消防織物熱防護(hù)性能的影響因素研究

朱榮桂，趙曉明

(天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)部，天津 300387)

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消防織物熱防護(hù)性能的影響因素研究

朱榮桂，趙曉明

(天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)部，天津 300387)

消防織物的熱防護(hù)性能主要由外界因素(包含環(huán)境因素和人為因素)和消防服織物本身的性能所決定。論述了現(xiàn)階段不同因素對(duì)消防織物的熱防護(hù)性能影響研究的概況，并指出了未來(lái)消防織物將從單一到復(fù)合再到多種因素共同作用下熱防護(hù)性能研究的發(fā)展趨勢(shì)。

消防織物 熱防護(hù)性能 影響因素

消防服裝包含了消防戰(zhàn)斗服、消防隔熱服、避火服等，是消防隊(duì)員在進(jìn)行滅火救災(zāi)時(shí)所穿著的防護(hù)服裝。在消防員進(jìn)行作業(yè)時(shí)，火災(zāi)環(huán)境-消防織物-消防員構(gòu)成了一個(gè)系統(tǒng)[1]，火災(zāi)的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境是我們進(jìn)行研究的前提，消防織物則是我們研究的媒介，消防員的人身安全則是我們研究的最終目的。

熱防護(hù)性能(TPP)是指透過(guò)織物引起人體二度燒傷的熱能值，單位為千瓦秒每平方米(kw﹒s/m2)，是消防服必須具備的一項(xiàng)重要的防護(hù)性能，是用來(lái)表征織物的熱防護(hù)性能的值，TPP值越大，其熱防護(hù)性能就越強(qiáng)?？椢锏臒岱雷o(hù)性能通常用TPP熱防護(hù)儀進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)計(jì)算達(dá)到二次燒傷的時(shí)間和規(guī)定的輻射/對(duì)流總熱量的乘積得到[2]。

TPP值 = T × q

近年來(lái)，人們已經(jīng)逐步綜合多種因素同消防織物的研究相結(jié)合來(lái)研究其熱防護(hù)性能，主要包括消防員所處的外界條件和一些消防服本身?xiàng)l件。外界因素包含了環(huán)境因素如水、熱、光、力等；人為因素如洗滌、摩擦、運(yùn)動(dòng)等。消防織物本身則是從耐火纖維、面料、織物組成、服裝結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行研究。只有將外界因素以及消防織物本身對(duì)消防服的各種影響均考慮在內(nèi)時(shí)，我們?cè)O(shè)計(jì)出來(lái)的消防服才能夠具備更高的熱防護(hù)性能。

1 外界因素

消防服作為消防員與外界火源隔絕的屏障，能夠有效地阻止火焰對(duì)人體的傷害[3]，但是外界因素的多樣化會(huì)對(duì)消防服的熱防護(hù)性能產(chǎn)生影響。外界因素包含環(huán)境因素和人為因素，它們的存在均對(duì)消防織物的熱防護(hù)性能有影響。

1.1 環(huán)境因素

消防員在進(jìn)行消防作業(yè)時(shí)，所處的實(shí)際環(huán)境中存在著熱輻射、水分、光照等多種因素，在研究消防服時(shí)，要將各種不同的影響因素考慮在內(nèi)，這樣才能針對(duì)不同的影響因素來(lái)設(shè)計(jì)和改進(jìn)現(xiàn)有的消防織物的材料和結(jié)構(gòu)等，設(shè)計(jì)出熱防護(hù)性能更高的防護(hù)織物。

在消防員進(jìn)行作業(yè)時(shí)，常常會(huì)遇到熱液飛濺的危險(xiǎn)。Sumit Mandal, Guowen Song等人通過(guò)研究將面料浸泡于熱水和熱水飛濺兩種情況下的實(shí)驗(yàn)，對(duì)比發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)熱水壓縮浸泡的消防服織物其物理性能發(fā)生了變化，導(dǎo)致其熱防護(hù)性能隨之降低[4]。

Zhi-ying Cui, Chunjie Ma等人通過(guò)對(duì)常用于消防服面料的x-fiper織物進(jìn)行熱處理，研究其在經(jīng)過(guò)不同的熱強(qiáng)度和曝光時(shí)間后，對(duì)其機(jī)械性能和熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)熱強(qiáng)度對(duì)拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率都有顯著的影響，在9.7kw/熱輻射強(qiáng)度下，面料的機(jī)械性能大大降低，但是其熱防護(hù)性能達(dá)到最大值[5]，但由于此時(shí)部分面料已被燒焦易碎，不易長(zhǎng)時(shí)間使用。

