朱曉榮，何佳臻,，向攸慧，王 敏

(1.蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215006；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)

作為重要防護(hù)裝備，熱防護(hù)服的作用是保護(hù)高溫作業(yè)人員免受火焰、熾熱物體和熱蒸汽等對(duì)其造成的熱損傷[1]?；鹧娴雀邚?qiáng)度的熱災(zāi)害環(huán)境易造成防護(hù)服的熱解破損，導(dǎo)致皮膚燒傷，長(zhǎng)期以來(lái)關(guān)于服裝熱防護(hù)性能的研究主要針對(duì)高強(qiáng)度熱暴露模擬環(huán)境(84 kW/m2)展開(kāi)[2-3]。

根據(jù)一項(xiàng)與建筑火災(zāi)相關(guān)的報(bào)告數(shù)據(jù)反饋，在5～20 kW/m2的低輻射熱環(huán)境中，消防員的皮膚更易被燒傷[4-5]，而非高強(qiáng)度的熱災(zāi)害環(huán)境。在低輻射熱環(huán)境中，消防員通常會(huì)持續(xù)作業(yè)數(shù)分鐘，防護(hù)服面料表面雖無(wú)明顯損壞現(xiàn)象，但防護(hù)服在熱暴露階段有效隔絕熱量傳遞的同時(shí)，由于面料系統(tǒng)溫度升高其自身會(huì)儲(chǔ)存大量的熱量，而熱暴露結(jié)束后儲(chǔ)存大量熱量的防護(hù)服反而成為被動(dòng)熱源[6]，此時(shí)由于織物系統(tǒng)與外部環(huán)境、皮膚之間形成的溫差較大，會(huì)不斷地向環(huán)境和皮膚釋放儲(chǔ)存的熱量，熱蓄積的釋放是造成低熱輻射條件下皮膚燒傷的重要原因[6-7]。特別是作業(yè)人員由于運(yùn)動(dòng)或受到外界壓力，導(dǎo)致服裝突然接觸皮膚而加劇蓄熱釋放[8]。一項(xiàng)針對(duì)非直接接觸火焰的事故調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，消防員的肩部和手臂是事故中最易被燒傷的2個(gè)部位，其次為膝關(guān)節(jié)[9]。這是因?yàn)闊岱雷o(hù)服受到擠壓后，服裝局部熱蓄積加速釋放，造成了燒傷，例如在人體膝蓋或肘部處防護(hù)服會(huì)由于肢體彎曲而受到擠壓，同樣背部或肩部處的服裝也會(huì)由于佩戴呼吸器而受到擠壓。

低輻射熱條件下的燒傷現(xiàn)象引起人們對(duì)熱蓄積研究的關(guān)注；但是隨著研究的深入，研究人員逐漸認(rèn)識(shí)到在高強(qiáng)度熱暴露環(huán)境中，其蓄熱現(xiàn)象也更為明顯，而放熱危害作用更是不可忽略[10]，因此，無(wú)論在高強(qiáng)度熱災(zāi)害環(huán)境亦或是在低強(qiáng)度熱災(zāi)害環(huán)境，熱防護(hù)服均具有雙重特性，即熱暴露階段隔絕熱量傳遞、延緩皮膚燒傷的熱防護(hù)特性和冷卻階段因蓄熱釋放導(dǎo)致皮膚燒傷的熱危害特性。為此，本文綜述了國(guó)內(nèi)外熱防護(hù)服蓄放熱雙重特性相關(guān)研究，在對(duì)防護(hù)服熱蓄積相關(guān)測(cè)評(píng)方法進(jìn)行總結(jié)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)討論了影響熱防護(hù)服蓄熱防護(hù)以及放熱危害效應(yīng)的因素。

1 防護(hù)服熱蓄積的相關(guān)評(píng)價(jià)方法

現(xiàn)階段與防護(hù)服熱蓄積相關(guān)的測(cè)評(píng)方法并不能直接對(duì)織物中的熱蓄積進(jìn)行量化[11]，而是全面考慮織物系統(tǒng)的完整傳熱階段(包括熱暴露與冷卻階段)，評(píng)估其綜合熱防護(hù)性能。

1.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)評(píng)

