張 慧 劉獻(xiàn)飛 燕紅雁 周雪艷 姜嘉奕 李晴晴

1. 中原工學(xué)院 a.紡織學(xué)院,b. 能源與環(huán)境學(xué)院,c.國(guó)際教育學(xué)院, 河南 鄭州 450007;2. 山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院 山東,濟(jì)南 250102

消防服是消防員在滅火戰(zhàn)斗過(guò)程中穿著的個(gè)體防護(hù)裝備,是消防員進(jìn)行火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)的保護(hù)屏障,其熱防護(hù)性能關(guān)乎消防員的生命安全與救援工作實(shí)效,并且直接影響人民的生命、財(cái)產(chǎn)安全[1-2]。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GA 10—2014《消防員滅火防護(hù)服》,傳統(tǒng)消防服由外層、防水透濕層、隔熱層和舒適層這4層結(jié)構(gòu)組成[3-5],其主要通過(guò)增加織物面密度與厚度來(lái)滿足熱防護(hù)要求,但這會(huì)極大地影響消防員的熱濕舒適性,降低工作效率[6]。

相變材料(phase change material,PCM)的蓄熱調(diào)溫功能已成為消防服領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[7-8]。Rossi等[9]通過(guò)涂層法將相變溫度為50 ℃的PCM涂覆在多層織物上,并對(duì)其熱防護(hù)性能進(jìn)行測(cè)試,研究結(jié)果表明,PCM能顯著提高多層織物的熱防護(hù)性能。崔志英等[10]采用干法涂層法將PCM與隔熱層復(fù)合,對(duì)添加PCM的多層織物的熱防護(hù)性能進(jìn)行研究,結(jié)果表明,添加PCM的多層織物的熱防護(hù)性能提升。馬艷柳等[11]分別選取2種不同相變溫度的微膠囊相變材料(microencapsulated phase change material,MPCM)和阻燃基布材料,利用干法涂層工藝制備不同MPCM和阻燃基布組合的涂層織物,并測(cè)試其阻燃性能,結(jié)果顯示,經(jīng)有機(jī)硅阻燃劑涂層的織物阻燃性能較好。Mccarthy等[12]將3種PCM縫制于隔熱層與舒適層面料之間,得出利用PCM的潛熱能夠有效降低織物內(nèi)部溫度,同時(shí)減小消防裝備整體質(zhì)量的結(jié)論。上述研究采用不同的方式將PCM與消防服用多層織物結(jié)合,再利用阻燃性能或熱防護(hù)性能測(cè)試結(jié)果定性表征材料熱防護(hù)性能。本文制備不同相變溫度、放置位置與MPCM用量的消防服用多層織物試樣,采用傳統(tǒng)熱防護(hù)性能/熱輻射防護(hù)性能(TPP/RPP)測(cè)試方法,通過(guò)皮膚模擬傳感器探討相變溫度、放置位置及MPCM用量對(duì)消防服用多層織物系統(tǒng)熱防護(hù)性能的影響,模擬熱輻射對(duì)人體皮膚的影響,以及皮膚接收的溫度和熱流量隨輻射時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。研究結(jié)果可為開(kāi)發(fā)兼具熱防護(hù)性能與蓄熱調(diào)溫功能的高性能熱防護(hù)材料提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原料及儀器

試驗(yàn)原料:MPCM為市售TH-ME系列材料,購(gòu)自湖北賽默新能源科技有限公司,相變溫度分別為37、43和49 ℃,對(duì)應(yīng)的代號(hào)分別為MP37、MP43和MP49,其主要成分為SiO2和石蠟,密度為0.55 g/cm3,儲(chǔ)能密度為120～130 J/g,平均粒徑為40 μm。消防服用面料和阻燃紗線均購(gòu)自上海圣歐同安防護(hù)用品開(kāi)發(fā)有限公司,均為現(xiàn)役消防服常用材料,面料性能參數(shù)如表1所示。阻燃紗線為芳綸1313、芳綸1414和導(dǎo)電絲質(zhì)量比為93∶5∶2的混紡紗線,紗線線密度為18.2 tex×2。

