含水率对消防服用多层织物系统热蓄积的影响

2017-09-03何华玲于志财张健飞宋国文

纺织学报 2017年8期

何华玲，于志财，张健飞，宋国文,4

(1. 天津工业大学纺织学院，天津 300387； 2. 辽东学院化学工程学院，辽宁丹东 118003； 3. 辽东学院辽宁省功能纺织材料重点实验室，辽宁丹东 118003； 4. 爱荷华州立大学人类科学学部，美国艾姆斯 IA50011)

何华玲1,2,3，于志财2,3，张健飞1，宋国文1,4

为全面准确地评估湿态下消防服用多层织物系统的热防护性能，通过改进现有的热防护性能测试仪器，采用传统热防护性能实验与蓄积热实验2种方法，利用模拟人体皮肤传感器取代标准测试中的铜片热流传感器，基于Pennes热量传递方程，根据 Henriques人体皮肤烧伤模型做出烧伤预测，并利用迭代法获得二度烧伤最少热暴露时间。分析了织物系统含水率对二度烧伤最少热暴露时间及热蓄积指数的影响。实验结果表明：2种实验方法测得的二度烧伤最少热暴露时间随含水率的增大明显降低，热蓄积指数也呈降低趋势；二度烧伤最少热暴露时间与含水率之间存在显著的线性负相关关系。

消防服；多层织物系统；热蓄积；含水率

消防服作为保护消防人员身体免受伤害的防护服装，普遍采用4层织物结构，由外及内依次为: 防火层、防水透湿层、隔热层、舒适层[1-3]。在热暴露过程中，这种特殊的多层织物系统在提供隔热作用的同时，与人体之间也会蓄积一定的热量。热暴露阶段的热传递与热暴露之后蓄积热量的释放都会对消防员的皮肤烧伤产生影响[4-6]。传统的织物热防护性能测试方法如热辐射和热对流综合作用防护性能(简称TPP)测试方法、热辐射防护性能(简称RPP)测试方法只考虑了热暴露过程中热传递对皮肤烧伤的影响，忽略了热暴露结束后蓄积热量的释放引起的烧伤现象[7-9]。热蓄积测试方法综合考虑了织物在热暴露阶段的热传递以及在热暴露结束后的冷却阶段热蓄积释放对皮肤烧伤的影响，更能准确地预测织物的热防护性能[10-11]。

消防员在抢险救援时，身体产生大量汗液，不可避免地会导致消防服内层出现润湿甚至饱和现象[12-13]。诸多研究已证实，水分的存在会影响消防服用织物的热防护性能[14-16]，但就水分含量对多层织物系统热蓄积的影响研究，至今仍鲜见系统报道。

本文采用改进的热防护测试仪器(TPP测试仪)，采用TPP/RPP测试与热蓄积测试(SET)2种方法对含水率不同的消防服用织物的热防护性能进行评估，旨在分析水分含量对多层织物系统热蓄积及防护性能的影响，从而为人体皮肤烧伤预测以及消防服热防护性能的评估提供一定的参考依据。

1 实验部分

1.1 实验材料

本文实验选用的消防服外层、防水透湿层、隔热层、舒适层面料，均为国内外消防服常用的织物品类(隔热层与舒适层缝合在一起)。实验用织物的基本参数如表1所示；多层织物系统的组合方式及主要规格参数如表2所示。

表1 织物规格参数表

注：PBI纤维为聚苯并咪唑纤维的简称；PTFE纤维为聚四氟乙烯。

1.2 实验仪器

表2 多层织物系统规格参数

本文实验将传统的TPP 2703热防护性能测试仪(上海图新电子科技有限公司)进行改进，结构图如图1所示。实验中用如图2所示模拟人体皮肤传感器代替设备中原有的铜片传感器。模拟皮肤传感器的皮肤模拟部分采用的材料其热属性与人体皮肤相似，因而其传热方式与人体皮肤相近，使得测试数据更加真实可靠。采用基于Labview2010 软件开发的虚拟温度测试仪采集传感器数据并进行实时控制。

图1 热防护测试仪器结构图Fig.1 Schematic diagram of TPP tester

图2 皮肤模拟传感器Fig.2 Skin simulant sensor

为模拟人体运动对织物挤压导致蓄积热被迫快速释放的现象，采用了自行研制的用于热防护性能测试仪的热防护织物挤压器，如图3所示。该装置移动灵活、拆卸方便，操作简便，有效地扩展了原测试仪器的功能。

