形状记忆合金尺寸对消防服面料防护性能的影响

王丽君，卢业虎,2，王 帅，马妮妮

(1. 苏州大学 纺织与服装工程学院， 江苏 苏州 215021； 2. 苏州大学 现代丝绸国家工程实验室， 江苏 苏州 215123)

在极度危险与复杂的工作环境中，消防员或应急救援人员主要依靠特定的防护服装抵御各种灾害源对人体的侵害，如火焰、辐射热、高温物体、高压蒸汽、熔融物质等[1-2]。同时，消防员多数时间处于低热辐射的环境中[3-5]，服装的蓄积热也可能会引起皮肤烧伤[6]。为提高热防护服的防护性能，行业内大都采用研制新型阻燃纤维材料或增加面料厚度和层数等方法[7-8]，但此类服装制成之后其隔热性能相对固定，不能实现动态调节，无法满足着装者应对多变环境下的穿着使用需求。

为实现防护服的动态调节功能，研究者将形状记忆材料与防护服相结合[9-10]。Congalton[11]将形状记忆合金盘成扁平蚊香状并暴露于强辐射条件下，发现动态结构能够改善防护性能，Hendrickson[12]将可形成7 mm空气层的形状记忆环(SMR)放入消防服面料系统，发现在辐射条件下SMR产生的空气层可使皮肤处于较低的温度范围内，延长救援时间。随后，White[13]进一步发现SMR在面料中的位置影响服装热防护效果，其中SMR放置在防水透气层外部的面料组合的隔热效果更好，同时也验证了形变温度接近皮肤达到二级烧伤温度的SMR具有更优越的防护性能。陈艳等[14]采用高温火焰接触法进行防火隔热性能测试发现，产生的空气层隔热效果较为明显。Yates[15]将遇热后中部可弹起的形状记忆合金丝圈固定在防护服口袋中发现，其可显著减少口袋部位的热量传递。然而，上述研究均没有测试低辐射热和高温物体接触条件下弹簧不同弹起高度对阻燃织物的隔热性能影响，也未考虑弹簧排布方式对隔热性能的影响。

本研究团队前期将形状记忆合金设置在防护服的防水透气层与隔热层之间，在低辐射和高温热接触条件下探索了不同排列方式的形状记忆合金消防面料的防护性能[16-17]发现，形状记忆合金弹簧可有效提高面料组合的防护性能，热源环境和弹簧排列方式也会影响其隔热性能[18]。上述技术手段均利用形状记忆合金材料产生的空气层提高面料系统的隔热性能，但空气层的尺寸对其防护性能的具体影响尚不明确，本文将进一步研究在高温热接触和低辐射热环境下，形状记忆合金弹簧高度对面料组合的防护性能的影响，以期研制出性能优异的智能消防服面料组合。

1 形状记忆合金消防面料组合的研制

1.1 形状记忆合金弹簧

本文采用的形状记忆合金材料为铜基合金，形变温度约为45 ℃，合金丝直径为1.5 mm[16-18]。图1示出2种弹起高度的弹簧。由合金丝制成的合金弹簧完全弹起高度分别为32 mm和16 mm，如图1(a)所示。全高型合金弹簧的最大直径为28 mm，最小直径为14 mm；减半型合金弹簧的最大直径为 21 mm，最小直径为14 mm。

图1 2种弹起高度的弹簧Fig.1 Two types of springs.(a) At high temperature;(b) At low temperature

1.2 形状记忆合金消防面料组合

消防服面料组合包括防护外层、防水透气层和隔热层，将形状记忆合金弹簧放置在防水透气层和隔热层之间，使用芳纶阻燃线固定。样品面料尺寸为 15 cm×15 cm。表1示出面料的基本性能。参考之前的研究[16-18]，在面料上对2种形状记忆合金弹簧分别采用4组不同的排列方式，即：无形状记忆合金弹簧(简称无排列)、1个弹簧中心排列(排列1)、2个弹簧对角线排列(排列2)及3个弹簧对角线排列(排列3)，共7种面料组合。为模拟服装实际穿着时面料之间的相互作用，同时防止弹簧形变过程中面料之间发生滑移，将3层组合面料在非弹簧排列的对角处固定[16]。

