒假人“東華火人”對(duì)動(dòng)態(tài)人體的熱防護(hù)服裝熱防護(hù)性能開(kāi)展測(cè)評(píng)工作[28]。東華大學(xué)燃燒假人系統(tǒng)如圖2所示。

圖1 國(guó)外燃燒假人系統(tǒng)Fig.1 Foreign flame test manikin system

圖2 東華大學(xué)燃燒假人系統(tǒng)Fig.2 Flame test manikin system at Donghua University

隨著燃燒假人測(cè)試系統(tǒng)的建立，ASTM和ISO機(jī)構(gòu)分別制定了ASTM F1930—2018[25]和ISO 13506-1—2017[26]標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一規(guī)范使用燃燒假人測(cè)評(píng)服裝熱防護(hù)性能的方法。測(cè)評(píng)方法包括燒傷預(yù)測(cè)百分比、燒傷預(yù)測(cè)分布圖及總傳遞能量值等。

現(xiàn)階段基于燃燒假人系統(tǒng)的服裝熱防護(hù)性能研究主要針對(duì)單層熱防護(hù)服裝，包括單層熱防護(hù)服材料性能、服裝尺寸、衣下空氣層(包含熱收縮后)及燃燒性狀與服裝熱防護(hù)性能的關(guān)系等[43-46]。此外，有研究人員對(duì)織物和服裝的熱防護(hù)性能進(jìn)行了綜合研究，基于平板測(cè)試和燃燒假人測(cè)試，提出最大衰減因子作為定量評(píng)估熱防護(hù)性能的指標(biāo)，使得平板測(cè)試和燃燒假人測(cè)試的結(jié)果可用同一指標(biāo)進(jìn)行比較[47]。

2.2 熱生理性能

熱防護(hù)服裝在提供熱、機(jī)械等防護(hù)的同時(shí)，會(huì)對(duì)使用者施加額外的熱應(yīng)力。受高溫環(huán)境、高強(qiáng)度工作和厚重服裝等因素的影響，人體會(huì)產(chǎn)生大量代謝熱量。若熱防護(hù)服裝對(duì)人體的熱量散失產(chǎn)生阻礙，那么熱量會(huì)蓄積在人體內(nèi)，使人體產(chǎn)生核心體溫升高等熱應(yīng)激反應(yīng)，甚至導(dǎo)致個(gè)體休克、死亡。在消防員致死事故中，由于核心體溫升高引發(fā)心血管病變所導(dǎo)致的死亡率最高[48-49]。

服裝對(duì)人體熱生理表現(xiàn)的影響較復(fù)雜，影響因素包括服裝熱濕傳遞特征、服裝質(zhì)量和服裝體積等。因此，熱防護(hù)服裝在達(dá)到熱防護(hù)性能的同時(shí)，也需滿足人體熱生理性能的要求。參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 11092—2014對(duì)服裝熱生理性能的定義，文中所討論的熱防護(hù)服裝的熱生理性能為熱量和水分由人體通過(guò)服裝向環(huán)境散失的能力?，F(xiàn)階段，對(duì)熱防護(hù)服裝熱生理性能的研究一般包括對(duì)熱防護(hù)織物和服裝的熱生理性能評(píng)估，即對(duì)織物或服裝在常規(guī)環(huán)境下熱濕傳遞性能進(jìn)行表征，如熱阻、濕阻和總熱量散失，并研究影響熱生理性能的因素。熱防護(hù)織物及服裝熱生理性能測(cè)評(píng)的常用標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。受標(biāo)準(zhǔn)所采用的環(huán)境條件等因素限制，表2標(biāo)準(zhǔn)中的指標(biāo)可能不能合理反映出火場(chǎng)等高溫環(huán)境下熱防護(hù)服裝的熱濕傳遞性能及其所引起的人體熱生理反應(yīng)[50-52]。因此有學(xué)者對(duì)標(biāo)準(zhǔn)條件下測(cè)得的織物、服裝熱生理性能指標(biāo)對(duì)高溫環(huán)境下人體生理熱應(yīng)激的預(yù)測(cè)能力進(jìn)行研究[53]。此外，針對(duì)熱防護(hù)個(gè)體在熱環(huán)境中可能存在的熱應(yīng)激反應(yīng)，也有研究人員提出了多種減少熱應(yīng)激的手段，并對(duì)相應(yīng)手段進(jìn)行評(píng)估[54-58]。