图3 热防护织物挤压器Fig.3 Squeezer for thermal protective fabric

1.3 实验方法

消防服装与织物的热防护性能主要是通过预测人体皮肤二度烧伤时间值来定量评估。为预测二度烧伤时间，研究者们提出了很多方法。其中，被广为应用的2种方法为Henriques皮肤烧伤积分模型与Stoll烧伤准则。本文实验用基于Henriques 烧伤积分方程的分析软件Skin Burn Prediction 代替原有热防护性能测试仪中基于Stoll二度烧伤准则的分析软件来评价织物的热防护性能[17-18]。试样尺寸为150 mm×150 mm。其热流量的计算方法与皮肤烧伤预测程序与ASTM F 1930—2000 《用于评估阻燃服的标准测试方法—燃烧假人法》中方法类似。首先根据Duhamel准则，由皮肤模拟传感器温度变化量计算出其表面的热流量，然后依据Henriques Burn Integral 模型预测出皮肤二度烧伤时间。

试样的预处理方案：将S-1与S-2 2种4层织物组合分别分为4组，编号分别为1～4，每组每种织物暂取9块(如实验中出现试样数目不够情况，另行添加)，第1组不添加水分，为模拟人体出汗情况，第2～4组试样分别用胶头滴管将一定量的蒸馏水滴加于舒适层表面，使得织物组合的含水率分别为25%、50%、75%(相对于织物质量)。为保障水分均匀分布于织物，其滴加路径如图4所示，且每滴水滴落在1 cm×1 cm方格的中间位置[20]。将吸湿后的织物放置在密封袋密封后连同未加水试样静置于标准环境(温度(20±2)℃，相对湿度(65±5)% 平衡24 h，实验时将样品从密封袋中取出并尽快用于实验，以减少误差产生。

图4 织物水分滴加方法Fig.4 Moisture-supplying method for samples

利用已改进的TPP热防护性能测试仪，基于 NFPA 1977《森林消防战斗服和装备标准》与ASTM F 2731—2011《防火服多层织物系统热传递及热蓄积测试标准》，测试步骤如下。

1)开启TPP测试仪，设置并校正辐射热源强度为15.5 kW/m2(由9根红外石英灯管提供)。

2)将经预处理的4层试样组合水平放置在特定的样品夹上，启动程序。

3)试样开始暴露后通过模拟皮肤传感器记录温度随时间的变化。虚拟温度测试仪每0.1 s 接收 1个温度，试样暴露预定时间后离开热源。

4)数据采集达预定时间后停止，将温度和时间数据输入Skin Burn Prediction软件中，进行计算得到皮肤二度烧伤时间即二度烧伤最少热暴露时间TTPP/RPP。

5)如考虑热蓄积对热防护性能的影响，则实验完成步骤3)之后，按以下步骤继续进行。

6)数据采集继续，并于试样完成暴露5 s后用自制热防护织物挤压器对试样组合进行挤压。

7)数据采集总时长90 s(包括热暴露时间及冷却时间)后结束，将温度和时间数据输入Skin Burn Prediction软件中，对数据进行计算，预测是否发生二度烧伤。

8)若在织物受挤压阶段没有发生二度烧伤或已经发生二度烧伤，则改变热暴露时间，使用新的试样重复实验，直至二度烧伤恰好发生在织物受挤压阶段，最后一次实验的热暴露时间即为达到二度烧伤的最小热暴露时间TSET。

