消防服多层织物间热湿传递研究进展*

南通大学纺织服装学院， 江苏 南通 226019

消防服是最常见的热防护服，对保护火场救援人员的生命安全起着至关重要的作用。随着科技的发展，消防服已具备阻燃、透气和热防护等性能，其能够有效防护消防员在危险环境中不会被火焰烧伤。消防服一般较厚重，热量会在服装和人体的微环境中累积，不易散出，热量累积严重时会对人体造成伤害[1]。目前，对消防服多层织物间的热湿传递分析还比较匮乏，主要侧重于单层织物尤其是防水透气层和隔热层的热湿传递性能，且大多在人体非静止状态下进行，没有考虑织物性能的影响。本文主要总结消防服多层织物间热湿传递的研究进展及发展态势。

1 消防服的热湿传递研究

1.1 消防服相关研究进展

随着科技的进步，国内外对消防服的应用研究呈现出蓬勃发展的势头。DanishViking Life-Saving Equipment A/S公司研制的新一代智能消防服，是由欧洲委员会和23个欧洲成员国组成的财团、大学、研究机构、公司等，为火场救助人员共同研发的，其织物内集成了热传感器[2]。在国内，浙江大学开发出一种智能定位消防服，其头盔顶部装有摄像头[3]。智能消防服的研究方向主要有智能定位、调控温度、紧急报警等，通过嵌入式系统融入多个不同的传感器，并结合生物医学、智能电子学和智能信息处理等技术，主要研究如何在智能服装的应用过程中高质量地采集数据和迅速分析数据，以及最大化地发挥用户与系统的交互性能。

消防服由外层(A)、防水透气层(B)、隔热层(C)、舒适层(D)等多层织物复合而成(图1)。阻燃性是外层织物的基本要求；防水透气层的作用主要是防止水或有害物质渗入，并将人体产生的汗液和湿气及时排出；隔热层要求具备良好的隔热、防热辐射性；舒适层提供与人体接触的舒适性。多层织物复合形成消防服，需提供的主要性能是整体热防护性、透水蒸气性和舒适性。

图1 消防服结构示意

消防服的常用材料：对位芳香族聚酰胺纤维、高强高模的聚乙烯纤维、拒油的含氟化合物、抗辐射的聚酰亚胺纤维、抗静电集聚的腈纶络合铜纤维等。

杜邦公司研发了一种智能纤维(即DuPont Nomex on DemandTM)，其在紧急情况下的抗热性能比平时提高20%左右。当温度达到250 ℃时, DuPont Nomex on DemandTM自动膨胀，它符合NFPA(National Fire Protection Association，美国消防协会)标准要求, 并且通过了UL(Underwriter Laboratories Inc.，美国保险商试验所)认证[4]。消防服各层常用织物/纤维及特性与应用见表1。

表1 消防服各层常用织物/纤维及特性与应用

1.2 热湿传递模型研究

热湿传递是一种由温度差、湿度差引起的热能和水分传递的现象。只要物体内部或物体间有温度差存在，热能必然以一种或多种方式(如热辐射、热传导、热对流)从高温处向低温处传递。

智能消防服可以有效缓解高温处的热能传递至人体皮肤表面，降低外界强热流环境对人体造成的伤害。目前，智能消防服的热湿传递模型研究主要集中在一维热湿传递模型，它可以对单层织物进行数字化模拟，还可以模拟多层织物之间的热湿传递过程。王云仪等[5]总结了现有的热湿传递模型，并进行对比分析，建立了水蒸气和不可压缩气体的传递模型，它虽然考虑了多孔介质中的两相传导因素，但没有考虑辐射传热的影响。由于辐射是热能传递的主要方式，未考虑辐射传热会导致较大的试验误差。所以，今后要在此模型的基础上，考虑辐射传热，促进织物热湿传递机制的完善和发展。

2 单层和多层织物热湿传递研究现状

2.1 单层织物

程浩南[6]的试验表明，消防服的各层织物中，隔热层、舒适层对消防服的热防护性能、隔热性能、透水蒸气性能的影响最大，其次是外层，防水透气层的影响最小。于淼等[7]的研究表明，多层织物的热湿传递性能与各层织物的厚度和密度的关系密切，与多层织物间的温度变化及其分布的关系也很密切，各层织物的温度分布符合指数函数的变化规律，并通过试验证实了多层织物的各层温度具有相同的变化趋势但有差异。但多层织物的热湿传递性能与各层织物的面密度、燃烧后各层织物的质量损失率的关系不是很大。综合来看，影响多层织物间热湿传递性能的主要因素有织物性能(尤其是透气吸湿性)、空气层厚度、空气流动速度等。

