劉津池，于淼，劉靜，王俠

(青島大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，山東 青島 266071)

消防服作為火場(chǎng)救援的重要防護(hù)裝備，應(yīng)具備較好的阻燃和熱防護(hù)性能，能夠在一定時(shí)間內(nèi)阻止高溫侵害消防員，降低生命威脅，并保證其救援效率[1-3]?；饒?chǎng)中當(dāng)消防員直接遭受火焰沖擊或高溫?zé)彷椛鋾r(shí)，熱量由消防服面料外部傳向內(nèi)側(cè)人體皮膚處。各層面料在阻隔熱傷害過(guò)程中發(fā)揮不同的作用：阻燃外層抵御火場(chǎng)高溫和火焰沖擊；防水透氣層防御外界高溫或有害液體侵害,促進(jìn)內(nèi)部水汽排出；隔熱層有良好的隔熱和防熱輻射作用；舒適層有良好的接觸舒適性和吸濕透氣性[4-6]。另外，由于纖維實(shí)體可以起到阻擋黑體輻射作用，加之組合面料各層之間空氣層的存在，故每一層面料都能起到一定隔熱作用[7-9]。從傳熱學(xué)角度分析消防服在火場(chǎng)高溫?zé)彷椛錉顟B(tài)下發(fā)揮阻燃隔熱功能的熱力學(xué)機(jī)理，可以從微觀粒子熱輸運(yùn)層面充實(shí)消防服設(shè)計(jì)理論。

從傳熱學(xué)角度分析消防服在火場(chǎng)高溫?zé)彷椛錉顟B(tài)下發(fā)揮阻燃隔熱功能的熱力學(xué)機(jī)理：將穿著消防服進(jìn)入火場(chǎng)的消防員視作一個(gè)局部環(huán)境，稱之為“消防服系統(tǒng)”；將火場(chǎng)視作一個(gè)與外界獨(dú)立的熱力學(xué)體系；消防服則是火場(chǎng)體系與消防員的邊界。環(huán)境作為一個(gè)較小的細(xì)部整體包含于火場(chǎng)這一熱力學(xué)系統(tǒng)中，所以設(shè)想考察的是龐大的熱力學(xué)系統(tǒng)對(duì)較小范圍環(huán)境的熱侵犯問(wèn)題。在不考慮熱蒸汽、熱水流噴濺等因素的條件下，系統(tǒng)環(huán)境質(zhì)量保持恒定不變，火場(chǎng)視作只與消防員產(chǎn)生能量交換而無(wú)質(zhì)量交換的閉口系統(tǒng)。

文中將火場(chǎng)視為高溫?zé)嵩?，火?chǎng)中消防服系統(tǒng)視為受高溫?zé)嵩从绊?、并與之持續(xù)進(jìn)行能量交換的低溫環(huán)境，這兩者共同構(gòu)成一個(gè)熱力學(xué)體系。從熱力學(xué)角度探究該體系熱動(dòng)微團(tuán)分子運(yùn)動(dòng)形式和粒子熱動(dòng)能輸運(yùn)模型，分析影響纖維熱能輸運(yùn)的主要因素，從燃燒和熱能輸運(yùn)角度解析消防服阻燃機(jī)理，提出了一些新的阻燃體系構(gòu)建思路。

1 火場(chǎng)中消防服熱力學(xué)體系

火場(chǎng)中的消防服熱力學(xué)體系如圖1所示。圖1中身著消防服的消防員A進(jìn)入火場(chǎng)B ，此時(shí)A部在空間上包含于B部?；饒?chǎng)中高度活躍的氣體分子受高溫?zé)嵩打?qū)使向低溫?zé)嵩催\(yùn)動(dòng)，劇烈的分子熱運(yùn)動(dòng)促使熱能由B部向A部傳遞。消防員進(jìn)入火場(chǎng)后，消防服系統(tǒng)與火場(chǎng)之間始終處于狀態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)變化的非平衡狀態(tài)。將這一非平衡熱力學(xué)系統(tǒng)視為連續(xù)介質(zhì)，并將該介質(zhì)視為微團(tuán)集合體。當(dāng)確定到某時(shí)間點(diǎn)且微團(tuán)足夠小時(shí)，每一個(gè)微團(tuán)內(nèi)部狀態(tài)參數(shù)都處于穩(wěn)定到可以描述的狀態(tài)，因此可被視為平衡熱力系統(tǒng)。于是,在不區(qū)分粒子間差異的前提下，用場(chǎng)的概念取得消防服某點(diǎn)的熱力學(xué)參數(shù)。

