防火服织物的服用热防护性能评价方法

李小辉，管曼好，李 俊

(1.东华大学服装·艺术设计学院，上海 200051;2.东华大学功能防护服装研究中心，上海 200051;3.东华大学现代服装设计与技术教育部重点实验室，上海 200051)

随着科技的迅猛发展和社会不安定因素的日渐凸显，承载更高价值与期望的热防护功能服装的应用日益广泛，其中服装热防护性能量化测评及对合理配备的需求甚为迫切。然而，由于热防护性能测评不仅要考虑织物性能，还需要考查服装作为一个整体的热防护性能［1］，其测试方法和评价指标涉及了从纤维材料、织物组织、服装构成、着装形态、火场情况等诸多因素。

目前，针对防火服的热防护性能主要是采用织物热防护性能值测评和燃烧假人系统测评。织物热防护服性能测评原理是将热防护织物暴露在热流量可控的模拟火场，通过放置在织物后面的热流传感器测量皮肤达到二度烧伤所需的时间，用该条件下所采用的热流量与烧伤时间的乘积来表征织物的热防护性能(TPP)，即织物的TPP值。织物TPP测试方法虽然能够较为真实的反映织物在火场中实际情况，且因其操作简单、成本低而被广泛采用［2－3］，但只能局限于织物小样品的热防护性能评价。燃烧假人系统测评方法则通过将整体服装暴露在火场中来模拟人体皮肤的二度、三度烧伤程度及其分布，并以烧伤面积所占百分比来评价服装热防护性能［4－5］。虽然燃烧假人系统可对服装整体热防护性能进行皮肤烧伤评估，但是由于设备技术要求高，成本高，操作复杂等限制［6］，当前国内外各燃烧假人系统测评结果还难以形成统一的评价指标，从而阻碍了行业内热防护服装评价指标通用性的实现。

本文通过将织物热防护性能测评方法拓展至服装构成及着装形态，提出了基于织物TPP测试的服装热防护性能评价方法。这种服装热防护性能评价方法既利用了织物TPP测评的稳定、简便及成本低等优势，又充分考虑了服装层面的衣下间隙、热形变等影响因素，并以热防护服性能值为测评结果的通用性指标，既便于高性能防护服装的功能设计与开发，还有助于防护服装测评及合理配备的统一标准化。

1 服装TPP评价方法

1.1 评价方法的提出

本文基于织物TPP测试对服装热防护性能评价方法的构架与思路如图1所示。图中A1、A2、…、An表示着装衣下间隙的若干区域，T1、T2、…、Tm表示不同空气层厚度和热形变下测得的织物热防护性能值，TA1、TA2、…、TAm表示对着装全身所提取衣下间隙位置所对应的热防护性能值。

图1 服装TPP评价方法的研究思路Fig.1 Research framework of clothing TPP

该服装TPP评价方法服装层面是通过对款式构成、规格尺寸、人体等着装形态特征的提取，最终以量化的衣下间隙作为与织物测评集成的数据元。热防护服的传热与传质是由服装、人体以及二者之间形成的衣下空气层构成。由于衣下空气的传导系数远小于热防护织物，热量透过织物传递到皮肤的过程中，衣下间隙大小与分布会明显地影响辐射、对流、传导3种传热方式，从而影响服装的热防护性能［7］。从织物层面来看，其测评可通过衣下空气层厚度作为与服装评价集成的数据元，然后将由着装形态提取出来的衣下间隙与相应的织物热防护性能值进行匹配与集成，最后获得以热防护性能值为结果的服装热防护性能评价指标，该服装热防护性能值可采用服装整体的热防护性能(TC)来表示，或者采用最小空气层所占比例得到的服装热防护性能(TM)来表示。

1.2 织物TPP测评

1.2.1 测评方法

当前典型的织物TPP测试方法主要是参照美国NFPA—1971《建筑灭火中消防员全套装备标准》，其热源主要是采用2个呈45°放置的燃烧器提供燃烧火焰，同时还增加了电加热石英灯管提供辐射热源，使整个模拟火场的对流与辐射热流比例可调节。其中试样与石英灯管的距离为127mm。织物与热源的接触面积为100mm×100mm。根据火场总热流量与热流计记录皮肤达到二度烧伤所用时间的乘积即TPP值作为测评结果。热防护织物的热防护性能值越大，表示其热防护性能越好，反之则越差。

