低辐射环境下形状记忆合金对防火面料隔热性能的影响

王 帅， 卢业虎,2， 王丽君， 尤禅懿

(1. 苏州大学 纺织与服装工程学院， 江苏 苏州 215006； 2. 苏州大学 现代丝绸国家工程实验室， 江苏 苏州 215123)

低辐射环境下形状记忆合金对防火面料隔热性能的影响

王 帅1， 卢业虎1,2， 王丽君1， 尤禅懿1

(1. 苏州大学 纺织与服装工程学院， 江苏 苏州 215006； 2. 苏州大学 现代丝绸国家工程实验室， 江苏 苏州 215123)

为提高消防服的热防护性能，将若干形状记忆合金弹簧设置在防护服的防水透气层与隔热层之间，研制出具有动态调节结构功能的智能防火面料组合。采用热防护性能测试仪模拟低辐射热环境，测量处于辐射暴露环境下的各面料层间的温度，从而基于层间温度的变化情况来评价不同排列方式下的形状记忆合金弹簧对防火面料的动态隔热作用。结果表明：形状记忆合金弹簧在辐射环境下弹起后产生的空气层具有良好的动态隔热作用，进而提高面料的热防护性能；采用不同的弹簧排列方式也可影响其隔热性能，其中1个弹簧正中排列及3个弹簧对角线放置的试样隔热效果最明显；在不同的排列方式下，弹簧产生的空气层形状和厚度具有明显差异，从而影响防火面料组合的隔热作用。

消防服； 形状记忆合金弹簧； 低辐射热； 隔热性能

消防员或应急救援人员在工作中经常遭受诸如火焰、辐射、高温物体、高温液体和蒸汽等各种灾害的侵袭[1-3]，需要穿着特定的热防护服以保障健康和人身安全。一般从新型阻燃纤维材料的研制或面料厚度及层数的增加等方面来提高热防护服的防护性能[4-5]，但是，多层面料组成的防护服过于厚重，透气性较差，不仅约束着装者的肢体活动，还严重影响人体散热，产生热应激。为减小面料的厚度，达到提高服装舒适性的目的，欧盟建议在防护服中取消防水透气层。然而，此举降低了服装的防护性能，导致着装者被烧伤的概率上升。此外，传统的防护服装不具有动态调节功能，其隔热性能相对固定，使用过程中无法根据常温与高温的环境转换而自动调整。

形状记忆材料具有独特的形状记忆功能，即经高温处理后塑形，然后冷却并被任意改变形状，再次加热至形变温度时可自动恢复原状的功能[6-7]。根据这一性能，陈艳等[8]研制了形状记忆合金(SMA)弹簧，采用高温火焰接触法对其进行防火隔热性能测试，发现合金弹簧的隔热效果显著。Yates[9]在高温下将形状记忆合金盘曲成中部拱起的8字形，冷却后加压使其平整，并把合金丝圈固定在防护服口袋内，结果发现该合金丝圈可显著减少从热源传递至口袋部位的热量。Congalton[10]将扁平蚊香状的形状记忆合金放置在3层组合热防护面料内部，发现面料对强辐射环境的防护性能得到明显改善，但是，考虑到消防员至少80%的工作时间处于低辐射的一般环境中[5]，上述研究缺乏对低辐射暴露环境下的热防护织物隔热性能的探讨，存在一定的局限性。再者，三者均未探究不同弹簧排布方式下织物隔热性能的差异。此外，在Congalton[10]的研究中，形状记忆合金弹簧的设计规格及固定方法尚未明确表述。

本文针对以上问题设计了新的实验方案，即将若干能够灵活感应环境温度变化的形状记忆合金丝盘绕成弹簧状，以一定的规律排布在多层防护服的防水透气层与隔热层之间。采用热防护性能测试仪模拟低辐射热灾害环境，并进行防火面料的性能测试实验。基于各层面料的温度变化情况评价不同排布方式的形状记忆合金弹簧的隔热作用。

