消防服的研究进展浅析

周 琦

九江学院 艺术学院(中国)

近年来火灾频繁，在不同程度上造成财物损失和人员伤亡。消防员在救援时随时可能会面临火焰、爆炸、高温蒸汽等危险，严重时甚至生命安全受到威胁。消防服作为保护消防人员生命安全的重要装备，应当具有较好的阻燃及隔热等相关性能。目前，研究者对消防服的设计研究主要集中在材料研发、性能测评及结构优化等方面[1]，并取得一定的成果。本文浅析消防服的研究进展，旨在为设计制造性能更优的消防服提供参考，以减少火场环境对消防员的伤害，尽可能地保障消防员生命安全。

1 消防服的性能要求

1.1 热防护性能

热防护性能(thermal protective performance，TPP)测试值是评价消防服用织物综合热防护性能的主要指标。除此之外，对消防服用织物的热防护性能的评价指标还有热辐射防护性能和热蓄积性能。热辐射防护性能(radiant protective performance，RPP)测试值用以表征织物耐热辐射性能。热蓄积测试(stored energy test，SET)主要获取织物达到二级烧伤的最小热暴露时间，用以评价消防服用织物热蓄积性能，可弥补低热辐射环境下RPP测试对织物热蓄积的考虑不足[2]。

由于消防服自身结构及动态使用过程中存在空气层等原因，消防服组合织物的各方面性能与单一织物的性能存在差异。因此，仅织物性能不能全面评估消防服整体性能，还需要测评消防服整体的热防护性能，这主要借助燃烧假人和辐射热假人进行测试[3-4]。

1.2 热湿舒适性能

目前消防服由多层结构组成，其结构相对封闭，透湿透气性能较差，易对穿着人员造成的体核温度升高，引起热应激，给穿着人员带来的生理压力不亚于外界热环境的威胁。故有必要对消防服热湿舒适性进行准确客观的评价，以避免使用热湿舒适性差的消防服，这对保障穿着人员的热湿舒适性及生命安全具有重要意义。着装人体试验和暖体假人试验可测试消防服热湿舒适性。

1.3 工效学性能

消防服的结构设计应充分考虑人体工效学原理，提高消防服的穿脱灵活性，扩大消防服的可活动范围，从而提高消防员的工作效率，并保障消防员的安全。通常以真人为对象，采用主观、客观及数字模拟等方法，测试人体可活动范围和操作灵活性[5]，进而评价消防服的工效学性能。

2 消防服用高性能材料

2.1 芳纶、芳砜纶

芳纶即芳香族聚酰胺纤维，具有高强度、高模量、耐高温、低密度、高阻燃、抗静电等性能，是较理想的消防服外层织物材料。芳纶既可单独使用，也可与其他材料复合使用。由于其高温尺寸稳定性一般，为使消防服受热时保持布面平整状态，目前消防服外层面料织物多为芳纶与其他低收缩性纤维的混纺织物。芳纶主要有间位芳纶(聚间苯二甲酰胺纤维)和对位芳纶(聚对苯二甲酰胺纤维)。间位芳纶商品主要有美国杜邦公司的Nomex等。由Nomex纤维制成的阻燃织物具有阻燃或不燃、耐高温和防穿刺等性能[6]。对位芳纶商品主要有杜邦公司的Kevlar等。间位芳纶的阻燃性能和耐热性能优于对位芳纶，更适用于消防服。

芳砜纶为聚苯砜对苯二甲酰胺纤维，具有优异的耐热性、耐酸性、热稳定性和电绝缘性等，同时具有良好的染色性，其后整理成本较低，适用于消防服领域。芳砜纶的耐热性、热稳定性、高温尺寸稳定性及阻燃性远优于间位芳纶。采用芳砜纶制作的消防服，不仅具有阻燃、隔热、防水功能，还具有较好的热湿舒适性和较轻的质量，穿着柔软、贴身，提高了消防员的安全系数[7]。