表2 熱防護(hù)服裝熱生理性能測(cè)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)

2.2.1織物熱生理性能 織物熱生理性能的客觀評(píng)測(cè)指標(biāo)主要包括織物的熱阻和濕阻等，一般通過(guò)出汗熱平板測(cè)量獲得。織物熱阻指織物將人體的干態(tài)熱量(較高溫度)以傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射的方式向環(huán)境(較低溫度)進(jìn)行傳遞時(shí)的阻力?？椢锏臐褡柚缚椢飳⑺魵庥扇梭w表面(飽和水蒸氣壓)向環(huán)境(較低水蒸氣壓)進(jìn)行傳遞時(shí)的阻力。

以往學(xué)者的研究主要是測(cè)量織物在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下的熱阻、濕阻、透氣性和水蒸氣滲透率等指標(biāo)，以表征織物熱濕傳遞等性能，并研究纖維類(lèi)型、織物結(jié)構(gòu)和基本參數(shù)(如厚度、面密度)、材料老化等因素對(duì)織物熱濕傳遞性能的影響[59-63]。也有研究人員利用人體-服裝-環(huán)境模擬器研究熱防護(hù)服裝多層織物系統(tǒng)在不同溫度和相對(duì)濕度環(huán)境下的熱濕傳遞[64]。

2.2.2服裝熱生理性能 服裝熱生理性能的客觀評(píng)測(cè)指標(biāo)包括服裝的熱阻和濕阻，兩者定義與織物熱阻和濕阻的定義相同，通常采用暖體假人進(jìn)行測(cè)評(píng)獲得。GAO C等[65]采用瑞典隆德大學(xué)假人Tore、香港理工大學(xué)假人Walter和美國(guó)西北公司假人Newton等不同類(lèi)型的暖體假人，對(duì)防護(hù)服裝在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下的熱阻和濕阻進(jìn)行測(cè)評(píng)，分析不同假人測(cè)試結(jié)果之間的差異。考慮到實(shí)際作業(yè)環(huán)境下，作業(yè)人員會(huì)受到熱輻射暴露的影響，歐盟ThermProtect項(xiàng)目通過(guò)在氣候艙內(nèi)設(shè)置輻射熱源模擬熱輻射暴露，利用暖體假人對(duì)單層、雙層和多層防護(hù)服的熱傳遞進(jìn)行測(cè)量，分析了服裝阻值、反射率和內(nèi)衣潤(rùn)濕等因素對(duì)熱傳遞的影響[50]。WANG Y等[66]通過(guò)人體實(shí)驗(yàn)評(píng)估了內(nèi)外服裝組合對(duì)消防服熱濕舒適等級(jí)的影響，對(duì)常規(guī)環(huán)境下(28 ℃和15 ℃)著裝人體心肺指標(biāo)、衣下微環(huán)境的溫度和相對(duì)濕度以及主觀感覺(jué)進(jìn)行評(píng)估，分析了不同材質(zhì)內(nèi)衣對(duì)服裝總體舒適性能的影響。此外，張向輝等[67]指出可通過(guò)優(yōu)化熱防護(hù)服裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)有效促進(jìn)人體的熱濕平衡，提高著裝舒適性。常見(jiàn)暖體假人系統(tǒng)如圖3所示[68-69]。

2.2.3冷卻手段 針對(duì)熱防護(hù)個(gè)體在熱環(huán)境下可能遇到的熱應(yīng)激問(wèn)題，學(xué)者們對(duì)相應(yīng)冷卻手段進(jìn)行了開(kāi)發(fā)，并對(duì)其有效性進(jìn)行了評(píng)估。開(kāi)發(fā)的冷卻手段包括相變降溫背心[54]、通風(fēng)服[55]、超吸水材料[56]、氣凝膠涂層整理[57]以及風(fēng)扇預(yù)冷卻[58]等。

