光湿作用对消防服用多层织物热防护性能的影响

王珍玉 蒋璐璐 金艳苹

摘 要：为研究消防服用多层织物在受到光照、水分两种环境因素共同作用时，其热防护性能的变化，选取国内常用的4种消防服用面料进行多层织物组合，测试其在进行不同时长光照处理和不同程度润湿处理下的TPP值，采用Origin和SPSS软件对测试数据进行分析。结果表明：光照会降低多层织物的热防护性能，润湿量则会提高其热防护性能。经过相同时间光照处理后，多层织物的热防护性能随润湿量的提高而提高。随着光照时间的延长，未饱和润湿状态下，其热防护性能总体呈降低趋势;饱和润湿状态下，其热防护性能先增加后减小;当光照时间为20 h、润湿量为100%时，热防护性能最好，达到48.5 cal/m2，比未经光湿处理提高9 cal/m2。

关键词：消防服;多层织物;光湿作用;热防护性能

Abstract：In order to study the change of thermal protection performance of multilayer fabrics under light and water， the four kinds of fire-fighting fabrics commonly used in China were selected for multilayer fabric combination， and their TPP values were tested under different duration of light treatment and different degrees of wetting treatment. Besides， the test data were analyzed by Origin and SPSS software. The results showed that light would reduce the thermal protection performance of the multilayer fabric， but the amount of wetting would increase its thermal protection performance. After light treatment for the same time， the thermal protection performance would increase with the increase of wetting amount. With the extension of illumination time， the thermal protection performance presented a downtrend under the unsaturated wetting state. In the saturated wetting state， the thermal protection performance increased first and then decreased. When the illumination time was 20 h and the wetting amount was 100%， the thermal protection performance was the best， up to 48.5 cal·m2， which was 9 cal·m2 higher than that of the multilayer fabric without light and wetting treatment.

Key words：firefighting clothing; multilayer fabric; light and wetting treatment; thermal protection performance

目前消防服普遍采用多层织物组合的形式，由外至内分别为外层、防水透气层、隔热层和舒适层[1]。作为火场中直接接触火源的防护屏障，消防服能够减少或隔绝火场环境对消防员的伤害，减少人员伤亡损失[2-3]。但在穿着和存储过程中，消防服不可避免会受到光照、热、水分、热蒸汽等环境因素的影响[4-5]，从而造成性能的变化。作为功能防护型服装，热防护性是评判消防服性能优劣的重要指标之一[6]，目前许多学者已从热辐射类型、辐射时间、水分、结构参数等方面对消防服用织物热防护性能的影响进行研究。孟瑾[7]选择常用的消防外层织物为研究对象，用自制的氙灯日晒仪进行日晒处理，研究不同辐照强度和辐照时间对织物力学性能和热学性能的影响。发现经日光照射后织物的TPP值有所提高，但随着辐照强度和辐照时间的增加，热防护性能有所降低。周静等[8]利用YG611E型日晒气候色牢度仪模拟太阳光，通过控制不同辐照强度对芳砜纶织物分别进行不同时间的光照处理，发现织物的拉伸强力和拉伸断裂强力总体上随光照时间的延长而减弱，其热防护性能略有减小但不显著。Mandal等[9]分别将织物暴露于火焰、热辐射、热水和热蒸汽等热伤害源下，研究不同热源对织物热防护性能的影响。发现湿度会对织物的热防护性能产生影响，且主要由织物对水分的吸收量来决定。陈萌等[10]发现在含水率小于32%的低含水率状态下，消防服用多层织物热防护性能随着外层织物含水率的增加而减小。

上述学者多从外层织物或单一因素研究消防服织物热防护性能的变化，但火场环境异常复杂，织物通常会受到多种因素的共同作用。本文以常用的消防服用多层织物为研究对象，对其进行光、湿复合处理，测试处理前后多层织物的热防护性能。采用Origin和SPSS軟件对数据进行分析，探究复合环境因素作用下消防服用多层织物热防护性能的变化情况，为消防服热防护性能研究提供一定的借鉴和参考，从而设计和研发在实际环境使用中具有良好热防护性能的消防服。

1 实 验

1.1 实验材料

实验选取制作消防服时常用的4种面料组合成多层织物，其中外层选用芳纶1414（江苏天地造新材料科技有限公司），编号为A;防水透气层选用芳纶毡覆PTFE膜（浙江帕森防护安全科技有限公司），编号为B;隔热层选用芳纶毡（江苏凯盾新材料源头厂家），编号为C;舒适层选用阻燃棉（郑州特安防护纺织有限公司），编号为D。各层织物的结构参数见表1。

