附加相变材料的消防服多层织物性能研究*

崔志英 袁晓云 马春杰

(东华大学服装·艺术设计学院，上海，200051)

近年来国内火灾、爆炸等灾难性事故频发，在火灾和爆炸事故抢险现场，时有身着消防服装的消防战士被烧伤或牺牲的报道。Huang等［1］对25个省份的1 177名消防战士进行问卷调查发现，救援过程中消防战士被烧伤的比例高达21% ，目前中国大约有16万名消防战士，约有33 600人在救援过程中被烧伤，因此如何保护消防战士的人身安全成为一个广为关注的焦点。

为了减少消防员的伤亡，将相变材料新技术应用于消防服将成为研究的热点。相变材料作为一种新型智能调温材料，是一种能够在特定温度下发生可逆相态转变的材料(如固-液态转变)，在相转变过程中可从周围环境吸收或释放大量的热，并保持自身温度恒定［2-3］。因此，本文设计了不同厚度的相变材料，将其与隔热层复合后应用于消防服多层织物系统，探讨了相变材料对消防服的热防护性能及热湿舒适性能的影响，为相变材料在消防服中的应用提供理论指导。

1 实验部分

1.1 消防服各层试样

消防服通常由外层、防水透气层、隔热层组合而成［4］。本文试样均来自国内消防服中普遍使用的织物品类，各层试样的基本物理参数见表1。其中:A1和A2分别为对位芳纶与间位芳纶混纺阻燃外层面料试样和阻燃棉织物外层面料试样;B为防水透气层试样;C0为隔热层试样。

表1 各层织物基本物理参数

1.2 相变材料

采用干法涂层工艺将相变材料与隔热层复合制备成调温织物，实验选用的相变材料是自然调温元素(专利号:2007100649214)［5］，其熔融温度为－0.15～32.38 ℃，结晶温度为25.93 ～ －5.64 ℃。相变涂层材料是由自然调温元素制备的相变胶囊粉加入软性丙烯酸酯黏合剂和水配制的相变胶囊混合液，涂层材料的厚度分别为 0.08、0.10、0.12、0.14和0.16 mm，相变涂层材料试样的基本物理参数见表2。

1.3 试样组合

多层消防服用织物系统实验组合设计见表3。其中:X表示外层织物为A1，Y表示外层织物为

表2 隔热层涂层织物基本物理参数

表3 消防服各层试样的组合

1.4 性能测试

1.4.1 热防护性能

热防护性能(thermal protective performance，TPP)实验是目前国际上通用的评价织物热防护性能的实验方法。本文采用CSI-206热防护性能测试仪，其构造原理见图1。测试仪主要由气体燃烧器和石英灯管、热源预屏蔽装置、试样夹持装置、热量计和绘图记录仪组成。

图1 TPP性能测试原理示意

测试时试样水平放置在以对流和辐射混合热作用的火焰上方，织物正面对着热源，试样距石英管125 mm，置于试样后的热量计的温度随热源作用的时间而变化，温度记录仪每隔0.1 s自动记录热量计随时间延长的温度变化值，并绘成曲线。曲线与Stoll标准曲线的相交点即为造成人体皮肤二度烧伤所需要的时间，与此条件下的热量乘积即为TPP值［6］。TPP值按下式计算:

式中:F——热流量［4.18 J/(cm2·s)］;

T——二度烧伤时间(s)。

TPP值越大，则织物的热防护性能越好，人体皮肤越不容易烧伤。

1.4.2 热湿舒适性能

采用美国西北测试(MTNW)公司的SGHP-10.5出汗平板仪测试消防服多层组合织物系统的热阻和湿阻，其结构示意见图2。该装置包括多孔渗水发汗测试盘、四周热护环与底部的热护底板、重力自动供水系统，以及环境温度和湿度感测器。该仪器通过ThermDAC控制系统进行数据的记录与计算。按照ASTM F1868标准对多层织物的热阻、湿阻、总散热量(total heat loss，THL)及透湿指数(im)进行测试［7］。

