增强层结构对消防服热防护性及舒适性的影响

陈晓渊 鄢友娟

1.武警总部直属保障大队采购服务站，北京102613；2.武警研究院，北京 100071

消防服需具备超强的阻燃和隔热性能，能有效阻止或减缓外界热量传递到人体皮肤表面，从而满足消防、铸造及军事等特殊领域的热防护高标准要求[1]。近年来，消防服的热防护性能有了很大的改进，但消防员仍面临着被烧伤的巨大威胁[2]。

目前的消防服主要由具有防火隔热性的外层、防水透气性的中层及舒适的内层这三层基础材料(简称“基层材料”)复合而成。为进一步增强消防服的热防护性能，通常需在消防服的外层增加额外的防护层[3]，这种防护层又称消防服的增强层。可用作消防服增强层的材料有热内衬层、泡沫复合材料及皮革衬垫等。增强层的应用能为基层材料提供更多的空隙，从而提高消防服的热防护性能，降低热灼伤发生的可能性。但增强层也会限制人体皮肤与外界的热交换，易使消防员产生疲劳感，严重时甚至会引发人体中暑和心血管疾病等不良事件[4]。

全套标准消防服包括外套、裤子、头盔、手套、靴子和自给式呼吸(SCBA)系统，以及工作所需的其他额外工具，总质量约为20.00 kg。当需要携带热成像相机、无线电和照明设备等装备时，消防员的负载质量可达30.00 kg。若外套和裤子因灭火而浸湿，则消防员的整体负载质量将进一步增加。相关研究显示，因热压而不幸牺牲的消防员人数占消防员总死亡人数的42%[5]。因此，相关研究人员在设计消防服时，除考虑增强其热防护性能外，还需注意增强层的轻便性问题，合理调整消防服增强层的重量和“体积”，使消防服更轻便。

目前，服装的热舒适性主要采用欧洲和美国标准中的发汗热板法进行测试和评价。本文首先对含有不同增强层结构的消防服的热阻和热散失量进行测试和计算，然后采用人体模型对穿着各消防服试样的体表核心温度进行预测，最后对消防服的热防护性和舒适性进行评估。研究旨在为今后消防服增强层的设计提供参考。

1 试样

以3种具有不同增强层结构的消防服为试样，包括：标准消防服(A型)、含有单个增强层且质量较轻的轻质消防服(B型)、含有泡沫衬垫增强层的商用重型消防服(C型)。以符合NFPA-2013Standardonprotectiveclothingandequipmentforfirefighting规定的A型消防服作为试验的对比样。与A型消防服相比，B型轻质消防服的外层仅包含一层增强层，不含加固材料；C型消防服为市售重型消防套装，其胸部、后背、肩膀和手臂部位均添加有较厚的泡沫材料增强层，并且包含一个较宽的衣领和一个特殊的三层帽兜。

1.1 基层材料

3种消防服试样的基层材料相同，其外层、中层和内层所用材料及其基本性能如表1所示。3种消防服的总质量分别为3.86 kg (A型)、4.60 kg (B型)和4.98 kg (C型)。

表1 消防服试样的基层材料及其基本性能

1.2 增强层

增强层大多设计在消防服的外层，为实现更好的热防护效果，增强层的层数可达十几层。本试验涉及消防服试样的外层均配有口袋、口袋盖、皮垫、标签、反射装饰条等增强部件。增强部件的层数、厚度和面密度如表2所示。

表2 增强部件的层数、厚度和面密度

本试验选用的A型、B型和C型3种消防服中，基层材料占整套消防服的质量比分别为50.1%、40.1%和35.4%。A型和B型消防服基层材料的面积约占整套消防服总面积的50.0%，而C型消防服的基层材料的面积仅占其总面积的22.0%。

2 热防护性测试

消防服的热防护性能主要包括隔热性和蒸汽阻隔性，通常采用传导热阻、蒸发热阻和热散失量指标来表征。其中，传导热阻、蒸发热阻越大，消防服的热防护性越好。本文将对3种消防服试样(包括口袋、加固材料、靴子、手套、兜帽和头盔等)的传导热阻、蒸发热阻和热散失量进行测试和计算。

2.1 传导热阻

根据ASTM F 1291-2010Standardtestmethodformeasuringthethermalinsulationofclothingusingaheatedmanikin[6]，将测试环境的相对温湿度分别调整为23 ℃和50%后，对3种消防服试样的传导热阻进行测试。同一试样重复测试3次。按照式(1)计算各试样的传导热阻。

(1)

