火灾环境下防水透气层对消防服热湿防护性能的影响

苏 云， 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)

火灾环境下防水透气层对消防服热湿防护性能的影响

苏 云1,2， 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)

为评价防水透气层织物对消防服热湿防护性能的影响，采用新研发的热防护性能测评装置，在干态与湿态2种热暴露条件下，测量不同防水透气层织物系统的热防护性能，分析防水透气层织物的基本参数与其热防护性能之间的关系。结果表明：在干态热暴露条件下，防水透气层织物厚度与面密度的增加能显著提高织物系统的热防护性能；在湿态热暴露条件下，含有防水透气层的织物系统能明显提高织物的热湿防护性能，其主要的影响因素是织物的回潮率与透气性。另外，在湿态条件下的总传递热量主要通过高温蒸汽的相变来传递热量，防护的重点在于蒸汽的渗透与吸收。

高温蒸汽； 消防服； 热防护性能； 防水透气层； 高温辐射

火灾环境下的蒸汽烫伤对消防员的生命安全造成了严重的威胁。根据NFPA1971—1997《建筑物火灾用灭火防护服标准》与GA10—2002《消防员灭火防护服标准》的要求，消防服普遍采用多层织物组合，通常由外及内依次为：外层、防水透气层、隔热层。其中防水透气层的设计目的是能够阻止火灾环境液态水与水蒸气的渗透，促进人体汗液的蒸发，对于减小火灾环境下消防作业人员的烫伤危害具有重要作用[1-2]。

过去关于消防服的大多数研究主要集中在火焰、辐射的热防护，如闪火条件下的热防护性能(TPP)测试，强辐射条件下的热辐射防护性能(RPP)测试以及低辐射条件下的测试等，因此无法有效评测防水透气层对消防服热湿防护性能的作用机制。消防员在执行任务时，经常处于高温、高湿环境中，这是因为来自消防水枪以及雨水天气的水分，在高温火场下形成水蒸气向人体传递，引起皮肤的蒸汽烫伤[3]。有研究机构调查了2005～2009年消防员的烧伤治疗记录，结果发现：高温蒸汽、高温液态水是导致消防员烧伤的主要因素(65%)，由火焰产生的烧伤仅占比为20%[4]。由此可见，高温蒸汽、高温液态水对消防人员的工作安全有重大的威胁。

然而，消防环境下的高温蒸汽、高温液体的防护措施以及烫伤机制的研究相对较少，并没有建立完善的蒸汽热防护性能评价体系和测试设备。大多数有关火场环境下高温蒸汽的热防护性能测试以及热湿传递烫伤机制的研究尚处于探索阶段。虽有学者[5-8]建立了军事、石油化工、食品加工等行业高压蒸汽泄漏条件下织物与服装的热防

护性能评价装置，在一定程度上调查了服装蒸汽热防护性能的影响因素，可以为消防领域的蒸汽防护提供参考建议；但是在实际消防作业过程中，消防员所面临的环境更多的是低压蒸汽，同时也存在高温辐射、对流传热的共同危害[9]。由此可见，亟需建立一套完整的火场环境下蒸汽热防护性能测试系统，模拟更加真实的消防作业环境，全面而准确地评价织物的蒸汽热防护性能。本文针对防水透气层织物对消防服热湿防护性能的影响，采用新研发的防护性能测评装置，分析防水透气层织物的基本参数及其防护性能，为消防环境下蒸汽烫伤的防护措施提供参考思路，优化多功能消防服的设计。

1 实验设计

1.1 实验样本

本文实验选取常用于制作消防服的面料，包括外层、防水透气层以及隔热层，各层面料的基本性能如表1所示，其中3种防水透气层具有不同的成分与基本参数，用于调查防水透气层对消防服热湿防护性能的影响。面料的厚度是根据ASTM D1777—2015《纺织材料的厚度标准试验方法》标准要求在1 kPa的压力条件下测量，面料的回潮率是根据GB/T 9995—1997《纺织材料含水率和回潮率的测定 烘箱干燥法》测得，参照ASTM E96—2016《材料的水蒸气渗透性标准试验方法》标准测试流程，获取面料的透湿率。单层面料可以组合成双层或3层面料系统，有助于更加全面地调查不同配置织物系统的热防护性能，其多层织物系统的基本性能如表2所示。