近年，美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)制定了3項(xiàng)考慮了冷卻階段蓄熱釋放作用并可以預(yù)測(cè)皮膚燒傷的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，即ASTM F 2702—2015《預(yù)測(cè)燒傷的阻燃服裝材料輻射熱防護(hù)性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》、ASTM F 2703—2013《預(yù)測(cè)燒傷的阻燃服裝材料非穩(wěn)態(tài)傳熱評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》和ASTM F 2731—2018《消防人員防護(hù)服系統(tǒng)熱量傳輸和儲(chǔ)存能量測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》，3項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比詳見(jiàn)表1。較傳統(tǒng)的熱防護(hù)性能(TPP)和耐熱輻射性能RPP(radiant protective performance)測(cè)試而言，這3項(xiàng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)增加了冷卻階段織物對(duì)模擬皮膚放熱數(shù)據(jù)的采集，并與熱暴露階段的傳熱數(shù)據(jù)相結(jié)合共同用于預(yù)測(cè)皮膚的燒傷。其主要差異在于熱源類型、熱源強(qiáng)度、皮膚燒傷預(yù)測(cè)方法以及測(cè)試程序。

表1 考慮織物熱蓄積釋放作用的熱防護(hù)性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

熱蓄積的釋放方式分為2種：一種是自然放熱，即熱量從高溫織物自然地傳遞至人體皮膚及周圍環(huán)境[12]；另一種是受壓放熱，即由于人體運(yùn)動(dòng)等原因?qū)е驴椢锸艿綁毫Χ铀贌崃康尼尫臶8]。ASTM F 2702—2015和ASTM F 2703—2013主要針對(duì)熱蓄積的自然放熱過(guò)程，運(yùn)用Stoll燒傷準(zhǔn)則，預(yù)測(cè)皮膚的燒傷情況，而ASTM F 2731—2018與上述2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的不同之處除皮膚燒傷預(yù)測(cè)的方法選取Henriques燒傷模型外，還考慮了織物受壓放熱造成的燒傷問(wèn)題，并且規(guī)定了最小熱暴露時(shí)間和固定熱暴露時(shí)間2種測(cè)試程序評(píng)價(jià)織物的熱蓄積作用。其中最小熱暴露時(shí)間測(cè)試程序更易獲得織物綜合熱防護(hù)性能的差異化信息，所以其應(yīng)用更為廣泛[13]。目前我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 38302—2019《防護(hù)服裝 熱防護(hù)性能測(cè)試方法》在傳統(tǒng)TPP測(cè)試基礎(chǔ)上，也增加了考慮試樣中熱蓄積釋放作用的測(cè)試方法，其測(cè)評(píng)原理與ASTM F 2703—2013一致。

上述測(cè)試方法可有效地評(píng)價(jià)織物在熱暴露期間和冷卻階段的綜合熱防護(hù)性能，但只針對(duì)織物小樣。燃燒假人測(cè)試可模擬服裝實(shí)際穿著狀態(tài)，反映熱災(zāi)害環(huán)境、防護(hù)服與人體之間的熱傳遞。多年來(lái)，研究人員已經(jīng)建立了多個(gè)完整的假人測(cè)試系統(tǒng)以評(píng)估服裝整體的熱防護(hù)性能，記錄包括熱暴露階段和冷卻階段的全過(guò)程傳熱情況[14]，因此，實(shí)質(zhì)上燃燒假人實(shí)驗(yàn)已綜合評(píng)估了服裝對(duì)人體的蓄熱防護(hù)和放熱危害雙重作用。闡釋了規(guī)范使用燃燒假人評(píng)價(jià)服裝整體熱防護(hù)性能方法的標(biāo)準(zhǔn)有ASTM F 1930—2018《用假人評(píng)估轟然條件下阻燃服裝阻燃性能的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方法》和ISO 13506—2：2017《防熱阻燃防護(hù)服 第2部分:皮膚燒傷預(yù)測(cè)計(jì)算要求和試驗(yàn)案例》。標(biāo)準(zhǔn)中以皮膚二級(jí)、三級(jí)燒傷百分比及總燒傷面積百分比作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，此外最新版的標(biāo)準(zhǔn)ISO 13506—2017《防熱阻燃防護(hù)服》定義了皮膚模擬傳感器的能量傳遞系數(shù)(E)作為新的評(píng)價(jià)方法，該指標(biāo)E可以量化服裝整體以及局部的熱防護(hù)性能，計(jì)算方式為

式中：Qm為著裝狀態(tài)下皮膚模擬傳感器在測(cè)試過(guò)程中吸收的能量，kJ/m2；Qc為裸體狀態(tài)下皮膚模擬傳感器吸收的能量，kJ/m2。

此外，何佳臻等[15-16]提出了一個(gè)新的熱防護(hù)性能綜合評(píng)價(jià)模型——二級(jí)燒傷最大衰減因子MAF(maximum attenuation factor)，以評(píng)估織物或服裝在熱暴露與冷卻階段傳感器響應(yīng)與依據(jù)Stoll準(zhǔn)則預(yù)測(cè)皮膚達(dá)到二級(jí)燒傷時(shí)所吸收能量的最大比率，使得織物和服裝的熱防護(hù)性能測(cè)評(píng)結(jié)果可以用同一指標(biāo)進(jìn)行直接比較。

