王 琦，田 苗,2，蘇 云,2，李 俊,2，余夢凡，許 霄

(1. 東華大學 服裝與藝術設計學院，上海 200051；2. 東華大學 現(xiàn)代服裝設計與技術教育部重點實驗室，上海 200051)

消防服是高溫環(huán)境下保護作業(yè)人員的有效個體防護裝備(PPE)[1]，是消防員與熱災害環(huán)境間重要的防護屏障[2]。對于阻燃織物熱防護性能的研究，多集中于材料本身的熱響應和織物與皮膚間的能量傳遞[3]?；谌梭w皮膚二級燒傷準則提出的熱防護性能(TPP)測試方法是一種織物層面的臺式測試方法，其通過小規(guī)模模擬火場環(huán)境，以溫度標定法[4]評價阻燃織物的熱防護性能，進而預估消防服的熱防護能力。

在實際消防作業(yè)中，熱量通過傳導、對流和輻射的方式從外環(huán)境傳遞到人體皮膚，衣下空氣層(特別是靜止空氣層)作為低導熱性的流體可提供顯著的熱阻[5-7]。衣下空氣的靜止或流動狀態(tài)直接影響服裝與皮膚間的熱傳遞方式。為提高服裝整體的熱防護性能，有必要深入探索不同條件下衣下空氣層的傳熱特性。在TPP測試的相關標準中，考慮對流輻射綜合熱量的ASTM F2700—2008《連續(xù)加熱法評估服裝用阻燃材料的非穩(wěn)態(tài)傳熱的標準試驗方法》和ISO 17492—2019《耐熱和火焰的防護服 暴露于火焰和輻射熱的熱力傳輸?shù)臏y定》，在織物與溫度傳感器之間設置6.4 mm的封閉式空氣層以模擬服裝與人體間的局部空間關系。對于該空氣層間傳熱特性的研究表明，對流、輻射和傳導3種傳熱方式存在耦合作用[8-9]，且空氣層內的溫度分布具有一定規(guī)律[10]。對動態(tài)空氣層傳熱特性的研究表明，空氣層的變化會引起流體流動，從而導致對流換熱產生明顯差異[6,9,11]。在實際著裝情況下，外環(huán)境到人體皮膚不僅存在徑向傳熱，當局部受熱不均時，衣下空氣層中同時存在平行于人體皮膚的軸向傳熱[12]，因此，在臺式測試中，僅模擬封閉空氣層的狀態(tài)無法全面分析其傳熱方式和作用。

本文在CSI-206型織物熱防護性能測試儀基礎上，增加空氣層裝置，并設置無空氣層、封閉式和開放式3種空氣層形式，模擬真實的人體著裝狀態(tài)。通過圖像處理比較熱暴露前后的織物外觀性能和熱收縮情況，探究空氣層形式對織物與皮膚間傳熱的影響以及3種阻燃織物熱防護性能的差異。

1 實驗部分

1.1 實驗織物

選取3種典型的消防服外層織物作為實驗樣本，織物的基本性能見表1。

表1 實驗織物基本性能特征Tab.1 Basic physical properties of specimens

1.2 熱防護性能測試

參照NFPA 1971—2018《建筑滅火中消防員全套裝備標準》，采用CSI-206型熱防護性能測試儀(美國Custom Scientific Instrument公司)進行TPP測試。設定熱流密度為84 kW/m2，熱源類型為對流和輻射熱，分別通過火焰發(fā)生器和電加熱石英燈管實現(xiàn)。根據(jù)總熱流量與溫度傳感器記錄的皮膚達到二度燒傷所用時間的乘積得到TPP值(QTPP)，計算公式為

QTPP=qt2

式中：q為校準總熱通量，kW/m2；t2為引起二級燒傷的時間，s。TPP值是評價織物熱防護性能的指標，其值越大表示熱防護性能越好，反之則越差[13]。

實驗過程為參照標準裁取試樣大小為150 mm×150 mm，試樣暴露于熱源的面積為100 mm×100 mm。 測試前將待測試樣放置于恒溫恒濕室((20±2) ℃，(65±5)%)中靜置24 h。然后，基于熱防護性能測試儀，在織物試樣與傳感器之間增加空氣層裝置，模擬著裝時服裝與人體皮膚的空間關系，并設定不同的熱暴露時間，通過傳感器溫度升高值(ΔT) 和TPP值評價“織物-空氣層”系統(tǒng)的傳熱和熱防護性能；同時，采集熱暴露后的織物圖像，評價織物的熱收縮程度。

