消防避火服复合织物热防护性能的影响因素分析

刘国熠，李建明，赵晓明

(1.天津工业大学 纺织学部，天津 300387；2.天津市消防局，天津 300090)

0 前言

消防避火服是应用在高温明火火场条件下，确保消防员短期穿越火场行动安全、对被困群众和重要物资实施救援的防护装备[1-2]，其需要具备在施救的8min～10min时间内能够耐受上千摄氏度高温火焰舔舐的能力，充分保障消防救援人员的人身安全[3-6]。然而，由于消防避火服适用标准缺失，其防护效能可靠性不被认可[7-9]，亟需对该类服装的热防护效能的影响因素进行研究，找到提升消防避火服热防护效能可持续性的途径与方法，为有效增强消防避火服的防护效果，提升灭火救援效率奠定理论基础。

消防避火服复合织物是由耐火外层、防水透湿层、隔热层和舒适层等四层结构组成[10-13]。其中耐火外层和隔热层为主要的防护功能层，对于这两层织物热防护性能的研究可对提升复合织物整体的热防护性能产生事半功倍的效果[14-16]。考虑到消防避火服的穿着舒适性等要求，选择对外层织物种类和层数，以及隔热层厚度等因素对消防避火服外层织物热防护性能的影响为主要研究内容[17-18]，通过对比与分析，找到各因素对复合织物整体热防护性能的影响规律，为进一步优化消防避火服复合织物的热防护效果找到理论依据。

1 实验部分

1.1 实验材料

高硅氧玻璃纤维织物(A1)、隔热层非织造布(A2)和舒适层阻燃棉织物(A3)，由北京品益思科技有限公司提供；高硅氧玻璃纤维(B1)，由青岛星轮实业有限责任公司提供；连续玄武岩玻璃纤维织物(XW)，由天津市鼎上新材料科技有限公司提供，防水渗透层织物(F)由上海圣鸥集团提供，三类不同厚度隔热层非织造布(C2、D2和E2)为自制。

1.2 实验仪器

TPS-2500S型Hot Disk热常数分析仪(瑞典凯戈纳斯有限公司)； TPP701D型热防护性能测试仪(美国精密制造公司)。

1.3 实验方法

1.3.1 导热系数的测定

根据织物厚度选用适宜探头，使用Hot Disk热常数分析仪对不同种类外层织物进行导热系数的测试与分析[19-21]。

1.3.2 热防护性能测试(TPP)

热防护性能测试参照标准ISO17492，使用TPP701D型热防护性能测试仪对织物进行防护效能测试，辐射热通量与对流热通量的比值控制在1∶1，通过二级烧伤时间曲线与织物传感相应曲线的交叉点，判断织物的热防护性能优劣[22-25]。

2 结果与讨论

2.1 外层织物种类对复合织物热防护性能的影响

为探究外层织物种类对消防避火服复合织物热防护性能的影响，使用TPP701D型热防护性能测试仪对织物进行防护效能测试，辐射热通量与对流热通量的比值控制在1:1，测试结果如图1所示。

图1 不同外层织物消防避火服复合织物热防护性能(TPP)测试曲线对比

从图1中可以看出，三种消防避火服复合织物的传感响应曲线较为接近， A1FA2A3、B1FA2A3和XWFA2A3等三类织物组合的TPP时间分别为35.87 s、34.87 s和34.56 s，其中以高硅氧玻璃纤维织物(A1)为最外层时，复合织物的TPP时间最大，分别比以B1和XW为最外层时高出1 s和1.31 s。而高硅氧玻璃纤维织物(A1)、高硅氧玻璃纤维织物(B1)和连续玄武岩纤维织物(XW)等三类消防避火服外层织物的TPP测试曲线如图2所示。

图2 不同消防避火服外层织物热防护性能(TPP)测试曲线对比

从图2中可以看出，三种消防避火服外层织物的TPP时间分别为5.64 s、5.29 s和4.75 s，其中以高硅氧玻璃纤维织物(A1)的TPP时间最大，分别比高硅氧玻璃纤维织物(B1)和连续玄武岩纤维织物(XW)高出0.35 s和0.89 s。

根据图1和图2中所示，为了更加直观地体现外层织物对消防避火服复合织物整体热防护性能的影响，将高硅氧玻璃纤维织物(A1)、高硅氧玻璃纤维织物(B1)和连续玄武岩纤维织物(XW)与以此三类织物为最外层的复合织物TPP时间绘制于图3中。

图3 消防避火服外层织物种类对消防避火服复合织物TPP时间的影响

从图3中可以看出，外层织物的TPP时间与消防避火服复合织物整体TPP时间呈现正相关关系，且复合织物的TPP时间变化幅度相对更大。可见，外层织物的热防护性能优劣对消防避火服复合织物的TPP时间影响较为明显。

出现上述现象可能的原因是，作为直接接触火场环境中的高温明火的防护层织物，消防避火服外层织物主要起到防止明火火焰和高温辐射热对织物的损伤的作用，其防护性能的优劣，直接影响着后续各层织物防护功能的持久稳定发挥[26-28]。因此，外层织物对于辐射热和对流热为1:1的火源条件的TPP时间越长，以该类织物为外层织物的消防避火服复合织物整体的热防护性能就相对越好[29]。