2.2 芳香族杂环纤维

聚对苯撑苯并双噁唑(PBO)纤维和聚苯并咪唑(PBI)纤维为芳香族杂环类纤维。PBO纤维具有高强度、高模量、低收缩及优异的耐热性和难燃性等适用于消防服的性能，但其初始模量较高，纺纱性较差，实现工业化生产存在困难。1998年日本东洋纺公司和陶氏化学公司实现了PBO纤维的工业化生产[8]。PBI纤维具有良好的可纺性、阻燃性能和吸湿性。PBI纤维最大的特点是耐高温性，可耐850 ℃的高温，适用于消防服织物。PBI纤维混纺织物，如PBI/Kevlar(40/60)混纺织物，在消防服市场备受欢迎。

2.3 聚苯梳醚纤维

聚苯硫醚(PPS)纤维具有优异的热稳定性、耐化学稳定性、阻燃性及加工性能，是优良的消防服用纤维。PPS纤维是难燃纤维，具有较低的延燃性和烟密度。在不添加任何阻燃剂情况下，PPS材料阻燃等级可达到UL94V—0级标准，其极限氧指数高达34%～35%，着火温度高达590 ℃。PPS纤维在250 ℃以上高温下放置在四氯化碳、氯仿等试剂中7 d，仍能保持原有的抗拉强度[9-10]。

2.4 新型阻燃黏胶纤维

新型阻燃黏胶纤维是在黏胶纤维原液中加入阻燃剂制得的。奥地利兰精公司开发的阻燃黏胶纤维的阻燃性能不受洗涤次数影响，燃烧时也不产生熔滴。该纤维与其他合成纤维相比，具有更高的吸湿性能，其阻燃性能及穿着舒适性能良好。该纤维可与高性能纤维，如Nomex、Kermel、PBI纤维等混纺，含有50%以上该阻燃黏胶纤维的织物能满足EN 469等消防员防护服标准，可应用于消防服的舒适层。

2.5 形状记忆材料

形状记忆材料是具有形状记忆功能的智能材料，在某些情况下，如热塑性变形后，通过控制外部条件可使其完全恢复到原状。形状记忆材料在航空航天、自动控制系统和智能纺织品等领域广泛使用。在消防服的现有研究中，王帅等[11]在消防服防水透气层和隔热层添加形状记忆合金弹簧，利用其产生的空气层改善了消防服的隔热性能。

2.6 相变材料

相变材料指可在一定狭窄的明确温度(相变温度)范围内改变物理状态并能提供潜热的材料。合理地将相变材料运用到消防服上，可研发具有温度调节功能的智能消防服。这种消防服能根据外界环境温度的变化适当调节消防服内部温度。以固-液相变材料为例，当外界环境温度升高时，相变材料吸热，变为液体，储存热量[12]；当外界温度下降时，相变材料放热，变为固体。相变材料随外界环境温度上升或下降而吸收或释放潜热，从而保持消防服内的温度不变。研究表明，含相变材料层的消防服在高温环境下具有较好的防护性能。

2.7 气凝胶

气凝胶是一种具有超高孔隙率的三维纳米多孔材料，它具有低密度、低导热系数、高比表面积、优异的热绝缘性和隔热性等独特的性能[13]，其导热系数可低至0.004～0.03 W/(m·K)。气凝胶已应用于建筑、航空航天和国防等许多领域，也逐渐被用于消防服装。张兴娟等[14]分析了SiO2气凝胶应用于消防服的可行性，发现将气凝胶引入消防服隔热层所得消防服，比传统消防服的质量降低70%以上。任乾乾等[15]研究了消防服组合面料，发现SiO2气凝胶组合织物的综合热防护性能优于现役消防服标准，组合织物在450 ℃高温下灼烧50 s，冷面温度不超过40 ℃。

3 消防服的材料设计与性能评价

3.1 消防服的材料设计

中国、美国等国家或组织己制订了消防服相关测试方法和标准，用以评价消防服性能。如中国的GA 10—2014《消防员灭火防护服标准》、GA 634—2006《消防员隔热防护服标准》和GB 8965.1—2009《防护服装 阻燃防护 第1部分:阻燃服》，美国的NFPA 1971:2007Standardonprotectiveensemblesforstructuralfirefightingandproximityfirefighting，欧盟的EN 469: 2005Protectiveclothingforfirefighters-performancerequirementsforprotectiveclothingforfirefighting等。这些标准对消防服主要有整体热防护性能、阻燃性能及热稳定性能等防护性能的要求。