1.2.1 開放/封閉空氣層設置

在高溫火場環(huán)境中存在對流、輻射和傳導3種熱傳遞方式。在TPP測試中，當織物與傳感器之間的空氣層厚度大于6.4 mm時，開始出現(xiàn)對流傳熱[14]。本文利用硅酸鋁板制作厚度為10 mm的空氣層模擬裝置，分別構建封閉式和開放式2種空氣層裝置，形成“織物-空氣層”系統(tǒng)，并與無空氣層的情況進行比較。

圖1示出無空氣層、封閉式和開放式空氣層3種裝置示意圖。通過在織物與傳感器間加入圈型墊板搭建封閉式空氣層；開放式空氣層則僅保留墊板的四角位置，打開空氣層與外界環(huán)境間能量交換的通路。

1.2.2 熱暴露時間設定

消防服外層織物采用的是高性能芳香族高聚物纖維混紡織物，雖然能達到優(yōu)良的防火阻燃效果，但易發(fā)生熱收縮現(xiàn)象[15]，為探究空氣層設置對織物收縮的影響，設定3種熱暴露時間。在本文實驗的熱流密度下，通過預實驗可觀測到織物在5 s內會出現(xiàn)明顯焦化和脆化，基本失去熱防護性能與服用性能，因此，本文選擇熱暴露時間為3.5、4.5、5.5 s。

2 結果與討論

2.1 織物外觀及熱收縮情況分析

織物試樣在TPP實驗前后呈現(xiàn)出明顯的外觀差異。圖2示出熱暴露4.5 s后試樣的外觀變化?？芍?種Nomex?ШA織物均發(fā)生不同程度的尺寸收縮、手感變硬、表面焦化及脆化，其中N2試樣在相對更短的熱暴露時間內出現(xiàn)更嚴重的上述現(xiàn)象；N1試樣出現(xiàn)經向裂口，且封閉式空氣層條件下的裂口面積明顯大于開放式的。這表明Nomex?ШA織物在火焰發(fā)生器的兩側發(fā)生明顯的收縮，并由于空氣層墊板的壓力難以向內部收縮進而出現(xiàn)破裂。織物的收縮程度隨熱暴露時間的增長、空氣層的加入和開放空氣層的設置而加劇。Kevlar織物(N3) 具有良好的熱尺寸穩(wěn)定性，僅出現(xiàn)黑色的燃燒痕跡，且燃燒痕跡也隨熱暴露時間的增長、空氣層的加入和開放空氣層的設置而加深。燃燒痕跡呈現(xiàn)出兩側深、中間淺的分布特點。

圖2 熱暴露4.5 s后試樣的外觀變化Fig.2 Images of N1, N2 and N3 samples after heat exposure for 4.5 s at device without air layer (a), with closed air layer (b) and open air layer (c)

為進一步了解Nomex?ШA織物尺寸收縮特點，利用圖像處理軟件對織物試樣在熱暴露后的面積保持率進行評估。計算程序通過將試樣圖像轉化為灰度模式，得到織物面積(黑色像素)/圖像面積(總像素)的比值r，再通過下式計算試樣的面積保持率。面積保持率越大，織物的尺寸穩(wěn)定性能越好。

R=r試樣/r標準樣×100%

式中：r試樣為熱暴露后試樣面積與圖像面積的比值，%；r標準樣為標準樣面積(15 cm×15 cm)與圖像面積的比值，%。

表2示出TPP實驗后N1、N2試樣的面積保持率測試結果。在不同熱暴露條件下，2種Nomex?ШA織物的面積保持率在81.9% ～ 99.8%之間，收縮情況總體上隨熱暴露時間的增長而加劇，且有空氣層時的收縮程度更大，其中開放式空氣層最大。無空氣層時，織物在3.5～4.5 s收縮明顯，N1和N2試樣的面積保持率均下降約4%，在4.5～5.5 s之間收縮趨勢減緩，面積基本保持不變。在有空氣層的2種情況下，織物在0～3.5 s 時面積保持率的下降較無空氣層時更多，N1試樣下降約5%以上，N2試樣下降達到10%以上；而3.5～4.5 s時面積保持率的下降明顯減小，即織物在3.5 s之前已基本收縮定型。這表明空氣層的加入和開放空氣層的設置會加劇織物熱收縮并使收縮現(xiàn)象更早發(fā)生。

表2 TPP實驗后N1、N2試樣的面積保持率Tab.2 Area retention rates of N1 and N2 samples after TPP test