楊海燕等也對(duì)消防織物國(guó)產(chǎn)芳綸在熱輻射條件下進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在9.7kw/試樣的熱防護(hù)性能達(dá)到最大值，主要是由于熱收縮使得織物表面碳化形成一道保護(hù)屏障[6]。但由于碳化的服裝機(jī)械性能降低，可穿著性能也隨之降低，因此在研究消防服面料的防護(hù)性能時(shí)，不能只看它的熱防護(hù)性能，機(jī)械性能對(duì)消防服的穿著也是相當(dāng)重要的。

R. L. Barker等人通過(guò)研究水分對(duì)低水平輻射熱下的消防服的熱防護(hù)性能，發(fā)現(xiàn)含水量在15%到20%之間時(shí)，濕度增加，其熱防護(hù)性能也隨之變好；超過(guò)20%含水量以后，其熱防護(hù)性能隨著濕度的增加而降低[7]。因此濕度控制在消防服面料中也是相當(dāng)關(guān)鍵的，合適的濕度能夠提高熱防護(hù)性能，延長(zhǎng)消防服的保護(hù)時(shí)間。但R. L. Barker等人只是研究了水分在低水平輻射熱下對(duì)消防服面料的影響，沒(méi)有考慮到高水平，火焰或者面料選取的不同情況下對(duì)其造成的影響，在未來(lái)的消防服研究中將逐步深化。

孟瑾通過(guò)研究日曬對(duì)消防服的熱防護(hù)性能的影響，發(fā)現(xiàn)日曬后消防織物的熱防護(hù)性能增加，但隨著輻射強(qiáng)度的增大和時(shí)間的積累，熱防護(hù)性能將會(huì)呈現(xiàn)降低趨勢(shì)[8]。

1.2 人為因素

服裝穿著通常都要經(jīng)過(guò)洗滌，張靜靜通過(guò)對(duì)單層或者多層消防織物經(jīng)過(guò)洗滌后的熱防護(hù)性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)消防織物的熱防護(hù)性能在洗滌之后出現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象，但是均大于洗滌之前的熱防護(hù)性能，即經(jīng)過(guò)洗滌后的消防織物的熱防護(hù)性能增大[9]。

消防員在進(jìn)行作業(yè)時(shí)，一直處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，李俊，李曉輝等人通過(guò)對(duì)測(cè)試熱防護(hù)測(cè)試儀進(jìn)行修改，模擬了三種消防員運(yùn)動(dòng)模式，并對(duì)不同模式下的熱防護(hù)性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)時(shí)，織物之間產(chǎn)生不斷變化著的氣隙，比沒(méi)有運(yùn)動(dòng)零氣隙狀態(tài)下的熱防護(hù)性能明顯提高，但均近似于靜態(tài)氣隙為6.4mm時(shí)消防織物的熱防護(hù)性能[10]。不斷運(yùn)動(dòng)的情況下，摩擦因素也是不容忽視的。韓倫通過(guò)對(duì)多層消防織物的外層進(jìn)行不同次數(shù)的摩擦后的熱防護(hù)性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)摩擦后的消防織物的厚度不斷變薄從而導(dǎo)致其熱防護(hù)性能的降低[11]。

1.3 總結(jié)

消防織物在多重外界因素作用下，其熱防護(hù)性能也隨之發(fā)生了變化。消防員作業(yè)時(shí)長(zhǎng)時(shí)間處于熱輻射的條件下，消防織物會(huì)逐漸發(fā)生硬化收縮，隨著時(shí)間的增加消防織物的熱防護(hù)性能也在逐漸減退；消防作業(yè)時(shí)，還常常伴隨有各種飛濺的液體危險(xiǎn)，經(jīng)過(guò)高溫的液體，會(huì)使消防織物發(fā)生收縮，降低其熱防護(hù)性能給消防員的生命安全帶來(lái)威脅等等，各種外界因素均會(huì)對(duì)消防織物的熱防護(hù)性能造成影響，只有綜合全面的影響因素進(jìn)行研究，得到的消防織物才是最優(yōu)的。

2 消防織物

在火災(zāi)環(huán)境-消防織物-消防員這個(gè)系統(tǒng)中，消防織物對(duì)人體的保護(hù)起著相當(dāng)重要的作用。消防織物是典型的多層織物結(jié)構(gòu)，包含外層、防水透氣層、隔熱層和舒適層。消防織物本身對(duì)其熱防護(hù)性能的影響主要取決于消防織物的面料的組成、織物的厚度、織物的層間配置等等。