1.2 數(shù)值模擬

較物理實(shí)驗(yàn)而言，基于數(shù)值建模的熱防護(hù)性能評(píng)價(jià)方法更自由靈活，可對(duì)許多復(fù)雜問(wèn)題進(jìn)行模擬求解。近年來(lái)，經(jīng)過(guò)研究者不斷地調(diào)整和改善，熱防護(hù)織物模型有了較大的變化，具體表現(xiàn)為：研究對(duì)象從單層織物發(fā)展至多層組合織物、再?gòu)亩鄬咏M合織物發(fā)展至考慮織物間的空氣層和織物的三維立體結(jié)構(gòu)，傳熱模型從僅考慮干態(tài)傳熱發(fā)展至考慮傳熱介質(zhì)的熱濕耦合模型。這些變化使得熱防護(hù)織物模型考慮的因素更全面完整，數(shù)值模擬方法更加合理，運(yùn)算速度和精度更高。目前熱防護(hù)服裝領(lǐng)域所建立的絕大多數(shù)數(shù)值模型主要針對(duì)于熱暴露階段[17-18]，考慮冷卻階段服裝蓄熱釋放作用的建模研究有限。表2總結(jié)了近年來(lái)考慮熱防護(hù)服在熱暴露及冷卻階段傳熱的數(shù)值模型?？梢钥闯?，在數(shù)值模型發(fā)展過(guò)程中，所模擬的熱災(zāi)害暴露環(huán)境大都是閃火及熱輻射條件，所模擬的冷卻階段條件基本都是自然冷卻，這與熱防護(hù)服實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的多樣性和復(fù)雜性有較大差異。

表2 考慮熱暴露及冷卻階段的傳熱數(shù)值模型研究

2 熱防護(hù)服蓄熱防護(hù)性能影響因素

2.1 服裝因素

2.1.1 服裝的基本物理性能

一般而言，服裝的厚度越大，其內(nèi)部蓄積的熱量也會(huì)相應(yīng)增多[31]。目前消防服用織物通常由外層、防水透氣層和隔熱層組成。有研究表明，增加隔熱層厚度會(huì)降低織物到皮膚的傳導(dǎo)和輻射熱流，從而降低織物和皮膚之間的溫度[32]。He等[7]針對(duì)低熱輻射暴露環(huán)境開(kāi)展了多層熱防護(hù)織物的蓄熱特性定量研究，根據(jù)顯熱蓄熱理論，通過(guò)測(cè)量各面料層的溫度變化對(duì)其蓄熱量進(jìn)行了量化。結(jié)果顯示，外層織物蓄積的熱量約占織物系統(tǒng)總熱量的36%～57%，顯著高于隔熱層和防水透氣層。

此外，研究[33-34]表明，阻燃織物的光學(xué)性能對(duì)織物系統(tǒng)的熱傳遞速率有影響，多層織物系統(tǒng)中的自發(fā)輻射會(huì)在熱暴露時(shí)提高熱能傳遞到人體皮膚的速率，從而能夠在織物中儲(chǔ)存更多的熱能。Su等[28]根據(jù)輻射雙通量模型，綜合考慮多孔織物中輻射熱特性的影響，并針對(duì)外層熱防護(hù)織物高發(fā)射率等特點(diǎn)改進(jìn)了傳熱模型。研究結(jié)果表明，織物的反射率會(huì)改變熱暴露階段織物的儲(chǔ)能速率，而織物系統(tǒng)中的傳熱速率由織物的透射率決定。

2.1.2 衣下空氣層

由于人體曲面凹凸起伏、織物自身的柔韌性以及多層織物各層之間相互作用，服裝與皮膚之間形成厚度不均勻的空氣層。研究表明，空氣層對(duì)織物的熱濕傳遞性能影響顯著[35]，但是空氣層厚度過(guò)大會(huì)降低服裝的合體性，對(duì)作業(yè)人員的活動(dòng)便利性造成消極影響。作為優(yōu)良的熱絕緣體，空氣層在隔絕熱量傳遞的同時(shí)也會(huì)儲(chǔ)存熱量，從而使得織物系統(tǒng)內(nèi)熱蓄積指數(shù)增加，對(duì)于熱暴露階段的熱防護(hù)性能具有積極作用[36]。Fu等[37]研究了低水平熱輻射暴露階段空氣層對(duì)多層織物熱防護(hù)性能的影響，指出在低熱流暴露條件下，延緩皮膚燒傷時(shí)間的有效方法是增加空氣層厚度，同時(shí)多層織物系統(tǒng)中空氣層位置的不同對(duì)服裝整體熱防護(hù)性能的影響程度不同。然而有學(xué)者[7]定量評(píng)估了空氣層厚度對(duì)多層熱防護(hù)織物能量蓄積的影響，結(jié)果表明，引入的空氣層主要導(dǎo)致隔熱層熱蓄積的增加，但對(duì)于外層及防水透氣層的熱蓄積影響較小。