試驗(yàn)儀器:千分厚度規(guī);FA20004B型電子天平;縫制試驗(yàn)用小型縫紉機(jī)。

表1 消防服用面料性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of fabrics for fire suit

1.2 試驗(yàn)方案

為動(dòng)態(tài)化研究高熱流環(huán)境下相變溫度、放置位置(位于隔熱層與防水透濕層之間或隔熱層與舒適層之間)及MPCM用量(分別為多層織物質(zhì)量的30%、45%、60%、100%)對(duì)消防服用多層織物熱防護(hù)性能的影響,本文選取42 kW/m2的輻射強(qiáng)度,根據(jù)人體皮下組織溫度(37 ℃)及皮膚產(chǎn)生燒傷的溫度(44 ℃)[13],選擇3種不同相變溫度(37、43和49 ℃)的MPCM通過(guò)縫制法制備蓄熱調(diào)溫?zé)岱雷o(hù)材料。采用面密度為30 g/m2的阻燃非織造布(FZ)與阻燃紗線縫制蓄熱調(diào)溫?zé)岱雷o(hù)材料。為確保MPCM在由蓄熱調(diào)溫?zé)岱雷o(hù)材料與消防服用多層織物結(jié)合形成的多層織物系統(tǒng)中分布均勻,經(jīng)預(yù)試驗(yàn),將蓄熱調(diào)溫?zé)岱雷o(hù)材料縫制成邊長(zhǎng)為1.5 cm的小正方形格子,根據(jù)MPCM用量及方格數(shù)計(jì)算每一方格內(nèi)需填充的MPCM量,再用天平稱(chēng)量后,一行一行依次將MPCM填充、縫合在方格內(nèi),直至所有方格填充、縫合完畢。

多層織物系統(tǒng)的組合方式及性能參數(shù)如表2所示。

表2 多層織物系統(tǒng)的組合方式及性能參數(shù)Tab.2 Combination methods and performance parameters of multilayer fabric systems

2 性能測(cè)試

2.1 透氣性能測(cè)試

采用YG641E-Ⅲ型全自動(dòng)透氣量?jī)x(寧波紡織儀器廠),根據(jù)GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測(cè)定》,在溫度(20±2) ℃,相對(duì)濕度(65±2)%的標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境及100 Pa的壓差下,手動(dòng)測(cè)量一定時(shí)間內(nèi)垂直通過(guò)面積為20 cm2的消防服用多層織物系統(tǒng)的氣流量,計(jì)算透氣率。每種樣品測(cè)10塊試樣,結(jié)果取平均值。

2.2 熱防護(hù)性能測(cè)試

目前的熱防護(hù)性能主要通過(guò)TPP/RPP值、二級(jí)燒傷時(shí)間、吸收熱量等指標(biāo)來(lái)衡量。本文采用改進(jìn)的熱防護(hù)性能測(cè)試儀[TPP-1型,莫帝斯燃燒技術(shù)(中國(guó))有限公司]測(cè)試消防服用多層織物試樣的熱防護(hù)性能。熱防護(hù)性能測(cè)試儀的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。參照ASTM F 1939-15Standardtestmethodforradiantheatresistanceofflameresistantclothingmaterialswithcontinuousheating,采用傳統(tǒng)TPP/RPP測(cè)試法,動(dòng)態(tài)化評(píng)價(jià)消防服用多層織物系統(tǒng)的熱防護(hù)性能。TPP/RPP測(cè)試法僅考慮織物接觸熱源時(shí)所傳遞的熱能。測(cè)試條件:輻射強(qiáng)度42 kW/m2,輻射時(shí)間180 s。采用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每隔0.10 s采集一次溫度數(shù)據(jù),并將采集到的溫度和時(shí)間數(shù)據(jù)輸入Skin Burn Prediction軟件(基于Henriques 皮膚燒傷積分方程)中。按照式(1)計(jì)算其熱流量,動(dòng)態(tài)化研究多層織物受熱源輻射后的溫度變化和熱流量變化,并通過(guò)軟件計(jì)算得到的模擬皮膚吸收的熱量與發(fā)生二級(jí)燒傷時(shí)間來(lái)預(yù)測(cè)燒傷情況。本文主要采用吸收熱量和二級(jí)燒傷時(shí)間來(lái)衡量多層織物系統(tǒng)的熱防護(hù)性能。模擬皮膚發(fā)生二級(jí)燒傷的時(shí)間越長(zhǎng)或吸收的熱量越少,則多層織物系統(tǒng)的熱防護(hù)性能越好。每種樣品測(cè)3塊試樣,結(jié)果取平均值。測(cè)試前,將所有樣品放置在溫度(20±2)℃、相對(duì)濕度(65±2)%的標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境下預(yù)調(diào)濕24 h。