其中：Rt——服装的传导热阻，℃·m2/W；

A——人体模型的表面积，m2；

Ts——人体模型的表面温度，℃；

Ta——流经服装的气流温度，℃；

H——模拟加热条件下人体模型获得的热量，W。

经计算得A型、B型和C型消防服试样的传导热阻分别为36.4、32.1和43.6 ℃·m2/W。

2.2 蒸发热阻

根据ASTM F 2370-2010Standardtestmethodformeasuringtheevaporativeresistanceofclothingusingasweatingmanikin[7]，采用出汗人体模型对不同消防服试样的蒸汽阻隔性(蒸发热阻)进行测试。通过式(2)计算各试样的蒸发热阻。

(2)

其中：Ret——服装的蒸发热阻，kPa·m2/W；

Ps——出汗人体模型表面的水蒸气压，kPa；

Pa——空气流动压，kPa；

A——出汗人体模型的表面积，m2；

He——测试出汗面积所需的热量，W；

T′s——出汗人体模型的表面温度，℃；

T′a——流动空气的温度，℃；

R′t——服装整体和表面空气层的热阻，℃·m2/W。

经计算得A型、B型和C型消防服试样的蒸发热阻分别为28.5、26.4和34.7 kPa·m2/W。

2.3 热散失量

依据ASTM F 2370-2010标准的测试方法，在静止空气条件下(风速为0.4 m/s)，采用出汗人体模型对3种消防服试样的蒸发热散失量和传导热散失量进行静态测量，结果如表3所示。由表3可知，C型消防服试样的蒸发热散失量(为30.1 W/m2)和传导热散失量 (为22.4 W/m2) 均较低，A型与B型消防服试样的蒸发和传导热散失量相当，表明标准消防服(A型消防服)与轻型消防服(B型消防服)在热散失量统计学方面几乎不具有差异，消防服增强层的添加有助于降低其表面的热散失量。

表3 消防服试样的热散失量测试结果 单位：W/m2

2.4 总热损

特定环境温度和湿度条件下的服装总热损(即总热散失量)可反映其散热性。总热损值越大，说明服装的散热性越好。根据传导热阻Rt和蒸发热阻Ret的测试结果，可根据式(3)对总热损进行预测。

(3)

其中：Qt——一定温湿度条件下服装的总热损预测值，W/m2；

P′s——人体表面的水蒸气压，kPa；

P′a——局部环境的煅烧水蒸气压，kPa。

3 舒适性测试

为更好地评估含有不同增强层的消防服试样的舒适性，采用人体建模试验来预测消防服的穿着舒适性。因消防服的相关测试目前不允许进行真实人体穿戴试验，因此，研究人员通常使用人体模型来模拟不同温湿度环境下人体穿着消防服的生理反应。本文参照文献[8]的方法，选用RadTherm传热分析软件预测人体的瞬态传热行为，获取辐射、传导和对流的热传导率模拟结果。RadTherm传热分析软件同时也是一个服装数据库，包含不同服装和面料的热阻和蒸气阻隔性数据。该软件结合了多种技术，可根据身高、体质量和种族来预测不同体型人体的体表核心温度。本文建模使用的参数设置如表4所示。

表4 人体模型的参数设置

根据2.4节服装总热损的计算结果，预测穿着不同消防服试样时出汗人体模型体表核心温度随时间的变化，用以反映含不同增强层的消防服的穿着舒适性。预测结果如图1所示。

图1 出汗人体模型体表核心温度随时间的变化

由图1可知，消防服增强层的应用使出汗人体模型的体表核心温度上升，意味着消防服的穿着舒适性下降。在测试结束(90 min)时，3种消防服试样的预测体表核心温度均超过40.0 ℃。其中，A型消防服和B型消防服的预测体表核心温度约为40.1 ℃，C型消防服的预测体表核心温度为40.7 ℃，这0.6 ℃的温度差将给穿着舒适性带来严重的负面影响。

各消防服试样的预测体表核心温度与总热损之间的关系分析如图2所示。由图2可知，两者之间存在较强的线性关系(R2=0.95)，预测体表核心温度每上升0.6 ℃，消防服的总热损减少9 W/m2。

图2 体表核心温度预测值与总热损预测值间的关系

由3种消防服试样的热防护性和舒适性测试结果可知，消防服增强层的添加一方面可提高消防服的热防护性能，另一方面会降低其穿着舒适性。

4 结论

本文以含有相同的基层材料和不同增强层结构的3种消防服为试样，通过对热阻、热散失量和人体模型体表核心温度的测试和预测，分析了不同消防服试样的热防护性能及其舒适性。研究结果表明，在消防服的设计中，增加增强层的层数可提高消防服的热防护性能，但穿着增强型消防服后，人体的体表核心温度升高，热散失量减小，不利于消防人员的身心健康。未来消防服的设计需在热防护性能和穿着舒适性方面做出合理的平衡。