表1 消防服面料的基本性能

2 实验部分

本文采用热平板仪和热防护性能测试仪分别模拟高温热接触和低辐射热的救援环境。图2示出 2种热源测试设备。实验时将高温热平板仪温度设置为400 ℃，热接触时间为20 s。热防护性能测试仪的辐射热流量设定为12 kW/m2，辐射时间为70 s。对7种不同的面料组合进行高温热接触实验和热辐射实验，将直径为0.2 mm的T型热电偶固定在隔热层的内表面，采用NI数据记录仪(NI 9231，美国)测量隔热层内表面温度θ(面料中心温度)。为减小试验误差，每种试样至少测试3次，求平均值。

图2 2种热源测试设备Fig.2 Test equipment of two kinds of thermal hazard.(a) Hot surface contact;(b) Thermal radiation

3 结果与讨论

3.1 高温接触条件下隔热层内层温度

图3示出在高温接触条件下7组试样的隔热层内表面温度θT的变化曲线。由图可知，由于3层面料组合的隔热性延缓了热量的传递，所有试样前2 s左右的温度无明显变化。此后，排列1、排列3减半型和排列3全高型3组试样温度先迅速增长至 55～60 ℃，再缓慢下降至50～55 ℃，其余4组试样温度以缓慢的速度增长，最终温度为45～50 ℃。

3.2 高温接触条件下的防护性能

人体皮肤开始出现损伤时的温度为44 ℃(温升为12 ℃)时，超过56 ℃(温升为24 ℃)可能出现二级烧伤。表2示出了高温接触条件下各种面料组合的隔热性能的比较。由表可知，4种排列方式下试样温度达到 44 ℃的时间呈现如下规律：无排列<排列2<排列1<排列3，排列1和排列3方式下试样的全高型较减半型用时长，而排列2的效果相反。排列2方式下试样温度达到56 ℃的时间大于无排列，且全高型小于减半型，而排列1和排列3试样温度未达到56 ℃。在不同的排列方式下，各试样达到的最高温度呈如下趋势：无排列>排列2>排列1>排列3。

形状记忆合金弹簧弹起高度对最高温度也有一定的影响，即排列1和排列3试样减半型较全高型分别高4.5和2.5 ℃，而排列2试样全高型较减半型高0.9 ℃。4种排列方式下试样的最终温度趋势与最高温度一致，且全高型试样最终温度均比减半型要低。

图3 高温接触条件下隔热层内层温度θT的变化Fig.3 Change curves of θT in hot surface contact test

表2 高温接触条件下各组试样的隔热性能Tab.2 Heat insulating properties of each sample in hot surface contact test

综上所述，在弹簧高度相同的情况下，排列1与排列3方式下试样的隔热效果显著，而排列2方式的试样与无排列方式相比，有一定的作用但并不明显。这是由于测温点在试样的正中心，排列1与排列3方式试样在试样中心处安置有弹簧，从而在中心区域形成的空气层厚度分别为32与16 mm，隔热性能较好，同时延长了内表层到达44与56 ℃的时间，且至少是无排列试样的3.6倍，这与前期的研究结果一致[17- 18]。2种排列方式下试样所达到的最高温度即最终温度也较低，与无排列方式相比具有显著性差异(P<0.05)。对于排列2试样，弹簧距中心测温点位置较远，空气层厚度增长较慢，温度增长较快。由于中心处最终形成的空气层厚度小于弹簧形变高度32与16 mm，从而内表层温度较高，最高温度达到57 ℃左右，且最终温度与无排列方式差异性较小，没有显著性差异(减半型P=0.82，全高型P=0.17)。