圖1 火場(chǎng)中消防服熱力學(xué)體系Fig.1 Thermal system of fire fighter suit in fire

1.1 熱動(dòng)微團(tuán)氣體分子運(yùn)動(dòng)

熱動(dòng)微團(tuán)在體系中的實(shí)際運(yùn)動(dòng)路線是迂回曲折的，具體如圖2所示。熱動(dòng)分子相互碰撞越頻繁，其運(yùn)動(dòng)路線越曲折，從高溫區(qū)向低溫區(qū)轉(zhuǎn)移所需時(shí)間越長(zhǎng)，不同溫度梯度層熱動(dòng)微團(tuán)能量交換越緩慢，即傳熱效率越低。分子碰撞頻繁程度直接決定了分子熱輸運(yùn)能力，所以提高熱動(dòng)分子碰撞頻率、增加分子運(yùn)動(dòng)總路程、延長(zhǎng)單位距離分子轉(zhuǎn)移時(shí)間是實(shí)現(xiàn)消防服系統(tǒng)阻燃隔熱功能、延長(zhǎng)消防員在火場(chǎng)中“安全時(shí)間”的根本途徑。

圖2 熱動(dòng)微團(tuán)分子運(yùn)動(dòng)路徑Fig.2 Movement path of molecules in thermo-kinetic micromasses

1.2 粒子熱能輸運(yùn)

纖維晶體的粒子熱振動(dòng)是消防服熱力學(xué)體系的粒子熱動(dòng)能輸運(yùn)模型中能量輸運(yùn)的主要形式。在溫度T和熱平衡狀態(tài)下分別解析粒子熱動(dòng)能輸運(yùn)模型，并探討纖維熱振動(dòng)模型及導(dǎo)熱系數(shù)。

1.2.1熱振動(dòng) 分子力和分子熱運(yùn)動(dòng)是決定物質(zhì)熱學(xué)性質(zhì)的內(nèi)因。當(dāng)纖維處于平衡熱力系統(tǒng)時(shí)，粒子間相互作用勢(shì)能遠(yuǎn)大于平均熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能，因而絕大部分粒子只在平衡位置做微小振動(dòng)(熱振動(dòng))[10]。熱振動(dòng)能量隨溫度的變化而改變，所以熱振動(dòng)能量直接決定了纖維熱容[11-12]。因此，可以利用纖維這一特性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)尋找特定溫度，在此溫度下熱缺陷粒子脫離結(jié)點(diǎn)發(fā)生游離，形成空格點(diǎn)；在此基礎(chǔ)上摻入阻燃微粒填補(bǔ)空格點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)有效的阻燃整理。

1.2.2纖維熱振動(dòng)模型 纖維熱傳導(dǎo)主要是由纖維晶體粒子熱振動(dòng)引起的，熱振動(dòng)是以波的形式在晶體中傳播。根據(jù)量子理論，溫度為T時(shí)，頻率為v的諧振子熱振動(dòng)平均能量

式中：h為普朗克常量；v為某獨(dú)立諧振子振動(dòng)頻率；k為玻爾茲曼常數(shù)。

由于1 mol諧振子數(shù)量已知，因此溫度為T時(shí)，可以求得頻率為v的諧振子熱振動(dòng)平均能量，亦可確定纖維受熱至相變所需能量。消防服面料的纖維發(fā)生相變之后，物理性質(zhì)會(huì)發(fā)生較大變化，防護(hù)性能極大下降。那么消防服系統(tǒng)最薄弱點(diǎn)從體溫達(dá)到相變極限點(diǎn)溫度所需能量，就是其所能承受的熱侵害總能量。實(shí)際火場(chǎng)溫度可根據(jù)火場(chǎng)空間分布、易燃物種類等推定，因此在消防員進(jìn)入火場(chǎng)前可估算體溫與實(shí)際火場(chǎng)溫度之差，再結(jié)合纖維的熱容得到該火場(chǎng)條件下消防服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有效熱防護(hù)的“安全時(shí)間”。

1.2.3熱平衡粒子熱動(dòng)能輸運(yùn)模型 當(dāng)纖維某點(diǎn)處于熱力平衡狀態(tài)時(shí)，該點(diǎn)絕大部分粒子始終圍繞平衡位置進(jìn)行熱振動(dòng)。室溫下纖維中大多數(shù)粒子熱振動(dòng)振幅為0.01 nm，不到粒子間平均距離(0.15～0.20 nm)的1/10。由于纖維無(wú)定型區(qū)傳熱形式過(guò)于復(fù)雜，文中將纖維視作全結(jié)晶結(jié)構(gòu)，因此1 mol纖維處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，總熱振動(dòng)能為