表1 单层织物的基本性能Tab.1 Specification parameters of single-layer fabric

表2 多层织物系统的基本性能Tab.2 Specification parameters of multi-layer fabric

1.2 实验设备

图1示出一种织物热防护性能测评装置，包括蒸汽发生器、蒸汽输送管、热暴露模拟箱、样品输送装置和数据采集系统，能够对高温辐射、高温蒸汽条件下的织物热防护性能进行准确的测评[10]。蒸汽发生器顶部设有压力控制器，控制出口蒸汽的压力为0.1～0.7 MPa，相应的蒸汽温度在100～175 ℃。蒸汽发生器的蒸汽出口与蒸汽输送管的前端相连，后端连有蒸汽喷嘴，穿过辐射热源中心部位，蒸汽喷嘴处装有尖端密封设计的热电偶探头(OMEGA：HSTC-TT-K-24S)，用于检测喷嘴喷射出的蒸汽温度。辐射热源为远红外线陶瓷辐射板，能够产生的热通量在2.1～21 kW/m2之间。热暴露箱内的温度传感器和湿度传感器与数据采集系统相连，置于箱体的上方，用于监测整个热暴露过程中模拟箱内的温湿度，同时辨识实验测试的开始，减小操作的误差。实验样本放置于热暴露箱与模拟皮肤传感器之间，利用隔热板能够有效的控制织物热暴露时间。模拟皮肤传感器采用法兰式安装，由水冷板、传感器固定器和数据采集传感器组成，通过铜管的水流速度应不小于100 mL/min，水温恒定为(32.5±1) ℃。本文实验装置首次实现了在高温辐射、高温蒸汽火灾环境下织物系统的热防护性能测试，更加真实的模拟火灾环境中的作业状态。同时其创新性也体现在蒸汽的压力控制、流量调控以及辐射热通量设置等方面，从而更加准确地评价在高温辐射、高温蒸汽暴露条件下织物热防护性能的真实情况，弥补了现有织物热防护性能测评装置的局限性，对于研发热防护新型材料、科学筛选合适的热防护装备，提高消防作业的安全性具有非常重要的意义。

注：1—蒸汽发生器； 2—温度控制器； 3—安全阀； 4—压力控制器； 5—流量阀； 6—蒸汽喷嘴； 7—热暴露箱； 8—热源； 9—温度传感器； 10—排水阀； 11—温度传感器； 12—温度传感器； 13—隔热板； 14—样品架； 15—空气层装置； 16—传感器外壳； 17—固定装置； 18—滑轨； 19—样品； 20—钢管； 21—数据采集传感器； 22—进水管； 23—出水管； 24—水泵； 25—温度控制器； 26—水箱； 27—数据采集系统。图1 火场高温蒸汽热防护性能测评装置Fig.1 Thermal protective performance tester under steam exposure of fire ground

1.3 实验方案

本实验选取面积大小150 mm×150 mm的织物试样，放置于温度为(21±3) ℃、湿度为(65±10)%的恒温恒湿室预湿24 h。首先标定织物热暴露环境，包括蒸汽压力、蒸汽温度以及辐射板热流量大小，设定高温蒸汽的压力大小为0.05 MPa，测量稳定后蒸汽喷嘴的蒸汽温度大小。调节辐射板温度使皮肤模拟传感器的热流量稳定在8.5 kW/m2，记录实验标定过程的参数设置。其次，将预湿处理的织物样品放置于样品架中，待传感器温度达到32 ℃，开始采集数据，打开蒸汽阀，移走隔热板，使织物样品暴露的时间为180 s。热暴露结束之后，依次关闭隔热板与蒸汽阀，继续采集数据180 s，直到冷却结束。实验过程中记录了喷嘴的蒸汽温度与皮肤表面的热流量变化，用于评价高温蒸汽条件下皮肤的烧伤情况。为了减小实验测量的误差，每块样品在同样的实验条件下测量3次。1.3.1 皮肤烧伤时间