圖1 熱防護(hù)性能測(cè)試儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖[14]Fig.1 Schematic of TPP tester[14]

(1)

式中:q″(t)為t時(shí)刻的熱流量,kW/m2;k為無(wú)機(jī)混合物的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃);ρ為皮膚模擬傳感器的無(wú)機(jī)混合物的密度,kg/m3;Cρ為無(wú)機(jī)混合物的比熱容,J/(kg·℃);Ts(t)為t(s)時(shí)刻的溫度,℃;Ti為表面初始溫度,℃。

3 結(jié)果與討論

3.1 材料相變溫度對(duì)多層織物熱防護(hù)性能的影響

S-0織物系統(tǒng)與添加了阻燃非織造布的S-1織物系統(tǒng)的熱流量曲線如圖2所示?？梢钥闯?隨著輻射時(shí)間的延長(zhǎng),織物系統(tǒng)的熱流量值呈動(dòng)態(tài)上升趨勢(shì);總體而言,S-1織物系統(tǒng)的熱流量值低于S-0的。根據(jù)熱流量值計(jì)算不同多層織物系統(tǒng)的二級(jí)燒傷時(shí)間可得,S-0和S-1織物系統(tǒng)分別在100.49 s和103.59 s發(fā)生二級(jí)燒傷,這是因?yàn)榧尤胱枞挤强椩觳己?織物的整體厚度增加,透氣率下降(OS朝上比CL朝上測(cè)得的透氣率分別下降6.99%和8.80%,見(jiàn)表3),因而添加阻燃非織造布的S-1織物系統(tǒng)的熱防護(hù)性能更好,二級(jí)燒傷時(shí)間延長(zhǎng)了3.08%。本文以添加阻燃非織造布的S-1織物系統(tǒng)作為后續(xù)測(cè)試的原樣進(jìn)行對(duì)比分析,以確保測(cè)試結(jié)果的可比性。

圖3為不同相變溫度下,S-2、S-4、S-6和S-8織物系統(tǒng)的熱流量曲線?？梢钥闯?相同條件下,含MP43的多層織物系統(tǒng)的熱流量值較小且上升較緩慢,其織物吸收的熱量值始終低于含MP37和MP49的多層織物系統(tǒng)。由圖3a)可以看出,添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的MPCM,3種相變溫度的多層織物系統(tǒng)的熱流量曲線較接近,這是因?yàn)樘砑拥腗PCM含量較少,蓄熱能力小,傳遞路徑短,熱量易傳遞至模擬皮膚從而導(dǎo)致其燒傷,熱防護(hù)效果不明顯。而由圖3d)可以看出,添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100%的MPCM的S-8織物系統(tǒng),其熱流量值最小,其中含MP43與MP49的多層織物系統(tǒng)的熱流量上升速度非常緩慢,且含MP43的多層織物系統(tǒng)的熱流量值最小。這是因?yàn)槿梭w的二級(jí)燒傷發(fā)生在約44 ℃,相變溫度越高,多層織物系統(tǒng)內(nèi)部蓄積的熱量也越多,其作為熱源,會(huì)繼續(xù)向皮膚傳遞熱量,還未發(fā)生相變就已造成皮膚二級(jí)燒傷,因而未能實(shí)現(xiàn)防護(hù)效果;而相變溫度越低,織物內(nèi)部蓄積的熱量越能快速達(dá)到相變溫度并發(fā)生相變,熱防護(hù)時(shí)間越短[15]。因此,蓄熱調(diào)溫?zé)岱雷o(hù)材料的相變溫度為43 ℃時(shí),多層織物系統(tǒng)內(nèi)部蓄積的熱量溫度越高,熱防護(hù)性能越好。