U0=NA·3kT=3RT。

式中：U0為1 mol纖維處于熱平衡狀態(tài)時(shí)的總熱振動(dòng)能；NA為1 mol纖維晶體中粒子總數(shù)；kT為每一振動(dòng)自由度平均能量；R為普適氣體常量。

消防員進(jìn)入火場(chǎng)后，高溫火場(chǎng)熱侵犯低溫消防服系統(tǒng)，一部分熱量經(jīng)各類孔隙、面料向消防服系統(tǒng)內(nèi)部傳導(dǎo)，其余熱量被系統(tǒng)界面反射。熱量向人體傳導(dǎo)過(guò)程中，受到空氣、纖維、面料、服裝等要素阻擋。U0表示在熱阻擋過(guò)程中，1 mol纖維粒子的總熱振動(dòng)能量。這一參數(shù)也是纖維不發(fā)生劇烈性能變化所能夠容納的最大熱能，即蓄熱能力。U0越大，纖維能吸收總的熱容量越大，消防服系統(tǒng)能承受熱侵犯的時(shí)間越長(zhǎng)，即消防服熱防護(hù)能力越強(qiáng)。

2 消防服傳熱模型

消防服作為界面層，直接承受來(lái)自B部的熱能侵襲，并起到阻擋B部熱能向A部傳導(dǎo)的作用。所以研究該狀態(tài)下消防服熱傳遞機(jī)理，實(shí)質(zhì)上是構(gòu)建火場(chǎng)消防服傳熱模型。

2.1 消防服熱能輸運(yùn)模型

單根纖維熱傳遞難以精確測(cè)量，所以探討對(duì)象選定為纖維和空氣的集合體(面料)。為簡(jiǎn)化表達(dá)，將纖維集合體視為連續(xù)均勻介質(zhì)。采用傅里葉導(dǎo)熱定律討論其導(dǎo)熱性，單位時(shí)間內(nèi)消防服面料熱輸運(yùn)效率為

式中：Q表示單位時(shí)間內(nèi)單位面積消防服面料輸運(yùn)的熱量(J)；λ為導(dǎo)熱系數(shù)[W/(m·℃)]；t為熱傳導(dǎo)時(shí)間(s)；S為垂直于熱流方向的傳導(dǎo)截面積(m2)。

單位時(shí)間傳輸?shù)饺梭w表面的熱量Q，會(huì)直接對(duì)消防員造成熱傷害。Q值越小，消防服阻擋熱侵害的能力越強(qiáng)，單位時(shí)間傳輸?shù)较婪到y(tǒng)內(nèi)部的熱能越少，因而消防員在火場(chǎng)中“安全時(shí)間”越長(zhǎng)。

2.2 消防服導(dǎo)熱系數(shù)

熱力體系中分子總運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)是指向低溫區(qū)的，但氣體分子熱運(yùn)動(dòng)是隨機(jī)的、無(wú)規(guī)則的。因此一部分熱動(dòng)氣體分子通過(guò)面料空隙和纖維孔隙直接進(jìn)入消防服內(nèi)部，直接對(duì)人體表面造成熱傷害；另一部分高能氣體分子通過(guò)撞擊纖維，沿纖維徑向傳遞能量。在此過(guò)程中，高能氣體分子擾動(dòng)纖維非晶區(qū)不規(guī)則分子，破壞晶區(qū)穩(wěn)定的、規(guī)則的晶格結(jié)構(gòu)，對(duì)消防服形態(tài)造成直接破壞。纖維內(nèi)部熱量傳遞是通過(guò)聲子之間、聲子與晶體晶界以及各種點(diǎn)陣缺陷和各種雜質(zhì)等碰撞實(shí)現(xiàn)的[13]，并以非諧振性彈性波的形式表現(xiàn)。聲子頻率為ω時(shí)， 用導(dǎo)熱系數(shù)λp表征纖維內(nèi)部熱傳遞能力，即纖維材料的厚度為1 m，兩端溫差為1 ℃時(shí)，1 s內(nèi)通過(guò)1 m2纖維材料的熱量(J)[14]：

根據(jù)消防服內(nèi)外溫差求得消防服面料熱容，即熱力體系界面在有效安全時(shí)間內(nèi)熱輸運(yùn)效率，進(jìn)而計(jì)算二級(jí)燒傷時(shí)間，并推斷消防員火場(chǎng)作戰(zhàn)最大安全時(shí)長(zhǎng)。