2.1.3 反光帶及加固材料

熱防護(hù)服外層織物上的反光帶因其能反射光線而作為警示標(biāo)志，以此提高服裝的可見(jiàn)度。然而Eni[38]的研究表明，在濕潤(rùn)織物系統(tǒng)中置入反光帶時(shí)，反光帶和熱防護(hù)織物表面雖然未有明顯損壞現(xiàn)象，但是附加反光帶部位的衣下皮膚卻發(fā)生了燒傷[11]。究其原因，反光帶使得局部織物層厚度增加，透氣性減弱，織物的熱蓄積能力增強(qiáng)，但儲(chǔ)存的熱量釋放會(huì)帶來(lái)皮膚嚴(yán)重?zé)齻暮蠊?，從而使熱防護(hù)服的防護(hù)性能減弱。這和Barker等[13]的研究結(jié)論相類似，然而當(dāng)采用多孔外層加強(qiáng)材料制成的反光帶置入熱防護(hù)服時(shí)，卻加強(qiáng)了織物系統(tǒng)的熱防護(hù)性能。何華玲等[39]的研究表明，加入反光帶有利于降低熱量傳遞效應(yīng)，提高熱防護(hù)性能。這與Eni[38]的研究結(jié)果相反，可能是因?yàn)樗麄冞x擇的反光帶面料的透氣性不同。

2.2 環(huán)境因素

2.2.1 熱源形式

不同的熱源類型對(duì)應(yīng)不同的傳熱外邊界條件，熱防護(hù)服的熱防護(hù)性能與熱源熱量傳遞方式有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，因此理論而言對(duì)儲(chǔ)存在織物系統(tǒng)內(nèi)的熱量也具有一定的影響。Mandal等[40]探究了基于不同熱源的織物熱防護(hù)性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)織物置于火焰與熱輻射環(huán)境時(shí)，影響其熱防護(hù)性能的主要因素分別是織物的熱阻、吸收率和發(fā)射率；當(dāng)織物放置于火焰和高溫蒸汽環(huán)境中時(shí)，熱傳遞的主要形式是熱對(duì)流，輻射熱環(huán)境的傳熱方式以輻射傳熱為主，熱接觸暴露環(huán)境的傳熱方式是熱傳導(dǎo)。然而，在熱防護(hù)服的實(shí)際應(yīng)用中，引起高溫作業(yè)人員皮膚灼傷的主要傳熱方式之一是熱輻射。事實(shí)上，火焰燃燒的熱量中，熱輻射所占比例達(dá)80%[41]。表3示出針對(duì)不同熱源類型開(kāi)展的熱暴露與冷卻階段熱防護(hù)性能的代表性研究。根據(jù)高溫作業(yè)人員實(shí)際所處的熱環(huán)境，目前主要針對(duì)熱輻射條件及火焰狀態(tài)下織物的蓄放熱特性進(jìn)行了探討和研究，而少數(shù)研究人員分別針對(duì)熱水、熱蒸汽和接觸熱開(kāi)展研究。

表3 不同熱源類型的研究現(xiàn)狀

2.2.2 熱源強(qiáng)度

火場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜多樣，通常把火場(chǎng)環(huán)境分為普通環(huán)境、危險(xiǎn)環(huán)境和緊急環(huán)境3個(gè)等級(jí)[49]。Shalev等[50]以單層熱防護(hù)織物為研究對(duì)象，探索了其在熱暴露環(huán)境下的熱傳遞性能，研究結(jié)果表明，決定熱防護(hù)性能的主要因素是熱源強(qiáng)度。Song等[8]研究了3種低熱流強(qiáng)度(6.3、7.5、8.3 kW/m2)下織物的熱蓄積情況，研究結(jié)果表明，熱暴露期間織物內(nèi)儲(chǔ)存的熱量隨熱源強(qiáng)度的增加而增加，即熱源強(qiáng)度與織物的蓄熱呈正相關(guān)關(guān)系。Eni[38]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熱流量較低為2.4 kW/m2時(shí)，冷卻階段熱蓄積的釋放是造成皮膚燒傷的主要原因；當(dāng)熱流量較高為20.9 kW/m2時(shí)，熱暴露階段的熱傳遞是造成皮膚燒傷的主要原因。這表明熱暴露強(qiáng)度能夠改變熱蓄積對(duì)防護(hù)性能的影響程度。