2.2 “織物-空氣層”系統(tǒng)的傳熱性能

熱傳遞指標HTI(heat transfer index)從能量傳遞的角度標定織物的傳熱性能，定義為銅片傳感器溫度上升12或24 ℃時織物的總傳遞能量[4]。說明用傳感器的溫升可表征“織物-空氣層”系統(tǒng)的傳熱性能，溫升越大，則系統(tǒng)隔熱能力越差。隨熱暴露時間的增長，織物表面的熱量累積值逐漸增大，進而傳遞給皮膚，表現(xiàn)為傳感器溫度(ΔT) 升高。表3示出傳感器溫度升高情況。

表3 傳感器溫度升高情況Tab.3 Temperature rise of copper sensor

無空氣層條件下，傳感器溫度升高的范圍為2.73～18.9 ℃；封閉式空氣層為1.23～8.83 ℃；開放式空氣層為0.7～7.2 ℃。表明空氣層的加入和開放空氣層的設置可明顯減少織物傳遞至皮膚的熱量。無空氣層和封閉式空氣層條件下，傳感器的溫升速率呈現(xiàn)出很高的一致性，傳感器溫度上升速率均隨熱暴露時間的增長而增大，表明隨著熱暴露時間增長，“織物-空氣層”系統(tǒng)的隔熱效果逐漸變差。在開放式空氣層的條件下，N1試樣對應的傳感器溫升速率在4.5～5.5 s呈現(xiàn)出較3.5～4.5 s減緩的趨勢，推斷可能是由于織物纖維結構發(fā)生改變所致。3種織物系統(tǒng)中N3試樣對應的傳感器溫度變化量明顯大于N1和N2，即在同種熱暴露條件下，N3試樣組成的織物系統(tǒng)傳遞給皮膚的熱量最多。

2.3 “織物-空氣層”系統(tǒng)的熱防護性能

以TPP值和二級燒傷時間評估織物的熱防護性能，測試結果如表4所示。對比無空氣層的情況，封閉式空氣層使織物的TPP值提升34%～52%，二級燒傷時間(t2)增加2～3 s；開放式空氣層使TPP值提升51%～76%，二級燒傷時間增加2.9～4.4 s。

表4 織物的TPP值和二級燒傷時間Tab.4 TPP value and second degree burn time of fabric

無空氣層的情況下，織物以傳導和輻射2種形式將熱量直接傳遞至傳感器。封閉式空氣層的加入在織物與傳感器之間形成過渡層，由于空氣的導熱系數(shù)較小，可有效減少單位時間內織物向傳感器所傳遞的能量，使對流傳熱比例增加。在開放式空氣層的情況下，對流傳熱加劇且傳熱路徑更加復雜：1)熱量通過織物和空氣層垂直傳遞至傳感器；2)由織物傳遞至空氣層的熱量通過開放邊界向周圍環(huán)境釋放，導致傳遞至傳感器的熱量減少。開放式空氣層對應的熱防護性能大于封閉式空氣層，因此，空氣層的加入和開放空氣層的設置可明顯提升“織物-空氣層”系統(tǒng)的熱防護性能。在實際著裝局部受熱不均的情況下，高溫區(qū)域向低溫區(qū)域的傳熱可能會降低高溫區(qū)域的燒傷等級，因此，TPP封閉式空氣層的設計可能會導致偏高的燒傷預測結果。

3種阻燃織物中，N2表現(xiàn)出最優(yōu)的熱防護性能，且2種Nomex?ШA織物的熱防護性能均優(yōu)于Kevlar織物，這表明織物的成分、面密度和厚度會影響其熱防護性能；但Nomex?ШA織物在熱暴露過程中出現(xiàn)熱收縮和破損的情況會嚴重降低其服裝層面的熱防護性能。

3 結 論

本文通過設置不同的熱暴露時間和3種空氣層形式，探究傳熱方式對消防服用外層織物的外觀、熱收縮、“織物-空氣層”系統(tǒng)的傳熱和熱防護性能的影響。實驗結果表明，空氣層的加入和開放式空氣層的設置對以上性能均具有明顯作用，得出如下主要結論。

1)織物熱暴露后的外觀性能與熱收縮和織物的組成材料密切相關。Nomex?ШA織物的熱穩(wěn)定性低于Kevlar織物，在熱暴露后發(fā)生明顯的尺寸收縮、焦化和脆化，甚至是破裂現(xiàn)象；有空氣層的情況加劇并加速了織物的熱收縮。

2)“織物-空氣層”系統(tǒng)的熱防護性能隨熱暴露時間的增長逐漸下降，空氣層的加入和開放空氣層的設置可有效降低傳熱效率，進而提升系統(tǒng)的熱防護性能。

3)開放式和封閉式空氣層模擬表明，其會導致“織物-空氣層”系統(tǒng)內熱傳遞方式和空氣層內熱流路徑的改變，進而影響服裝系統(tǒng)的傳熱過程和熱防護性能。