1 智能防火面料的研制

1.1 设计原理

空气在常温下的导热系数为0.024 W/(m·K)，远低于许多常用保温材料的导热系数,所以空气层具有较好的保温隔热作用，因此，改进隔热防寒服可从利用空气的低导热性的角度着手[7,11-12]。然而过厚的空气层易产生对流导热，导致隔热性能下降，故空气层也不是越厚越好[4]。常用的单层热防护服内空气层厚度均值在35 mm以内，双层防护服厚度在40 mm左右[5]。此外，Congalton[10]建议形状记忆合金弹簧产生的空气层的厚度应低于35 mm。

基于形状记忆合金的记忆功能，将形状记忆合金弹簧热定型成盘曲的圆锥体，如图1(a)所示，常温时压平为扁平盘香状，如图1(b)所示。若干弹簧元件设置在防护服的防水透气层与隔热层之间。在高温工作环境中，该服装内层所采用的弹簧发生相变，弹起后在服装织物层之间形成空气层，热防护服的隔热作用增强。在常温环境下，弹簧较为平整，防护服保持轻薄的结构，可降低热应激，延长工作时间，因此，形状记忆合金的形变温度和弹起高度的设计要充分考虑人体皮肤受损的临界温度(44 ℃)和衣下空气层的厚度等因素。

图1 高/低温状态下的形状记忆合金弹簧Fig.1 Shape memory alloy spring at high (a) and low (b) temperature

1.2 形状记忆合金弹簧制作

经对合金丝各项性能的测试，最终制作出在常温环境下为扁平蚊香状的形状记忆合金弹簧。合金材料为铜基，在常温下的导热系数为90 W/(m·K)。合金丝直径为1.5 mm，合金弹簧内直径为14 mm，外直径为28 mm。形变温度为45 ℃左右，弹簧在完全弹起后高度可达32 mm。合金弹簧质量较轻，为5.8 g，且能够灵敏地感应到环境温度的变化，进而及时调节热防护服的结构。

1.3 智能防火面料组合

消防服面料通常由防火外层、防水透气层及隔热层3层面料组合而成。面料裁剪尺寸为15 cm×15 cm。3层组合面料在斜对角处固定，以模拟实际穿着时服装内层面料间的相互作用，同时可防止面料间的相对滑移。面料的基本性能见表1。形状记忆合金弹簧排布实物图如图2所示。面料组合采用6组不同阻燃芳纶线形状记忆合金弹簧排列方式，即：无形状记忆合金弹簧(编号为Con，见图2(a))；1个弹簧中心排列(编号为One，见图2(b))、2个弹簧对角(编号为Two-diag，见图2(c))及并列排列(编号为Two-pasa，见图2(d))、3个弹簧对角(编号为Three-diag，见图2(e))及等边三角形排列(编号为Three-tria，见图2(f))。采用阻燃芳纶线固定形状记忆合金弹簧。

表1 消防服面料的基本性能

图2 形状记忆合金弹簧排布实物图Fig.2 Arrangements of shape memory alloy spring

2 实验过程

消防员经常处于低辐射热[2]环境中，即空气温度范围为70～300 ℃，热辐射强度低于12.6 kW/m2。本文研究采用热防护性能测试仪模拟低辐射热环境，如图3所示。热流量为12 kW/m2，辐射时长为70 s。为研究弹簧排列方式对隔热性能的影响，设计6组不同的排列方式。采用NI数据记录仪(NI 9231，美国)实时记录热辐射实验过程中的防水透气层与防火外层间温度T1、隔热层与防水透气层间温度T2、隔热层内层温度T3(T1、T2、T3均为面料中心温度)。测量T1、T2、T3的传感器分别固定于防水透气层外表面、隔热层的外表面和隔热层的内表面。NI数据记录仪由热电偶测试模块与32 gauge T型热电偶组成。每组排列方式测试3次。

