热水侵入条件对织物防护性能的影响

管曼好， 贾汪洋， 吉 洋， 李 俊，3

(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)

热水侵入条件对织物防护性能的影响

管曼好1，2， 贾汪洋1， 吉 洋1， 李 俊1，2，3

(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)

产业工人在工作时可能会遭受高温热水的伤害，基于此对热水侵入条件下织物的传热规律进行了探讨。利用高温热水防护性能测试系统，通过正交试验对不同热水温度、侵入角度和侵入高度条件下11种织物进行测试，采用2级烧伤时间作为热水防护性能评价指标，分析了织物特性和热水侵入条件与织物热水防护性能之间的关系。结果表明：不同织物的热水防护性能存在差异，防水整理可以明显提高织物热水防护性能。织物不同位置的热水防护性能受热水侵入条件和织物特性的影响。水温是影响织物热水防护性能的最主要因素。织物上方的热水防护性能受热水侵入条件影响较大，织物中下方的热水防护性能受织物特性的影响较织物上方大。

高温热水； 热水防护性能； 织物特性； 侵入条件

产业工人在工作过程中可能会遇到蒸汽或液体烫伤等职业危害，例如食品加工、能源等行业的作业人员在工作时可能会遭受高温热水的伤害[1-3]。现阶段热防护服的研究主要是针对火焰引起的对流和辐射防护，而对高温热水环境下服装热防护性能的研究较少。现实作业环境下热水侵入条件存在随机性，不同热水侵入条件对人体造成的危害程度有所不同。本文利用高温热水防护性能测试系统探讨热水侵入时服装用织物的传热过程，分析织物属性和热水侵入条件对织物热水防护性能的影响。

1 试验样本

实际作业中存在热水危害的行业有食品加工、锅炉作业以及医护清洁等，相关工作服多采用全棉或涤/棉织物，本文选择这2类织物作为试验样本。考虑到高温热水环境下织物的防水性能对其热水防护性能具有重要影响[4]，故对织物A1、A2、A6、A7进行防水涂层整理[5]，织物B1、B2、B6和B7作为防水织物样本。试样的基本物理性能测试结果如表1所示。

表1 测试织物基本参数Tab.1 Basic parameters of fabric samples

2 试验设计

目前高温液体飞溅物热防护性能测试常采用ASTM F 2701—2008《防护服与飞溅热液体接触时评估材料热传递的标准试验方法》，其中评价织物热水防护性能的主要指标为2级烧伤时间。

采用高温热水防护性能测试系统完成测试及数据的采集[6]。该系统水温可控，传感器板的角度和热水管口位置可调节，以模拟不同的热水侵入角度和速度。传感器板中安装3个温度传感器采集温度数据，分别位于热水管口的正下方、下方100 mm和下方200 mm处，分别称为上、中、下传感器，如图1所示。皮肤烧伤预测程序通过MatLab偏微分方程pdepe函数编写。根据Duhamel准则[7]将传感器温度变化量换算为皮肤表面的热流量，结合Pennes传热方程模拟皮肤层传热以计算皮肤层升温量，并通过Henriques烧伤积分模型计算2级烧伤时间[8-9]。

本文试验设定热水暴露时间为10 s，流量为1 L/10 s。热水暴露停止后，仍记录后续50 s内3个传感位置温度随时间变化的数据。实际工作环境中，侵入热水具有不同温度、侵入角度和流速，以此作为本文试验正交设计中的3个因素，其中流速变化通过调节管口高度来表征。每个因素设计3个水平，构成3因素3水平正交试验，如表2所示。

表2 正交试验设计Tab.2 Orthogonal experimental design

3 结果与分析

3.1 织物属性的影响

3.1.1 防水整理的影响

测试织物的热水防护性能，结果如表3所示。不防水织物A1～A7在大部分测试中都达到2级烧伤水平，防水织物B1、B2、B6、B7都未达到2级烧伤水平，说明防水整理明显改善了织物的热水防护性能。图2、3分别示出A1和B1织物在试验条件5时(即侵入角度45°、管口高度10 cm、水温80 ℃)上传感器温度及热流量随时间的变化情况。对于不防水织物，当热水侵入织物后，传感器温度迅速上升，随后保持平衡；当热水暴露停止时，传感器温度又迅速下降，说明此时的热量主要通过热水传递。对于防水织物，当热水侵入织物后，传感器温度逐渐上升，上升速度和幅度均小于不防水织物；当热水暴露停止时，传感器温度仍在短时间内继续上升并保持稳定，随后缓慢下降，表明此时的热量通过防水织物本身传递，织物中存在一定程度的热量蓄积。数据记录最后阶段不防水织物传感器温度高于防水织物，热流量相同，这进一步说明了防水整理对织物热水防护性能的积极影响。

