甲纶消防员灭火防护服热防护性能研究

潘虹，夏燕茂，胡珊珊，王欢

(江苏奥神新材料股份有限公司，江苏 连云港 222069)

0 引言

消防员灭火防护服是消防员灭火救援时穿着的服装，能够有效保护躯干、头颈、手臂和腿部，是消防员防护装备中至关重要的一部分[1]。现行消防员灭火防护服参照XF 10—2014《消防员灭火防护服》标准要求[2]，其评价服装整体热防护性能的指标为TPP值，TPP值越高，防护服装对人体的保护性能越好[3]。然而，TPP值仅表征了人体达到Ⅱ度烧伤(灼伤)所需要的热能，且受测试的面积较小、背面又被仪器覆盖，难以模拟实际服装穿着过程中的防护效果。燃烧假人作为国际公认的评估防护装备阻燃性能、热防护性能的专用设备[4]，在服装热防护研究中发挥着重要作用。其采用假人放置于热流量、燃烧时间和火焰数量可控的火场环境，预测人体皮肤达到Ⅱ度和Ⅲ度烧伤的部位及程度，从而评估服装的整体热防护性能。本文借助“东华火人”燃烧假人系统[5-6]，对比测试甲纶灭火防护服和芳纶灭火防护服在火场环境下的热防护性能，分析不同程度烧伤面积以及服装尺寸变化。同时结合TPP值测试结果，讨论TPP值和烧伤面积的关系，为消防员灭火防护服面料的选择和款式的设计提供参考。

1 甲纶灭火防护服组成

甲纶灭火防护服主体材料为甲纶Suplon®干法纺聚酰亚胺纤维，具有优异的阻燃、耐高温、耐辐照等性能[7-9]。服装由四层面料组成，分别为外层、防水透气层、隔热层和舒适层。外层面料采用双层组织结构，既提高面料的断裂、撕破强力，同时又提升面料的热防护性能；防水透气层面料采用纯甲纶水刺毡覆PTFE直透膜，大大增加面料的透湿性能；隔热层采用高克重甲纶水刺毡，增强了服装整体热防护性能和保暖性能；舒适层采用特殊的组织结构，为服装的整体性能提供了又一保障。每层型号和规格见表1。

表1 甲纶灭火防护服名称和规格型号

2 实验及分析

2.1 TPP测试

2.1.1 测试样品与设备

按照XF10—2014标准要求，以上述甲纶四层面料为组合，参照消防服制作时的缝合方法缝制大小为150 mm×150 mm的试样，在热防护性能仪(型号：701-D-163-1，厂家：Precision Products)上测试面料的TPP值。测试总热通量为83 kW/m2，其中灯光的热通量为20.5 kW/m2，明火的热通量为62.5 kW/m2。为了进行对比测试，研发人员从市场上获得现行灭火防护服用芳纶四层面料，同步测试TPP值。其外层为芳纶机织面料，防水透气层为芳纶覆PTFE薄膜，隔热层为芳纶水刺毡，舒适层为芳纶粘胶面料。

2.1.2 测试结果

按照标准要求，两个组合分别测试三组样品，TPP值测试结果见表2，测试样品及测试系统如图1所示。

表2 组合面料TPP值测试结果

图1 测试样品及“东华火人”燃烧假人系统

2.2 假人燃烧实验

2.2.1 实验设备及测试依据

“东华火人”是东华大学功能防护服装研究中心建成的燃烧假人系统，该假人在躯干、手、足、头等各个身体部位表面均匀设置了135个高温传感器，配置上下6组共12个喷火口，可以有效模拟真实火车环境下，服装对人体的热防护性能。实验燃烧用的甲纶灭火防护服为上述甲纶四层面料按照XF10-2014标准制作而成，款式175A。

为了方便对比分析TPP值与假人燃烧之间的关系，研发人员又对比测试了上述芳纶四层面料制作的符合XF10-2014标准的同等款式芳纶灭火防护服假人燃烧性能。

实验参照ISO 13506—“用燃烧假人法测定服装的热及火防护性能”标准，实验条件见表3。

表3 假人燃烧实验条件

2.2.2 燃烧前后服装外观和尺寸变化

甲纶灭火防护服和芳纶灭火防护服经过8 s火焰燃烧后，服装外观和尺寸变化差异明显。甲纶灭火防护服燃烧后外观几乎无变化，表面完好，服装仍保持柔软，可顺利穿脱。芳纶灭火防护服燃烧后收缩严重，面料碳化、开裂严重，无法正常穿脱。服装燃烧前后对比及细节如图2和图3所示，甲纶灭火防护服上衣、裤子尺寸变化见表4。

图2 甲纶灭火防护服燃烧前后照片

图3 芳纶灭火防护服燃烧前后照片

表4 灭火防护服尺寸变化

2.2.3 烧伤面积评估结果

由于测试对比的灭火防护服仅为上衣与裤子的组合，没有头套、手套和脚套，为了保护假人传感器不受损伤，测试时采用另外的阻燃头套、手套和脚套将假人裸露的地方包裹住。经过120 s的数据采集时间，对比分析假人不同部位达到烧伤的程度和级别，烧伤结果如图4所示。

图4 灭火防护服烧伤面积结果

2.3 分析与讨论

从图2和图3可以看出，甲纶灭火防护服具有更优异的抗烧蚀性能，经过8 s燃烧，服装保持完好，仅表面轻微碳化，服装柔软且可顺利穿脱；芳纶灭弧防护服表面碳化、收缩、严重开裂，需剪开袖口才能脱下。如表4所示，芳纶灭火防护服衣长、胸围、臂长、裤长严重收缩，收缩率最高达16.13%，导致假人手臂、脚踝裸露，极大地削弱了服装的防护性能。

从图4烧伤面积结果统计看，甲纶灭火防护服烧伤面积为15.28%，芳纶灭火防护服烧伤面积为53.34%。甲纶灭火防护服烧伤面积约为芳纶的1/3。从严重的Ⅲ度烧伤看，芳纶防护服烧伤面积为19.49%，是甲纶防护服的4.16倍。从烧伤的部位看，由于芳纶防护服燃烧收缩严重，从脚踝延伸至整条腿部均达到Ⅱ度烧伤；由于衣长变短，火焰直达胸部要害，前胸和后备均大面积Ⅱ度和Ⅲ度烧伤。甲纶防护服由于尺寸保持良好，仅在领口下部前后有少许Ⅱ度烧伤。以上分析表明，在真实火场环境中，甲纶灭火防护服热防护性能更有效。

但从表2的TPP值测试结果看，芳纶组合面料的TPP值更高，远高于甲纶组合面料。这是因为在TPP测试时，芳纶面料出现的严重碳化和收缩，会将织物缝隙几乎封闭，致使对流热通过量减少，使得其TPP表现更好。

3 结语

(1)甲纶灭火防护服具有优异的抗烧蚀性能，假人燃烧实验烧伤面积为15.28%，约为芳纶灭火防护服的1/3。

(2)甲纶灭火防护服燃烧后尺寸几乎无变化，服装保持柔软，可顺利穿脱。芳纶灭火防护服燃烧后收缩严重，最大收缩率达16.13%，极大地削弱了服装的防护性能。

(3)评价服装热防护性能，不能单纯从TPP值来考量，还需要分析面料收缩及破坏性能，可结合假人燃烧实验，综合评价。