2.2.3 熱暴露時(shí)間

研究發(fā)現(xiàn)，在熱暴露時(shí)間較短的情況下，隨著熱暴露時(shí)間的增加，存儲(chǔ)在織物系統(tǒng)內(nèi)的能量以及傳遞至皮膚的能量均增加。然而，在相對(duì)較長(zhǎng)的熱暴露時(shí)間內(nèi)，隨著熱暴露時(shí)間的增加，傳遞至皮膚的能量持續(xù)上升，而存儲(chǔ)在織物系統(tǒng)內(nèi)的能量則下降[51]。這種轉(zhuǎn)變的原因可能是處于長(zhǎng)時(shí)間的熱暴露條件下，織物熱降解導(dǎo)致其比熱、質(zhì)量降低[52]，且織物系統(tǒng)在特定的熱暴露強(qiáng)度條件下存儲(chǔ)熱能的能力有限，在達(dá)到完全的熱能儲(chǔ)存能力后，任何來(lái)自外部環(huán)境的額外熱能都會(huì)完全轉(zhuǎn)移到皮膚組織。有研究者[53]分別將織物系統(tǒng)暴露在輻射熱源60、90、120 s條件下以評(píng)估在8.4 kW/m2熱流強(qiáng)度下的綜合熱防護(hù)效果。研究發(fā)現(xiàn)：熱暴露時(shí)間較短為60 s時(shí)，冷卻階段織物對(duì)皮膚的蓄熱釋放是造成皮膚燒傷的主要原因；而熱暴露時(shí)間較長(zhǎng)(90、120 s)時(shí)，熱暴露過(guò)程中的熱傳遞是造成皮膚燒傷的主要原因。

2.3 人體因素

2.3.1 人體運(yùn)動(dòng)

作業(yè)人員在進(jìn)行高溫勞作時(shí)，人體動(dòng)作會(huì)影響空氣層在人體各部位的分布，同時(shí)服裝面料會(huì)發(fā)生不同程度的變形，從而改變其某些特性[54]。另外，當(dāng)織物處于高強(qiáng)度熱暴露環(huán)境中時(shí)會(huì)發(fā)生熱收縮[55]，而織物熱收縮形變也是影響其熱防護(hù)性能的因素之一。Li等[56]利用織物拉伸裝置模擬了形變率為12%以下的45°斜向拉伸，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：4%的定長(zhǎng)拉伸將顯著降低熱暴露階段織物的隔熱防護(hù)性能；而當(dāng)拉伸率繼續(xù)增加時(shí)，熱防護(hù)性能將不會(huì)產(chǎn)生顯著的變化。由于存在泊松現(xiàn)象[57]，當(dāng)縱向拉伸織物時(shí)，其在橫向上會(huì)收縮，根據(jù)幾何學(xué)理論，45°方向拉伸后紗線會(huì)滑移從而變得更加緊密，導(dǎo)致織物面積和孔隙率減小。Li等[56]研究發(fā)現(xiàn)，拉伸使織物厚度略微減小，孔隙率和厚度的減小反而最終導(dǎo)致織物的隔熱性能降低、織物儲(chǔ)存的熱量減少。

2.3.2 人體出汗

穿戴熱防護(hù)服的作業(yè)人員在從事高溫作業(yè)時(shí)，外界環(huán)境的水蒸氣以及液態(tài)水被防護(hù)服外層面料所吸收；此外，作業(yè)人員的身體會(huì)出汗以調(diào)節(jié)自身體溫，由內(nèi)向外潤(rùn)濕熱防護(hù)服。內(nèi)外部水分的含量和分布通過(guò)影響多層織物系統(tǒng)的熱屬性(如比熱、導(dǎo)熱系數(shù))，從而改變織物的熱傳導(dǎo)及其熱蓄積性能。需要注意的是，防護(hù)服內(nèi)的水分會(huì)蒸發(fā)，進(jìn)而凝結(jié)在織物和皮膚表面釋放熱量[26,58]，使得皮膚得熱量增多?；趯?shí)際作業(yè)環(huán)境，Barker等[43,59]探究了低熱輻射條件下水分所處的位置對(duì)二級(jí)燒傷時(shí)間的影響，結(jié)果表明：當(dāng)防護(hù)服內(nèi)層被潤(rùn)濕時(shí)，水分的存在會(huì)延緩發(fā)生二級(jí)燒傷的時(shí)間；相反，當(dāng)防護(hù)服外層被水分浸潤(rùn)時(shí)會(huì)略微增加發(fā)生二級(jí)燒傷的時(shí)間。此外，有研究[7]采用多個(gè)指標(biāo)定量評(píng)估了防護(hù)織物中水分位置及其含量在蒸汽熱暴露條件下對(duì)其蓄熱特性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：增加內(nèi)層的水分可降低皮膚的得熱，且隨著織物系統(tǒng)中水分含量的增加，織物的蓄熱能力增強(qiáng)；但當(dāng)織物系統(tǒng)的內(nèi)外層水分含量都較高時(shí)，織物的蓄熱能力會(huì)減弱。何華玲等[39]探究了織物系統(tǒng)的水分含量對(duì)引起二級(jí)燒傷的最小熱暴露時(shí)間和熱蓄積指數(shù)的影響，研究結(jié)果表明，熱蓄積指數(shù)隨含水率的增大呈降低趨勢(shì)。