2.2 外层织物层数对复合织物热防护性能的影响

为了防止消防避火服外层织物在实际灭火救援中发生钩挂等损伤，导致防护功能失效，一些避火服生产厂家设计出两层外层织物的防护服装，以增强防护效果。为探究外层织物层数对消防避火服复合织物热防护性能的影响，使用TPP701D型热防护性能测试仪对织物进行防护效能测试，辐射热通量与对流热通量的比值控制在1:1，以高硅氧玻璃纤维织物(B1)和连续玄武岩纤维织物(XW)为例进行对比，测试结果如图4所示。

图4 不同外层织物层数消防避火服复合织物热防护性能(TPP)测试曲线对比

从图4中可以看出，增加外层织物层数后，消防避火服整体的热防护性能得到明显提升，增加高硅氧玻璃纤维织物(B1)和连续玄武岩纤维织物(XW)层数后，消防避火服复合织物TPP时间分别为39.91 s和47.07 s，比未增加外层织物层数前分别提升了5.04 s和12.51 s，复合织物的热防护性能得到了明显的提升，其中增加连续玄武岩纤维织物(XW)层数后，复合织物的TPP时间提升更为明显。

出现上述现象可能的原因是：(1)外层织物层数的增加减缓了在面对高温火焰时消防避火服外层部分的损伤，提升了复合织物体系的防护持久性。其中由于连续玄武岩纤维织物(XW)高温热稳定性较高硅氧玻璃纤维织物(B1)更强，因此，增加该类织物层数后，避火服外层织物在高温明火条件下受到的损伤更小，推迟了后续功能层在受到高温热损伤后发生性状改变的发生时间，从而有效地延长了消防避火服复合织物整体的热防护时间[30-33]。(2)外层织物层数的增加，使得复合织物在两层外层织物间形成了空气附面层，这一附面层的增加可以进一步提升消防避火服复合织物的热防护性能[34-36]。

2.3 隔热层织物厚度对复合织物热防护性能的影响

为探究隔热层织物厚度对消防避火服复合织物热防护性能的影响，使用TPP701D型热防护性能测试仪对织物进行防护效能测试，辐射热通量与对流热通量的比值控制在1:1，测试结果如图5所示。

图5 不同隔热层厚度消防避火服复合织物热防护性能(TPP)测试曲线对比

从图5中可以看出，在自制的三类隔热层C2(厚度3.92 mm)、D2(厚度5.12 mm)和E2(厚度6.72 mm)中，随着隔热层厚度的增大，消防避火服复合织物的TPP时间明显增大，三类复合织物的TPP时间分别为33.75 s、37.41 s和52.85 s，以自制非织造布D2和E2为消防避火服隔热层织物时分别比以自制非织造布C2为隔热层时提升了3.66 s和19.10 s，随着隔热层织物厚度的增加，复合织物的热防护性能得到了显著的提升。而以市售非织造布A2(厚度3.05 mm)为隔热层织物时，复合织物的TPP时间为34.88s，与以自制非织造布C2为隔热层时提升了1.13 s。

出现上述现象可能的原因是：(1)在织物其它规格相同的条件下，隔热层厚度的增加可以明显提升消防避火服复合织物中驻留空气的体积，增加织物整体的隔热效果[37-39]。通过对三类自制非织造布C2、D2和E2的导热系数进行测试，测得三者的导热系数分别为0.1112 W·(m·K)-1、0.0910 W·(m·K)-1和0.0879 W·(m·K)-1。因此，增加隔热层织物的厚度可以明显降低隔热层织物的导热系数，进而增强复合织物整体的绝热能力，提升织物的整体热防护性能[40-42]；(2)研究发现，密度的增加可以提升织物自身的热防护性能，密度越大，其可以阻挡的热量相对更多。对于不同种类的隔热层织物市售非织造布A2和自制非织造布C2而言，虽然前者的厚度略低，但是其密度达到了72kg·m-3，而后者仅为61 kg·m-3，在1 m3的体积内，前者的质量比后者高出了11 kg，增加质量为后者的18.03%。因此，以市售非织造布A2为隔热层的消防避火服复合织物的热防护性能相对较好[43-45]。

3 结论

通过对不同外层织物种类、不同外层织物层数和不同隔热层厚度的消防避火服复合织物热防护性能进行对比，得出以下三个结论：

(1)消防避火服外层面料主要起到防止明火火焰和高温辐射热对织物的损伤的作用，其防护性能的优劣，直接影响着后续各层织物防护功能的持久稳定发挥。因此，外层织物的TPP时间越长，以该类织物为外层织物的消防避火服复合织物整体的热防护性能就相对越好。

(2)外层织物层数增加后，减缓了在面对高温火焰时消防避火服外层部分的损伤，阻碍了后续功能层在受到高温热损伤后发生性状改变的过程，同时增加了复合织物外层部分的空气附面层层数。因此，消防避火服整体的热防护性能得到明显提升。

(3)隔热层厚度的增加可以明显提升消防避火服复合织物中驻留空气的体积，降低隔热层织物的导热系数，进而增强复合织物整体的绝热能力。同时，密度的增加可以提升织物自身的热防护性能，进而提升织物的整体热防护性能。

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