熱水侵入條件對(duì)織物防護(hù)性能的影響

管曼好， 賈汪洋， 吉 洋， 李 俊，3

(1. 東華大學(xué) 服裝·藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院， 上海 200051; 2. 東華大學(xué) 功能防護(hù)服裝研究中心， 上海 200051;3. 東華大學(xué) 現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200051)

熱水侵入條件對(duì)織物防護(hù)性能的影響

管曼好1，2， 賈汪洋1， 吉 洋1， 李 俊1，2，3

(1. 東華大學(xué) 服裝·藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院， 上海 200051; 2. 東華大學(xué) 功能防護(hù)服裝研究中心， 上海 200051;3. 東華大學(xué) 現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200051)

產(chǎn)業(yè)工人在工作時(shí)可能會(huì)遭受高溫?zé)崴膫?，基于此?duì)熱水侵入條件下織物的傳熱規(guī)律進(jìn)行了探討。利用高溫?zé)崴雷o(hù)性能測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)正交試驗(yàn)對(duì)不同熱水溫度、侵入角度和侵入高度條件下11種織物進(jìn)行測(cè)試，采用2級(jí)燒傷時(shí)間作為熱水防護(hù)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析了織物特性和熱水侵入條件與織物熱水防護(hù)性能之間的關(guān)系。結(jié)果表明：不同織物的熱水防護(hù)性能存在差異，防水整理可以明顯提高織物熱水防護(hù)性能?？椢锊煌恢玫臒崴雷o(hù)性能受熱水侵入條件和織物特性的影響。水溫是影響織物熱水防護(hù)性能的最主要因素?？椢锷戏降臒崴雷o(hù)性能受熱水侵入條件影響較大，織物中下方的熱水防護(hù)性能受織物特性的影響較織物上方大。

高溫?zé)崴?熱水防護(hù)性能； 織物特性； 侵入條件

產(chǎn)業(yè)工人在工作過(guò)程中可能會(huì)遇到蒸汽或液體燙傷等職業(yè)危害，例如食品加工、能源等行業(yè)的作業(yè)人員在工作時(shí)可能會(huì)遭受高溫?zé)崴膫1-3]?，F(xiàn)階段熱防護(hù)服的研究主要是針對(duì)火焰引起的對(duì)流和輻射防護(hù)，而對(duì)高溫?zé)崴h(huán)境下服裝熱防護(hù)性能的研究較少?，F(xiàn)實(shí)作業(yè)環(huán)境下熱水侵入條件存在隨機(jī)性，不同熱水侵入條件對(duì)人體造成的危害程度有所不同。本文利用高溫?zé)崴雷o(hù)性能測(cè)試系統(tǒng)探討熱水侵入時(shí)服裝用織物的傳熱過(guò)程，分析織物屬性和熱水侵入條件對(duì)織物熱水防護(hù)性能的影響。

1 試驗(yàn)樣本

實(shí)際作業(yè)中存在熱水危害的行業(yè)有食品加工、鍋爐作業(yè)以及醫(yī)護(hù)清潔等，相關(guān)工作服多采用全棉或滌/棉織物，本文選擇這2類織物作為試驗(yàn)樣本?？紤]到高溫?zé)崴h(huán)境下織物的防水性能對(duì)其熱水防護(hù)性能具有重要影響[4]，故對(duì)織物A1、A2、A6、A7進(jìn)行防水涂層整理[5]，織物B1、B2、B6和B7作為防水織物樣本。試樣的基本物理性能測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)試織物基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of fabric samples

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

目前高溫液體飛濺物熱防護(hù)性能測(cè)試常采用ASTM F 2701—2008《防護(hù)服與飛濺熱液體接觸時(shí)評(píng)估材料熱傳遞的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》，其中評(píng)價(jià)織物熱水防護(hù)性能的主要指標(biāo)為2級(jí)燒傷時(shí)間。

采用高溫?zé)崴雷o(hù)性能測(cè)試系統(tǒng)完成測(cè)試及數(shù)據(jù)的采集[6]。該系統(tǒng)水溫可控，傳感器板的角度和熱水管口位置可調(diào)節(jié)，以模擬不同的熱水侵入角度和速度。傳感器板中安裝3個(gè)溫度傳感器采集溫度數(shù)據(jù)，分別位于熱水管口的正下方、下方100 mm和下方200 mm處，分別稱為上、中、下傳感器，如圖1所示。皮膚燒傷預(yù)測(cè)程序通過(guò)MatLab偏微分方程pdepe函數(shù)編寫。根據(jù)Duhamel準(zhǔn)則[7]將傳感器溫度變化量換算為皮膚表面的熱流量，結(jié)合Pennes傳熱方程模擬皮膚層傳熱以計(jì)算皮膚層升溫量，并通過(guò)Henriques燒傷積分模型計(jì)算2級(jí)燒傷時(shí)間[8-9]。