圖2 S-0與S-1織物系統(tǒng)的熱流量曲線Fig.2 Heat flux curves of S-0 and S-1 fabric systems

表3 不同織物系統(tǒng)的透氣率Tab.3 Air permeability of different fabric systems

圖3 不同相變溫度多層織物系統(tǒng)的熱流量曲線Fig.3 Heat flux curves of multilayer fabric systems with different phase-change temperature

3.2 蓄熱調(diào)溫?zé)岱雷o(hù)材料放置位置對(duì)多層織物熱防護(hù)性能的影響

為探究蓄熱調(diào)溫?zé)岱雷o(hù)材料放置位置對(duì)多層織物熱防護(hù)性能的影響,在其他參數(shù)相同的條件下,改變蓄熱調(diào)溫?zé)岱雷o(hù)材料放置位置(分別放置于隔熱層與舒適層之間和防水透濕層與隔熱層之間),根據(jù)熱流量值計(jì)算不同多層織物系統(tǒng)的二級(jí)燒傷時(shí)間,結(jié)果如圖4～圖6所示。圖4中,含MP37的S-8和S-9織物系統(tǒng)的二級(jí)燒傷時(shí)間分別為241.22 s和232.10 s,表明將蓄熱調(diào)溫?zé)岱雷o(hù)材料放置在隔熱層與舒適層之間相比放置在防水透濕層與隔熱層之間,所得多層織物系統(tǒng)的二級(jí)燒傷時(shí)間延長(zhǎng)了3.92%,明顯優(yōu)于其他多層織物系統(tǒng)。圖5中,含MP43的S-6織物系統(tǒng)的二級(jí)燒傷時(shí)間(225.36 s)相比S-4織物系統(tǒng)的(257.13 s)縮短了12.35%,S-8織物系統(tǒng)的二級(jí)燒傷時(shí)間(297.08 s)相比S-9織物系統(tǒng)的(264.98 s)延長(zhǎng)了12.11%,放置在隔熱層與舒適層之間的S-2、S-4、S-6和S-8織物系統(tǒng)的二級(jí)燒傷時(shí)間長(zhǎng)于放置在防水透濕層與隔熱層之間的多層織物系統(tǒng)(S-3、S-5、S-7和S-9),前種熱防護(hù)性能更好。圖6中,織物系統(tǒng)二級(jí)燒傷時(shí)間的變化規(guī)律與相變溫度為43 ℃時(shí)的類(lèi)似,但含MP49的S-8織物系統(tǒng)的二級(jí)燒傷時(shí)間(244.33 s)相比S-9織物系統(tǒng)的(242.69 s)僅提高了0.68%,兩者的二級(jí)燒傷時(shí)間較為接近。

圖4 MP37放置位置與二級(jí)燒傷時(shí)間之間的關(guān)系Fig.4 Correlations between the placement location of MP37 and second-degree burn time

圖5 MP43放置位置與二級(jí)燒傷時(shí)間之間的關(guān)系Fig.5 Correlations between the placement location of MP43 and second-degree burn time

圖6 MP49放置位置與二級(jí)燒傷時(shí)間之間的關(guān)系Fig.6 Correlations between the placement location of MP49 and second-degree burn time