为减小实验误差，每组试样测试3次，结果取其平均值。

根据TPP/RPP与热蓄积测试方法测得的二度烧伤最少热暴露时间值，按下式[19]计算热蓄积指数。

式中：TTPP/RPP为采用TPP/RPP测试方法得到的二度烧伤最少热暴露时间；TSET为采用热蓄测试方法得到的二度烧伤最少热暴露时间。

2 实验结果与讨论

2.1 含水率对多层织物系统热防护性能影响

隔热舒适层施加不同量的水分后，用TPP/RPP与SET测试方法分别测得4层织物系统的二度烧伤最少热暴露时间，并计算得出蓄积热指数，结果见表3。

表3 不同含水率织物系统的二度烧伤最少热暴露时间与热蓄积指数

由表3可得出，随隔热舒适层含水量的增加，对于织物组合S-1与S-2，传统的TPP/RPP方法与蓄积热测试方法测得的二度烧伤最少热暴露时间明显降低，即热防护性能下降。这与前人[10]研究结果一致。S-1组合的TTPP/RPP从54.5 s下降到43.2 s，TSET从45 s下降到33 s。S-2组合的TTPP/RPP从58.5 s下降到46.9 s，TSET从45 s下降到 37s。热蓄积指数随含水率增加呈下降趋势。这可能是由于水分的加入以增加织物系统的导热系数为主要影响因素，导致热防护性能下降。热蓄积指数的降低表明织物系统在热暴露过程中，传递到模拟皮肤传感器的热量增加，而蓄积在织物内部的能量减少。换句话说，多层织物系统内层水分含量越大，冷却阶段热蓄积释放对皮肤烧伤产生的影响越小，热暴露阶段的热传递对人体皮肤烧伤起主导作用，因此，低辐射热暴露下，消防员本身产生的汗液削弱了织物组合的热蓄积。

2.2 皮肤基面热流量变化分析

为深入分析水分含量对热蓄积的影响，依据热蓄积测试方法，将含水率不同的S-1 和S-2织物组合体试样分别暴露于15.5 kW/m2的100%辐射热源下，根据模拟皮肤基面的温度变化，由Duhamel准则，计算出其表面的热流量，模拟皮肤基面热流量变化曲线见图5。

图5 不同织物组合的热流量曲线图Fig.5 Heat flux profiles from different fabric systems.

由图5可看出，对于S-1与S-2织物组合，干燥状态下的热流量曲线与隔热舒适层含湿状态下热流量曲线相比，曲线走势明显不同。织物组合热暴露过程中热流量曲线主要包括以下几个阶段。

1)第1阶段：最初几秒热流量曲线变化平缓，传感器表面(皮肤)热流量缓慢增加。此阶段，试样刚开始接触热源，织物以及织物内部的水分吸收了辐射热源的较大部分热量，使得透过织物的热量较少。且试样含水率越大，热流量变化愈平缓，这是由于常温下，水的比热容为4.18 J/(g·℃)(约为干纤维的2～3倍)，远远大于干纤维的比热容所致[21]。

2)第2阶段：曲线变陡峭。织物系统已吸收了足够热量，开始作为蓄热源向模拟皮肤传导热量。由于水的导热系数较纤维材料大，所以含水织物的导热系数大于无水织物。此阶段，水分的存在以增大系统导热系数为主要影响因素，因此，含水率越高的织物组合的热流量曲线越陡峭。

3)第3阶段：干态织物组合(含水率为0)的曲线变化趋于平缓，热流量缓慢上升；润湿状态的织物组合其热流量曲线出现突然下降后继续平稳上升，这一现象可能是由于织物内部温度过高导致水分汽化吸热，吸收了部分辐射热量，使热流量出现下降，而且含水率越高的织物组合，热流量下降幅度越大。同时，水分的相变过程造成织物组合内部蓄积热降低。

2种试样组合在结束热辐射暴露之后的冷却阶段，其热流量曲线变化包括以下2个阶段。

1)第1阶段；热暴露结束5 s之后，热流量曲线出现尖锐上升后呈断崖式下降。这种现象的产生是由于热防护挤压器对织物组合的突然挤压，使得大部分蓄积在织物内部的潜在热量被迫快速释放后，织物内部仅剩余少量蓄积热，因此，向传感器传递的热量迅速减少。此阶段，S-1与S-2组合的热流量峰值分别达到5.57、5.78 kW/m2，且含水率越高的织物试样，热流量上升幅度越小，说明水分的存在对热蓄积产生了消极的影响。

2)第2阶段：热流量平缓下降。此阶段只有织物内部尚存的蓄积热作为辐射源，因此，导致向传感器传递的热量呈现逐渐降低趋势。

2.3 二度烧伤最少暴露时间线性回归模型

为进一步研究热蓄积测试方法测得的二度烧伤最少热暴露时间TSET与含水率的关系，以TSET为因变量, 含水率为回归自变量, 采用SPSS 软件建立一元线性回归模型，如图6所示。

图6 二度烧伤最少热暴露时间与含水率的关系Fig.6 Relations of exposure time required to generate 2nd degree skin burn and moisture content percent