3 熱防護(hù)織物放熱危害性能影響因素

通常認(rèn)為，按照能量守恒定律，織物蓄熱量越多則放熱量越多，皮膚得熱量也越多，發(fā)生熱災(zāi)害的概率也越大。有研究[60]指出，織物的放熱量與蓄熱量沒(méi)有必然的正相關(guān)關(guān)系，而織物的放熱量會(huì)受到所處狀態(tài)的影響，且織物釋放熱量時(shí)的狀態(tài)和條件不同對(duì)人體造成的熱傷害程度不同。

3.1 織物的基本物理性能

單層織物在熱暴露后雖然不能釋放出較大規(guī)模的熱量，但在織物冷卻初期卻有較高的蓄熱釋放速率[45]。多層織物的放熱特性較為復(fù)雜，Su等[28]研究發(fā)現(xiàn)，多層織物系統(tǒng)中織物的自發(fā)輻射在冷卻階段能增加對(duì)周圍環(huán)境的傳熱速率。在多層熱防護(hù)服中，由于隔熱層織物靠近皮膚，因此其對(duì)皮膚的放熱危害作用最大，研究發(fā)現(xiàn)：冷卻階段皮膚吸收的36%～79%的熱量來(lái)源于隔熱層；而外層織物對(duì)皮膚的放熱危害作用相對(duì)較小，僅13%～31%的皮膚吸收熱量來(lái)源于外層織物[45]。這是由于隔熱層起到了阻擋外層織物對(duì)皮膚的放熱作用。然而，有研究顯示:織物系統(tǒng)厚度越大，在熱暴露期間蓄熱越多；同時(shí),較厚的織物系統(tǒng)釋放熱蓄積能所需的時(shí)間較長(zhǎng)，其冷卻階段向皮膚釋放的熱量可能會(huì)降低[42]。Su等[30]研究也發(fā)現(xiàn)：在蒸汽熱暴露階段，織物厚度的增加明顯降低了皮膚表面溫度；但在冷卻過(guò)程中不同厚度織物系統(tǒng)之間對(duì)于降低皮膚表面溫度卻沒(méi)有顯著差異。

3.2 空氣層配置

冷卻階段，空氣層的厚度和位置同樣會(huì)影響熱蓄積向皮膚的釋放。在熱暴露期間，空氣層可有效減緩織物向皮膚的熱量傳遞[2]，織物蓄熱能力增大；在冷卻期間，空氣層也會(huì)起到阻隔蓄熱釋放的作用，從而影響皮膚燒傷[8]。研究結(jié)果表明，將織物系統(tǒng)和皮膚表面之間的空氣層厚度設(shè)置為6.4 mm時(shí)，織物對(duì)皮膚的放熱量平均下降了9.6%[45]。因此，可認(rèn)為在熱暴露和冷卻2個(gè)階段，空氣層對(duì)熱防護(hù)織物的防護(hù)性能都能產(chǎn)生積極作用。此外，有研究者[45]通過(guò)設(shè)定織物與皮膚之間有無(wú)空氣層2種條件，探究了空氣層配置對(duì)多層熱防護(hù)織物蓄熱釋放的影響，結(jié)果表明：在蓄熱自然釋放時(shí)，空氣層的存在只能降低外層和防水透氣層對(duì)皮膚的放熱，隔熱層對(duì)皮膚的放熱反而會(huì)增加；而在織物受壓釋放時(shí)，外層及防水透氣層的放熱顯著增強(qiáng)，隔熱層放熱卻無(wú)明顯增加。He等[47]針對(duì)熱蒸汽暴露條件，建立了空氣層厚度(0～18 mm)和位置影響蓄放熱雙重特性的回歸模型，研究結(jié)果表明：在熱蒸汽暴露結(jié)束后，空氣層厚度的增加會(huì)降低織物對(duì)皮膚的蓄熱釋放；雖然在熱暴露階段靠近皮膚的內(nèi)側(cè)空氣層所產(chǎn)生的蓄熱防護(hù)效果更為明顯，但在冷卻階段外側(cè)空氣層對(duì)蓄熱釋放的阻隔效果更為顯著。

