灭火消防服热防护性能的研究进展

孙振云 钱晓明 刘永胜 钱 幺 朵永超

（天津工业大学，天津，300387）

消防员是一项危险的职业，肩负着保护财产和营救被困人员的职责，因此常常与火场保持密切的距离或进入火场［1］。在消防救援过程中，皮肤烧伤和热应激反应比较常见。2016年，在美国因热应力或烧伤就造成2 500名消防员受伤。皮肤烧伤最常发生在头部、手臂、肩部和腿部［2］。因此，灭火消防服的热防护性能对消防员有着重要作用，研究灭火消防服热防护性能对有效保护消防员的人身安全具有重要意义。

1 灭火消防服结构及防护原理

经过几十年的发展，目前灭火消防服的结构大致分为上下一体式和上下分体式。由于上下一体式灭火消防服散热性差、质量重、行动不方便等原因，国内外市场上主要使用的是上下分体式灭火消防服。

为了提高灭火消防服的热防护性能与舒适性，目前灭火消防服主要采用四层结构，即外层、防水透气层、隔热层和舒适层。

灭火消防服的外层直面火场，需要具有优异的耐热、阻燃及热稳定性，对灭火消防服的热防护性能起着重要作用。目前采用对织物进行阻燃改性或者直接采用阻燃纤维织造的方法，以达到该性能要求。国外灭火消防服最外层采用高性能纤维制成，主要有PBI纤维、芳纶1414、芳纶1313等，其中又以美国杜邦公司采用芳纶1313制成的商品名为 Nomex的纤维使用最为广泛［3］。国内开发出的芳砜纶纤维，能够承受250℃高温，经研究其热防护性能优于Nomex纤维［4］。

防水透湿层需要有防水透湿的功能，它不仅要防止液态水渗入衣服内部，还要允许穿着者产生的气态水通过，其防水透湿的效果是影响消防服内水分蓄热量的主要因素，通常是非织造材料和防水透气膜的复合材料［5］。防水透气膜通常采用多微孔膜如聚四氟乙烯PTFE、PU或者聚偏氟乙烯PVDF等，其中Gore⁃Tex的PTFE性能稳定，应用最为广泛。我国对于PTFE的大力开发始于“非典”期间，目前国产的PTFE膜的稳定性与国外相比仍有一定的差距。

隔热层常采用针刺或者三维网眼针织物，通过添加空气层以减少热量进入来提供更好的保护，对消防服的热防护性能起着主要作用［6］。目前常用的材料有阻燃棉纤维、芳纶1313、芳纶1414以及聚酰胺纤维等。

舒适层［7］，也称为内衬，由阻燃材料和高弹性舒适阻燃纤维材料制成，综合了阻燃性能与舒适性能。

2 灭火消防服热防护性能影响因素

灭火消防服热防护性能受诸多参数的影响。这些参数可以根据使用的织物、服装中水分以及织物与皮肤之间存在的气隙进行分类。这些参数中有许多是相互关联的，并且这些参数对于热防护性能的影响是复杂的。例如，织物的热和光学性能取决于热源温度、织物的热解和织物中存在的水分等。

2.1 织物的影响

织物的传热是一个多模态的传热问题。它包括纱线与纱线间空隙的传导传热、纱线间空隙的对流传热、纱线间空隙的辐射和纱线间空隙的传导传热，直接影响着织物的机械性能及热物理性能。

2.1.1 织物的物理性质

织物的厚度、结构及织造方法等物理性质都是影响热防护性能的重要因素。一般情况下织物厚度越大，织物的热防护性能越好，随着织物厚度的增加，热阻增大，二级烧伤的时间增加，在低辐射下织物厚度是影响织物热防护性能的主要因素。MAJUMDAR等比较了三种织物结构，发现平纹针织物的热阻最小，透气性最高，其次是罗纹针织物和棉毛针织物［8］。即使对于相同纱线线密度或捻系数的织物结构，热阻随着折皱增加也会变大，而水蒸气渗透性则会增加。机织物一般用作灭火消防服的外层，斜纹组织织物的耐热性和透气性均高于平纹织物。

为预测二级烧伤时间和服装内温度变化，TORVI在只考虑织物物理性能影响的情况下，利用比尔定律建立了一种一维数学模型［9］，在忽略水分的情况下，该模型能准确地计算出传感器所在位置的表面温度。