2.3 熱平衡的維持及變化

纖維熱穩(wěn)定性由質(zhì)量的穩(wěn)定性、組成的穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、形態(tài)的穩(wěn)定性等方面構(gòu)成。纖維作為部分結(jié)晶高聚物，在熱的作用下會(huì)發(fā)生許多變化：特定分子脫離穩(wěn)定狀態(tài)，分子聯(lián)系緊密程度下降，晶區(qū)有序排列被打亂、晶格取向度下降；發(fā)生低分子霧化揮發(fā)，分子質(zhì)量下降；分子運(yùn)動(dòng)平衡態(tài)被打破，纖維物理機(jī)械性質(zhì)發(fā)生變化。若溫度進(jìn)一步升高，大分子將在最弱的鍵發(fā)生熱裂解、化學(xué)裂解，宏觀表現(xiàn)為纖維強(qiáng)度下降、發(fā)脆、變形甚至斷裂。當(dāng)分子熱運(yùn)動(dòng)劇烈程度遠(yuǎn)超纖維分子結(jié)構(gòu)力(熱擾動(dòng)+分子間斥力>>分子間引力)時(shí)，可能導(dǎo)致部分分子集群脫離整體，即宏觀上表現(xiàn)為融滴。由于分子存在一定取向排列及內(nèi)應(yīng)力，在熱擾動(dòng)打破平衡狀態(tài)時(shí)，纖維也可能發(fā)生熱收縮。

3 消防服傳熱機(jī)理

服裝結(jié)構(gòu)、面料組織以及纖維等都會(huì)影響消防服整體熱防護(hù)能力。消防服有效導(dǎo)熱系數(shù)由固相導(dǎo)熱因子(熱載體為聲子)、氣相導(dǎo)熱因子(分子)、氣相對(duì)流導(dǎo)熱因子(分子)、氣孔輻射導(dǎo)熱因子(光子)、相互作用導(dǎo)熱因子等綜合作用決定，并且不同導(dǎo)熱因子在整體導(dǎo)熱系數(shù)中所占權(quán)重也隨火場(chǎng)變化而變化。

3.1 服裝結(jié)構(gòu)

服裝結(jié)構(gòu)層面，通過(guò)減少開(kāi)口，加密縫合針腳，接口部位進(jìn)行堆疊設(shè)計(jì)等形式，減小消防員與熱流直接接觸的可能性。消防服的多層結(jié)構(gòu)、合理衣下空間厚度、特殊部位加厚設(shè)計(jì)亦可有效提升消防服熱防護(hù)能力。在確保合理熱防護(hù)能力時(shí)，綜合考慮舒適性能、工效性能，提高消防員救援效率，縮短消防員身處火場(chǎng)的時(shí)間，也有利于減少總傳熱量。

3.2 面料組織

面料結(jié)構(gòu)會(huì)影響消防服隔熱能力?？椢锩婷芏却_定時(shí)，面料結(jié)構(gòu)越致密，面料空隙間氣體流動(dòng)越困難，對(duì)氣動(dòng)分子阻隔能力越強(qiáng)，氣相對(duì)流導(dǎo)熱占比越小，隔熱能力越好；且多層面料結(jié)構(gòu)對(duì)氣動(dòng)分子阻隔能力優(yōu)于單層面料。

3.3 纖維

纖維實(shí)質(zhì)上是纖維、空氣和水的混合物，這三者導(dǎo)熱系數(shù)不同，且其中任一物質(zhì)狀態(tài)變化都會(huì)影響到紡織纖維的導(dǎo)熱系數(shù)[15-16]。單根紡織纖維是內(nèi)部存在不規(guī)則細(xì)微空隙結(jié)構(gòu)、體積極小的不透明固體，其傳熱形式以熱傳導(dǎo)為主[17-18]。

面料中只有極少數(shù)固體物質(zhì)，90%以上空間均是空氣，因而可將纖維視作懸浮在空氣中的二維粒子。空氣是熱射線透射性良好的透明體，纖維材料為半透明體。熱射線從各個(gè)方向射向纖維，一部分被反射或散射，一部分被纖維吸收。纖維吸收熱射線后，轉(zhuǎn)變?yōu)闊嵘渚€輻射體，并朝各個(gè)方向進(jìn)行熱輻射。