2.1 面料因素

消防織物的面料主要是由耐高溫纖維混紡而成[12]，或者通過(guò)后整理得到具有更好的熱防護(hù)性能織物。目前主要的高性能纖維主要是芳綸1313纖維(聚間苯二甲酰間苯二胺)、芳綸1414纖維(聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺)、PBI纖維(聚苯并咪唑纖維)、Kermel纖維、芳砜綸纖維、PBO纖維等[13]一些耐高溫性能強(qiáng)的纖維。

C.Bisja發(fā)現(xiàn)了一種將高嶺土同纖維基體相結(jié)合形成的TencelR100纖維，在燃燒時(shí)會(huì)形成一層穩(wěn)定的隔熱層[14]，由其制成的織物熱防護(hù)性能提高。魏亮,劉介正等人通過(guò)在芳綸面料上涂鋁層鋁膠，并進(jìn)行熱防護(hù)性能和垂直燃燒實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)涂鋁膠后的芳綸面料的熱防護(hù)性能大于未涂層的，得到了一種外層鍍鋁的新型消防服面料[15]。趙南,李昂等人通過(guò)將鋁箔材料和玻璃纖維面料復(fù)合得到一種新的，阻燃、隔熱及熱防護(hù)性能均提高的森林消防服面料[16]。

Fanglong Zhu,QianQian Feng等人把粉末狀的相變材料分別納入隔熱層和舒適層，發(fā)現(xiàn)含有相變材料的復(fù)合面料比原始面料的熱防護(hù)性能好且相變材料納入舒適層時(shí)的熱防護(hù)性能更好[17]。Akram Hassan Mohammed Ali, Weidong Yu通過(guò)使用鋁層、無(wú)紡玄武巖布、無(wú)紡纖維和棉制成一個(gè)典型的消防服四層結(jié)構(gòu)織物，并將相變材料均勻的噴涂在無(wú)紡氈織物上制的相變吸熱復(fù)合層，測(cè)試制備好的復(fù)合織物的TPP值，發(fā)現(xiàn)有相變材料的復(fù)合織物比無(wú)相變材料織物的TPP值明顯增大且其熱絕緣性能有明顯的提高[18]。

2.2 間隙因素

消防織物是多層織物組織而成，其熱防護(hù)性能不僅跟消防織物的纖維和面料有關(guān)，跟消防織物的層間配置方式及其功能設(shè)計(jì)也相關(guān)。間隙因素給消防織物帶來(lái)積極的影響，間隙變大其織物的熱防護(hù)性能變高，間隙變小熱防護(hù)性能也隨之降低。

Elena Onofrei，Stojanka Petrusic等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)在低級(jí)別熱輻射時(shí)熱通量在多層防護(hù)服內(nèi)的傳遞的研究，發(fā)現(xiàn)隨著空氣間隙的增加，熱傳遞到皮膚的時(shí)間就變長(zhǎng)了，熱防護(hù)性能也就隨之提高[19]。Ming Fu, Wenguo Weng等人通過(guò)對(duì)不同低級(jí)別的熱輻射下不同位置的不同空氣間隙的消防織物進(jìn)行研究，并通過(guò)測(cè)量每層織物的外表面和內(nèi)表面的溫度來(lái)探索織物系統(tǒng)內(nèi)的溫度分布，發(fā)現(xiàn)隨著輻射流量的增加多層織物的熱防護(hù)性能隨著氣隙的減小而降低[20]。

消防員在作業(yè)時(shí)，火場(chǎng)的高溫環(huán)境會(huì)引起消防織物發(fā)生收縮，從而帶來(lái)消防織物的層間間隙的變化。李曉輝，盧葉虎等人通過(guò)對(duì)火災(zāi)環(huán)境下消防服整體熱縮情況的研究發(fā)現(xiàn)，熱收縮最嚴(yán)重的部位是胳膊和腿，而且由于熱收縮使得織物與人體之間的空氣間隙變小，熱防護(hù)性能降低[21]。王民，李曉輝等通過(guò)運(yùn)用面料進(jìn)行的模型試驗(yàn)和面料制成的服裝進(jìn)行人體假人實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)兩者在TPP值和人體燃燒的百分比沒(méi)有顯著關(guān)系，有間隙的面料實(shí)驗(yàn)熱防護(hù)性能比沒(méi)有間隙時(shí)的熱防護(hù)性能要好，但是在進(jìn)行服裝穿著的人體假人的實(shí)驗(yàn)時(shí)，隨著燃燒時(shí)間的變化，服裝表面發(fā)生收縮，減小了皮膚與服裝之間的間隙，服裝的防護(hù)性能也在逐漸減小[22]。

