消防服用织物湿态热防护性能的测试与分析

王 诺 高翼强 吴艳杰 吴红艳

1.河北科技大学纺织服装学院，河北 石家庄 050018;2.北京服装学院材料设计与工程学院，北京 100029

灭火防护服是消防员在火灾救援现场穿着以用来保护头颈、腿部和手臂等躯干的专用服装。国内消防服一般由4层织物组成，分别为外层、防水透气层、隔热层和舒适层[1]。防护服的外层和舒适层一般为机织物，外层与火焰直接接触，舒适层接触人体皮肤。公共安全行业标准GA10—2014《消防员灭火防护服》对防护服各组成部分的性能有强制和明确的要求，如外层和舒适层的阻燃性、稳定性和力学性能。火灾救援现场，在高速水流的连续作用下，防护服的外层将不可避免地被水打湿，同时，高强度的救援活动和高温环境易使防护服的内层被汗水浸湿。舒适层汗液的蒸发和外层水分的渗透使防护服处于含有水分的湿态。

水分对多层织物热防护性能影响的研究表明，不同条件下，水分会提高或降低织物的热防护性能。李红燕[2]认为，在高强度和热流量的短时间作用下，水分有助于提高防护服的热防护性能。含水量越多，单层织物的热防护性能越好。标准环境下，处于湿态的织物的热防护性能优于干态织物。曹娟等[3]研究认为，随着含水量的增加，织物的热防护性能逐渐提高。在含水量相同的情况下，织物越厚，其热防护性能越好。Barker等[4]研究发现，在6.3 kW/m2的低辐射下，水分能降低织物的热防护性能。这些研究虽因测试条件及热传导性能的复杂性而尚未有统一结论，但都表明湿度是影响织物热防护性能的一个重要因素。因此，对处于湿态的防护服的热防护性进行研究具有重要意义。本文将以消防员灭火防护服常用的织物为研究对象，对不同含水率的单层和多层织物的热防护性能进行研究。

1 试验

1.1 材料

选择常用于消防员灭火防护服的5种外层织物(A1～A5)、1种防水透气层织物(B)、1种隔热层的织物(C)和4种舒适层织物(D1～D4)用于本试验, 其规格如表1所示。

表1 各层织物的种类和规格

1.1.1 单层织物

选择外层(A1～A5)和舒适层(D1～D4)单层织物为试样，研究含水率对其热防护性能的影响。

1.1.2 多层织物

各层织物试样的尺寸均为15 cm×15 cm。按外层、防水透气层、隔热层、舒适层依次叠加组合后，用线密度为21.9 tex×3的芳纶1414缝纫线缝合为4层结构的防护服织物试样，即多层织物试样，分别记为1#～12#(表2)。

表2 多层织物结构

1.2 热防护性能测试

热防护性能(Thermal Protective Performance)用透过织物引起人体二度烧伤的热能值kTPP表征，其是目前评价服装热防护性能的通用指标。采用对流和辐射两种传热方式能够较为客观地评估织物的实际热防护效果。本测试在陕西元丰纺织技术研究有限公司生产的RFH-Ⅱ型热防护性能测试仪上完成。测试中，热通量(F，即热辐射和热对流综合作用)为81.3 kW/m2，相当于1.9 cal/(cm2·s)。kTPP值可按下式计算:

kTPP=F×T

式中：F—热通量，cal/(cm2·s)；

T—烧伤时间，s。

先将制备的单层和多层织物试样依次放入烘箱，干燥10 min后称取干态质量并记录。按照织物的含水率(5%、10%、15%和25%)计算喷水量，然后将水均匀地喷洒在水平放置的织物试样表面，分舒适层到外层、外层到舒适层、外层和舒适层同时这3种喷洒方式。织物试样吸湿后置于塑料袋中密封1 h。最后取出各织物试样，10 min内完成热防护性能的测试。

2 结果与分析

2.1 含水率对单层织物热防护性能的影响

含水率不同的外层和舒适层织物试样的kTPP测试结果如表3。

表3 含水率不同的外层和舒适层的热防护性能测试结果

由表3知，随着外层和舒适层织物试样含水率的增加，其kTPP值增加，面料的热防护性能提高。其中，A3和D1织物试样的热防护性能表现较好。当含水率从0增加到25%时，外层A3的kTPP值增加了74%。舒适层D1的kTPP值增加了61%。在含水率增大的过程中，外层和舒适层织物试样的kTPP值有一定差异。当含水率0增加到5%时，外层织物试样的kTPP值增幅不足10%。与含水率为15%的织物试样相比，含水率为25%的外层织物试样的kTPP值增加了20%～50%。对于舒适层织物试样，含水率为15%的织物试样的kTPP值比含水率为5%的试样增加了16%～35%。究其原因是测试时随着含水率的增加，织物试样含水分增多，一方面水分蒸发消耗部分热量，另一方面水分抑制了火焰的蔓延，降低了织物的燃烧速度，延长了二级烧伤时间，因此，kTPP值增大。