中国公安部发布的强制性行业标准GA 10—2014《消防员灭火防护服》规定消防服由4层构成，从外到内，依次为外层、防水透气层、隔热层和舒适层。

目前市面上消防服外层织物材料主要为Nomex纤维、Kevlar纤维、PBI纤维、Kermel纤维和PBO纤维等。防水透气层通常是在织物上覆合一层防水透气膜，可使穿着者排出的水汽通过，同时阻挡外界液态水，具有一定的隔热作用。隔热层由立体网眼针织布或能储存空气的非织造布制成。舒适层为耐热、阻燃且透气透湿的舒适性材料。

3.2 消防服的性能评价

3.2.1 客观试验

客观试验包括消防服材料的性能评价和服装的性能评价。

消防服材料性能评价包括：材料的基本物理性能、热防护性能及热湿性能。

材料的热防护性能：按照GA 10-2014《消防服灭火防护服》标准，采用TPP热防护性能测试仪，对织物进行TPP值的测试，分析并确定织物系统的热耐受性和防护性能。

材料的热湿性能：参照GB/T 5453—1997《纺织品 织物透气性的测定》，用织物透气仪测定试样透气率；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》，用织物透湿仪，测定并计算织物的透湿性能。

消防服性能评价主要涉及热防护性和热湿舒适性和工效学性能3方面。

服装热防护性能评价：燃烧假人系统测试方法，可提供更全面和综合的服装热防护性能等信息，还能预测人体皮肤烧伤程度。

服装热湿舒适性：利用暖体出汗假人评价服装的热湿性能[16]。

服装工效学性能：通过对假人设备的测试数据，对消防服的工效学性能进行评价并进行优化。

3.2.2 穿着试验

消防服热湿舒适性的评价是以“人-服装-高温环境”之间的生物热力学综合平衡的实现程度为标准的，是温度、湿度、人体活动状态和消防服热湿传递性能综合作用的结果。服装热湿舒适性能和工效学性能除了采用上述客观试验进行性能测试外，常常结合人体穿着主观评价试验，综合测评服装穿着热湿舒适性及肢体灵活性。

3.2.3 其他

随着科技的发展，数字人体模型等也可对消防服的工效学性能进行评价。三维动作捕捉仪可捕捉受试者肢体运动时关节的活动角度和运动距离，全面科学地评价服装工效学性能。

4 消防服的不足与发展趋势

4.1 现有消防服的不足

目前消防服主要存在下述问题。

——缺少国际先进的原材料如传感面料、智能面料等，未能解决消防员在消防作业中的伤亡隐患。

——舒适性能较差。近年来消防服热防护性能与舒适性能之间的矛盾已有所改善，但其热防护性能被视为评价服装性能优劣的首要因素，仍然存在人体热聚集导致舒适性能较差的问题。

4.2 消防服的发展趋势

4.2.1 提高舒适性

随着科技的发展及人们对防护用品要求的提高，人们对消防服的要求已从看重热防护性向兼顾舒适性发展。消防服的舒适性主要与材料的基本物理性能、透气、透湿和亲肤性能等因素有关，研究者需要综合考虑材料选择、结构设计、性能测试等，使消防服向轻量化、智能化、更舒适、更有利于人体健康的方向发展。

4.2.2 材料多样化

长期以来，各种高性能材料因其耐热性和阻燃性能良好，常用于制造消防服，但在消防作业中消防员被烧伤的事故仍频发，为了减少消防员的伤亡，诸如传感面料、智能面料等材料成为消防服研究的热点。另外，隔热性能良好的气凝胶材料将成为消防领域的研究重点。

4.2.3 测试全面化

消防服的性能在穿着过程中受诸多因素影响，若对消防服性能的研究仅停留在面料等局部，则无法全面获知消防服整体性能。消防服性能测试全面化，尤其是高危环境下的消防服整体性能的测评，将成为未来的发展趋势。

5 结语

目前关于消防服的研究多在材料研发、结构优化及性能测试等方面，减轻消防服质量、提升消防服舒适性的研究有待加强。为了减小试验环境与真实使用环境之间的差异，提高对消防服整体性能的测试和准确判断，应进一步发展消防服防护性能的预测模型研究。此外，为保证消防人员安全有效地进行消防工作，消防服的相关标准需不断完善。