1.2.2 衣下空气层测试装置

基于现有织物TPP测试方法可通过增加衣下空气层装置来拓展其功能［8］，模拟衣下空气层的织物测评装置的构成如图2所示。该测试装置的衣下空气层的调节装置由密封框架、间隙大小调节装置等部分构成。其中，密封框架材料采用阻燃隔热材料，并具有化学稳定性、耐酸碱腐蚀性和电绝缘性。同时，在框架的2边分别装有调节旋钮，通过调节可设定所需要的间隙大小，在活动板的支架外侧标有刻度，可方便校对所要调节的间隙大小。在框架底部的四周可安装试样固定齿，主要是用来固定试样，确保试样平整，以避免织物遇高温热收缩而造成的影响。

图2 模拟衣下空气层TPP测试装置Fig.2 TPP testing apparatus simulating clothing air gap

1.3 着装形态特征提取

1.3.1 服装构成

服装的构成主要是指款式设计、结构规格、合体程度及其配套工艺等;相同面料不同构成方式其服装热防护性能也会有差异，因此，服装TPP评价必须要确定防护服装的相关特征及其规格尺寸等。

1.3.2 着装人体

人体体型的差异也会造成服装热防护性能的不同，因而服装热防护性能评价还取决于着装对象的体型特征。也就是说，服装TPP评价应明确防护服装适用的人体范围。

1.3.3 衣下间隙表征与测量

着装形态特征提取的关键是对衣下间隙进行客观表征与测量。衣下间隙的获取方法是先对着装前人体或人体模型进行三维扫描，再在相同条件下对着装后人体或人体模型三维扫描，然后将系统获取的三维数据利用逆向工程软件进行处理、比对和提取［7］，从而实现衣下间隙特征的客观表征和间隙尺寸测量。

2 实验部分

2.1 试样制备

2.1.1 实验面料

本文实验服装面料选取2种当前典型的耐热阻燃芳纶类外层面料(Nomex®ШA，美国杜邦公司)，面料的基本性能特征见表1。

表1 实验面料基本性能特征Tab.1 Basic physical properties of specimens

2.1.2 服装款式构成

实验服装款式为上下连体的单层结构，样衣为双层翻折领，前中有门襟开口，腰部有横向分割;缝纫线为芳纶防火阻燃材料，规格为40 s/3。具体款式构成及工艺制作如图3所示。

图3 试样款式构成与工艺Fig.3 Design and workmanship of clothing

2.1.3 服装规格尺寸

本文根据着装合体程度选择X(贴体)、Y(适中)2种规格，细部规格尺寸见表2。其中选用N2(面密度为210g/m2的Nomex®ШA面料)分别制作X规格和Y规格试样X1和X2，选用N1(面密度为150g/m2的Nomex®ШA面料)和Y规格制作试样 X3。

表2 服装试样细部规格尺寸Tab.2 List of clothing detail measurement cm

2.2 实验方案

2.2.1 织物测试仪器与方法

本文实验采用的热防护性能测试仪器为美国Custom Scientific Instrument公司的 CSI-206 TPP测试仪，并增加了衣下空气层测试装置。空气层厚度选取了0～24mm之间9个尺寸。实验室环境温度为(20±2)℃、相对湿度为(65±5)%。织物测试相关参数见表3。

表3 织物测试相关参数Tab.3 Parameters for experimental protocol

2.2.2 着装三维扫描系统及处理软件

本文实验采用的［TC］2三维人体扫描系统(Textile and Clothing Technology Corporation，美国)为非接触式测量手段，并利用逆向工程软件Geomagic Qualify 12.0为三维建模技术的处理平台，进行衣下间隙特征的色谱表征与测量［9］。实验衣下间隙测量是采用热流传感器相应位置衣下间隙特征提取的方法，同时所提取的衣下间隙个数也依据热流传感器数量而定。在具体操作过程中，将全身衣下间隙测量时选择注释类型为偏差，偏差的名称以燃烧假人部位热流传感器编号命名，测量区域的半径参照实际热流传感器半径的尺寸设为15mm。