皮肤的二级和三级烧伤时间可结合Pennes皮肤生物传热模型[10]与Henriques皮肤烧伤积分模型[11]计算获得。根据ASTM F2731—2011《测定消防员防护服系统的能量传播和储存的标准试验方法》标准的规定，假设皮肤内部的热量传递是沿厚度的一维传热过程，忽略模型中血流量对皮肤传热的影响，但修订的皮肤模拟参数考虑了血液的灌注率等因素对皮肤传热的影响，其一维瞬态传热模型如下所示

(1)

式中：ρskin为皮肤密度，kg/m3；cp为皮肤比热，J/(kg·K)；kskin分别为皮肤导热系数，W/(m·K)。皮肤模拟传感器记录的热流变化可作为皮肤的外边界条件，用于计算皮肤内部的温度变化，方程(1)的边界条件为

(2)

(3)

式中：Lskin是皮肤的厚度，m；kepi是皮肤表层的导热系数，W/(m·K)；qsen是皮肤表面的入射热流密度，kW/m2。

根据相关研究报道[11-12]，当皮肤内部的温度达到44 ℃，皮肤开始受到损害。基于Henriques皮肤烧伤模型方程[11]，通过将皮肤温度代入到一阶阿伦尼乌斯(Arrhenius)方程预测皮肤烧伤，如公式(4)所示：

(4)

式中：Ω为皮肤烧伤程度的量化值，无量纲；△E为皮肤活化性能，无量纲；P为频率破坏因子，无量纲；R为理想气体常数，8.31 J/(mol·℃)；t为皮肤暴露于热源下其温度T> 44 ℃的时间。通过计算Ω值确定皮肤烧伤的程度，当表皮层与真皮层交界处的Ω=0.53时，皮肤达到一级烧伤；当表皮层与真皮层交界处的Ω=1.0时，皮肤达到二级烧伤；当真皮层与皮下组织交界处的Ω=1.0时，皮肤达到三级烧伤。

1.3.2 织物系统热量分布

同样地，将面积大小为150 mm×150 mm吸水纸放置于模拟皮肤传感器表面，基于标定环境测量吸水纸的质量变化，用于计算穿透织物系统到达皮肤表面的蒸汽含量，从而进一步转化为蒸汽传递的热量。在整个热暴露过程中，皮肤表面总传递的热量包括热暴露阶段的热量传递(qe)以及冷却阶段的热量传递(qc)，而热暴露阶段的热量传递分为蒸汽传热(qs)与干态传热(qd)，干态传热包括辐射(qrad)、传导(qcond)与对流(qconv)，计算公式依次为：

(5)

(6)

(7)

式中：m为热暴露阶段高温蒸汽冷凝为液态水的质量，g；Cl为液态水的比热值，4.192 kJ/(kg·K)；Ts和Tl分别为高温蒸汽的温度与冷凝水的温度， ℃；Tfab和Tskin分别为织物系统背面的温度与皮肤表面的温度， ℃；h1为在100 ℃条件下水蒸气的焓变，2 676.3 kJ/kg；h2为在100 ℃条件下液态水的焓变，419.06 kJ/kg；Aexp为织物系统热暴露部分的面积，0.01 m2；hc为织物与皮肤之间的对流传热系数，W/(m2·K)；σ为斯蒂芬波尔茨曼常数，5.67×10-8W/(m2·K4)；ε为织物系统背面的发射率，无量纲；k为空气的导热系数，W/(m·K)。冷却阶段的热量传递主要是织物系统的蓄热释放过程，织物系统在热暴露阶段能够蓄积一部分热量，当热源停止加热时，由于外界的温度较低，织物系统蓄积的热量一部分传递到外界环境，另一部分传递到皮肤表面，即qc。