2.1.2 织物收缩和热解的影响

在高温下，纱线的变化会导致织物出现收缩现象，收缩程度与温度和时间呈正相关。横向收缩会导致织物厚度的变化。起初，由于织物的横向收缩，织物的厚度增加；后来，由于热解导致材料的损失，织物的厚度减少。收缩不仅减小了服装与皮肤之间的气隙，而且影响了织物的热物理性能［10］。LI等对火焰人体模型进行研究时，发现暴露时间、人体姿态、织物性能和服装尺寸对热收缩都有显著的影响［11⁃12］。

此外，在热解温度下，织物发生不可逆的化学变化，导致炭质物质与可燃/不可燃气体共存［13］。从文献中可以明显看出，很少有人通过织物的热收缩、热裂解和热降解过程进行研究，以考察这些因素如何影响防护服装的热湿传递，因此在这一领域的研究有很大的前景。

2.2 水分的影响

当纤维与水分接触时，织物中纤维吸收的水分，通常称为结合水。如果越来越多的水分与织物接触，当达到饱和回潮率时，水分会在固体纤维周围形成一层水膜，固体纤维不能吸收更多的水分，因此，剩余的水分占据了纤维之间的空隙，称为自由水。同样，在存在水分的情况下，织物的传热包括固体纤维和水的传热［14］。水比空气具有更优秀的导热能力。因此，随着回潮率的增加，织物的有效导热系数增加［15］。这意味着随着织物回潮率的增加，织物的传热增加，织物的热防护性能降低。然而，一些研究表明，对于火焰暴露和亚闪络辐射暴露［16］，情况正好相反。实际上，水分对防护性能的影响是非常复杂的，湿织物与干织物相比，通过湿织物进行的传热可能增加或减少，这取决于使用的织物、暴露的性质和强度［17］以及织物与皮肤之间的气隙［18］。

2019年JIA等人提出一种三维服装热湿传递模型［19］，将热辐射集中到模型中，基于质量守恒定律和能量守恒定律，考虑气体中的对流换热、液体和气体中的导湿换热、相变引起的换热以及热辐射，而后采用有限体积法求解耦合传热传湿方程，可准确理解传热传湿过程，提高服装的热防护性能。

热防护服内水分的传热非常复杂，影响着从周围环境到人体皮肤的温度和热流密度。也是国内外学者在该领域研究的重点和难点。

2.3 空气层的影响

空气层是热防护服分析中最为关键的部分之一，因为热防护服的性能在很大程度上取决于空气层的宽度。很明显，织物与皮肤之间的空气层宽度取决于人体的位置、衣服的合身程度以及穿着者的动作/姿势［20］。在赖军的综述中可以了解到，空气层的厚度直接影响着热量在服装内的传递方式是热传导还是热对流，不同的测试环境发现产生热对流的空气层厚度不同［21］。在充分模拟火场情况下，灭火消防服中空气层厚度在7 mm以内不会产生热对流。

近年来，TALUKDAR在充分考虑了垂直与水平两个气隙方向对热传导的影响，计算了不同方向的传热情况［22］。结果表明，垂直气隙方向比水平气隙方向具有更高的燃烧时间和热防护性能。织物与人体皮肤之间存在的空气层对保暖服装的防护起着重要作用。不同传热方式的气隙传热取决于气隙的大小（气隙宽度）、气隙的结构或方向以及机体运动引起的气隙的动态变化。

3 新材料的开发

近年来国内外对于灭火消防服热防护性能的研究主要集中在新材料的开发（如相变材料、形状记忆材料、气凝胶）以及加入人体自冷装置来展开，以减轻灭火消防服的质量、提高热防护性能和控制二级烧伤的时间。

3.1 相变材料

大量研究表明，在灭火消防服结构中添加相变材料（以下简称PCM）能有效减轻出现烧伤的情况［23］。PCM是一种潜在的蓄热材料，在相变过程中能够储存或释放热量。在灭火消防服中，PCM最初是固态的，当暴露在加热条件下后，开始发生融化，这一过程需要PCM吸收能量［24］。由于它吸收热量，减缓热量通过灭火消防服传递到皮肤外部的速率，延长了二级烧伤的时间。PCM应用到外层与防水透湿层之间能够发挥最好的防护性能［25］。在灭火消防服中使用PCM时，在不考虑皮肤传热的条件下有研究发现，在有PCM层的灭火消防服中，当暴露在低辐射（2.5 k W）下时，其最内层的温度比没有PCM层的灭火消防服低7℃。试验表明，添加PCM材料的样品达到44℃的时间较不添加PCM样品增加32%［26］。