從圖4～圖6可知,蓄熱調(diào)溫?zé)岱雷o(hù)材料放置在隔熱層與舒適層之間的織物系統(tǒng)相比放置在防水透濕層與隔熱層之間的織物系統(tǒng),前者二級(jí)燒傷時(shí)間得以延長(zhǎng)。這是因?yàn)榭椢锝邮盏綗彷椛浜?溫度逐層向模擬皮膚傳遞并呈遞減趨勢(shì)[16];當(dāng)將蓄熱調(diào)溫?zé)岱雷o(hù)材料放置在隔熱層與舒適層之間時(shí),較低溫度的隔熱層將熱量傳遞給蓄熱調(diào)溫?zé)岱雷o(hù)材料,用于相變。而相同熱輻射強(qiáng)度下,相同MPCM用量的蓄熱調(diào)溫?zé)岱雷o(hù)材料用于相變所需的熱量為定值,蓄熱調(diào)溫時(shí)間延長(zhǎng),其所在多層織物系統(tǒng)整體的熱量傳遞速度將低于蓄熱調(diào)溫?zé)岱雷o(hù)材料放置在防水透濕層與隔熱層之間的織物系統(tǒng)的熱量傳遞速度,延長(zhǎng)了MPCM蓄熱調(diào)溫的整個(gè)過(guò)程。因此,MPCM的引入可對(duì)吸收的熱量起緩沖媒介作用,從而延長(zhǎng)皮膚產(chǎn)生二級(jí)燒傷的時(shí)間,降低熱輻射對(duì)人體皮膚的傷害,使消防服用多層織物系統(tǒng)的熱防護(hù)性能提高[17]。

3.3 MPCM用量對(duì)多層織物熱防護(hù)性能的影響

基于3.1和3.2節(jié)探究試驗(yàn)的研究結(jié)果,探討MPCM用量對(duì)多層織物熱防護(hù)性能的影響。在相同熱輻射強(qiáng)度和輻射時(shí)間下,選取相變溫度為43 ℃和49 ℃的材料,分別將蓄熱調(diào)溫?zé)岱雷o(hù)材料放置在隔熱層與舒適層之間,所得織物系統(tǒng)的熱流量曲線分別如圖7和圖8所示?？梢钥闯?當(dāng)相變溫度為43 ℃(圖7)時(shí),各織物系統(tǒng)的熱流量曲線變化趨勢(shì)類(lèi)似,其吸收熱量(熱流量曲線與時(shí)間形成的面積)依次為435.22、333.07、371.04和232.88 kW/m2,其中,S-6織物系統(tǒng)的吸收熱量相比S-4織物系統(tǒng)的提高了11.40%,S-8織物系統(tǒng)的吸收熱量相比S-4織物系統(tǒng)的降低了30.08%。這是因?yàn)橄嘧儨囟葹?3 ℃時(shí),S-6織物系統(tǒng)內(nèi)部的MPCM用量較多,蓄積在織物內(nèi)部的熱量多,離開(kāi)熱源后持續(xù)向皮膚傳遞熱量,使得模擬皮膚吸收的熱量增多;而S-8系統(tǒng)內(nèi)MPCM用量最多,織物最厚,熱傳遞路徑長(zhǎng),在180 s的輻射時(shí)間范圍內(nèi),未達(dá)到其蓄積熱量的最大容量,模擬皮膚最后吸收的熱量降低;而S-4織物系統(tǒng)內(nèi)部的MPCM用量剛好滿足蓄熱調(diào)溫作用,使得熱防護(hù)綜合效果最佳。當(dāng)相變溫度為49 ℃(圖8)時(shí),各織物系統(tǒng)的吸收熱量依次為425.32、373.91、371.40和259.98 kW/m2,其中,S-6織物系統(tǒng)的吸收熱量相比S-4織物系統(tǒng)的僅降低了0.67%。MPCM用量為100%的多層織物體系在整個(gè)熱輻射過(guò)程中吸收的熱量最少,且在試驗(yàn)研究的輻射強(qiáng)度和輻射時(shí)間下未發(fā)生二級(jí)燒傷,表明隨著MPCM用量的增加,模擬皮膚在該輻射時(shí)間內(nèi)所接收的熱流量值減小,熱防護(hù)性能提升。這是因?yàn)殡S著MPCM用量的增加,蓄熱調(diào)溫?zé)岱雷o(hù)材料厚度增大(表2),熱量由織物內(nèi)部逐漸傳遞到皮膚的整個(gè)傳遞路徑變長(zhǎng),熱量在傳遞過(guò)程中逐漸衰減,皮膚接收的熱流量值減少,進(jìn)而可延長(zhǎng)消防服的防護(hù)時(shí)間,為消防員提供更好的安全防護(hù)。

