消防织物热防护性能的影响因素研究

2016-04-16朱荣桂赵晓明

纺织科学与工程学报 2016年4期

关键词：消防员织物面料

朱荣桂，赵晓明

(天津工业大学纺织学部，天津 300387)

消防织物热防护性能的影响因素研究

朱荣桂，赵晓明

(天津工业大学纺织学部，天津 300387)

消防织物的热防护性能主要由外界因素(包含环境因素和人为因素)和消防服织物本身的性能所决定。论述了现阶段不同因素对消防织物的热防护性能影响研究的概况，并指出了未来消防织物将从单一到复合再到多种因素共同作用下热防护性能研究的发展趋势。

消防织物热防护性能影响因素

消防服装包含了消防战斗服、消防隔热服、避火服等，是消防队员在进行灭火救灾时所穿着的防护服装。在消防员进行作业时，火灾环境-消防织物-消防员构成了一个系统[1]，火灾的现场环境是我们进行研究的前提，消防织物则是我们研究的媒介，消防员的人身安全则是我们研究的最终目的。

热防护性能(TPP)是指透过织物引起人体二度烧伤的热能值，单位为千瓦秒每平方米(kw﹒s/m2)，是消防服必须具备的一项重要的防护性能，是用来表征织物的热防护性能的值，TPP值越大，其热防护性能就越强。织物的热防护性能通常用TPP热防护仪进行测量，通过计算达到二次烧伤的时间和规定的辐射/对流总热量的乘积得到[2]。

TPP值 = T × q

近年来，人们已经逐步综合多种因素同消防织物的研究相结合来研究其热防护性能，主要包括消防员所处的外界条件和一些消防服本身条件。外界因素包含了环境因素如水、热、光、力等；人为因素如洗涤、摩擦、运动等。消防织物本身则是从耐火纤维、面料、织物组成、服装结构等方面进行研究。只有将外界因素以及消防织物本身对消防服的各种影响均考虑在内时，我们设计出来的消防服才能够具备更高的热防护性能。

1 外界因素

消防服作为消防员与外界火源隔绝的屏障，能够有效地阻止火焰对人体的伤害[3]，但是外界因素的多样化会对消防服的热防护性能产生影响。外界因素包含环境因素和人为因素，它们的存在均对消防织物的热防护性能有影响。

1.1 环境因素

消防员在进行消防作业时，所处的实际环境中存在着热辐射、水分、光照等多种因素，在研究消防服时，要将各种不同的影响因素考虑在内，这样才能针对不同的影响因素来设计和改进现有的消防织物的材料和结构等，设计出热防护性能更高的防护织物。

在消防员进行作业时，常常会遇到热液飞溅的危险。Sumit Mandal, Guowen Song等人通过研究将面料浸泡于热水和热水飞溅两种情况下的实验，对比发现经过热水压缩浸泡的消防服织物其物理性能发生了变化，导致其热防护性能随之降低[4]。

Zhi-ying Cui, Chunjie Ma等人通过对常用于消防服面料的x-fiper织物进行热处理，研究其在经过不同的热强度和曝光时间后，对其机械性能和热性能的影响，发现热强度对拉伸强度、撕裂强度、断裂伸长率都有显著的影响，在9.7kw/热辐射强度下，面料的机械性能大大降低，但是其热防护性能达到最大值[5]，但由于此时部分面料已被烧焦易碎，不易长时间使用。

杨海燕等也对消防织物国产芳纶在热辐射条件下进行研究，发现在9.7kw/试样的热防护性能达到最大值，主要是由于热收缩使得织物表面碳化形成一道保护屏障[6]。但由于碳化的服装机械性能降低，可穿着性能也随之降低，因此在研究消防服面料的防护性能时，不能只看它的热防护性能，机械性能对消防服的穿着也是相当重要的。

R. L. Barker等人通过研究水分对低水平辐射热下的消防服的热防护性能，发现含水量在15%到20%之间时，湿度增加，其热防护性能也随之变好；超过20%含水量以后，其热防护性能随着湿度的增加而降低[7]。因此湿度控制在消防服面料中也是相当关键的，合适的湿度能够提高热防护性能，延长消防服的保护时间。但R. L. Barker等人只是研究了水分在低水平辐射热下对消防服面料的影响，没有考虑到高水平，火焰或者面料选取的不同情况下对其造成的影响，在未来的消防服研究中将逐步深化。