图2 出汗平板仪示意

实验时设定环境温度为25℃，环境相对湿度为65%，风速为1 m/s，热平板温度为35℃，试样尺寸为50 cm×50 cm。

2 结果与分析

2.1 多层织物系统的热防护性能

图3是外层织物为芳纶织物(A1)的多层织物系统(X系统)的模拟皮肤温度上升曲线。从温度上升曲线可看出，织物在火焰暴露下，其温度上升过程可分为两个阶段。第一阶段是织物被加热过程，在最初的几秒钟内，外界的大部分热量都被织物吸收，织物被加热，传感器的温度上升缓慢;第二阶段是织物辐射热量过程，当织物吸收了一定的热量后，织物向皮肤传递热量，皮肤温度上升速率加快。图3中附加相变材料的 X1～X5的温度上升斜率相近，而无相变材料的X0温度上升速率较快。这说明相变材料在加热的过程中当达到相变温度时发生了相变，吸收外界的热量，使得多层织物温度上升速度变缓慢，皮肤达到二度烧伤的时间增加，从而降低了火焰对人体的危害，能更好地保护消防员的人身安全。

图3 多层织物系统中模拟皮肤温度随时间的上升曲线

表4为多层织物组合系统的TPP测试结果。实验结果表明:附加了相变材料的织物系统的TPP值大于无相变材料织物系统，即相变消防服整体的热防护性能得到了提高。这是由于相变材料吸收了从外界环境传递来的热量，储存于织物内部，有效地减缓了温度上升的速率，从而延长了皮肤到达二度烧伤的时间。从表4可得到:X1～X5的TPP值与X0相比，增加了15.54% ～25%;Y1～Y5的TPP值与Y0相比，增加了13.38% ～27.16%。

表4 多层组合织物系统的TPP值

2.2 多层织物系统的热湿舒适性能

消防服多层组合织物系统的热阻、湿阻和透湿指数的实验结果及其总散热量的测试结果分别见表5和图4。实验结果表明:附加相变材料的多层织物系统的湿阻值均增大，透湿指数减小，热阻无明显变化;同时总散热量THL值减小，但仍满足NFPA1971标准THL值≥205 W/m2的要求［6］。对于外层织物为A1的组合织物，涂层厚度为0.16 mm的多层组合织物系统X5热阻和湿阻最小，总散热量最大，热湿舒适性最好;其次为涂层厚度为0.10 mm的多层组合织物系统X2。外层织物为A2的组合织物，涂层厚度为0.10 mm隔热层的多层织物系统Y2热湿舒适性能最优。考虑到涂层厚度越大，越容易导致涂层不均匀，同时考虑消防员的灭火作业的灵活性，综合以上因素，相变材料的涂层厚度以0.10 mm为最优。

表5 多层织物系统的热阻与湿阻

图4 多层组合织物的总散热量折线图

3 结论

(1)消防服多层织物在附加相变材料后其总散热量减小，但仍满足NPFA1971标准的要求。

(2)消防服多层织物附加相变材料后整体的TPP值增加了13.38% ～27.16%，即热防护性能变好。

(3)将相变材料新技术应用于消防服，将有效地减少传递到人体皮肤的热量，从而降低人体的烧伤程度，能更好地保护消防员的人身安全。

［1］HUANG Dongmei，YANG Hua，QI Zhengkun，et al.Questionnaire on firefighters’protective clothing in China［J］.Fire Technology，2012，48(2)，255-268.

［2］陈绍芳，孟家光.Outlast空调纤维/棉纤维混纺针织产品开发［J］.产业用纺织品，2012，30(2):5-6.

［3］孙铮，汪嫒，俊玲.石蜡相变微胶囊及其调温织物的性能研究［J］.印染助剂，2013，30(1):5-8.

［4］全国消防标准化技术委员会.GA10—2002消防员灭火防护服［S］.北京:中国标准出版社，2002.

［5］北京巨龙博方科学技术研究院.自然调温元素及制备方法:中国，2007100649214［P］.2007-03-29.

［6］National Fire Protection Association.NFPA1971 Standard on protective ensembles for structural firefighting and proximity fire fighting［S］.Massachusetts:National Fire Protection Association，2013.

［7］American Society for Testing and Materials.ASTM F1868-12 Standard test method for thermal and evaporative resistance of clothing materials using a sweating hot plate［S］.American Society for Testing and Materials，West Conshohocken，PA:ASTM International，2012.