2.3 工效性

除熱防護(hù)性能和熱生理性能外，也應(yīng)考慮熱防護(hù)服裝的人體工效學(xué)因素，如穿脫方便性、動(dòng)作靈活性等。熱防護(hù)服裝可以對(duì)熱、機(jī)械等多重危害提供防護(hù)，但服裝的質(zhì)量和體積可能會(huì)限制人體活動(dòng)，增加肌肉應(yīng)力[70-73]，從而增加人體能量消耗，并影響人的工作表現(xiàn)[74]。研究結(jié)果表明，在熱防護(hù)服裝、頭盔、呼吸器和消防靴等熱防護(hù)裝備中，熱防護(hù)服裝是影響消防員能量消耗程度的重要因素之一[75]。

科研人員基于活動(dòng)角(range of motion,ROM)[70-73, 76]和動(dòng)作捕捉儀[77-78]研究了熱防護(hù)服裝對(duì)人體活動(dòng)性的影響。一些研究探討了新型消防服[70]和局部服裝設(shè)計(jì)特征[72]對(duì)人體活動(dòng)性的影響。研究表明，可通過(guò)優(yōu)化防護(hù)服裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增加動(dòng)作活動(dòng)范圍，提高動(dòng)作靈活性。但目前對(duì)于防護(hù)服裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究尚缺乏系統(tǒng)的理論體系[67]。

3 熱防護(hù)服裝發(fā)展趨勢(shì)

中國(guó)在高性能多功能熱防護(hù)服裝開(kāi)發(fā)及產(chǎn)業(yè)化方面需提供基礎(chǔ)理論支撐與集成設(shè)計(jì)新技術(shù)，要在高性能面料開(kāi)發(fā)、服裝構(gòu)成設(shè)計(jì)、服裝性能評(píng)價(jià)等基本理論研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開(kāi)展原創(chuàng)性的科學(xué)研究，建立高性能多功能熱防護(hù)服裝研發(fā)基礎(chǔ)理論體系。此外，熱防護(hù)服裝的發(fā)展還要加強(qiáng)研究機(jī)構(gòu)與產(chǎn)業(yè)界的密切合作，針對(duì)多重危害環(huán)境展開(kāi)研究，盡快將高性能、智能型材料和現(xiàn)代高新技術(shù)結(jié)合應(yīng)用于新型高性能熱防護(hù)服裝上。

3.1 熱防護(hù)纖維和面料高性能發(fā)展

對(duì)位芳綸纖維、間位芳綸纖維、PBO 纖維、PBI 纖維等熱防護(hù)耐高溫阻燃纖維，一般作為航空航天、國(guó)防軍事領(lǐng)域的戰(zhàn)略物資進(jìn)行研發(fā)，也被用于防護(hù)服裝領(lǐng)域。近年來(lái)，碳纖維技術(shù)快速發(fā)展，已在航空航天、汽車(chē)、電力等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，未來(lái)可應(yīng)用于個(gè)體防護(hù)領(lǐng)域[79]。此外，可研發(fā)新型結(jié)構(gòu)的服裝材料，提高材料熱阻、通風(fēng)性、液態(tài)水管理能力和抗壓縮能力等；利用人工材料模擬自然界生物體的結(jié)構(gòu)和性能，以獲得具有特殊結(jié)構(gòu)的高性能面料。

3.2 熱防護(hù)服裝舒適性發(fā)展

高性能熱防護(hù)服裝的研制應(yīng)在滿足熱防護(hù)性能的基礎(chǔ)上，提升熱防護(hù)服裝的舒適性，降低人體熱應(yīng)激反應(yīng)。通過(guò)研發(fā)高過(guò)濾性和高透氣性的多功能薄膜、進(jìn)行相變材料的應(yīng)用、發(fā)展靜電紡納米材料等方法，在確保熱防護(hù)性的同時(shí)減輕人體熱應(yīng)激，是高性能熱防護(hù)服裝的主流發(fā)展方向。