孟瑾通过研究日晒对消防服的热防护性能的影响，发现日晒后消防织物的热防护性能增加，但随着辐射强度的增大和时间的积累，热防护性能将会呈现降低趋势[8]。

1.2 人为因素

服装穿着通常都要经过洗涤，张静静通过对单层或者多层消防织物经过洗涤后的热防护性能进行研究，发现消防织物的热防护性能在洗涤之后出现先增大后减小的现象，但是均大于洗涤之前的热防护性能，即经过洗涤后的消防织物的热防护性能增大[9]。

消防员在进行作业时，一直处于运动状态，李俊，李晓辉等人通过对测试热防护测试仪进行修改，模拟了三种消防员运动模式，并对不同模式下的热防护性能进行了研究，发现在运动时，织物之间产生不断变化着的气隙，比没有运动零气隙状态下的热防护性能明显提高，但均近似于静态气隙为6.4mm时消防织物的热防护性能[10]。不断运动的情况下，摩擦因素也是不容忽视的。韩伦通过对多层消防织物的外层进行不同次数的摩擦后的热防护性能进行研究，发现摩擦后的消防织物的厚度不断变薄从而导致其热防护性能的降低[11]。

1.3 总结

消防织物在多重外界因素作用下，其热防护性能也随之发生了变化。消防员作业时长时间处于热辐射的条件下，消防织物会逐渐发生硬化收缩，随着时间的增加消防织物的热防护性能也在逐渐减退；消防作业时，还常常伴随有各种飞溅的液体危险，经过高温的液体，会使消防织物发生收缩，降低其热防护性能给消防员的生命安全带来威胁等等，各种外界因素均会对消防织物的热防护性能造成影响，只有综合全面的影响因素进行研究，得到的消防织物才是最优的。

2 消防织物

在火灾环境-消防织物-消防员这个系统中，消防织物对人体的保护起着相当重要的作用。消防织物是典型的多层织物结构，包含外层、防水透气层、隔热层和舒适层。消防织物本身对其热防护性能的影响主要取决于消防织物的面料的组成、织物的厚度、织物的层间配置等等。

2.1 面料因素

消防织物的面料主要是由耐高温纤维混纺而成[12]，或者通过后整理得到具有更好的热防护性能织物。目前主要的高性能纤维主要是芳纶1313纤维(聚间苯二甲酰间苯二胺)、芳纶1414纤维(聚对苯二甲酰对苯二胺)、PBI纤维(聚苯并咪唑纤维)、Kermel纤维、芳砜纶纤维、PBO纤维等[13]一些耐高温性能强的纤维。

C.Bisja发现了一种将高岭土同纤维基体相结合形成的TencelR100纤维，在燃烧时会形成一层稳定的隔热层[14]，由其制成的织物热防护性能提高。魏亮,刘介正等人通过在芳纶面料上涂铝层铝胶，并进行热防护性能和垂直燃烧实验，发现涂铝胶后的芳纶面料的热防护性能大于未涂层的，得到了一种外层镀铝的新型消防服面料[15]。赵南,李昂等人通过将铝箔材料和玻璃纤维面料复合得到一种新的，阻燃、隔热及热防护性能均提高的森林消防服面料[16]。

Fanglong Zhu,QianQian Feng等人把粉末状的相变材料分别纳入隔热层和舒适层，发现含有相变材料的复合面料比原始面料的热防护性能好且相变材料纳入舒适层时的热防护性能更好[17]。Akram Hassan Mohammed Ali, Weidong Yu通过使用铝层、无纺玄武岩布、无纺纤维和棉制成一个典型的消防服四层结构织物，并将相变材料均匀的喷涂在无纺毡织物上制的相变吸热复合层，测试制备好的复合织物的TPP值，发现有相变材料的复合织物比无相变材料织物的TPP值明显增大且其热绝缘性能有明显的提高[18]。

2.2 间隙因素

消防织物是多层织物组织而成，其热防护性能不仅跟消防织物的纤维和面料有关，跟消防织物的层间配置方式及其功能设计也相关。间隙因素给消防织物带来积极的影响，间隙变大其织物的热防护性能变高，间隙变小热防护性能也随之降低。