2.2.3 燃烧测试

实验服装的燃烧测试采用东华大学燃烧假人测评系统“东华火人”［10］。该系统为6组12支喷火头，假人全身分布135个传感器，实验不含头手足的测评，主要为躯干和四肢的118个热流传感器;假人本体尺寸为中国标准中间体型。燃烧测试程序依据GB/T 23467—2009《燃烧假人用假人评估轰然条件下服装阻燃性能测试方法》的相关要求。热源下暴露时间4 s，假人为静止自然站立姿势。

3 结果与讨论

3.1 织物TPP测评结果与分析

图4示出编号为N1、N22种试样在不同衣下空气层下的热防护性能值变化趋势。从图可看出，试样的热防护性能值随着衣下空气层的增加而增大。这是由于衣下空气的热传导系数比织物要小得多，从而降低了热量传递速度，起到了很好的隔热作用。同时也说明，在热流传感器与织物直接接触时(即0空气层厚)温度上升速度最快，而在24mm时上升的速度为最慢;当空气层厚度为0～6mm时温升速度增加幅度最大，而为6～24mm时的温升速度增加幅度相对较小。实验结果表明，在辐射与对流的强热流环境中透过织物的热传递速度随着衣下间隙的逐渐增加而减弱，相对较小的空气层对热防护性能的影响相对较大。

图4 不同空气层厚度的热防护性能值Fig.4 Fabric TPP of different air gaps

3.2 衣下间隙结果与分析

根据织物测试的9个模拟空气层厚度，将全身118个位置获取的衣下间隙相应分为9个区域，其中 0≤A1＜3mm，3≤A2＜6mm，6≤A3＜9mm，9≤A4＜12mm，12≤A5＜15mm，15 ≤A6＜18mm，18≤A7＜21mm，21≤A8＜24mm，A9≥40mm。图5示出2种服装结构规格衣下间隙尺寸频数累计百分比的比较。从图中的累计频率百分比变化曲线可看出，2种试样在A1和A22个区域(即0～6mm)衣下间隙频率所占的比例较高。从二者的衣下间隙分布来看，小于24mm衣下间隙所占比例都在80%以上，从而说明相对较小的衣下间隙在全身占有较大比例，分布在0～24mm区间内的衣下间隙最多，大于24mm以上的衣下间隙则相对较少;其中，X1在每个区间的衣下间隙频率百分比都为最高，而X2则相对较小;也就是说X1的衣下间隙相对于X2整体都偏小，从而说明服装整体衣下间隙均值随着合体程度由贴体变为宽松而增加。

图5 X1、X22种规格服装的衣下间隙厚度分布比较Fig.5 Air gaps distribution with different clothing sizes

3.3 服装TPP评价结果与分析

根据织物测试和着装衣下间隙测试结果，基于前面所述服装TPP评价方法的构成思路，可获得服装热防护性能评价指标，即:

式中:TC表示服装的热防护性能，kJ/m2;m表示在着装全身各个位置中提取衣下间隙的总数量;TAi表示在着装全身所提取衣下间隙位置所对应的热防护性能值，kJ/m2。

由于同等条件下较小空气层区域的热量传递快而更易烧伤，通常可将小空气层 A1和 A2(即0～6mm)区域内所得的热防护性能值作为服装热防护性能指标，即:

式中:TM表示基于小空气层的服装热防护性能，kJ/m2;T1和T2分别表示织物在0和3mm空气层厚度的热防护性能值，kJ/m2;x1和x2分别表示在A1和A2区域中的衣下间隙数量。

服装TM、TC值越高，说明其热防护性能越好;反之，则说明其热防护性能就越差。本文试样的服装TC值和TM值的测试结果如表4所示。

从服装TPP评价结果可看出，其中TM值和TC值的变化规律一致，但TM值的评价相对较为严格;从3种试样比较可看出，X1和X22种试样所用面料相同而服装规格不同，由于X2服装规格相对宽松，其热防护性能则相对较好;X2和X32种试样的服装规格相同而面料不同，由于X2面料性能好其服装热防护性能相对X3要好;同样，根据X1和X32种试样的服装热防护性能值的比较可看出，虽然X3的规格设计相对X1较好，但是X3的面料性能相对较差，X3服装的综合防护性能相对X1要差，也说明在本次实验中体现出了相对于面料性能，服装规格对服装热防护影响相对较小。