图3 热辐射实验Fig.3 Thermal radiation test

3 结果与讨论

图4示出采用不同弹簧排列方式的面料组合在实验后的空气层形状。无形状记忆合金弹簧的组合面料在热辐射环境中始终保持扁平状态，最外层略微发黄，其他面料层不变色、不起皱、无异味。而嵌入弹簧的组合面料在热辐射环境下弹起并在内部形成空气层，各空腔的形状均不同，与形状记忆合金弹簧的排列方式有关。

图4 辐射后形状记忆合金组合面料中的空气层形状Fig.4 Air layer shapes in fabrics incorporated with SMA springs after radiation exposure

3.1 防水透气层与防火外层间温度

图5示出采用不同形状记忆合金弹簧排列方式的试样防火外层和防水透气层之间的温度T1的变化曲线。从整体来看，在该热辐射条件下，采用6种不同形状记忆合金弹簧排列方式的试样的温度T1均在0～40 s内迅速升高，随后增速放缓并逐渐趋于平稳。T1的最终温度范围为235～260 ℃。由于形状记忆合金弹簧排布在隔热层与防水透气层之间，隔热作用与导热性能无法在该处完全体现，故T1的总体差异性不大。T1的动态变化取决于热源向外表面传热与防水透气层向隔热层及弹簧形变产生的空腔散热的综合作用，当T1稳定时，吸热与散热获得动态平衡。

图5 不同形状记忆合金弹簧排列方式的T1变化曲线Fig.5 T1 change curves in different arrangements of SMA springs

同时，与其他5组试样相比，由于开始时增长速度最慢，Con试样的T1始终最低，尤其是在40 s时与其他5组的差距最大。特别地，Con试样在40 s时的T1比Two-para的试样低40 ℃，但在40 s后该试样的T1增长速度大于其他试样，所以最终70 s时6组数值差距较小。该结果可能与形状记忆合金弹簧在相变过程中产生的应力有关。该应力将防水透气层与防火外层面料向下挤压，使得防水透气层发生轻微形变，一方面导致面料与热源之间的距离缩短(见图4)，另一方面减小了弹簧所排布位置处防水透气层与防火外层之间的接触间隙，即面料间的空气层厚度减少，从而加速了热量的传递。此外，弹簧排列方式为Three-diag和One试样的T1变化曲线几乎重合，即这2组试样的T1变化几乎相同。可能与这2种试样均有1个弹簧安装在面料中心有关。

在弹簧形变产生的应力以及面料组合对角线固定产生的阻力双重作用下，5种安装形状记忆弹簧的面料组合的外部形状具有明显差异。尽管在辐射条件下防火外层面料中心处发生变形，柔软度下降，导致在边缘处防火外层与防水透气层的间隙增加至 10 mm 左右，但是5组排布形状记忆合金弹簧的试样在面料中心的防水透气层与防火外层间的空气层整体差异极小，故该5组试样的T1的增长趋势相近。

3.2 隔热层与防水透气层间温度

图6示出采用不同形状记忆合金弹簧排列方式的试样隔热层正面的温度T2的变化曲线。从整体来看，在同样的热辐射条件下，除弹簧排列方式为Con的试样外，其他5 种安装形状记忆合金弹簧的试样的温度T2在0～40 s上升较快，之后逐渐趋于稳定，最终温度在100 ℃左右。而弹簧排列方式为Con的试样T2始终高速上升。其中，在0～25 s间的温度曲线与弹簧排列方式为Two-para及Two-diag的试样几乎重合，但随后差值逐渐增加，到70 s时最大，此时的T2大于165 ℃。两极分化的曲线走势图初步体现出形状记忆合金弹簧的隔热作用，即在25 s左右面料温度达到弹簧的形变温度，弹簧逐渐弹起并形成空气层，隔热作用开始起效，40 s左右弹簧形变完成，隔热性能逐步稳定。此外，5种安装形状记忆合金弹簧的试样T2基本低于同一时刻的Con试样，尤其是在40 s后，表明形状记忆合金弹簧具有的导热性能对面料的局部升温作用远小于弹簧弹起形成的空气层对热量传递的阻碍作用。