纖維的熱輻射能傳輸如圖3所示。圖3中將纖維層面的熱量傳輸分解為4個(gè)部分。熱輻射以波的形式向纖維傳導(dǎo)，一部分熱量被纖維鏡面反射，一部分被散射(實(shí)質(zhì)上也是反射)，另一部分則穿透纖維，這3部分熱量均重新匯入其他纖維的入射熱輻射中。除此之外，入射輻射中一部分被纖維所吸收，轉(zhuǎn)化為內(nèi)部分子動(dòng)能，這一部分是整體輻射的實(shí)質(zhì)損失。

圖3 纖維的熱輻射能傳輸示意Fig.3 Transmission diagram of heat radiation

3.3.1纖維晶體結(jié)構(gòu)與排列 纖維導(dǎo)熱系數(shù)與晶區(qū)結(jié)構(gòu)及其空間排列有關(guān)[19-20]。纖維中結(jié)晶區(qū)占比越小、缺陷越多、雜質(zhì)越多、粒子排列越無(wú)序時(shí)，聲子碰撞散射概率越大，聲子自由程越小，纖維導(dǎo)熱系數(shù)就越小。

纖維熱傳導(dǎo)存在各向異性。當(dāng)纖維排列平行于熱輻射方向時(shí)，纖維軸晶體結(jié)構(gòu)越緊密、晶格排列越有序，纖維連續(xù)性越高，越有利于熱振動(dòng)的波狀傳遞，導(dǎo)熱系數(shù)就越大[20]。當(dāng)纖維垂直于熱輻射方向時(shí)，熱動(dòng)分子間碰撞導(dǎo)致聲子格波產(chǎn)生和晶面散射，使得橫向相鄰大分子鏈產(chǎn)生較大熱阻，從而削減熱振動(dòng)波狀傳遞，降低纖維導(dǎo)熱系數(shù)。

3.3.2纖維填充密度與細(xì)度 纖維中腔或空隙、隙中低氣體流動(dòng)性以及纖維的低填充密度等，會(huì)使導(dǎo)熱系數(shù)降低。隨著纖維填充密度δ增大，纖維導(dǎo)熱系數(shù)先降低后提高：填充密度δ極小時(shí)，面料內(nèi)部空氣過(guò)多，對(duì)流熱傳導(dǎo)作用增強(qiáng)，纖維導(dǎo)熱系數(shù)較大；若纖維填充密度δ增大，則面料中空氣比例下降，面料孔隙減少，對(duì)流傳導(dǎo)減少，纖維導(dǎo)熱系數(shù)下降；δ過(guò)大時(shí)，面料纖維過(guò)于緊密，纖維熱傳導(dǎo)作用增大，纖維熱導(dǎo)系數(shù)增大。研究表明，纖維在纖維集合體(面料)δ為0.03～0.06 g/cm3時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)最小[21]。

纖維排列結(jié)構(gòu)特征相同時(shí)，纖維細(xì)度越小，結(jié)構(gòu)越致密，空隙內(nèi)空氣越難流動(dòng)，同等填充密度下單位容量靜止空氣熱對(duì)流和熱輻射作用越弱，有效導(dǎo)熱系數(shù)越小。隨著溫度升高，氣體流動(dòng)仍保持較低水平，熱對(duì)流和熱輻射作用進(jìn)一步降低，導(dǎo)熱系數(shù)亦隨之減小。單根纖維體積越小，透明度越高，對(duì)熱輻射阻隔作用越小，有效導(dǎo)熱系數(shù)越大。當(dāng)面料體積密度一定時(shí)，纖維直徑越小，熱輻射阻隔作用越大，有效導(dǎo)熱系數(shù)越小。但纖維直徑過(guò)小可能導(dǎo)致纖維深層吸收熱輻射，使得消防服溫度急劇上升，熱防護(hù)能力下降，對(duì)消防員造成更大熱傷害。降低纖維透明度，減小纖維直徑，增大熱射線反射效率，增加熱動(dòng)分子運(yùn)動(dòng)路程，削減熱輻射；另外，也可以通過(guò)涂覆蛭石涂料等方式提升熱防護(hù)性能。