2 结果与分析

2.1 织物基本性能与皮肤烧伤的关系

为了评价高温蒸汽对不同配置织物系统热防护性能的影响，不同织物系统被重复暴露于干态(高温辐射)与湿态(高温辐射与蒸汽)热暴露条件下，其四组织物系统的二级、三级烧伤时间及其标准差如表3所示。

表3 不同热暴露条件下的皮肤烧伤情况Tab.3 Skin burn injuries in different exposure conditions

由表3可知，在湿态热暴露条件下的皮肤烧伤时间明显小于在干态热暴露条件下的皮肤烧伤时间。不同热暴露条件下烧伤时间进行配对T检验，结果表明：二级烧伤时间与三级烧伤时间的P值均小于0.05，所以高温蒸汽对辐射条件下的织物热防护性能有显著性的影响。其中，在干态热暴露下织物系统A1与其他织物系统的二级烧伤时间相差1.36～1.56倍，而在湿态热暴露下其差异达到1.82～2.07倍，这是因为织物系统A1由外层与隔热层组成，而其他织物系统均含有防水透气层，因此可以发现，消防服防水透气层织物能够更加明显的提高织物在湿态热暴露条件下的热防护性能。

实验过程中测量了穿透织物系统的高温蒸汽渗透量，根据织物的热暴露面积以及热暴露时间求解出的蒸汽渗透速率与皮肤烧伤时间之间的关系如图2所示。总的来看，织物系统的蒸汽渗透速率越大，皮肤发生二级、三级烧伤的时间越小，也就是织物系统对高温蒸汽的热防护性能越差。可进一步发现，织物系统A1在湿态热暴露条件下热防护性能最差的原因是其高温蒸汽渗透速率明显大于其他织物系统。另外，织物系统A3在湿态热暴露下具有最佳的热防护性能，分析织物系统蒸汽渗透速率与织物基本性能之间的相关关系可知，蒸汽渗透速率与织物系统的透气性、透湿率、回潮率呈正相关关系，与织物系统的厚度、面密度呈现负相关关系；其相关系数依次为0.972、0.617、0.999、-0.974、-0.927。因此，织物系统阻挡高温蒸汽的有效措施在于减小织物的透湿性与吸湿性，同时增加织物的厚度与面密度。

图2 蒸汽渗透速率与烧伤时间之间的关系Fig.2 Relation between steam penetration rate and burn time

为了进一步分析消防服防水透气层织物基本性能与皮肤二级烧伤之间的关系，本文利用Pearson相关性分析调查了不同因素与二级烧伤时间之间的相关程度，其不同热暴露条件下的相关系数如下表4所示。在干态热暴露条件下，织物厚度与面密度对织物系统的热防护性能其决定性的作用，这是因为在干态条件下，织物系统的热量传递主要是热传导与辐射传热，织物厚度与面密度的增加能够减小织物导热系数以及辐射穿透率[13-14]，同时增加织物系统的热量蓄积，减缓热量传递速率[15]。相反，在湿态热暴露条件下，高温蒸汽能够减小织物厚度与面密度对织物系统热防护性能的影响，其热防护性能与织物的标准回潮率以及蒸汽渗透率呈现显著性负相关关系。织物回潮率代表织物的吸湿能力，可以看出织物的吸湿能力越好，其热防护性能越差，这是因为高温蒸汽能够携带大量的热量，在100 ℃时的潜热达到2 257 kJ/kg[16-17]，高温蒸汽被织物系统吸收之后将释放出大量的热量，同时冷凝之后的液态水将会增加织物系统的导热系数，加快热量向皮肤的传递过程。织物蒸汽渗透速率是指在高温蒸汽热暴露过程中穿透织物系统，在皮肤表面冷凝的蒸汽传递速率，这一部分传递的高温蒸汽将直接导致皮肤的蒸汽烧伤，与织物的透气性有关。