3.2 形状记忆材料

形状记忆材料（以下简称SMM）是一种结合检测和驱动的智能材料，它具有形状记忆效应，也就是说在某些情况下，在某种热塑性变形后，它可以通过外部条件完全恢复到原状［27］。广泛用于功能性纺织品设计的SMM包括形状记忆合金（以下简称SMA）和形状记忆聚合物（以下简称SMP）。SMA的形状记忆效应可由温度触发，SMP记忆效应可以通过热、光、电、化学感应和其他条件来触发。作为一种新材料，SMM普遍用于航空航天、自动控制系统、医药、能源和智能纺织品［28］。

国内关于SMM的热防护研究起步较晚。在现有热防护服的研究中，都只用隔热层反面的热度去预测、评价面料或服装体系的防护性能，而没有关联热流量指标，也缺乏对整个面料体系表面温度的概括性表征。

3.3 气凝胶

气凝胶是一种具有连续三维网格结构的多孔纳米高分散材料，其组成中99%为气体［29］。气凝胶的制备通常分为三个步骤:凝胶的制备，凝胶的老化和干燥。与氧化铝、碳、二氧化钛、氧化锆等气凝胶相比，硅基气凝胶的研究最为广泛，且相对容易制备。随着溶胶⁃凝胶研究的深入以及超临界干燥技术的逐步完善，气凝胶制备技术得到了较大的发展。气凝胶的高孔隙率、低密度和特殊的三维纳米网络结构使其成为目前世界上导热率最低的固体材料。在常温常压条件下，其导热系数相当于空气的导热系数，仅为0.02 W/（m·K），而室 温 真 空 导 热 系 数 可 达0.001 W/（m·K）［30］，在建筑隔热、蓄热蓄冷设备、航天飞行器、宇航服、传感器、太阳能窗、声学、超声波设备等领域得到了广泛的应用［31］。

3.4 人体冷却装置

尽管热防护服领域发展迅速，但在高热流暴露下，仅提供几秒钟以上的短时间保护是不够的。这就需要寻找一些额外的方法，国内外提出了各种方法来实现热防护服装的冷却。热防护服装的冷却方法有蒸发冷却法、液体冷却法、冰包法和PCM冷却法。在液体冷却服装（以下简称LCS）中，在微泵的帮助下，冷液体在管道中通过服装与皮肤接触循环；液体受热后变热，在装满冰袋的液体储存器的帮助下，这种热液体被冷却回来。经过一定的时间后，冰会融化，将不再具备冷却效果［32］。充冰量、环境温度和管内液体流量是决定LCS总持续时间的主要参数［33］。LCS的生命周期可以通过增加冰包的数量来增加，但这会增加服装系统的质量。这些参数应优化为一个有效和轻量的LCS。

此外，直到目前为止，这些系统还没有经过测试，需要在实际条件下进行进一步的开发和测试，以检查这些热防护服冷却系统的可靠性。

4 发展趋势

消防员在灭火过程中要面临各种各样复杂的情况，这就要求灭火消防服在具有阻燃和耐热性能的同时还允许消防员行动自如。未来灭火消防服的发展趋势如下。

（1）新型材料的开发及多种材料的组合应用。如相变材料、形状记忆材料、气凝胶等材料在灭火消防服中应用的开发，并以最优的方式组合应用到灭火消防服中，达到最优的热防护性能。

（2）智能服装的开发。在灭火消防服中嵌入智能设备，可全面评估火场情况，实时监控制定救援方案，提高定位精度达到更好的救援效果。在提高热防护性能的同时，提高救援效率。

（3）灭火消防服结构设计。灭火消防服的结构设计应尽量减轻质量、符合人体工学的要求，以使消防员在复杂的火场环境中行动自如，达到更高的工作效率。

5 总结

灭火消防服作为灭火过程中保护消防员、防止皮肤烧伤的重要屏障，其热防护性能已经得到了全球的认可。欧美国家及我国都对灭火消防服制定了各自的标准，对其热防护性能、材料强度、洗涤次数及舒适性都提出了相应的要求。随着技术的革新和对灭火消防服热防护性能重视程度的提高，对于影响灭火消防服防护性能的因素，如面料的结构与制造方法、织物的热收缩和分解、水分都有了具体的研究成果，并且在加入了相变材料、形状记忆材料、气凝胶及人体自冷设备之后，灭火消防服的热防护性能有了跳跃式提高。织物的热物理性和热辐射性能的估测、计量以及上述因素对性能的影响是目前迫切需要关注的领域。