3.3.3纖維氣孔率與纖維空腔 熱量經(jīng)由纖維壁進(jìn)入纖維中腔后，分兩條路徑傳導(dǎo)：一部分熱量由纖維腔壁傳導(dǎo)，即仍是固相導(dǎo)熱；另一部分熱量則通過(guò)空腔傳遞?？涨粋鬟f的熱量傳導(dǎo)方式包括氣體傳導(dǎo)、對(duì)流傳熱和輻射傳熱。由于傳導(dǎo)方式發(fā)生變化，熱能傳導(dǎo)路徑大大延長(zhǎng)，熱阻增大，有效導(dǎo)熱率降低，導(dǎo)熱系數(shù)減小。纖維氣孔率越高，固體導(dǎo)熱因子貢獻(xiàn)越小，靜止空氣越多，接觸熱阻越大，纖維集合體傳熱能力越弱，導(dǎo)熱系數(shù)越小。若氣孔率超出特定范圍，氣孔內(nèi)氣相傳導(dǎo)導(dǎo)熱因子、氣相輻射導(dǎo)熱因子、氣相對(duì)流導(dǎo)熱因子占比權(quán)重之和增長(zhǎng)值超過(guò)固相導(dǎo)熱權(quán)重，纖維有效導(dǎo)熱系數(shù)開(kāi)始逐漸增大。

高溫側(cè)較活躍的高速氣體分子通過(guò)與低溫側(cè)低速氣體分子的相互碰撞實(shí)現(xiàn)能量傳遞?？諝庵泻孔罡叩牡?dú)夂脱鯕馄骄杂沙虨?0 nm，若纖維中腔設(shè)計(jì)在50 nm以下，氣孔內(nèi)空氣分子就失去了自由流動(dòng)的能力，附著在纖維中腔內(nèi)壁。此時(shí)氣體空間營(yíng)造熱輸運(yùn)效果近似真空空間，能夠最大程度降低氣相導(dǎo)熱因子，從而降低有效導(dǎo)熱系數(shù)，且成本遠(yuǎn)低于構(gòu)造真空氣體空間。纖維中腔過(guò)小時(shí)，固相導(dǎo)熱因子權(quán)重過(guò)高，使中腔氣體絕熱作用降到極小，增大纖維有效導(dǎo)熱系數(shù)。通常情況下，溫度越高微孔內(nèi)溫度梯度越陡，則阻斷對(duì)流傳熱的臨界孔徑就越小。纖維中腔形貌幾何形態(tài)也會(huì)直接影響整體導(dǎo)熱系數(shù)。中腔越接近圓形，比表面積越大，接觸熱阻越大，導(dǎo)熱系數(shù)就越小。由于對(duì)流傳熱小，中腔封閉的纖維導(dǎo)熱系數(shù)小于中腔開(kāi)口的纖維。

如果作為氣體屏障的纖維壁越薄，那么截?cái)嗝娣e和接觸面積就越小，固體傳熱系數(shù)越低，有效導(dǎo)熱系數(shù)也就越低。消防服纖維設(shè)計(jì)中，在保證強(qiáng)度和細(xì)度基礎(chǔ)上，將纖維氣孔率控制在最佳范圍內(nèi)，合理設(shè)置中腔體積，盡可能制造極薄纖維壁纖維，使理論熱導(dǎo)率最小。

3.4 纖維含濕量

面料導(dǎo)熱系數(shù)和熱容量與其水分含量有關(guān)[22]，水的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于干纖維和空氣。消防服吸濕后，纖維間空隙與纖維中氣孔等被水分占據(jù)，使其有效導(dǎo)熱系數(shù)升高。在較低輻射熱暴露下，纖維含水率增加會(huì)導(dǎo)致消防服熱防護(hù)性能下降：當(dāng)水與織物的質(zhì)量比為15%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)最高，消防服熱防護(hù)性能降到最低[23]；若含水率繼續(xù)增加，水分的存在有助于提升單層濕態(tài)織物熱防護(hù)值[24-25]，濕態(tài)消防服熱防護(hù)性能緩慢增加，并在含水率近飽和狀態(tài)時(shí)達(dá)到干態(tài)消防服同等熱防護(hù)性能[26-27]。消防員大量出汗時(shí)，消防服內(nèi)部會(huì)通過(guò)水汽凝結(jié)和吸收形成阻礙外界熱量進(jìn)入的微氣候，從而提升消防服系統(tǒng)熱防護(hù)性能[28]；但在高輻射熱暴露下，水分會(huì)增強(qiáng)織物熱傳遞性能[29-30]，且織物中水相劇烈改變會(huì)導(dǎo)致消防員燙傷[31]。溫度直接影響消防服熱輸運(yùn)能力，溫度越高，可供傳導(dǎo)的熱能總量越多，熱動(dòng)分子運(yùn)動(dòng)效率越高，單位時(shí)間熱輸運(yùn)能量越多，消防服導(dǎo)熱系數(shù)越大。