比较温度到达44 ℃的时间发现，在排列1与排列3方式下全高型弹簧大于减半型弹簧，分别延长了4.5和5 s。虽然安置2种类型弹簧的试样温度都未达到56 ℃，但全高型弹簧达到的最高温度即最终温度比减半型弹簧低，且差异性显著(排列1P=0.02，排列3P=0.01)，这进一步说明中央空气层厚度为32 mm的试样所起到的隔热效果较 16 mm的好。对于排列2方式的试样，比较其内表层到达 44与56 ℃的时间，装有减半型弹簧的试样所需时间较装有全高型弹簧的试样长2～3 s。在实验初期，面料层间空气层厚度较小，空气层的散热速度不及金属的导热速度，导致全高型弹簧的试样温度增长得较快。安置2种弹簧试样达到的最高温度则无差异性，且持续时间较短，对隔热效果的影响较小。随着弹簧发生形变，空气层厚度逐渐变大，全高型试样的温度逐渐比减半型试样低，最终温度低1.4 ℃，但无显著性差异(排列2P=0.13)。总体来说，全高型弹簧试样所形成的空气层越厚，其隔热性能相对较好。在后续的研究中，将进一步测量整个内表面的温度，从而更为准确、全面地评价其隔热效果。

3.3 热辐射条件下隔热层内层温度

图4示出热辐射条件下7种组合试样隔热层内表面的温度θR的变化曲线。从整体上看，由于热量在面料组合间传导具有延时性，所有试样的θR在 0～5 s内保持稳定。超出5 s后，7组试样的θR均持续增长。所有试样θR的最高温度即为最终温度，此时热量传递未获得动态平衡，温度并没有稳定的趋势。

图4 热辐射条件下隔热层内层温度θR的变化Fig.4 Change curves of θR in thermal radiation test

3.4 热辐射条件下的防护性能

表3示出热辐射条件下各种面料组合的隔热性能。在弹簧高度相同的情况下，排列1与排列3方式试样到达44 ℃所用时长至少为无排列方式试样的1.6倍，而排列2方式试样与无排列方式到达 44 ℃的时间相近。形状记忆合金弹簧弹起高度不同，各试样θR到达44 ℃的时间也有所差异，整体上满足无排列<减半型≤全高型。排列1和排列3试样70 s内未达到56 ℃，排列2试样到达56 ℃的时间是无排列试样的1.2倍，但排列2方式的全高型与减半型仅差0.1 s。对于全高型弹簧，4种排列方式试样的最终温度为：无排列>排列2>排列3>排列1；而对于减半型弹簧，试样最终温度略有不同，即无排列>排列2>排列1>排列3。试样的最终温度满足全高型<减半型<无排列规律。

表3 热辐射条件下各组试样的隔热性能Tab.3 Heat insulating properties of each sample in thermal radiation test

较之无排列方式，排列1、排列3方式的试样在达到44与56 ℃的时间以及最终温度方面均具有明显的效果(P<0.05)，与高温接触条件下的规律类似。而排列2方式试样与无排列相比，在最终温度上的作用效果较明显，一定程度延长了到达56 ℃的时间，但到达44 ℃的时间较为接近。由于实验开始时试样中心测温点处空气层厚度增加不明显，导致实验初期试样的隔热效果较差，同时也是导致该排列方式的2种类型弹簧试样达到44 ℃时间相同的原因。

图5示出了热辐射条件下排列2方式弹簧产生的空气层。随着弹簧的形变增加，空气层形状和厚度不同，排列2的减半型和全高型与无排列试样在最终温度上具有一定差异。排列2试样最终的内部空气层呈现对角线两边凸起，中间由于织物重力呈凹陷的形状，中心点处空气层厚度小于排列1和排列3所达到的弹簧形变高度的最大值32 mm，试样最终温度相对偏高，隔热效果相对较弱。2种类型的弹簧在测温点处产生的空气层厚度以弹簧高度32 mm为参照具有一定的差异，所以试样的最终温度也具有一定的差异(6.3 ℃)；但由于实验时间有限，差异并不显著(排列2P=0.13)。

图5 热辐射条件下排列2方式弹簧产生的空气层Fig.5 Air gaps produced by two types of springs with arrangement 2 in thermal radiation test.(a) Cut type;(b) No-cut type