图6 不同形状记忆弹簧排列方式的T2变化曲线Fig.6 T2 change curves in different arrangements of SMA springs

T2的数值波动取决于防水透气层内层向空腔内的空气层传热与隔热层外表面散热的综合作用，散热对象包括隔热层内层和外环境。当T2达到稳定时，表明吸热与散热获得动态平衡。此时，弹簧形变过程已经结束，作用效果稳定。

5种安装形状记忆合金弹簧的试样受热后因弹簧形变产生的空气层是动态变化的。由于面料组合在对角处固定、弹簧散点分布以及面料重力等因素，导致防水透气层和隔热层之间的空气层厚度不均匀(见图4)，即在弹簧排布位置处最厚，并向周围递减。不同排列方式下的空气层变化规律见表2。

表2 不同排列方式下的空气层分布

在对空气层形状及厚度进行分析后，具体讨论T2的变化原因。弹簧排列方式为One和Three-diag试样的温度T2上升速度最为缓慢，最终温度最低，约为90 ℃。由于本文实验测量面料中心点的温度，在上述2种情形下，弹簧受热弹起而形成的空气层在测试点处最厚，因而对热量传递的阻碍作用最强。相较于其他3种排列方式，弹簧排列方式为Three-tria和Two-para的试样在70 s时无优势。这是由于组合面料在对角处固定，使得空气层总体呈中部突出边缘窄小的形状，导致单个试样内部热传导性能分布不均，所以，弹簧的数目对隔热性能的影响不占主导地位。

3.3 隔热层内层温度

图7为采用不同形状记忆合金弹簧排列方式的试样隔热层内层的温度T3的变化曲线。从整体上来看，由于热量传递至内表面需要一定的时间，相较于T1、T2的变化曲线图，这6种不同弹簧排列方式的试样的温度T3在0～5 s内保持稳定，5 s后才开始出现明显增长。其中，在没有安装形状记忆弹簧的试样Con中，T3自5 s后始终高速上升，并且上升速度在30 s后显著加快。其他5组安装形状记忆合金弹簧的试样的温度T3以缓慢的速度平稳上升。表明形状记忆合金弹簧能够有效地降低热量的传递速度，增强隔热层的隔热效果，且作用效果持续稳定。这与陈艳等[8]、Yates[9]及Congalton[10]的研究结果一致[8,10]。T3的数值波动取决于空气层向隔热层导热与隔热层向外环境散热的综合作用。与T1和T2不同，T3在70 s时依然继续增加，表明此时吸热大于散热，这也与热量逐层传递的滞后性有关。

图7 不同形状记忆弹簧排列方式的T3变化曲线Fig.7 T3 change curves in different arrangements of shape memory alloy springs

与T2类似，弹簧排列方式为One、Three-diag的试样T3增长最为缓慢，70 s时的T3比其他安装形状记忆合金弹簧的试样低15 ℃左右，比Con的试样低55 ℃。由此可见，采用这2种排列方式的形状记忆合金弹簧对提升消防服面料的隔热作用具有显著的效果。由图7可知，安装弹簧的试样的T3变化趋势可分成差异明显的2组，这是因为不同弹簧排列方式下形成的空气层形状不同(见图4)。与其他3组相比，弹簧排列方式为One、Three-diag的试样产生的空气层中部突出，整体隔热性能略好。

此外，由于中心点单点测温法的局限性，这2组试样的T3曲线几乎重合，仅能表明中心部位的隔热效果差别不大，但由图4可知，放置3个弹簧后，隔热层面料整体较放置单个弹簧的试样平整，产生的空气层也较均匀，进行服装层面的实验效果也可能会更好，这将在后续的研究中进一步验证。