黄冬梅等[8]对火焰环境下消防服的耦合热传递和水分交换进行了水分导出模型的变量研究，并运用有限差分法对多层织物间、织物与皮肤间的传热过程进行模拟。但是，消防服在火焰环境下受到很多不定性因素的影响，比如织物结构、热效应参数、暴露时间等，因此需要综合考虑这些影响因素，对既有模型进行验证、优化，进一步完善模型的精准性[9]。

2.2 多层织物

目前，很多研究分析了消防服多层织物中各层织物的热湿传递性能及多层织物系统的隔热性能，但是只对单层织物的热湿传递进行研究，虽然考虑了多层织物之间空气层的对流传热和辐射传热(图2)，但多层织物在传导吸收过程中会产生能量，其影响因素较多，对此还没有深入探究。刘国熠等[10]用有限差分法建立了多层服装传热模型用来评价皮肤烧伤。Mell、Spangler等分别建立了辐射热流条件下多层织物间的传热模型和多层织物中层与层的反射模型[11]。他们假设织物处于干态，所用参数基于现有研究，未考虑水分蒸发和热分解反应的影响。此外，这两位学者对长时间处于湿态的多层织物中各层的热湿传递过程进行数字化模拟，其缺陷在于假设试验材料中不存在液态水[12]。Barker为弥补上述试验的不足，研究出多层服装系统的热湿传递模型，用来预测织物的温度和回潮率及其分布情况[13]。当试验材料中存在液态水时，Barker模型可以监测加热、制冷阶段的温度变化，但是没有改变制冷阶段热传递的计算方法和公式，也没有考虑织物的对流传热系数、热分解反应产生的影响，所以局限性较大[14]。

图2 多层织物系统辐射传热示意

3 研究难点及发展趋势

虽然消防服的热湿传递模拟取得了飞速发展，但是各有侧重点，其传递机制的模拟条件比较理想化，而实际上消防员面临的火场环境既复杂又多变。综上，消防服多层织物间热湿传递研究未来的主要方向：

(1) 就织物本身而言，它是一种多孔介质，因而在考察多层织物系统的热湿传递过程时，应该考虑多相物质组成形式[15]。织物容易发生热分解反应，同时其所含的水分蒸发也会导致热量散失和传递，而且火场环境的热负荷和热应力较大，消防员出汗多，易产生水气空气层，导致多层织物间的热传递复杂且不可控。

(2) 研究多层服装系统的热湿传递机制。消防服一般为四层结构，目前对多层服装的整体研究还存在一定的缺陷。多层织物的热湿传递不仅与织物的组成形式、结构和性能有关，而且与多层织物间热湿传递过程中的水分蒸发和能量消耗等因素有关[16]。目前，针对一维热湿传递机制的研究较多，多维多层织物系统的相关研究还有很大空间。此外，在不同的人体动作姿势或不同的干湿环境条件下，研究消防服的热湿传递也是发展方向之一。

4 结语

从单向一维材料的热湿传递到三维服装系统的热湿传递，从简化的单层织物到人体皮肤的热湿传递分析，消防服热湿传递模型的研究历时弥久。本文从智能消防服的研究进展入手，总结了消防服热湿传递研究现状，概括了单层织物和多层织物的热湿传递研究。

目前对消防服的热湿传递研究主要是单层织物(即外层和隔热层)在润湿条件或非稳定状态下的热湿传递情况，而有关多层织物整体的热湿传递的研究较少。多层织物的热湿传递受到织物组成、结构、性能(主要是透气性、回潮率)及热湿传递过程中纤维热分解等因素的影响，而且与热湿在各层织物间传递时所产生的热量损耗和水分蒸发及热湿到达人体皮肤时所剩余的热量有关，但相关研究较少。加强消防服多层织物的热湿传递研究，可以为消防服的使用提供更精确的指导，也有利于推动消防服热湿传递性能测试的发展。