4 燃燒與熱輸運(yùn)視角下阻燃機(jī)理

纖維燃燒的實(shí)質(zhì)是明火高溫條件下的快速熱降解和劇烈化學(xué)反應(yīng)[32]。纖維吸熱裂解,生成大量可燃性氣態(tài)產(chǎn)物,在空氣中發(fā)生燃燒,燃燒產(chǎn)生的熱量又促進(jìn)了纖維的進(jìn)一步裂解和燃燒,形成循環(huán)燃燒反應(yīng)鏈[33]。文中分別從阻斷燃燒過(guò)程和降低熱輸運(yùn)效率的角度分析消防服阻燃機(jī)理。

4.1 燃燒視角下阻燃機(jī)理

燃燒視角下的織物阻燃技術(shù)是指通過(guò)物理、化學(xué)方法賦予織物阻燃性能，降低材料可燃性，減緩火焰蔓延速度，其實(shí)質(zhì)是破壞纖維燃燒過(guò)程[34]。燃燒視角下燃燒行為影響因素及作用機(jī)理見(jiàn)表1。

通過(guò)吸熱冷卻、氣相稀釋、形成隔熱層、終止自由基鏈反應(yīng)等可使纖維終止燃燒[35]；或?qū)⒆枞冀Y(jié)構(gòu)或阻燃物質(zhì)通過(guò)聚合、共混、復(fù)合紡絲、接枝改性等方法加入纖維；或用后整理方法將阻燃劑涂覆在纖維表面，可提高纖維阻燃性能[36]。常見(jiàn)阻燃方法及其優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表2。

表1 燃燒視角下燃燒行為影響因素及作用機(jī)理

表2 常規(guī)阻燃方法及其優(yōu)缺點(diǎn)

4.2 熱輸運(yùn)視角下阻燃機(jī)理及阻燃方法

4.2.1阻燃機(jī)理 消防服熱力系統(tǒng)處于熱穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，消防服外側(cè)向內(nèi)側(cè)熱輸運(yùn)功率基本保持恒定。等量熱沖擊下，提高外側(cè)分子對(duì)熱能沖擊的耐受度，可降低其熱振動(dòng)幅度與頻率。通過(guò)降低高能位分子活躍度，縮小分子間能位差，從而降低熱量傳遞效率。高能位分子活躍度越低，與相鄰內(nèi)側(cè)較低能位分子能位差就越小，內(nèi)側(cè)分子熱運(yùn)動(dòng)活躍度下降，單位時(shí)間熱通量降低，進(jìn)而延長(zhǎng)二級(jí)燒傷時(shí)間。

加大分子間碰撞頻率，可使分子行進(jìn)路線更加曲折，從而延長(zhǎng)分子轉(zhuǎn)移時(shí)間，減緩分子動(dòng)量輸運(yùn)過(guò)程。分子行進(jìn)路線越曲折，熱量進(jìn)入消防服的緩沖時(shí)間越長(zhǎng)。但曲折的行進(jìn)路線會(huì)增大分子碰撞纖維的概率，加速纖維熱消耗，縮短消防服系統(tǒng)有效防護(hù)時(shí)間。單位熱容量一定時(shí)，密集的纖維可承受分子動(dòng)能總量大，因此能夠提升消防服熱防護(hù)性能。更小的纖維空隙可抑制無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)分子朝高溫?zé)嵩匆缟?，并使之繼續(xù)沖擊纖維本身，加劇熱消耗，降低熱輸送效率。

4.2.2阻燃方法 在消防服熱力學(xué)體系熱輸運(yùn)視角下，可以從多方面考慮阻燃設(shè)計(jì)。服裝結(jié)構(gòu)方面，把消防服與可穿戴設(shè)備結(jié)合，在消防服上附加能質(zhì)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，將熱量轉(zhuǎn)換成對(duì)消防服系統(tǒng)防護(hù)性能影響較小的機(jī)械能、電能等形式，儲(chǔ)存?zhèn)溆没蜥尫?。如以消防服系統(tǒng)內(nèi)外溫差為驅(qū)動(dòng)能量，產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)，驅(qū)使電荷流動(dòng)產(chǎn)生電流[37]，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)外附降溫裝置實(shí)現(xiàn)降溫等。通常情況下，消防服面料組合層間空氣層厚度遠(yuǎn)小于6.5 mm，故以輻射傳熱為主，而輻射傳熱介質(zhì)光子和熱傳導(dǎo)介質(zhì)聲子諧振波[38]均屬電磁波。隱身飛機(jī)是通過(guò)設(shè)計(jì)合理的飛機(jī)外型、使用吸波材料、主被動(dòng)對(duì)消等方式減弱雷達(dá)反射波、紅外輻射等特征信息，用光學(xué)修飾的方式實(shí)現(xiàn)隱身[39]。受此啟發(fā)，對(duì)熱力學(xué)系統(tǒng)與環(huán)境的邊界——消防服進(jìn)行包括服裝、面料、纖維層次的熱學(xué)修飾，使之達(dá)到形式上的熱平衡。