表3 正交试验中2级烧伤时间Tab.3 2-grade burn time in orthogonal experiment

注：“1～9”分别对应表2中实验条件1～9； “-”表示计算时未出现2级烧伤时间点，即未达到2级烧伤。

3.1.2 不防水织物物理性能的影响

图4示出A1～A7织物在试验条件2时(即侵入角度30°、管口高度10 cm、水温65 ℃，3个传感器位置的2级烧伤时间。织物在不同位置的2级烧伤时间表现不同，上传感器<中传感器<下传感器；同时，不同织物之间上传感器处差异较小，从中部至下方差异越来越大。可见，不防水织物的热水防护性能受到热水直接冲击而表现不同，热水直接冲击部位因渗透而产生大量热量，而未直接冲击部位因水分在织物中的扩散，使热量传递大小受织物自身影响较大。

利用SPSS中Pearson相关性分析，得到A1～A7织物各部位2级烧伤时间与织物物理性能的相关系数及其显著性，如表4所示。上传感器位置的2级烧伤时间与织物物理性能无显著相关性；中传感器位置的2级烧伤时间与织物面密度呈显著正相关关系，与透气率、底层浸润时间、表层最大吸水速率均呈显著负相关关系；下传感器对应位置的2级烧伤时间与织物面密度、厚度呈显著正相关关系，与透气率、底层浸润时间、表层最大吸水速率均呈显著负相关关系。可见结果与图2分析一致，织物受热水直接冲击部位的热水防护性能受织物性能影响较小，未受热水直接冲击部位的热水防护性能受织物性能影响较大。

注：*表示在置信度(双侧)为0.05时显著相关；**表示在置信度(双侧)为 0.01 时显著相关。

3.2 热水侵入条件的影响

3.2.1 水温的影响

图5示出9种试验条件下织物A1上传感器温度随时间的变化。温升曲线明显按照不同的水温分为3组，表明3个侵入因素中水温对不防水织物的热防护性能起主导作用。图6示出织物A1在65 ℃和80 ℃水温下的平均热流曲线，可以看到水温升高导致传感器表面热流量大幅上升。

3.2.2 侵入角度的影响

表5示出不同侵入角度时上传感器的2级烧伤时间。可以看到，对于水流直接侵入的上方部位，当侵入角度为60°时，2级烧伤时间最小，明显低于侵入角度为30°和40°时的2级烧伤时间。当侵入角度为30°和45°时，2级烧伤时间无明显差异，这可能是因为水流沿面板流动的速率主要是受重力沿斜面分力的影响；与30°和45°的侵入角度相比，侵入角度较大(60°)时的水流在织物表面流速较慢，在上方传感器位置蓄积了较多热量。

表5 不同侵入角度下上传感器的2级烧伤时间均值Tab.5 Means of 2-grade burn time of upper sensor at different splash angles

注：a、b表示显著性水平(a

3.2.3 侵入高度的影响

对于水流直接侵入的上方部位，侵入高度为10 cm和15 cm的2级烧伤时间无明显差异，但二者明显低于侵入高度为5 cm的2级烧伤时间，如表6所示。

表6 不同侵入高度下上传感器的2级烧伤时间均值Tab.6 Means of 2-grade burn time of upper sensor in different splash heights

注：a、b表示显著性水平(a

Olderman理论[10]指出液体渗透阻力的影响因素：液体渗透阻力与液体表面张力、液体黏度、接触角和材料厚度成正比，与侵入压力、作用时间、材料孔隙半径成反比。当管口高度越大时，热水接触织物表面的流速越快，热水侵入压力越大，由Olderman理论可知，此时液体渗透阻力较小。因此透过织物的热水所占比例就较大，使得热水携带的热量中传递给传感器的热量也较多，故较大的侵入高度相对更易发生2级烧伤。

