消防服外层织物热防护性与舒适性综合评价

翟胜男， 陈太球， 蒋春燕， 傅佳佳， 王鸿博

(1. 江南大学 江苏省功能纺织品工程技术研究中心， 江苏 无锡 214122； 2. 生态纺织教育部重点实验室(江南大学)， 江苏 无锡 214122； 3. 圣华盾防护科技股份有限公司， 江苏 无锡 214413)

消防服是消防人员在进行灭火作业时所穿着的具有防护功能的一类服装，具有较高的阻燃和热防护性能，避免消防人员在灭火作业过程中受到烧伤和烫伤等危害。目前，国内消防服依据《消防员灭火防护服》标准裁制：消防类服装由4层材料构成，分别为阻燃外层、防水透气层、隔热层及舒适层。其中，外层织物直接与火焰接触，须具备较高的阻燃和耐高温性能，因而常使用高性能阻燃纤维织造，如芳纶纤维等[1-2]；防水透气层可阻止水向隔热层渗透，同时又可排出水蒸气和人体产生的汗液和湿气，提高服装舒适性；隔热层起到隔绝高温高热的作用；舒适层则直接与人体接触，具备舒适性及热防护性能。这4层结构的存在虽有效地提高了服装的热防护性能，但同时也会阻碍人体热量和汗液的排出，易造成人体热应激反应，威胁消防人员生命安全[3-6]。

有很多学者从事织物参数对热防护性能影响的研究：Sun等[7-8]指出单层织物成分对防护性能起着决定性作用，织物的厚度、面密度等也会对其产生影响；李俊等[9-12]则在此基础上又进一步对消防服各层材料性能进行研究，推导防护性或舒适性的最佳结构。但目前对于兼顾服装热防护性和舒适性方面的研究还较少，本文则基于此对外层织物的热防护性和舒适性进行研究，定性地描述织物参数对二者的影响，此外采用模糊综合评判法对织物的综合性能进行评价，得出评价最优的织物，以期为消防服装外层织物综合性能的研究提供参考。

1 实验部分

1.1 实验材料与仪器

材料：消防服外层织物，由江苏圣华盾防护科技股份有限公司提供。

仪器：#403-14型热防护性能测试仪(美国Thermetrics公司)；YG141型织物厚度仪、电子天平、YG461E-Ш型全自动透气量仪、YG601-Ⅱ型电脑式织物透湿量仪(宁波纺织仪器厂)。

1.2 实验方法

在标准温湿度条件下，测试了7种消防服外层织物的参数，结果如表1所示。

表1 织物参数Tab.1 fabric parameters

1.2.1织物热防护性能测试

1.2.1.1 测试仪器及原理 热防护性能测试仪器如图1所示。该仪器的测试装置包括：组合对流辐射热源(对流热源6、辐射热源7)、试样3及传感器支撑结构4、用于暴露控制的隔热遮板5、铜量热传感器1、铜量热传感器组件2和数据采集/分析系统等。此外，仪器还设有自动化装置，控制试样暴露及远离热源；同时设有循环水冷装置。

图1 热防护测试仪的示意图Fig.1 Schematic of thermal protection tester

该仪器设有双重热源，即1个辐射热源和2个对流热源，模拟火场环境中辐射热和对流热。对流热源为2个呈一定角度安装的火焰发生装置，对称放置在样品下方，通过连接丙烷气筒产生火焰；辐射热源由9个水平排列的红外石英灯管(500 W，240 V交流电)组成。在样品上方放置一温度传感器组件模拟服装与人体皮肤的接触，通过该组件测试样品温度变化，经过数据采集/分析系统记录描绘试样的温度变化曲线，并将该曲线与Stoll 标准曲线相比较(两曲线的交点所对应横坐标的数值即为达到二级烧伤的时间t(s))。

1.2.1.2 测试方法 根据GA10—2014《消防员灭火防护服》规定：测试样品数量至少3块，尺寸为(150±2) mm×(150±2) mm(不含接缝部位)，实验总热流量设定为(83±2) kW/m，热暴露时间设定为 30 s。测试前样品需在温度为(20±2) ℃、相对湿度为(65±4)%的恒温恒湿箱中调湿处理 24 h。在取出后3 min内进行测试[10]。通过下式计算样品的热防护系数。