3.3 熱防護(hù)服裝多功能化集成發(fā)展

面對(duì)多樣化的災(zāi)害環(huán)境，防護(hù)服裝的研發(fā)要集多種防護(hù)功能于一體。防護(hù)服裝在生化防護(hù)的同時(shí)，需兼?zhèn)渥枞夹?、抗靜電性、抗核輻射等性能，以應(yīng)對(duì)未來(lái)高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)、生化恐怖襲擊、突發(fā)公共事件等狀況。這些技術(shù)難點(diǎn)的突破可帶動(dòng)整個(gè)防護(hù)服裝行業(yè)的發(fā)展和技術(shù)革新。

3.4 熱防護(hù)服裝工效學(xué)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)發(fā)展

目前熱防護(hù)服裝的性能評(píng)價(jià)體系中，對(duì)服裝工效學(xué)的設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)鮮有涉及。傳統(tǒng)的熱防護(hù)服裝較厚重，靈活性和舒適性差，影響著裝者的工作效率。熱防護(hù)服裝的發(fā)展要以改善工效學(xué)性能為方向，既要最大限度地使穿著者軀干與肢體活動(dòng)自如，減少牽制，又要盡可能使服裝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，減少臃腫，降低能量消耗。

3.5 熱防護(hù)服裝智能化設(shè)計(jì)發(fā)展

隨著計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展，功能防護(hù)服裝設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)模塊化、智能化[12]。開(kāi)發(fā)智能化的設(shè)計(jì)和評(píng)測(cè)系統(tǒng)能為智能設(shè)計(jì)和決策提供評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)服裝的虛擬設(shè)計(jì)。例如，借鑒“材料基因組”計(jì)劃模式，建立基于大數(shù)據(jù)的新型熱防護(hù)服裝研發(fā)創(chuàng)新模式。

隨著可穿戴技術(shù)和智能紡織品的發(fā)展，在傳統(tǒng)熱防護(hù)服裝上添加監(jiān)測(cè)傳感器，借助數(shù)據(jù)分析平臺(tái)實(shí)時(shí)掌握災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的情況，可指導(dǎo)應(yīng)急救援人員有效開(kāi)展工作。國(guó)內(nèi)智能服裝的研究現(xiàn)階段主要集中于材料和電子工程方面，而材料和電子技術(shù)與服裝的交互研究尚處于初期階段，服裝結(jié)構(gòu)和舒適性的相關(guān)研究還未出現(xiàn)?，F(xiàn)階段市場(chǎng)上仍缺乏成熟的智能服裝產(chǎn)品，原因包括學(xué)科交叉型研究少、研究成果尚不具備產(chǎn)業(yè)化要素等。

3.6 熱防護(hù)服裝標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展

可按照熱防護(hù)服裝的不同等級(jí)設(shè)立相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，提出不同級(jí)別熱防護(hù)服裝的技術(shù)要求與相應(yīng)的檢測(cè)方法。同時(shí)，由于熱防護(hù)服裝的發(fā)展趨向多功能性，因此可建立熱防護(hù)服裝性能的綜合測(cè)評(píng)平臺(tái)和相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)評(píng)著裝者面臨多重危害時(shí)服裝的防護(hù)性能。此外，可建立大型防護(hù)性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室和相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，為防護(hù)服裝的整體性能評(píng)價(jià)提供保障。

4 結(jié)語(yǔ)

熱防護(hù)服裝的研究可涉及熱防護(hù)用纖維、織物和服裝3個(gè)層面，現(xiàn)階段的主要研究方向之一是熱防護(hù)織物和服裝的性能測(cè)評(píng)和研究，包括織物和服裝層面的熱防護(hù)性能與熱生理性能，以及服裝層面的工效性能。目前的性能測(cè)評(píng)和研究仍主要集中于熱防護(hù)性能，且主要針對(duì)對(duì)流和輻射熱暴露環(huán)境，對(duì)其他熱暴露環(huán)境的考量相對(duì)較少；對(duì)熱生理性能和工效性能的有效測(cè)評(píng)及研究仍有待發(fā)展。未來(lái)熱防護(hù)服裝可在材料高性能、服裝熱生理性能、工效性能及多功能集成、服裝智能化設(shè)計(jì)、服裝開(kāi)發(fā)和測(cè)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)等方面進(jìn)一步發(fā)展。