1.2 光湿处理方案

1.2.1 光照处理

采用QUV/spray紫外光加速老化仪对多层织物进行光照处理，辐照强度设为1.1 kW/m2。因芳纶织物耐光性差[11-12]，进行30 h的光照处理后，其力学性能明显变差，因此光照时间分别设为0、10、20、30 h，将多层织物试样平铺在仪器中进行光照处理。经预实验发现光照和润湿处理的先后顺序对实验结果无显著影响[13]，所以实验设置先光照后润湿的处理方案。

1.2.2 光湿复合处理

在救火环境中，消防服织物会接触到不同量的水分从而被不同程度地润湿。由于消防员救火时的消防用水大多是自来水，所以本次实验采用自来水从外层方向对织物进行喷湿处理，喷湿量分别设置为0、30%、60%、100%，其中100%为饱和润湿状态。具体润湿处理如下：恒温恒湿环境下，将经光照处理后的外层织物完全浸没在盛有1 000 mL自来水的烧杯中，浸润180 s后将其取出，自然悬挂直至无水滴落下。使用XY系列精密电子天平对润湿后的外层织物进行称重，记录润湿后的织物重量，计算试样在100%饱和润湿状态的含水量。30%润湿、60%润湿的含水量分别为100%润湿状态下含水量的30%、60%，含水量为0时表示未对织物进行喷湿处理。对外层织物表面均匀喷洒所需的水分量，将其放入密封袋中并在标准环境温度为（20±2） ℃，相对湿度为65%±5%下调湿12 h以保证水分均匀分布在织物内部，确保实验的可靠性。

1.3 多层织物性能测试

1.3.1 基本性能测试

根据GA 10—2014《消防员灭火防护服》要求，外层织物断裂强力和撕破强力需分别满足标准GB/T 3923.1—2013和GB/T 3917.3—2009的要求;外层、隔热层、舒适层织物阻燃性能需要满足GB/T 5455—2014《纺织品燃烧性能垂直方向损毁长度、阴燃和续燃时间的测定》要求，所以需对各层织物按照相应标准进行断裂强力、撕破强力和阻燃性测试。另外，采用YG（B）141D数字式织物厚度仪按照标准（GB/T 3820—1997）以及YG（B）216-Ⅱ型织物透湿量仪按照标准（GB/T 5453—1997）分别对光照前后的多层织物进行厚度、透气性测试。

1.3.2 热防护性能测试

热防护性是消防服应满足的重要性能之一，按照GA10—2014《消防服灭火防护服》标准，采用CSI-206型TPP测试仪对经光湿处理前后的多层织物进行TPP值的测试。标准要求，消防服多层织物TPP值不得小于28 cal/m2。

2 结果与分析

2.1 基本性能测试结果

外层织物的断裂强力、撕破强力以及外层、隔热层和舒适层的阻燃性能测试结果见表2。由表2可知，所选各层织物试样均满足GA 10—2014《消防员灭火防护服》标准，可用于实验研究。

2.2 光湿作用对织物基本性能的影响

多层织物经光照处理前后，結构参数及基本性能有所不同，其测试结果见表3。

由表3可以看出，多层织物经光照处理前后，结构参数及基本性能有所不同。经光照处理后，多层织物厚度整体上略有减小，这是因为织物在光照过程中产生收缩，从而造成厚度减小。外层织物经、纬向密度均是先增加后减小，这是由于随着时间的延长，纱线受热产生膨胀，从而使其经纬密度变小[7]。且由于纺纱制造工艺的缘故，经向变化较纬向明显。除此之外，光照过程中，织物中的水分不断蒸发从而使其平方米质量减小。且随着光照时间的延长，多层织物的热收缩导致纱线之间变得更加紧密，空隙减小，从而导致其透气效果变弱，透气性逐渐减小。

通过SPSS对测试数据进行相关性分析可以得到：光照时间与外层织物经向密度、面密度和多层织物的透气性、厚度相关系数分别为0.659、0.832、0.886、0.735，均为负相关关系。说明对织物进行光照处理后，外层织物经向密度、面密度，多层织物透气性、厚度均减小。光照时间与外层织物纬向密度间的相关系数为0.086，说明时间对织物纬向密度的影响不显著。

多层织物经润湿处理前后，结构参数及基本性能测试结果见表4。

由表4可以看出，润湿后外层织物的经纬密度变化不大，但多层织物的透气性会减小。这是因为所选织物吸水后不易变形，所以经、纬向密度无显著变化。但水分填充了纱线间的空隙，使气体透过率减少，从而透气性变差。

通过SPSS对数据进行分析可以知道，多层织物的透气率和润湿状态的相关系数为0.990，呈高度负相关关系。即增加织物的润湿量，多层织物的透气率明显下降。

由表3、表4可以知道，光照主要通过影响织物的结构参数来影响其性能，水分则对该织物的结构参数无显著影响。

光湿处理后，织物结构参数及基本性能测试结果见表5。

由表5可以看出，对多层织物表面进行光照和润湿处理前后，外层织物的结构参数及多层织物的厚度、透气率等有所变化。经相同时间的光照处理后，润湿量对外层织物的经纬密度、多层织物的厚度无显著影响，但会降低多层织物的透气率;经过相同润湿量的处理后，随着光照时间的增加，织物经向密度、透气率有所降低;厚度先增加后减小，但总体较未经光湿处理前小。