鉴于44 ℃(温升为12 ℃)为人体皮肤开始出现损伤的临界温度，而56 ℃(温升为24 ℃)为出现二级烧伤的临界温度。本文以T3温度达到44 ℃和56 ℃的时间分析6组试样的隔热效果，具体结果见表3。弹簧排列方式为Con、Two-diag、Two-para、Three-tria的试样在25 s左右达到44 ℃，弹簧排列方式为Three-diag的试样在66.2 s时达到44 ℃，而排列方式为One的试样最终温度没有达到44 ℃。弹簧排列方式为Con、Two-diag的试样在40 s左右达到56 ℃，弹簧排列方式为Two-para、Three-tria的试样分别在55 s、65.7 s达到56 ℃，而弹簧排列方式为One、Three-diag的试样在70 s时未能达到该温度。就延长皮肤受热损伤时间而言，弹簧排列方式为Two-diag、Two-para、Three-tria的试样均具有一定的作用，而弹簧排列方式为One、Three-diag的试样的作用效果最明显，可较大程度地增加消防人员入火场救援时间，从而抢救效果提高，减少财产损失。

表3 T3达到44 ℃和56 ℃的时间

4 结 论

本文研究在防护服的防水透气层与隔热层之间设置若干形状记忆合金弹簧，在低辐射热环境下基于各层面料的温度变化评价不同排列方式的形状记忆合金弹簧的隔热作用，得到如下结论。

1)整体上6组不同形状记忆合金弹簧排列方式的试样T1先上升较快，然后趋于平缓，相互间的差异较小。

2)弹簧排列方式为Con的试样的T2始终高速上升，其他5种安装形状记忆合金弹簧试样的T2先增长较快，然后上升缓慢并趋于稳定，排列方式为One、Three-diag的试样T2上升最缓慢。

3)弹簧排列方式为Con的试样的T3始终高速上升，其他5组安装形状记忆合金弹簧的试样的T3上升较缓慢，表明形状记忆合金弹簧有效地降低热量的传递速度，增强面料组合的隔热效果。其中，排列方式为One、Three-diag的隔热效果最明显，较之其他3种排列方式，上述2种排列方式可显著延长皮肤受热损伤时间。

4)在不同的排列方式下，弹簧相变过程中产生的空气层形状和厚度具有明显差异，从而影响面料组合的隔热作用。

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Influence of shape memory alloy on thermal insulation performance of flame retardant fabrics in low radiation environment

WANG Shuai1， LU Yehu1, 2， WANG Lijun1， YOU Shanyi1

(1.CollegeofTextileandClothingEngineering,SoochowUniversity,Suzhou,Jiangsu215006,China;2.NationalEngineeringLaboratoryforModernSilk,SoochowUniversity,Suzhou,Jiangsu215123,China)

To improve thermal protective performance of firefighters′ protective clothing, several shape memory alloy (SMA) springs were arranged between the moisture barrier layer and the thermal insulation inner layer to develop smart flame retardant fabric combinations with a dynamic structure. A low radiant heat was simulated by a thermal protective performance tester and the surface temperatures between layers under exposure to low radiation were recorded. The protective performance of fabric in different arrangement modes of SMA springs was evaluated by the temperature changes between layers. The results indicated that SMA springs have good dynamic heat insulating properties by means of the air layer caused by the deformation of SMA springs under radiant heat, and thus improve the protective performance of fabrics. Meanwhile, the arrangement of SMA springs has impact on the thermal protection as well. The samples with the SMA arrangements of one spring in the center and three springs on the diagonal line exhibit better thermal protection performance. The shape and size of the air gap produced by different arrangements of SMA springs show obvious difference, and thus affect the thermal insulation properties of flame retardant fabric combinations.

firefighters′ protective clothing; shape memory alloy spring; low radiation; thermal insulation performance

10.13475/j.fzxb.20161006006

2016-10-19

2017-04-10

国家自然科学基金项目(51506137)；江苏省自然科学基金项目(BK20161255)；江苏省高等学校大学生创新创业训练计划项目(201610285117H)；江苏省先进纺织工程技术中心开放课题项目(XJFZ-2016-5)

王帅(1996—)，女，本科生。主要研究方向为智能热防护服装。卢业虎，通信作者，E-mail：yhlu@suda.edu.cn。

TS 941.73

A