4 结 论

利用正交试验研究了不同热水侵入条件时不防水织物和防水织物的传热规律及热水防护性能，用2级烧伤时间作为热水防护性能的评价指标。分析表明，不同织物的热水防护性能存在差异，防水整理可以明显提高织物热水防护性能。织物不同位置的热水防护性能受织物特性和热水侵入条件的影响。水温是织物热水防护性能的主要影响因素。热水直接冲击的织物上方热水防护性能受热水侵入条件影响较大，面密度、透气率等织物的物理性质与织物上方的2级烧伤时间无关；不受热水直接冲击的织物中下方热水防护性能受织物特性影响较织物上方大，面密度、透气率等织物的自身性质和水温均对织物中下方2级烧伤时间有显著影响。

FZXB

[1] MANDAL S, SONG G, ACKERMAN M, et al. Characterization of textile fabrics under various thermal exposures[J]. Textile Research Journal, 2013, 83(10): 1005-1019.

[2] BARKER R L, YENER M. Evaluating the resistance of some protective fabrics to molten iron[J]. Textile Research Journal, 1981, 51(8): 533-541.

[3] BARR D, GREGSON W, REILLY T. The thermal ergonomics of firefighting reviewed[J]. Applied

Ergonomics, 2010, 41(1): 161-172.

[4] 卢业虎.高温液体环境下热防护服装热湿传递与皮肤烧伤预测[D]. 上海：东华大学,2013:36-47. LU Yehu. Study on heat and mass transfer of thermal protective clothing and prediction of skin burn upon hot liquid splashes [D]. Shanghai: Donghua University,2013:36-47.

[5] 雷立丽. 芳砜纶涂层织物防水透湿及阻燃研究[D]. 上海：东华大学,2008:13-29. LEI Lili. Study of waterproof, moisture permeable and flame-retardant properties of polyurethane coating PSA fabric [D]. Shanghai: Donghua University,2008:13-29.

[6] 刘君华,贾惠芹,丁晖,等.虚拟仪器图形化编程语言LabVIEW教程[M].西安：西安电子科技大学出版社,2001:35-48. LIU Junhua, JIA Huiqin, DING Hui, et al. Graphical Programming Language of Virtual Instrument LabVIEW [M].Xi′an: Xidian University Press, 2001: 35-48.

[7] TORVI D A.Heat transfer in thin fibrous materials under high heat flux conditions[D].Edmonton,AB:University of Alberta,1997:4-8.

[8] HENRIQUES F C,MORITZ A R. Studies of thermal injury: I: the conduction of heat to and through skin and the temperature attained therein [J]. American Journal of Pathology, 1947,23(4): 530.

[9] TAKATA A N. Development of criterion for skin bums [J]. Aerospace Medicine, 1975, 45(6): 634-637.

[10] OLDERMAN G M. Liquid repellency and surgical fabric barrier properties[J].Engineering in Medicine,1984,13(1): 35-43.

Thermal protective performances of fabric upon hot water splashes

GUAN Manhao1，2， JIA Wangyang1， JI Yang1， LI Jun1，2，3

(1. Fashion·Art Design Institute， Donghua University， Shanghai 200051， China； 2. Protective Clothing Research Center， Donghua University， Shanghai 200051， China； 3. Key Laboratory of Clothing Design & Technology，Ministry of Education， Donghua University， Shanghai 200051， China)

As industrial workers may be threatened by hot water splashes, the study investigated the heat transfer of fabric upon hot water splashes. The orthogonal experiment was designed to test the performance of 11 kinds of fabrics under conditions different water temperatures, splash angles and splash heights. The experiment was conducted by a hot water protective performance tester, and the 2-grade burn time was adopted to characterize the thermal protective performance of fabrics. The effects of the fabric property and splash condition on the thermal protective performance were analyzed. The results show that water-proof finish can improve the thermal protective performance of fabrics. The splash condition and fabric property influence the thermal protective performance in different positions of fabrics. The temperature of hot water is the most important factor influencing the thermal protective performance. The thermal protective performance of the upper position of fabric is primarily related to the splash condition. The protective performance of the lower position is influenced mostly by the fabric property.

hot water； thermal protective performance； fabric property； splash condition

10.13475/j.fzxb.20151006105

2015-10-27

2016-06-30

中央高校基本科研业务费专项基金项目(15D110735/36)

管曼好(1992—)，女，博士生。研究方向为服装舒适性与功能服装。李俊，通信作者，E-mail: lijun@dhu.edu.cn。

X 914

A