2.3 光湿作用对多层织物热防护性能的影响

对多层织物进行光照、润湿单独处理以及光湿复合处理后，其TPP值有不同的变化。

单一因素下TPP值测试结果分别见图1、图2，复合作用下TPP值测试结果见图3。

由图1可以看出，在对多层织物进行不同时间的光照处理后，其热防护性能有所降低，其中在光照10 h后，降低效果最明显。这是由于经过10 h的光照后，外层织物经纬密度增加、厚度减小，且多层织物间的空隙变得更加紧密，即各层织物间的空气层减小，从而降低其热防护性能。

由图2可以看出，对多层织物进行润湿处理后，其热防护性能逐渐增加，但增加速率逐渐减缓。这是由于水分会增加织物的储热能力，延缓热量传递到人体皮肤的速率，并且水分接触热环境时会蒸发，使热量散失，从而减缓被烧伤的时间[14]，对消防员的安全起到防护作用。

通过SPSS对数据进行相关性分析，可以发现，光湿单一润湿状态下，TPP值与光照时间的相关系数为0.773，呈负相关关系;与润湿量间的相关系数为0.899，呈高度正相关关系。说明光照会降低多层织物的TPP值，水分则使织物TPP值有所提高。

由图3可以看出，多层织物在经过不同时间的光照以及不同程度的润湿处理后，其热防护性能的变化趋势大体相同。经过相同时间的光照处理后，TPP值随外层润湿状态的增大而增大，即热防护性能变好。这是由于经相同时间的光照处理后，水分对热防护性能的影响呈主要作用。水分减缓织物的加热速率，并延迟织物被点燃的时间，从而加长其达到二级烧伤的时间，热防护性能变好。在润湿量分别为0、30%、60%时，随着光照时间的增加，多层织物的热防护性能整体呈减弱趋势。这是由于在该润湿状态下，光照对织物产生的影响大于水分。光照使织物产生热收缩，造成其厚度的减小，且纤维间的空气层减少，使多层织物的热防护性能减弱。润湿量为100%时，其热防护性能在光照时间为10、20 h后有所增加，光照时间为30 h后有所降低。其中光照时间为20 h、润湿量为100%时，多层织物热防护性能最大，达到48.5 cal/m2。这主要是由于在水分含量较高、光照时间较短时，水分产生的影响大于光照，使其热防护性能提高;但由于外层织物为芳纶，耐光性较差，长时间的光照作用使其力学性能降低，进而使其防护性能变差。

通过SPSS对TPP值、光照时间、润湿量进行方差分析，结果见表6所示。

由表6可知，TPP值与光照时间和润湿量交互作用间的统计量F为19.755，相应的概率值P=0.000<0.001，说明光照和水分的复合作用对多层织物热防护性能产生显著影响。

采用SPSS软件建立织物表面经光湿处理后TPP值与光照时间及外层润湿量间的回归模型，结果见表7。

记多层织物热防护性能为Y，光照时间为T，外层润湿量为R。由表7可知，可建立回归模型Y=-0.055T+0.087R+38.664。在该模型中，变量间的相关系数R=0.929，调整R2=0.863，接近于1，说明变量间的相关程度较高。回归系数t所对应的概率值P均小于0.05，说明回归系数均是显著的。容差均远大于0.1，方差膨胀因子均远小于10，说明光照时间、外层润湿量这两因素间不存在共线性关性，可用来独立表示织物热防护性能。

3 结 论

通过测试消防服用多层织物在进行不同时间光照以及不同润湿量复合处理下的TPP值，分析光湿作用对消防服用多层织物热防护性能的影响，得到以下结论：

a）光照和水分对消防服用外层织物的结构参数及多层织物的基本性能产生不同程度的影响。光照后外层织物经向密度、面密度以及多层织物厚度、透气性均有所降低，外层织物纬向密度变化则不显著。润湿量对织物结构参数影响不明显，但会降低其透气性。

b）光照作用下多层织物的热防护性能整体呈降低趋势;外层织物润湿量能显著提高其热防护性能，且随润湿量的增加，防护性能逐渐增加。

c）光湿复合作用对多层织物的热防护性能有显著影响。经相同时间的光照处理后，可通过增加外层织物的润湿量来提高多层织物的热防护性能。光照时间为20 h、润湿量为100%时，热防护性能最好，达到48.5cal/m2，比未经光湿处理前提高9 cal/m2。可建立多层织物TPP值（Y）与光照时间（T）、外层润湿量（R）间的回归方程：Y=0.055T+0.087R+38.664。

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