表4 试样的服装TPP值Tab.4 Clothing TPP of different samples

3.4 TPP评价与燃烧假人烧伤结果对比

表5示出3种试样在热源下暴露时间4s、静止自然站立姿势条件下燃烧假人系统所测得的烧伤结果。从皮肤烧伤结果的比较可看出，三者服装热防护性能X2最好，其次为X1，而X3的热防护性最差，从而说明面料性能和规格设计都会影响服装热防护性能，同等条件下面料性能越好服装热防护性能越好，同等条件下规格设计越贴体其热防护性能越差，而面料性能相对于规格设计对服装热防护性能的影响较大。

表5 燃烧假人系统烧伤结果Tab.5 Burn results of flame test manikin system %

从燃烧假人的烧伤结果与服装TPP评价结果的比较可看出，虽然服装热防护性能值和燃烧假人烧伤的评价指标不同，其中燃烧假人烧伤评价侧重于在一定的火场热暴露时间内皮肤达到烧伤程度的百分比，而服装TPP评价则侧重于人体着装达到二度烧伤所吸收的总热量及其达到二度烧伤的时间，但是二者所反映服装热防护性能的规律具有一致性。

4 结论

服装TPP评价方法是通过对服装层面的款式构成、规格尺寸、人体等着装形态特征提取衣下间隙作为与织物测评集成的数据元;同时在不同空气层厚度下对织物进行织物TPP测评，然后根据着装衣下间隙大小与分布进行服装热防护性能的匹配与集成，从而获得以热防护性能值为测试结果的服装整体热防护性能评价指标。

根据服装TPP评价结果可知，织物性能与规格都会影响到服装热防护性能。相同织物条件下服装规格设计会造成服装热防护性能的不同，相对宽松的服装其热防护性能较好;对于同等服装规格设计，织物性能越好服装热防护性能越好。

服装热防护性能值与燃烧假人烧伤评价所反映的服装热防护性能具有一致性，基于织物测试的服装TPP评价，可与织物TPP测试、燃烧假人烧伤评估共同作为服装热防护性能评价方法。服装TPP评价可利用织物测试的稳定性、成本低等优势，使各燃烧假人系统之间建立测评结果之间的关联，对于实现热防护服装功能量化设计与合理配备具有实用价值。

［1］BARR D，GREGSON W，REILLY T.The thermal ergonomics of firefighting reviewed［J］. Applied Ergonomics，2010，41(1):161 －172.

［2］KIM I Y，LEE C，LI P，et al.Investigation of air gaps entrapped in protective clothing systems［J］.Fire and Materials，2002(26):121 －126.

［3］TORVI D A，DALE J D，FAULKNER B.Influence of air gaps on bench-top test results of flame resistant fabrics［J］.Journal of Fire Protection Engineering，1999，10(1):1－12.

［4］HOLMER I.Thermal manikin history and applications［J］.Journal of Applied Physiology，2004(92):614－618.

［5］CAMENZIND M A，DALE D J，ROSSI R M.Manikin test for flame engulfment evaluation of protective clothing:historical review and development of a new ISO standard［J］.Fire and Materials，2007(31):285 －295.

［6］LEE C，KIM I Y，WOOD A.Investigation and correlation of manikin and bench-scale fire testing of clothing systems［J］.Fire and Materials，2002(26):269－278.

［7］SONG G W.Clothing air gap layers and thermal protective performance in single layer garment［J］.Journal of Industrial Textiles，2007，36(3):193 －205.

［8］LI X H，LU Y H，LI J，et al.A new approach to evaluate the effect of moisture on heat transfer of thermal protective clothing under flashover［J］.Fibers and Polymers.2012，13(4):549 －554.

［9］王云仪，张雪，李小辉，等.基于Geomagic软件的燃烧假人衣下空气层特征提取［J］.纺织学报，2012，33(11):102－106.WANG Yunyi， ZHANG Xue， LI Xiaohui， et al.Geomagic based characteristic extraction of air gap under clothing［J］. Journal of Textile Research， 2012，33(11):102－106.

［10］王敏，李小辉.我国建成国际领先的服装燃烧假人系统—“东华火人”［J］.中国个体防护装备，2011(5):54－55.WANG Min，LI Xiaohui.The latest flame test manikin system developed in China［J］. China Personal Protective Equipment，2011(5):54 －55.