然而,在真實(shí)的火場(chǎng)救援中,不能極端追求消防服的熱防護(hù)性能,一味增加相變材料用量,還需考慮服裝的舒適性和制作成本,且需符合人體工學(xué)。此外,消防服的整體質(zhì)量也不宜過(guò)大,否則會(huì)影響消防員的救援效率和穿著熱濕舒適性,增加熱應(yīng)激。基于此,綜合本文的研究可知,相變溫度為43 ℃、MPCM用量為織物質(zhì)量45%的多層織物系統(tǒng)(S-4-MP43)的綜合性能相對(duì)較好。與對(duì)比樣S-1織物系統(tǒng)相比,S-4-MP43的熱防護(hù)性能提高了148.22%,既能夠提高消防服的熱防護(hù)性能,保障消防員的生命安全,又不過(guò)度增加其負(fù)荷。

圖7 相變溫度為43 ℃的多層織物系統(tǒng)的熱流量曲線Fig.7 Heat flux curves of multilayer fabric systems with phase-change temperature of 43 ℃

圖8 相變溫度為49 ℃的多層織物系統(tǒng)的熱流量曲線Fig.8 Heat flux curves of multilayer fabric systems with phase-change temperature of 49 ℃

4 結(jié) 論

本文采用縫制小正方形格子并填充MPCM的方式制作蓄熱調(diào)溫?zé)岱雷o(hù)材料,再將其與傳統(tǒng)消防服用多層織物縫合,制備消防服用多層織物系統(tǒng),探究了相變溫度、蓄熱調(diào)溫?zé)岱雷o(hù)材料放置位置及MPCM用量等因素對(duì)消防服用多層織物系統(tǒng)熱防護(hù)性能的影響,得到如下結(jié)論:

(1)其他參數(shù)相同的條件下,相變溫度為43 ℃的含MPCM的多層織物系統(tǒng)接收的熱流量值較小,熱防護(hù)性能較好。

(2)其他參數(shù)相同的條件下,蓄熱調(diào)溫?zé)岱雷o(hù)材料放置在隔熱層與舒適層之間,其織物系統(tǒng)的二級(jí)燒傷時(shí)間較蓄熱調(diào)溫?zé)岱雷o(hù)材料放置在防水透濕層與隔熱層之間的織物系統(tǒng)延長(zhǎng),熱防護(hù)性能提高,熱輻射對(duì)人體的傷害降低。

(3)隨著MPCM用量的增加,多層織物內(nèi)部蓄積的熱量主要集中在蓄熱調(diào)溫?zé)岱雷o(hù)材料內(nèi),傳遞到模擬皮膚后,模擬皮膚接收的熱量越小,熱防護(hù)性能越好;結(jié)合成本及服裝的熱濕舒適性等因素,在本文所選4種MPCM用量中,相變溫度為43 ℃、MPCM用量為織物質(zhì)量45%的多層織物系統(tǒng)(S-4-MP43)的綜合性能相對(duì)較好,其二級(jí)燒傷時(shí)間可達(dá)257.13 s,比未添加蓄熱調(diào)溫?zé)岱雷o(hù)材料的多層織物(S-1)的熱防護(hù)性能提高了148.22%。