纖維結(jié)構(gòu)方面，設(shè)計(jì)“蹺蹺板”狀纖維結(jié)構(gòu)，具體如圖4所示。假設(shè)同樣受熱面積接收到的熱能擾動(dòng)相等，受熱流沖擊時(shí)，CD板以點(diǎn)B為支點(diǎn)，沿BC向熱流方向運(yùn)動(dòng)，∠ABC逐漸減小至0°。此時(shí)，x值最小，熱動(dòng)分子難以通過(guò)纖維孔隙進(jìn)入另一側(cè)?；饒?chǎng)溫度越高，外側(cè)熱擾動(dòng)越劇烈，兩支撐板相交速度越快，熱量越難以傳導(dǎo)進(jìn)入消防服系統(tǒng)內(nèi)部，從而保證消防服內(nèi)部熱平衡。在主要纖維上增加附屬結(jié)構(gòu)，一方面得到更為致密的消防服面料結(jié)構(gòu)，直接阻擋輻射熱侵入消防服系統(tǒng)內(nèi)部；另一方面可構(gòu)造更多的極細(xì)纖維孔隙，產(chǎn)生更大的接觸熱阻。

圖4 蹺蹺板狀的纖維結(jié)構(gòu)Fig.4 Fibrous structure like seesaw

纖維受熱時(shí)，非晶區(qū)、雜質(zhì)、縫隙等區(qū)域熱擾動(dòng)程度遠(yuǎn)大于晶區(qū)，熱防護(hù)性能下降幅度也更大。纖維“熱擴(kuò)散”阻燃整理法如圖5所示。對(duì)纖維做特定溫度熱處理， 纖維晶區(qū)仍保持穩(wěn)定狀態(tài)，熱缺陷區(qū)域達(dá)到較大熱擾動(dòng)幅度，熱缺陷粒子1脫離結(jié)點(diǎn)發(fā)生游離，形成空格點(diǎn)。此時(shí)將阻燃粒子2通過(guò)“熱擴(kuò)散”法填充進(jìn)空格點(diǎn)，補(bǔ)全纖維缺陷部位，提升面料熱防護(hù)性能，優(yōu)化阻燃劑抗洗滌性能。并且該整理方法的處理工藝、處理成本、環(huán)境友好程度均優(yōu)于接枝改性、涂覆等整理方法。

注：1為熱缺陷粒子；2為阻燃粒子。圖5 基于纖維的“熱擴(kuò)散”阻燃整理法Fig.5 Fiber-based flame retardant finishing process by thermal diffusion

5 結(jié)語(yǔ)

在消防服熱力學(xué)體系視角下提出了幾點(diǎn)阻燃思路：將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或電能釋放；對(duì)消防服進(jìn)行熱學(xué)修飾，使之達(dá)到形式上的熱平衡，避免溫差驅(qū)動(dòng)熱流，引起能量交換。設(shè)計(jì)“蹺蹺板”狀纖維結(jié)構(gòu)，減少進(jìn)入消防服內(nèi)部的熱量。利用粒子熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的缺陷，將阻燃粒子通過(guò)熱擴(kuò)散滲入實(shí)現(xiàn)阻燃加工。將火場(chǎng)中消防服熱防護(hù)能力轉(zhuǎn)化為熱輸運(yùn)模型，從阻斷或者降低不同導(dǎo)熱因子主導(dǎo)的熱量傳遞角度提出：消防服纖維設(shè)計(jì)應(yīng)在保證強(qiáng)度和細(xì)度基礎(chǔ)上，通過(guò)控制纖維最佳氣孔率，設(shè)置合理中腔體積，制造極薄纖維壁纖維，降低纖維透明度、縮小纖維直徑等方式，增加熱動(dòng)分子運(yùn)動(dòng)路程，延長(zhǎng)分子運(yùn)動(dòng)時(shí)間阻隔熱能輸運(yùn)，縮小總體有效熱導(dǎo)率。