本文試驗(yàn)設(shè)定熱水暴露時(shí)間為10 s，流量為1 L/10 s。熱水暴露停止后，仍記錄后續(xù)50 s內(nèi)3個(gè)傳感位置溫度隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)。實(shí)際工作環(huán)境中，侵入熱水具有不同溫度、侵入角度和流速，以此作為本文試驗(yàn)正交設(shè)計(jì)中的3個(gè)因素，其中流速變化通過(guò)調(diào)節(jié)管口高度來(lái)表征。每個(gè)因素設(shè)計(jì)3個(gè)水平，構(gòu)成3因素3水平正交試驗(yàn)，如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.2 Orthogonal experimental design

3 結(jié)果與分析

3.1 織物屬性的影響

3.1.1 防水整理的影響

測(cè)試織物的熱水防護(hù)性能，結(jié)果如表3所示。不防水織物A1～A7在大部分測(cè)試中都達(dá)到2級(jí)燒傷水平，防水織物B1、B2、B6、B7都未達(dá)到2級(jí)燒傷水平，說(shuō)明防水整理明顯改善了織物的熱水防護(hù)性能。圖2、3分別示出A1和B1織物在試驗(yàn)條件5時(shí)(即侵入角度45°、管口高度10 cm、水溫80 ℃)上傳感器溫度及熱流量隨時(shí)間的變化情況。對(duì)于不防水織物，當(dāng)熱水侵入織物后，傳感器溫度迅速上升，隨后保持平衡；當(dāng)熱水暴露停止時(shí)，傳感器溫度又迅速下降，說(shuō)明此時(shí)的熱量主要通過(guò)熱水傳遞。對(duì)于防水織物，當(dāng)熱水侵入織物后，傳感器溫度逐漸上升，上升速度和幅度均小于不防水織物；當(dāng)熱水暴露停止時(shí)，傳感器溫度仍在短時(shí)間內(nèi)繼續(xù)上升并保持穩(wěn)定，隨后緩慢下降，表明此時(shí)的熱量通過(guò)防水織物本身傳遞，織物中存在一定程度的熱量蓄積。數(shù)據(jù)記錄最后階段不防水織物傳感器溫度高于防水織物，熱流量相同，這進(jìn)一步說(shuō)明了防水整理對(duì)織物熱水防護(hù)性能的積極影響。

表3 正交試驗(yàn)中2級(jí)燒傷時(shí)間Tab.3 2-grade burn time in orthogonal experiment

注：“1～9”分別對(duì)應(yīng)表2中實(shí)驗(yàn)條件1～9； “-”表示計(jì)算時(shí)未出現(xiàn)2級(jí)燒傷時(shí)間點(diǎn)，即未達(dá)到2級(jí)燒傷。

3.1.2 不防水織物物理性能的影響

圖4示出A1～A7織物在試驗(yàn)條件2時(shí)(即侵入角度30°、管口高度10 cm、水溫65 ℃，3個(gè)傳感器位置的2級(jí)燒傷時(shí)間。織物在不同位置的2級(jí)燒傷時(shí)間表現(xiàn)不同，上傳感器<中傳感器<下傳感器；同時(shí)，不同織物之間上傳感器處差異較小，從中部至下方差異越來(lái)越大。可見，不防水織物的熱水防護(hù)性能受到熱水直接沖擊而表現(xiàn)不同，熱水直接沖擊部位因滲透而產(chǎn)生大量熱量，而未直接沖擊部位因水分在織物中的擴(kuò)散，使熱量傳遞大小受織物自身影響較大。

利用SPSS中Pearson相關(guān)性分析，得到A1～A7織物各部位2級(jí)燒傷時(shí)間與織物物理性能的相關(guān)系數(shù)及其顯著性，如表4所示。上傳感器位置的2級(jí)燒傷時(shí)間與織物物理性能無(wú)顯著相關(guān)性；中傳感器位置的2級(jí)燒傷時(shí)間與織物面密度呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與透氣率、底層浸潤(rùn)時(shí)間、表層最大吸水速率均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；下傳感器對(duì)應(yīng)位置的2級(jí)燒傷時(shí)間與織物面密度、厚度呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與透氣率、底層浸潤(rùn)時(shí)間、表層最大吸水速率均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。可見結(jié)果與圖2分析一致，織物受熱水直接沖擊部位的熱水防護(hù)性能受織物性能影響較小，未受熱水直接沖擊部位的熱水防護(hù)性能受織物性能影響較大。

注：*表示在置信度(雙側(cè))為0.05時(shí)顯著相關(guān)；**表示在置信度(雙側(cè))為 0.01 時(shí)顯著相關(guān)。

3.2 熱水侵入條件的影響

3.2.1 水溫的影響

圖5示出9種試驗(yàn)條件下織物A1上傳感器溫度隨時(shí)間的變化。溫升曲線明顯按照不同的水溫分為3組，表明3個(gè)侵入因素中水溫對(duì)不防水織物的熱防護(hù)性能起主導(dǎo)作用。圖6示出織物A1在65 ℃和80 ℃水溫下的平均熱流曲線，可以看到水溫升高導(dǎo)致傳感器表面熱流量大幅上升。