TPP=tq

式中：TPP为热防护系数，kW·s/m2；q为暴露热通量，kW/m2；t为二级烧伤的时间，s。

TPP值越大，达到二级烧伤时间t越长，织物热防护性能越好；反之，则越差。

1.2.2透湿率测试

依据GB/T 12704.1—2009《纺织品 织物透湿性试验方法 第1部分：吸湿法》，使用电脑式织物透湿仪测定织物的透湿性能。测试条件：温度为38 ℃，相对湿度为90%，每种织物不同部位各取3块，通过下式计算透湿量。

式中：WVT为织物的透湿量，g/(m2· d)；S为织物测试面积，m2；t为测试时间，h；Δm为同一实验组合体 2次称量质量之差，g。

1.2.3透气性测试

依据GB/T 5453—1997《纺织品 织物透气性的测定》，在实验前将待测试样进行预调湿：温度为(20±2) ℃，相对湿度为(65±2)%。使用全自动透气量仪测定试样透气率，测试压差为100 Pa；测试面积为20或30 cm2，测试次数要求同一试样不同部位重复测量至少10次，取平均值。

2 实验结果与讨论

表2示出了7种消防服织物热防护性能及舒适性能测试值。

表2 织物热防护性能及舒适性能Tab.2 Thermal protection and comfort properties of fabric

注：H12、H24分别为温度升高12 ℃和24 ℃时试样吸收的热量值。

2.1 织物热防护性能影响因素分析

2.1.1纤维种类对热防护性能的影响

由表2可看出，7种试样TPP值按从大到小排列顺序为1#>7#>5#>6#>2#>3#>4#。其中，不含芳纶纤维的试样4#、3#达到二级烧伤时间最短，TPP值最小，说明这2种试样的热防护性能最差。含芳纶纤维的试样1#、7#、5#、6#及2#的TPP值大于4#和3#，说明这几组织物热防护性能较好。

由试样纤维组成分析造成这种现象的原因可能是：织物4#和3#所含纤维(阻燃棉、腈/棉混纺)为阻燃后整理纤维，暴露于火焰时极易燃烧，达到二级烧伤时间较短，TPP值较低，织物热防护性能较差；织物1#、7#、5#、6#及2#所含的芳纶纤维因其自身特殊的苯环结构，阻燃性和耐热性能良好[2]，暴露于火焰时不易燃烧，TPP值较大，织物热防护性能较高。

由以上分析可以看出：纤维的种类对织物的热防护性能有很大影响，纤维阻燃和耐热性能越高，TPP值越高，织物的热防护性能越好，特别是本质阻燃的纤维织物热防护性能要优于后整理阻燃的纤维织物。

2.1.2纤维含量对热防护性能的影响

含有芳纶纤维的试样1#、2#、5#、6#和7#，其中1#、5#、6#和7#芳纶纤维含量均在98%左右。芳纶纤维含量估算为：1#(245 g/m2)>7#(215 g/m2)>5#(199 g/m2)>6#(178 g/m2)>2#(125 g/m2)，这与织物TPP值变化相同。芳纶纤维含量越高，织物热防护性能越好。

与此类似，试样3#含有棉纤维约95 g/m2，小于试样4#所含的310 g/m2，而TPP值为3#>4#。说明阻燃棉纤维的含量越少，织物热防护性能越高。

由以上分析可以得到，纤维含量对织物热防护性能同样有很大影响：阻燃和耐热性能好的纤维含量越多，越有利于提高织物热防护性能；阻燃和耐热性能差的纤维含量越少，越有利于提高织物热防护性能。

2.1.3组织参数对热防护性能的影响

在纤维原料相近(如1#、5#、6#、7#)情况下，随着织物厚度和面密度的增大，TPP值相应增大，织物的热防护性能提高。

此外，织物的热防护性能还与总紧度有关。由表2可知，织物总紧度为6#<5#<7#<1#，织物TPP值相应减小。由此可知，随着织物总紧度的增大，TPP值相应增大，织物热防护性能提高。