2.3 厚度因素

消防織物一般為外層-防水透氣層-隔熱層-舒適層四層織物結(jié)構(gòu)，織物的厚度對(duì)其熱防護(hù)性能具有積極影響。2008年李紅燕等人通過(guò)對(duì)13種不同的外層織物的熱防護(hù)性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)織物厚度越大，其測(cè)得的TPP值越高[23]。2008年李俊，王云儀等人通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，多層織物組合的TPP值與其厚度密切相關(guān)，厚度越大，TPP值越大[24]。2009年宗藝晶，張向輝等人通過(guò)對(duì)適用于消防織物外層的四種不同種類(lèi)的消防織物進(jìn)行熱防護(hù)性能研究，發(fā)現(xiàn)隨著織物的面密度和厚度的增大，其熱防護(hù)性能也變大[25]。

2.4 復(fù)合因素

馬春杰通過(guò)對(duì)光濕復(fù)合老化和光熱復(fù)合老化對(duì)消防織物的影響進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)處理后的消防織物的外層織物及組合層的TPP值均增加，即織物的熱防護(hù)性能變好[1]。

相變材料是一種新型的智能調(diào)溫材料，能夠在特定溫度下發(fā)生可逆相態(tài)轉(zhuǎn)變的材料(如固-液轉(zhuǎn)變)，在相變過(guò)程中可從周?chē)栈蛘叻懦龃罅康臒幔瑏?lái)保持自身溫度的恒定。崔志英，袁曉云等人將相變材料同消防隔熱層織物進(jìn)行復(fù)合研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合相變材料后的消防織物的整體散熱量減小，其熱防護(hù)性能增加[26]。

Hannah Phelps, Harvinder等人將相變材料通過(guò)微膠囊包裝置于消防多層織物的不同位置，并配以一定的空氣間隙同只有一定空氣間隙的消防織物進(jìn)行比較，研究發(fā)現(xiàn)額外的空氣間隙不但沒(méi)有增加消防織物的重量而且還增加了熱防護(hù)性能和額外添加相變材料的比沒(méi)有添加相變材料的，其熱防護(hù)性能明顯提高[27]。

2012年黃冬梅等通過(guò)對(duì)消防織物的層間空隙的熱傳導(dǎo)機(jī)理研究，發(fā)現(xiàn)消防織物的舒適層與皮膚之間的間隙在7mm～8mm時(shí)最佳，其熱防護(hù)性能也是最佳狀態(tài)[28]。2014年黃冬梅等人繼續(xù)研究不同空氣層位置通過(guò)實(shí)驗(yàn)與模擬相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)在厚度一定時(shí)，在外層與防水透氣層之間存在空氣間隙使其隔熱效果最好[29]。

2.4 總結(jié)

在實(shí)際設(shè)計(jì)消防服裝時(shí)，應(yīng)該選用耐高溫的阻燃纖維及面料，結(jié)合以一定的空氣間隙，在消防隊(duì)員容易燒傷的部位適當(dāng)增加織物的厚度，通過(guò)改變織物的本身的組成、配置等來(lái)增加對(duì)消防隊(duì)員生命安全的保護(hù)。

3 展望

通過(guò)對(duì)不同因素作用下的消防織物熱防護(hù)性能的變化進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)各種不同因素作用下，其熱防護(hù)性能也不相同，有的因素增加其熱防護(hù)性能，有的因素則會(huì)降低其熱防護(hù)性能。在消防織物的設(shè)計(jì)和制作中應(yīng)該盡量避免不利因素，積極利用有利因素來(lái)增加消防織物的熱防護(hù)性能，更好地保護(hù)消防員的人身安全[29-33]。

消防織物的熱防護(hù)性能受到多種因素的制約，未來(lái)對(duì)消防織物熱防護(hù)性能的研究將從多種不同因素、不同角度和不同層次出發(fā)，綜合分析多種因素共同作用下的變化[34-37]。未來(lái)對(duì)消防織物的影響因素分析，將越來(lái)越貼近火災(zāi)的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，模擬多種因素作用下的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，來(lái)測(cè)試其熱防護(hù)性能，這樣得到的消防織物更有利于保護(hù)消防員的安全。

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[35]劉元軍,趙曉明,拓曉. 玻璃纖維膨體紗保溫材料的開(kāi)發(fā)及性能探討[J]. 材料導(dǎo)報(bào),2016(2):103-107.

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2016-03-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51206122)

朱榮桂(1991-)，女，碩士研究生，研究方向：消防服用織物熱防護(hù)性能。

趙曉明(1963-)，男，博士，天津市特聘教授，博士生導(dǎo)師。

TS101

A

1008-5580(2016)04-0206-05