表4 不同热暴露条件下的皮肤二级烧伤时间 与织物性能之间的相关性分析Tab.4 Correlation analysis between 2nd degree burn time and fabric properties in different exposure conditions

注：*代表在0.05水平(双侧)上显著相关；**代表在0.01水平(双侧)上显著相关。

2.2 织物系统的热传递分析

整个实验过程中织物系统的热量传递由热暴露阶段与冷却阶段组成，其不同阶段穿透织物系统的热流量如图3所示。

图3 穿透织物系统的热流量分布Fig.3 Heat flux distribution through fabric system

在热暴露阶段(qe)，可以发现：1)湿态条件下传递的热流量明显多于干态条件下传递的热流量(P<0.05)；2)织物系统A1的热流量出现明显的增长，这是因为织物系统A1没有防水透气层，导致较多的蒸汽渗透到皮肤表面，产生冷凝释放大量热量；3)与织物系统A2、A3相比，织物系统A4在干态条件下的热流量相对较小，而在湿态条件相对较大，因为织物系统A4的厚度与面密度较大，能够提高织物在干态下的热防护性能，但同时具有较大的标准回潮率以及蒸汽渗透速率，从而进入织物系统的高温蒸汽较多，导致织物系统的热防护性能减小。在织物系统的冷却阶段(qc)，在湿态条件下不同织物系统传递的热流量呈现递减的趋势，这是因为热暴露阶段渗透织物系统的高温蒸汽在皮肤表面发生冷凝，而在冷却阶段冷凝水会进一步蒸发，促进热量的散失，所以其湿态条件下的热流量减小，但是与干态热暴露条件下热流量相比并无显著性差异(P=0.327>0.05)。

在湿态热暴露条件下织物系统传递的热量(qe)分为干热传递(qd)与蒸汽热传递(qs)2部分，由图3可知，蒸汽热传递占总热传递的比例较大，说明在低压蒸汽热暴露条件下，高温蒸汽能够迅速穿透织物系统产生蒸汽烫伤。对于织物系统A1来说，其蒸汽传热占比最小，说明织物内部的导热与辐射传热对整个热传递过程仍然有重要的作用；从含有防水透气层的织物系统(A2、A3、A4)热传递来看，织物系统A2蒸汽热传递占比最大，这是因为织物系统A2的蒸汽渗透速率较大(如图2所示)，而织物系统A4的蒸汽热传递占比最小，因为织物系统A4的回潮率最大(见表2)，说明能够吸收较多的蒸汽，减小蒸汽的渗透，但是蒸汽被织物系统吸收，将会释放大量热量，并且增加织物系统的导热系数，从而导致干热传递的增加。

由上文可知，织物系统A2、A3、A4均含有防水透气层，能够明显地提高织物系统的热防护性能。图4示出了3种织物系统总传递能量随时间的变化情况。随着热暴露时间的增加，织物系统总传递能量呈现递增的趋势，在180 s的热暴露结束之后，总传递能量仍呈现增长，但其增长速率趋于平缓。在热暴露阶段，湿态条件下的热量增长速率几乎保持恒定，而干态条件下的增长速率出现明显的波动，其主要原因是：湿态条件下的热量传递主要取决于蒸汽传热，由于外界环境的蒸汽输送速率恒定，故其蒸汽传热速率几乎保持不变；而在干态传热条件下，热暴露起始阶段织物系统能够蓄积大量热量，同时织物系统中的水分会随着织物温度的上升而蒸发降温，从而减缓织物系统的热量传递[15,18]。在大约80 s的热暴露之后，织物系统在干态热暴露条件下的热传递速率趋于稳定，但是小于湿态条件下的热传递速率。从同一种织物系统来看，干湿态条件下织物系统总传递能量的差异随着热暴露时间的延长而逐渐增大，在热暴露结束之后，两者之间的差异保持恒定的状态，其中，织物系统A4的总传递能量差异最大，主要是由于织物系统A4的干态热防护性能最好，相反高温蒸汽热防护性能最差。