3.3 織物水分

織物中的水分會(huì)蒸發(fā)，冷卻階段進(jìn)而凝結(jié)至皮膚上會(huì)放熱，使得皮膚表面獲得的熱量增加，間接加重了織物的熱危害效應(yīng)。水分的存在使得多層織物系統(tǒng)的比熱容增大，但也使材料的導(dǎo)熱系數(shù)增加，隔熱性能降低，而這2種影響結(jié)果相互制約，尤其在多層織物系統(tǒng)中，這種制約影響變得更加復(fù)雜[46]。當(dāng)前在探討織物水分和蓄放熱性能關(guān)系的研究中，大都是在實(shí)驗(yàn)前給織物施加定量的水分[61]，而非真實(shí)模擬人體內(nèi)部持續(xù)出汗的實(shí)際情形。有研究人員[38]向織物系統(tǒng)中施加固定的含水量(其自身質(zhì)量的15%)，研究結(jié)果表明，織物系統(tǒng)的TPP值減小，熱防護(hù)性能變差；但綜合考慮冷卻階段熱蓄積的釋放時(shí)，織物系統(tǒng)中的水分對(duì)熱防護(hù)性能的影響較小。Su等[30]基于蒸汽壓力條件，建立了考慮織物受到環(huán)境的碰撞射流、壓差引起的蒸汽流動(dòng)、動(dòng)態(tài)吸濕和相變的織物熱濕傳遞模型，研究結(jié)果表明，在冷卻過(guò)程中，織物初始水分含量的增加有助于皮膚表面的冷卻效果，具有高導(dǎo)熱率的水分可加速熱量從皮膚表面散發(fā)到外界環(huán)境。

3.4 織物受壓

相較于熱蓄積在自然狀態(tài)下的放熱狀態(tài)，織物在受到擠壓時(shí)的蓄熱釋放效率顯著增大，尤其在冷卻階段初期[45]。關(guān)于受壓程度對(duì)蓄熱釋放的影響研究發(fā)現(xiàn)，在壓強(qiáng)從10.34 kPa上升到20.68 kPa時(shí)，對(duì)織物施加的壓力顯著影響織物釋放的熱量，但進(jìn)一步增強(qiáng)壓力，其對(duì)皮膚燒傷影響并不顯著[60]。這主要是因?yàn)闊岱雷o(hù)服受到的壓力造成織物厚度變薄以及衣下空氣層減小，空氣含量的降低大大增加了織物的導(dǎo)熱系數(shù)。雖然增加空氣層厚度可以減少暴露及冷卻過(guò)程中來(lái)自熱源的熱量傳遞，但如果熱防護(hù)服在冷卻階段受到擠壓，其熱蓄積的加速釋放會(huì)對(duì)人體皮膚造成更大的熱危害[62]。此外，施加的壓力還可降低織物與傳感器間的接觸熱阻，影響織物系統(tǒng)的隔熱性能。Su等[29]建立了受壓狀態(tài)下防護(hù)織物的傳熱模型，模型中考慮了各層織物厚度、織物內(nèi)部空氣層厚度隨壓力的動(dòng)態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)施加的壓力可減少防護(hù)服與皮膚表面的空氣層，降低防護(hù)服的隔熱性能，且影響不同壓力下接觸傳熱的重要因素是織物厚度和導(dǎo)熱系數(shù)。Song等[8]通過(guò)對(duì)熱防護(hù)性能測(cè)試儀的改進(jìn)研究證實(shí)了在冷卻階段施加的壓力可增強(qiáng)織物系統(tǒng)對(duì)皮膚的蓄熱釋放作用。