相对于其他原料，棉纤维的回潮率较高，纤维吸收水分能力强，吸收速度较快。水分子进入棉纤维后，与亲水基团的亲和力较大，温度升高时，分子振动对水分子与纤维分子结合力的影响相对较小。因此，含棉织物的kTPP值增幅较大。

从织物结构看，面密度越大的织物，其kTPP值的增幅较明显。面密度大的织物，其结构紧密厚实，当喷洒相同的水分时，织物含水率偏低，水分导热作用不明显，热源穿过织物传递到皮肤的热量较少，二级烧伤时间长，故kTPP值较大。

2.2 含水率对多层织物热防护性能的影响

2.2.1 外层向舒适层渗透

以4层结构的多层织物试样1#～5#(表2)为测试样，按照所计算的含水率将水均匀地喷洒在水平放置的各试样的外层，使水分从外层向舒适层渗透，测试不同湿态条件(不同含水率)下各多层织物试样的kTPP值(图1)。

图1 不同含水率的多层织物试样的kTPP值

由图1知，随着含水率的增大，4层结构织物的kTPP值增加。与单层织物试样的kTPP值增幅(外层的40%～75%和舒适层的35%～61%)相比，多层织物试样的kTPP值增幅(33%～52%)有所减小。当4层织物试样的含水为5%～15%时，kTPP值的增幅为15%～26%；含水率为15%～25%时，kTPP值的增幅不足10%。由面密度较大的外层织物构成的多层试样，kTPP的增幅均高于40%。

多层织物kTPP值增幅小于单层织物，可能是试样在浸湿过程中，隔热层和防水透气层吸收了部分水分，导致停留在外层和舒适层的水分减小。因此，含水率对多层织物试样的热防护性的影响小于单层织物。而面密度较大的外层织物，其结构更为紧密，浸透到隔热层和防水透气层的水分子数量少，停留在表层的水分子数量多，因而，水分对其kTPP值的影响较为明显。

2.2.2 舒适层向外层渗透

以4层结构的多层织物1#～6#试样(表2)为测试样，按照所计算的含水率在水平放置的各试样的舒适层表面均匀喷水，使水从舒适层向外层渗透。测试不同湿态条件下各多层织物试样的kTPP值(图2)。

图2 不同含水率的多层织物试样的kTPP值

由图2知，4层结构织物的kTPP值随含水率的增大而增加，kTPP值均大于28.00。5#试样在含水为15%～25%时，kTPP值高达45.00以上。当织物含水率从0增加到25%时，4层结构织物的kTPP值的总体增长幅度为5%～33%。与从外层喷水相比，从舒适层喷水的试样kTPP值增幅较为缓慢，甚至出现了负增长。在相同含水率条件下，舒适层单层织物的kTPP值增幅为35%～60%。舒适层选用全棉阻燃织物时，在织物含水率从0增加到25%的过程中，4层结构试样的kTPP值增幅大于20%。

从舒适层方向加湿，水分被舒适层织物吸收的较多，渗透到外层织物的水分减少。因kTPP测试时，外层织物首先与热源直接接触，所以kTPP值的增长较为缓慢。在相同含水率下，与单层织物相比，多层织物的舒适层吸收的水分较少，热防护性能的增长幅度放缓。因此，水分对kTPP值的影响较为明显。

2.2.3 双向渗透

按照所计算的含水率同时从各多层织物试样的外层和舒适层喷水(双向)，测试湿态下各试样的热防护性能(表4)。

表4 不同含水率的多层织物试样在双向喷水条件下的热防护性能测试结果

表4说明，含水率的增大有助于提高多层结构织物的kTPP值。5#试样在含水率为25%时，其kTPP值达到了51.87 cal/cm2。当织物含水率从0增加到25%且双向加湿时，4层结构织物的kTPP值的总体增长幅度为20%～48%，增加幅度比仅从舒适层加湿时为大，但略低于仅从外层加湿时的增幅。

双向加湿时，外层水分的含量介于单向的从舒适层加湿和从外层加湿之间，因此，水分对织物热防护性能的影响介于从舒适层和外层单向加湿的状态。

3 结论

随着含水率的增加，不管是单层织物还是多层织物，kTPP值都增加，织物的热防护性能提高，说明湿度对织物热防护性能有一定影响。在含水率相同的条件下，湿度对单层织物的热防护性能的影响大于对多层织物；从外层加湿时，多层织物的热防护性能优于从舒适层加湿的多层织物。