图4 织物系统总传递能量的变化Fig.4 Changes in total energy through fabric system

3 结 论

本文基于新研发的热防护性能测评装置，评价了在干态和湿态热暴露条件下，防水透气层对消防服热防护性能的影响，主要得出如下重要结论：

1)消防服防水透气层织物能够明显地提高织物系统在湿态热暴露条件下的热防护性能。在干态热暴露条件下，织物厚度与面密度对织物系统的热防护性能其决定性的作用。在湿态热暴露条件下，高温蒸汽能够减小织物厚度与面密度对织物系统热防护性能的影响程度，织物系统的热防护性能与织物的透气性、蒸汽渗透率呈现显著性负相关关系，其相关系数依次为-0.978、-0.955。

2)高温蒸汽、高温辐射条件下织物系统的蒸汽渗透速率与织物的透气性、透湿率、回潮率呈正相关关系，与织物系统的厚度、面密度呈现负相关关系，其相关系数依次为：0.972、0.617、0.999、-0.974、-0.927。

3)在热暴露阶段，湿态条件下传递的热流量明显多于干态条件下传递的热流量(P<0.05)，其中蒸汽热传递占总热传递的比例较大，说明高温蒸汽能够迅速穿透织物系统产生蒸汽烫伤；在冷却阶段，干态与湿态热暴露条件下传递的热流量并无显著性差异(P=0.327>0.05)。

4)从含有防水透气层的织物系统(A2、A3、A4)热传递来看，织物系统A2的蒸汽热传递占比最大，取决于织物系统的蒸汽渗透速率；而织物系统A4的蒸汽热传递占比最小，主要因为织物系统A4的回潮率最大，同时织物系统A4因具有较大的厚度与密度，从而具有最佳的干态热防护性能，但同时具有较大的标准回潮率以及蒸汽渗透速率，故高温蒸汽热防护性能最差，导致在干态与湿态热暴露条件下的总传递能量差异最大。

FZXB

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Influence of waterproof permeable layer on thermal and moisture protective performance of firefighter protective clothing in fire disaster

SU Yun1,2， LI Jun1,2,3

(1.Fashion&ArtDesignInstitute,DonghuaUniversity,Shanghai200051,China; 2.ProtectiveClothingResearchCenter,DonghuaUniversity,Shanghai200051,China; 3.KeyLaboratoryofClothingDesignandTechnology,MinistryofEducation,Shanghai200051,China)

In order to evaluate the influence of waterproof permeable layer on thermal and moisture protective performance of firefighter protective clothing, an newly-developed testing apparatus was employed to characterize the thermal and moisture protective performance of various fabric systems under dry and wet heat exposure conditions, and analyze the relation between basic parameters of the waterproof permeable layer and thermal protective performance. The results demonstrat that the increase of thickness and weight of the waterproof permeable layer can increase the thermal protective performance provided from the fabric system under dry heat exposure condition, while the fabric system having the waterproof permeable layer obviously improve the thermal and moisture protective performance. The fabric′s moisture regain and air permeability are the important factors influencing the steam transfer. In addition, the total heat energy is transferred by the phase change of hot steam, so that the protection from hot steam is to reduce the steam penetration and absorption.

hot steam; firefighter protective clothing; thermal protective performance; waterproof permeable layer; thermal radiation

10.13475/j.fzxb.20161000307

2016-10-08

2016-11-15

国家自然科学基金资助项目(51576038);人因工程国家重点实验室开放课题项目(SYFD150051812K); 中央高校基本科研业务费专项基金资助项目(16D110713)；东华大学博士创新基金项目(16D310701)

苏云(1990—)，男，博士生。研究方向为功能防护服及热湿传递模型。李俊，通信作者，E-mail: lijun@dhu.edu.cn。

X 924.3；TS 941.73

A

获奖说明：本文荣获中国纺织工程学会颁发的第17届陈维稷优秀论文奖