3.5 環(huán)境溫度

由于溫度梯度的存在，蓄熱后的織物會(huì)向外界環(huán)境和皮膚釋放熱量，直到織物系統(tǒng)內(nèi)外溫度達(dá)到平衡穩(wěn)定的狀態(tài)。Su等[27]針對(duì)低輻射熱條件暴露后多層熱防護(hù)織物的放熱過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究發(fā)現(xiàn)，給定從0 ℃升溫到50 ℃的外界環(huán)境條件，織物與皮膚之間的溫度梯度增大，但織物對(duì)皮膚的放熱百分比沒(méi)有出現(xiàn)大幅度的上升，而只是略微上升。其主要原因是織物向皮膚釋放的熱量主要來(lái)自于隔熱層，而向外界釋放熱量的主要是外層織物，因此在冷卻期間保持織物在低溫環(huán)境中并不是降低皮膚燒傷的有效方法。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文首先介紹了熱防護(hù)服熱蓄積的產(chǎn)生機(jī)制及其對(duì)皮膚燒傷的影響，其次闡明了防護(hù)服熱蓄積相關(guān)的測(cè)試方法以及數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀，最后從蓄熱防護(hù)性能以及放熱危害性能2個(gè)方面分析了防護(hù)服雙重特性的相關(guān)影響因素。在今后的研究中，應(yīng)全面考慮熱防護(hù)服使用的實(shí)際環(huán)境及各影響因素，建立完善的熱防護(hù)性能評(píng)價(jià)體系，相關(guān)結(jié)論及未來(lái)的研究方向總結(jié)如下。

1)基于熱防護(hù)服蓄放熱雙重效應(yīng)探究其最優(yōu)的配伍設(shè)計(jì)。熱防護(hù)服對(duì)人體皮膚既存在熱防護(hù)的積極作用也存在熱危害的消極作用，并且在綜合考慮熱防護(hù)服雙重特性時(shí)，織物的蓄熱性能與其放熱性能并非絕對(duì)的成比例，這為現(xiàn)代防護(hù)類服裝的工程化創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了新思路。開(kāi)展熱防護(hù)服的最優(yōu)化配伍設(shè)計(jì)研究，需要進(jìn)一步量化蓄熱、放熱與熱防護(hù)性能之間的復(fù)雜關(guān)系，以及考慮多因素交互的影響，更加優(yōu)化熱暴露階段熱蓄積起到的熱防護(hù)作用，降低冷卻階段熱蓄積釋放造成的熱危害效應(yīng)，為全面測(cè)評(píng)熱暴露和冷卻階段的織物熱防護(hù)性能提供理論基礎(chǔ)和評(píng)價(jià)依據(jù)。

2)針對(duì)熱防護(hù)服實(shí)際應(yīng)用環(huán)境開(kāi)展形式多樣化的熱暴露環(huán)境和冷卻環(huán)境研究。目前針對(duì)低輻射熱條件下織物蓄放熱性能的研究相對(duì)較為成熟，而在實(shí)際應(yīng)用中，熱災(zāi)害環(huán)境具有多樣性和復(fù)雜性(如接觸熱、熔融金屬噴濺物、高溫蒸汽熱、電弧所產(chǎn)生的高熱、高溫液體噴濺等)，熱防護(hù)服的性能要求隨著使用目的和使用環(huán)境的不同而有所差別，但一定時(shí)間穿著下的熱防護(hù)服在所有熱災(zāi)害環(huán)境中均會(huì)產(chǎn)生熱蓄積及熱量釋放過(guò)程，并且不同的冷卻環(huán)境均會(huì)影響到蓄熱的釋放量及釋放速率。目前在考慮熱防護(hù)服蓄熱釋放的綜合熱防護(hù)性能評(píng)價(jià)研究中，針對(duì)火焰和熱輻射條件下的評(píng)價(jià)方法已經(jīng)成熟，而其它熱災(zāi)害環(huán)境及相應(yīng)冷卻條件下的研究相對(duì)空白，同時(shí)相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)也尚未建立。

3)附加新材料的織物系統(tǒng)蓄放熱特性探索。近年來(lái)，為提升熱防護(hù)服的防護(hù)性能，形狀記憶材料、氣凝膠和相變材料等新材料逐漸應(yīng)用于熱防護(hù)服，并在熱防護(hù)性能提升方面顯示出積極作用。前期研究中鮮少考慮附加新材料的織物系統(tǒng)由于熱蓄積釋放所導(dǎo)致的熱危害作用，但附著于熱防護(hù)服系統(tǒng)內(nèi)的儲(chǔ)能材料其自身在凝固時(shí)會(huì)釋放熱量，加上織物內(nèi)本身儲(chǔ)存的熱量在冷卻階段會(huì)釋放，這2部分熱量可能會(huì)增加皮膚燒傷，因此，未來(lái)對(duì)于附加新材料的熱防護(hù)織物系統(tǒng)的蓄放熱特性研究，以及其蓄熱量、蓄熱釋放量之間的關(guān)聯(lián)性研究還需要更為準(zhǔn)確的探討和量化。