对于弹簧形变高度对面料组合隔热性能的影响，由于排列2方式下2种类型弹簧试样中心空气层厚度增长较慢，温度达到44和56 ℃所需时间相近，隔热效果差异不明显。而在其余2种弹簧排列方式下，全高型比减半型试样延缓热量传递的效果较好。其中排列1试样全高型在70 s内未达到44 ℃，所用时长是减半型的1.9倍以上。减半型的试样最终温度是全高型的1.3倍，且具有显著性差异(排列1P=0.046 )。这与2种类型弹簧试样产生的空气层厚度有关，即2种弹簧产生的空气层形态相似，但全高型产生的空气层厚度高于减半型 16 mm。排列3试样全高型在达到44 ℃所用时长是减半型的1.2倍，最终温度也较低，具有显著性差异(排列3P=0.015 )。由于中心点弹簧的安置，对于弹簧弹起高度不同的试样，在测温点处空气层的厚度差异较大，导致2种类型弹簧试样隔热效果的差异较明显。这进一步证明了在空气对流导热影响较小情况下，较厚的空气层能更有效地减缓面料组合内外热量的传递，起到更好的隔热效果。

图6示出了热辐射条件下排列1方式弹簧产生的空气层。进一步分析不同排列方式下减半型和全高型弹簧在隔热性能上的差异可知，在排列1方式下，二者的差异(13.7 ℃)最大，而排列3方式下二者的差异最小。这与弹簧形变产生的空气层形状和分布有关，即在排列1方式下空气层分布不均匀，中间空气层较大，呈射线状减少的形状[16]，安置2种类型的弹簧产生的空气层差异较大(见图6)；在排列3方式下，弹簧产生的空气层形状分布较均匀，整个空腔内的传热较慢，隔热效果较好，但受限于空腔的内部空间，2种类型的弹簧形变产生的平均空气层厚度差异较小，因而二者的差异(3.9 ℃)较小。对弹簧排布方式及弹簧种类综合考量后得出：排列1全高型及排列3全高型是比较优良的面料组合方案，能有效地阻碍热量传递，延长人体受热损伤时间，隔热效果显著。

图6 热辐射条件下排列1方式弹簧产生的空气层Fig.6 Air gaps produced by two types of springs with arrangement 1 in thermal radiation test.(a) Cut type； (b) No-cut type

对于热源的不同，2种类型弹簧试样隔热性能也有所差异。排列2试样在热辐射实验中达到 44 ℃与56 ℃时间都极为接近，而高温接触实验减半型弹簧试样用时较长一点，这可能与热量传递的速度、金属的导热速率、外界温度引起弹簧形变速度的不同导致空气层形成的快慢有关。高温接触中，外界温度越高，金属的导热速率越大，热量传递的速度越快，弹簧形变速度越快，虽然在短时间内能及时形成空气层，但由于空气层的散热速度不及金属的导热速度，所以高温接触实验中减半型达到44与56 ℃的时间较长；热辐射实验中温度变化较慢，空气层形成速度较慢，金属导热速率也较低，二者引起的温度变化差异较小，故2种类型弹簧起初隔热性能无明显差异。2种热源环境下，排列1试样防护性能略优于排列3试样，全高型较减半型有明显优势。中心点空气层变化速度都相对较快，空气层的散热速度大于金属的导热速度，故全高型较减半型隔热效果要好。

4 结 论

通过分析不同排列方式及不同尺寸的形状记忆合金面料组合的隔热作用，得到如下结论。

1)在2种热源条件下，形状记忆合金弹簧的不同排列方式对面料组合的隔热性能的影响不同。其中1个弹簧中心排列(排列1)与3个弹簧对角线排列(排列3)方式的面料组合内表层温度增长速度较慢，最终温度较低，隔热效果较好。

2)在高温接触条件下，对于排列1与排列3方式，从到达44和56 ℃所需时间和到达的最高温度和最终温度相比，全高型试样的隔热性能明显优于减半型，而2个弹簧对角线排列(排列2)由于中心点空气层变化较慢，2种弹簧试样差异并不明显，隔热性能差异不大。

3)在热辐射条件下，排列2的2种类型弹簧试样的最终温度相差较明显，而到达44 ℃的时间却相同。其余2种排列方式的全高型较减半型在整个实验过程中，明显地提高了面料组合的防护性能，且排列1方式下，二者的差异最大，可能与弹簧形变产生的空气层形状及分布有关。

4)热源的不同，对于排列2的2种类型弹簧试样达到44和56 ℃的时间也有所差异。高温接触实验由于起初金属的导热速率大于空气层散热速率，导致减半型用时较长，热辐射实验二者速率都较低则用时相当。

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