相变高温防护服的热防护影响因素分析

王棋生，何　艳，孙玉钗,2

(1.苏州大学纺织与服装工程学院，江苏 苏州 215006；2.南通苏州大学纺织研究院，江苏 南通 226018)



相变高温防护服的热防护影响因素分析

王棋生1，何艳1，孙玉钗1,2

(1.苏州大学纺织与服装工程学院，江苏 苏州 215006；2.南通苏州大学纺织研究院，江苏 南通 226018)

摘要：通过分析不同高温环境下，相变材料包之间的分布间隙变化对服装热防护性能影响的规律，为相变服装防护效果的研究提供一定的依据。实验选取热平板仪模拟环境温度，使用8探头温度记录仪测试服装相变层和间隙处的表面温度，将实验数据导入origin绘图及数据分析软件，得出其温度随时间变化的曲线图。结果显示，高温环境温度越低，相变材料包之间的间隙量越小，其防护时间越长，防护效果越好。

关键词：相变材料；服装热防护；间隙分布

在高气温或同时存在高温热源的环境下进行的生产劳动，通称为高温作业。高温天气作业是指用人单位在高温天气期间安排劳动者在高温自然气象环境下进行的作业[1]。当生活、工作环境中的温度升高，超过了人体的承受能力后，可以引起人的疾病，甚至死亡[2]。高温作业下的热应激问题已成为近年来社会关注的焦点，而采取有效措施降低热应激，保护作业人员身体健康成为研究者们关注的对象。

相变材料PCMs(Phase Change Materials)是一类在一定温度范围内，以潜热的形式依靠自身可逆相变从环境中吸收或释放热量的物质[3]。将相变材料添加到服装中，能延缓由于环境剧烈变化引起的人体温度突变，使服装整体更具穿着热舒适性[4]。

1实验条件与方法

1.1实验材料

本次实验选择的面料统一为含50%芳纶+50%棉的混纺阻燃面料，面料大小为20cm×20cm。在同一面料上缝制分布间隙量不同的口袋，将封装好的28℃相变材料放进去。

1.2实验条件

本次实验在恒温恒湿室进行，减少外部环境影响。通过热平板仪模拟高温环境，分别设定为35℃、40℃和45℃。间隙分布设计为2、4、6、8、10、12和14mm。如表1所示。

表1　PCM包试样相关参数

1.3测试方法

设定平板保温仪模拟高温环境，至操作面板读数稳定。将封装好的PCM放入试样口袋，一起放进温度为-10°的冰箱中冷冻至PCM呈固态，每次冷冻时间为2h。启动温度记录仪，开始实时记录温度变化。将冷冻好的试样放置在测试台，检查PCM分布情况，确保分布准确一致后放入平板式保温仪中。开始实时记录采集数据，每10s记录一次数据。

2实验结果与分析

2.1间隙处温度与PCM包温度升温趋势分析

温度记录仪分别记录间隙处温度和PCM包温度，各取四个点的温度平均值作为该层的温度。绘制温度随时间变化的曲线图，如图1和图2分别为含20℃相变材料包的试样在35℃时间隙处温度及PCM包温度随时间变化曲线。

图1　间隙处温度变化趋势

图2　PCM包温度变化趋势

由图中可以看出，在整个实验过程中，随着时间的增加，间隙处温度和PCM包温度都呈现上升趋势。随着间隙量的增加，温度上升速率增加。在同一时刻下，各间隙量对应的PCM包温度都低于间隙处温度。

当间隙量不超过6mm时，PCM的相变时间较长，对间隙处温度有较明显的热缓冲作用，当间隙量超过8mm后，PCM的相变过程缩短，对间隙处的温度的热缓冲作用不明显。

2.2间隙处温度与PCM温度的温差分析

温差是指同一时刻下，间隙处温度与PCM包的温度之差。图3是各个间隙分布下的温差变化趋势图。表2为在变化过程中出现的最值变化。

表2　不同间隙分布的温差峰值变化

图3　不同间隙分布下间隙处温度与PCM温度温差变化关系图

由图3和表2可以看出，温差随着时间的增加，先增加后减小。

在试样进入高温环境初期，PCM的相变作用明显，间隙温度上升速率大于PCM包温度上升速率，直至达到第一个峰值；随着间隙量的增加，温差峰值变大，间隙升温速率不断提高。

随着PCM的不断的相变吸热，其热缓冲效果作用于间隙处，使得间隙处温度上升速率变缓，同时PCM的相变作用开始慢慢减弱，从包的温度上升速率加快，使得温差逐渐下降直至趋于稳态。

当间隙量不超过6mm时，PCM的热缓冲作用对间隙有明显影响，使得温差逐渐减小，出现第一个最低值；随着PCM的相变作用减弱，间隙处升温速率又开始增加，温差又开始变大，出现第二个峰值；直至相变吸热完全，PCM包升温速率加快，温差又开始减小直至趋于稳态。

2.3不同间隙及高温环境下的热防护时间对比分析

在高温环境中，人体处于舒适状态时，靠近皮肤的微气候温度上限为32.5℃[5]。相变材料包通过吸收热量对间隙温度进行调节，间隙处的温度舒适区域的时间表征相变材料的热防护效果。通过图1和图2得到的防护时间如表3和图4所示。

表3　不同间隙分布下的热防护时间段及防护时间

图4　不同高温环境下，各间隙分布的热防护时间对比图

由图4和表3可以看出，同一高温环境下，随着间隙量的增加，试样的防护时间呈现递减趋势；同一间隙量下，随着环境温度的升高，防护时间缩短。

在35℃高温环境下，当间隙分布超过10mm时，防护时间减少幅度变大；在40℃高温环境下，当间隙分布超过6mm时，防护时间减少幅度增加；在45℃高温环境下，当间隙分布超过4mm时，防护时间减少幅度变大。由此可以看出，随着环境温度的升高，PCM包能对间隙的热缓冲作用影响的间隙分布量越来越小。

3结论

本文通过利用热平板仪模拟不同高温环境，使用温度记录仪实时测试间隙处温度及PCM包温度的方法，对不同间隙及不同高温环境下的温度动态变化过程进行了分析，得出以下几点结论：

(1) 在高温环境下，间隙处温度和PCM包温度整体呈现上升趋势，且间隙处温度始终高于PCM包温度。

(2) PCM 层的热防护效果和热缓冲作用与 PCM 包的分布间隙量成反比，即分布间隙量越大，热防护效果越差，热缓冲时间越短。

(3) PCM的热防护效果和热缓冲作用与环境温度成反比，即环境温度越高，热防护效果越差，热缓冲时间越短。

参考文献：

[1]白瑞.高温作业危害及其防护.现代职业安全.2012(7): 32-33.

[2]于爽.高温作业的危害和防护.中国个体防护装备.2010(3): 49.

[3]张冬霞,郭凤芝.相变材料在调温服装中的应用[J]. 针织工业,2007 (3):28-31.

[4]邹振高.服装用相变材料的研究进展[J].中国个体防护备,2009(2):16-21.

[5]黄建华.服装的舒适性[M].北京：科学出版社，2008.

收稿日期：2016-01-08