3.2.2 侵入角度的影響

表5示出不同侵入角度時(shí)上傳感器的2級(jí)燒傷時(shí)間。可以看到，對(duì)于水流直接侵入的上方部位，當(dāng)侵入角度為60°時(shí)，2級(jí)燒傷時(shí)間最小，明顯低于侵入角度為30°和40°時(shí)的2級(jí)燒傷時(shí)間。當(dāng)侵入角度為30°和45°時(shí)，2級(jí)燒傷時(shí)間無(wú)明顯差異，這可能是因?yàn)樗餮孛姘辶鲃?dòng)的速率主要是受重力沿斜面分力的影響；與30°和45°的侵入角度相比，侵入角度較大(60°)時(shí)的水流在織物表面流速較慢，在上方傳感器位置蓄積了較多熱量。

表5 不同侵入角度下上傳感器的2級(jí)燒傷時(shí)間均值Tab.5 Means of 2-grade burn time of upper sensor at different splash angles

注：a、b表示顯著性水平(a

3.2.3 侵入高度的影響

對(duì)于水流直接侵入的上方部位，侵入高度為10 cm和15 cm的2級(jí)燒傷時(shí)間無(wú)明顯差異，但二者明顯低于侵入高度為5 cm的2級(jí)燒傷時(shí)間，如表6所示。

表6 不同侵入高度下上傳感器的2級(jí)燒傷時(shí)間均值Tab.6 Means of 2-grade burn time of upper sensor in different splash heights

注：a、b表示顯著性水平(a

Olderman理論[10]指出液體滲透阻力的影響因素：液體滲透阻力與液體表面張力、液體黏度、接觸角和材料厚度成正比，與侵入壓力、作用時(shí)間、材料孔隙半徑成反比。當(dāng)管口高度越大時(shí)，熱水接觸織物表面的流速越快，熱水侵入壓力越大，由Olderman理論可知，此時(shí)液體滲透阻力較小。因此透過(guò)織物的熱水所占比例就較大，使得熱水?dāng)y帶的熱量中傳遞給傳感器的熱量也較多，故較大的侵入高度相對(duì)更易發(fā)生2級(jí)燒傷。

4 結(jié) 論

利用正交試驗(yàn)研究了不同熱水侵入條件時(shí)不防水織物和防水織物的傳熱規(guī)律及熱水防護(hù)性能，用2級(jí)燒傷時(shí)間作為熱水防護(hù)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。分析表明，不同織物的熱水防護(hù)性能存在差異，防水整理可以明顯提高織物熱水防護(hù)性能。織物不同位置的熱水防護(hù)性能受織物特性和熱水侵入條件的影響。水溫是織物熱水防護(hù)性能的主要影響因素。熱水直接沖擊的織物上方熱水防護(hù)性能受熱水侵入條件影響較大，面密度、透氣率等織物的物理性質(zhì)與織物上方的2級(jí)燒傷時(shí)間無(wú)關(guān)；不受熱水直接沖擊的織物中下方熱水防護(hù)性能受織物特性影響較織物上方大，面密度、透氣率等織物的自身性質(zhì)和水溫均對(duì)織物中下方2級(jí)燒傷時(shí)間有顯著影響。

FZXB

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Thermal protective performances of fabric upon hot water splashes

GUAN Manhao1，2， JIA Wangyang1， JI Yang1， LI Jun1，2，3

(1. Fashion·Art Design Institute， Donghua University， Shanghai 200051， China； 2. Protective Clothing Research Center， Donghua University， Shanghai 200051， China； 3. Key Laboratory of Clothing Design & Technology，Ministry of Education， Donghua University， Shanghai 200051， China)

As industrial workers may be threatened by hot water splashes, the study investigated the heat transfer of fabric upon hot water splashes. The orthogonal experiment was designed to test the performance of 11 kinds of fabrics under conditions different water temperatures, splash angles and splash heights. The experiment was conducted by a hot water protective performance tester, and the 2-grade burn time was adopted to characterize the thermal protective performance of fabrics. The effects of the fabric property and splash condition on the thermal protective performance were analyzed. The results show that water-proof finish can improve the thermal protective performance of fabrics. The splash condition and fabric property influence the thermal protective performance in different positions of fabrics. The temperature of hot water is the most important factor influencing the thermal protective performance. The thermal protective performance of the upper position of fabric is primarily related to the splash condition. The protective performance of the lower position is influenced mostly by the fabric property.

hot water； thermal protective performance； fabric property； splash condition

10.13475/j.fzxb.20151006105

2015-10-27

2016-06-30

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金項(xiàng)目(15D110735/36)

管曼好(1992—)，女，博士生。研究方向?yàn)榉b舒適性與功能服裝。李俊，通信作者，E-mail: lijun@dhu.edu.cn。

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