2.2 织物舒适性能影响因素分析

2.2.1织物参数对透湿性的影响

从表2看出，试样6#的透湿性能最好，3#的透湿性能最差。为找出影响织物透湿性的主要因素，采用灰色关联度分析法，通过随机性的时间序列找到关联性，从而寻找系统中各因素的主要关系，进而找到主要影响因素，步骤如下。

1)确定分析数列。设因变量数据构成参考序列，自变量数据构成比较序列：

Xi(k)=[Xi(1)、Xi(2)、…、Xi(m)]

Yi(k)=[Yi(1)、Yi(2)、…、Yi(m)]

式中：Yi(k)为参考序列；Xi(k)为比较序列；m为序列长度；k为关联时刻。

2)初始序列初值化处理。对比较序列和参考序列进行初值化处理。

3)计算差序列。差序列是指计算每个点上参考序列和比较序列差的绝对值。

式中：Δ0i(k)为差序列；Δmax为差序列极大值；Δmin为差序列极小值。

4)计算关联系数。关联系数是指比较序列与参考序列在同一时刻的关联程度。

式中，ρ为分辨系数，一般取0.5。

5)计算关联度。

设置目标值Y1为透湿量，X1为厚度，X2为面密度，X3为经向密度，X4为纬向密度，X5为总紧度。

经计算所得各项结构参数关联度为：

γ11=0.658、γ12=0.610、γ13=0.642、

γ14=0.640、γ15=0.729

由此可看出，织物的紧度对透湿性能影响最为显著，其次为厚度、经纬密度及面密度。

2.2.2织物参数对透气性的影响

与分析织物参数对织物透湿性能影响相类似，通过灰色关联度法计算得到织物透气率与各项参数的关联度：

γ21=0.564、γ22=0.543、γ23=0.701、

γ24=0.737、γ25=0.716

由此可看出，织物经纬密度及紧度对织物透气性有显著影响，其次为织物的面密度、厚度。结合生产实际可以得出，紧密程度以及厚度越小的织物，结构越疏松，透气性能越好。

2.3 综合评价织物热防护与舒适性

在分析热防护和舒适性能影响因素后，运用分层评价模式，从织物TPP值(安全Si)、透湿量(服用Ci)、透气率(舒适Di)3个方面对消防服外层织物综合性能进行评价，并计算得到质量评价综合指数(Qi)[11]，选出综合性能最优的织物。

将3项指标值做归一化处理，即将单项参数与该项参数所有样本之和求比值，结果如表3所示，表中数据作为评价分指数使用。

表3 测试数据处理结果Tab.3 Test data processing results

质量评价综合指数Qi由3个分指数加权计算得到，其值越大,织物综合质量越好。

Qi=u1Di+u2Si+u3Ci

式中：u1、u2、u3这3个权重值的设定由实验室专业人员根据经验赋值，其中u1=0.30，u2=0.55，u3=0.15[13]。

由表3可看出，7种织物中，芳纶防静电防护织物(试样6#)的评价综合指数Qi最高，说明织物综合热防护与热湿舒适性能最好；全棉阻燃织物(试样4#)的评价综合指数Qi最低，综合性能最差。

结合上述分析得出：在织造消防类织物时，原料优选本质阻燃纤维且纤维的阻燃性及耐热性能要好，如芳纶纤维，该类纤维在织物中含量越多越有利于提高热防护性能。此外，为同时保证服装舒适性能，在参数方面，要对织物厚度、密度、紧度等进行合理选择。具体参数选择还有待于进一步实验研究。

3 结 论

1)通过对织物热防护性能分析发现，织物的热防护性能主要取决于纤维原料、织物的厚度、面密度以及紧度等。织物的厚度越大，紧度越大，热防护性就越好；反之，则越差。

2)通过对织物舒适性能分析发现，织物的舒适性与织物紧密度及厚度、面密度有关，紧密度及厚度、面密度越小的织物，透气性能越好。

3)通过对织物综合性能分析发现：7种织物中，芳纶防静电防护织物综合性能最好；全棉阻燃织物综合性能最差。