Elena Onofrei，Stojanka Petrusic等人通过实验和数值模拟对在低级别热辐射时热通量在多层防护服内的传递的研究，发现随着空气间隙的增加，热传递到皮肤的时间就变长了，热防护性能也就随之提高[19]。Ming Fu, Wenguo Weng等人通过对不同低级别的热辐射下不同位置的不同空气间隙的消防织物进行研究，并通过测量每层织物的外表面和内表面的温度来探索织物系统内的温度分布，发现随着辐射流量的增加多层织物的热防护性能随着气隙的减小而降低[20]。

消防员在作业时，火场的高温环境会引起消防织物发生收缩，从而带来消防织物的层间间隙的变化。李晓辉，卢叶虎等人通过对火灾环境下消防服整体热缩情况的研究发现，热收缩最严重的部位是胳膊和腿，而且由于热收缩使得织物与人体之间的空气间隙变小，热防护性能降低[21]。王民，李晓辉等通过运用面料进行的模型试验和面料制成的服装进行人体假人实验研究发现两者在TPP值和人体燃烧的百分比没有显著关系，有间隙的面料实验热防护性能比没有间隙时的热防护性能要好，但是在进行服装穿着的人体假人的实验时，随着燃烧时间的变化，服装表面发生收缩，减小了皮肤与服装之间的间隙，服装的防护性能也在逐渐减小[22]。

2.3 厚度因素

消防织物一般为外层-防水透气层-隔热层-舒适层四层织物结构，织物的厚度对其热防护性能具有积极影响。2008年李红燕等人通过对13种不同的外层织物的热防护性能进行研究，发现织物厚度越大，其测得的TPP值越高[23]。2008年李俊，王云仪等人通过正交实验研究发现，多层织物组合的TPP值与其厚度密切相关，厚度越大，TPP值越大[24]。2009年宗艺晶，张向辉等人通过对适用于消防织物外层的四种不同种类的消防织物进行热防护性能研究，发现随着织物的面密度和厚度的增大，其热防护性能也变大[25]。

2.4 复合因素

马春杰通过对光湿复合老化和光热复合老化对消防织物的影响进行研究，发现经过处理后的消防织物的外层织物及组合层的TPP值均增加，即织物的热防护性能变好[1]。

相变材料是一种新型的智能调温材料，能够在特定温度下发生可逆相态转变的材料(如固-液转变)，在相变过程中可从周围吸收或者放出大量的热，来保持自身温度的恒定。崔志英，袁晓云等人将相变材料同消防隔热层织物进行复合研究发现，复合相变材料后的消防织物的整体散热量减小，其热防护性能增加[26]。

Hannah Phelps, Harvinder等人将相变材料通过微胶囊包装置于消防多层织物的不同位置，并配以一定的空气间隙同只有一定空气间隙的消防织物进行比较，研究发现额外的空气间隙不但没有增加消防织物的重量而且还增加了热防护性能和额外添加相变材料的比没有添加相变材料的，其热防护性能明显提高[27]。

2012年黄冬梅等通过对消防织物的层间空隙的热传导机理研究，发现消防织物的舒适层与皮肤之间的间隙在7mm～8mm时最佳，其热防护性能也是最佳状态[28]。2014年黄冬梅等人继续研究不同空气层位置通过实验与模拟相结合，发现在厚度一定时，在外层与防水透气层之间存在空气间隙使其隔热效果最好[29]。

2.4 总结

在实际设计消防服装时，应该选用耐高温的阻燃纤维及面料，结合以一定的空气间隙，在消防队员容易烧伤的部位适当增加织物的厚度，通过改变织物的本身的组成、配置等来增加对消防队员生命安全的保护。

3 展望

通过对不同因素作用下的消防织物热防护性能的变化进行了分析，发现各种不同因素作用下，其热防护性能也不相同，有的因素增加其热防护性能，有的因素则会降低其热防护性能。在消防织物的设计和制作中应该尽量避免不利因素，积极利用有利因素来增加消防织物的热防护性能，更好地保护消防员的人身安全[29-33]。

消防织物的热防护性能受到多种因素的制约，未来对消防织物热防护性能的研究将从多种不同因素、不同角度和不同层次出发，综合分析多种因素共同作用下的变化[34-37]。未来对消防织物的影响因素分析，将越来越贴近火灾的现场环境，模拟多种因素作用下的火灾现场，来测试其热防护性能，这样得到的消防织物更有利于保护消防员的安全。

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2016-03-10

国家自然科学基金项目(51206122)

朱荣桂(1991-)，女，硕士研究生，研究方向：消防服用织物热防护性能。