由图6可得二度烧伤最少热暴露时间与含水率的一元线性回归模型。x为试样含水率。R为相关系数，相关系数的平方R2表示拟合优度。对于S-1及S-2试样组合，其拟合优度R2分别为0.979，0.952，极其接近1，因此，2个回归模型的拟合优度很高。S-1与S-2织物组合二度烧伤最少热暴露时间的变化分别为97.9%，95.2%。这是因含水率的变化而改变的，含水率与织物二度烧伤最少热暴露时间之间有较强的线性关系，含水率越高，织物的二度烧伤最少热暴露时间越小，因此，在低辐射热环境中(15.5 kW/m2)，消防员的出汗量直接影响到消防服的热防护性能。出汗量越大，消防服的热防护性能越差。

3 结论

本文研究为模拟热暴露之后多层织物系统中热蓄积受压释放的情形(消防员匍匐行进、跪地、翻滚等动作)，采用了自行设计研发的一种压缩装置：热防护织物挤压器。通过改进现有的热防护性能测试仪器，在热辐射强度为15.5 kW/m2的条件下，采用传统热防护性能实验与蓄积热实验2种方法，分析了织物系统含水率对二度烧伤最少热暴露时间及热蓄积指数的影响。

研究得出：1)热防护性能实验与蓄积热实验2种方法测得的二度烧伤最少热暴露时间均随含水率的增加而降低，热蓄积指数呈下降趋势，这说明了多层织物系统内层水分含量越高，冷却阶段蓄积热释放对织物组合的整体热防护性能的影响降低，热暴露阶段的热传递对人体皮肤烧伤起主导作用，因此，低辐射热暴露下，消防员本身产生的汗液削弱了织物组合的热蓄积，但防护性能明显降低。

2)干态织物系统与含水织物系统的热流量曲线相比较，曲线走势明显不同。其明显差异在于：起初几秒内，由于水分的导热能力远远大于干态纤维，导致含水率越大的织物，热流量上升越快。经过一段时间的热暴露之后，由于织物系统中的水分发生相转变(汽化过程)吸收了部分热量，含水织物系统的热流量呈现断崖式下降现象，且含水量越多，热流量下降幅度越大。

3)多层织物系统含水率与采用热蓄测试方法得到的二度烧伤最少热暴露时间之间存在着显著的线性回归关系。对于S-1与S-2组合，含水率每增加1%, 其值分别缩短0.068，0.08 s。

4)后续研究中将考虑热暴露强度、织物组合的种类及水分施加位置对织物系统热蓄积的影响，以期为人体皮肤烧伤预测以及消防服用织物热防护性能的提高提供更为准确的理论参考。

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Influence of moisture content on heat storage performance of multilayer fabric assemblies for firefighters

HE Hualing1,2,3， YU Zhicai2,3， ZHANG Jianfei1， SONG Guowen1,4

(1.SchoolofTextiles,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China; 2.SchoolofChemicalEngineering,EasternLiaoningUniversity,Dandong,Liaoning118003,China; 3.LiaoningProvincialKeyLaboratoryofFunctionalTextileMaterials,EasternLiaoningUniversity,Dandong,Liaoning118003,China; 4.CollegeofHumanScience,LowaStateUniversity,AmesIA50011,USA)

In order to evaluate the influence of moisture content on thermal protective performance of fabric for firefighters, burning predication was proposed according to the Henriques human body skin burn model by using the modified existing thermal protective performance tester, adopting two kinds of method of conventional thermal protective performance test and thermal storage test, and utilizing the skin simulant sensor to replace the copper sheet sensor. The influence of the moisture content of the fabric assembly on second degree skin burn (MET) and stored energy index (SEI) were investigated. The results show that the MET obtained by these two methods reduces with the increase of the moisture content and the SEI also decreases. A negative correlation relationship exists between the moisture content and MET. Simple linear regression equations are developed between SET and the moisture content.

firefighters′ protective clothing; multilayer fabric assembly; heat storage; moisture content

10.13475/j.fzxb.20160900706

2016-09-05

2017-05-12

国家自然科学基金项目(51206122)；辽宁省教育厅项目(L2015188)

何华玲(1983—)，女，博士生。主要研究方向为功能防护纺织品。宋国文，通信作者：E-mail:gwsongsgs@gmail.com。

TS 941.731