相變高溫防護服的熱防護影響因素分析

王棋生，何　艷，孫玉釵,2

(1.蘇州大學紡織與服裝工程學院，江蘇 蘇州 215006；2.南通蘇州大學紡織研究院，江蘇 南通 226018)

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相變高溫防護服的熱防護影響因素分析

王棋生1，何艷1，孫玉釵1,2

(1.蘇州大學紡織與服裝工程學院，江蘇 蘇州 215006；2.南通蘇州大學紡織研究院，江蘇 南通 226018)

摘要：通過分析不同高溫環(huán)境下，相變材料包之間的分布間隙變化對服裝熱防護性能影響的規(guī)律，為相變服裝防護效果的研究提供一定的依據。實驗選取熱平板儀模擬環(huán)境溫度，使用8探頭溫度記錄儀測試服裝相變層和間隙處的表面溫度，將實驗數據導入origin繪圖及數據分析軟件，得出其溫度隨時間變化的曲線圖。結果顯示，高溫環(huán)境溫度越低，相變材料包之間的間隙量越小，其防護時間越長，防護效果越好。

關鍵詞：相變材料；服裝熱防護；間隙分布

在高氣溫或同時存在高溫熱源的環(huán)境下進行的生產勞動，通稱為高溫作業(yè)。高溫天氣作業(yè)是指用人單位在高溫天氣期間安排勞動者在高溫自然氣象環(huán)境下進行的作業(yè)[1]。當生活、工作環(huán)境中的溫度升高，超過了人體的承受能力后，可以引起人的疾病，甚至死亡[2]。高溫作業(yè)下的熱應激問題已成為近年來社會關注的焦點，而采取有效措施降低熱應激，保護作業(yè)人員身體健康成為研究者們關注的對象。

相變材料PCMs(Phase Change Materials)是一類在一定溫度范圍內，以潛熱的形式依靠自身可逆相變從環(huán)境中吸收或釋放熱量的物質[3]。將相變材料添加到服裝中，能延緩由于環(huán)境劇烈變化引起的人體溫度突變，使服裝整體更具穿著熱舒適性[4]。

1實驗條件與方法

1.1實驗材料

本次實驗選擇的面料統一為含50%芳綸+50%棉的混紡阻燃面料，面料大小為20cm×20cm。在同一面料上縫制分布間隙量不同的口袋，將封裝好的28℃相變材料放進去。

1.2實驗條件

本次實驗在恒溫恒濕室進行，減少外部環(huán)境影響。通過熱平板儀模擬高溫環(huán)境，分別設定為35℃、40℃和45℃。間隙分布設計為2、4、6、8、10、12和14mm。如表1所示。

表1　PCM包試樣相關參數

1.3測試方法

設定平板保溫儀模擬高溫環(huán)境，至操作面板讀數穩(wěn)定。將封裝好的PCM放入試樣口袋，一起放進溫度為-10°的冰箱中冷凍至PCM呈固態(tài)，每次冷凍時間為2h。啟動溫度記錄儀，開始實時記錄溫度變化。將冷凍好的試樣放置在測試臺，檢查PCM分布情況，確保分布準確一致后放入平板式保溫儀中。開始實時記錄采集數據，每10s記錄一次數據。

2實驗結果與分析

2.1間隙處溫度與PCM包溫度升溫趨勢分析

溫度記錄儀分別記錄間隙處溫度和PCM包溫度，各取四個點的溫度平均值作為該層的溫度。繪制溫度隨時間變化的曲線圖，如圖1和圖2分別為含20℃相變材料包的試樣在35℃時間隙處溫度及PCM包溫度隨時間變化曲線。

圖1　間隙處溫度變化趨勢

圖2　PCM包溫度變化趨勢

由圖中可以看出，在整個實驗過程中，隨著時間的增加，間隙處溫度和PCM包溫度都呈現上升趨勢。隨著間隙量的增加，溫度上升速率增加。在同一時刻下，各間隙量對應的PCM包溫度都低于間隙處溫度。

當間隙量不超過6mm時，PCM的相變時間較長，對間隙處溫度有較明顯的熱緩沖作用，當間隙量超過8mm后，PCM的相變過程縮短，對間隙處的溫度的熱緩沖作用不明顯。

2.2間隙處溫度與PCM溫度的溫差分析

溫差是指同一時刻下，間隙處溫度與PCM包的溫度之差。圖3是各個間隙分布下的溫差變化趨勢圖。表2為在變化過程中出現的最值變化。

表2　不同間隙分布的溫差峰值變化

圖3　不同間隙分布下間隙處溫度與PCM溫度溫差變化關系圖

由圖3和表2可以看出，溫差隨著時間的增加，先增加后減小。

在試樣進入高溫環(huán)境初期，PCM的相變作用明顯，間隙溫度上升速率大于PCM包溫度上升速率，直至達到第一個峰值；隨著間隙量的增加，溫差峰值變大，間隙升溫速率不斷提高。

隨著PCM的不斷的相變吸熱，其熱緩沖效果作用于間隙處，使得間隙處溫度上升速率變緩，同時PCM的相變作用開始慢慢減弱，從包的溫度上升速率加快，使得溫差逐漸下降直至趨于穩(wěn)態(tài)。

當間隙量不超過6mm時，PCM的熱緩沖作用對間隙有明顯影響，使得溫差逐漸減小，出現第一個最低值；隨著PCM的相變作用減弱，間隙處升溫速率又開始增加，溫差又開始變大，出現第二個峰值；直至相變吸熱完全，PCM包升溫速率加快，溫差又開始減小直至趨于穩(wěn)態(tài)。

2.3不同間隙及高溫環(huán)境下的熱防護時間對比分析

在高溫環(huán)境中，人體處于舒適狀態(tài)時，靠近皮膚的微氣候溫度上限為32.5℃[5]。相變材料包通過吸收熱量對間隙溫度進行調節(jié)，間隙處的溫度舒適區(qū)域的時間表征相變材料的熱防護效果。通過圖1和圖2得到的防護時間如表3和圖4所示。

表3　不同間隙分布下的熱防護時間段及防護時間

圖4　不同高溫環(huán)境下，各間隙分布的熱防護時間對比圖

由圖4和表3可以看出，同一高溫環(huán)境下，隨著間隙量的增加，試樣的防護時間呈現遞減趨勢；同一間隙量下，隨著環(huán)境溫度的升高，防護時間縮短。

在35℃高溫環(huán)境下，當間隙分布超過10mm時，防護時間減少幅度變大；在40℃高溫環(huán)境下，當間隙分布超過6mm時，防護時間減少幅度增加；在45℃高溫環(huán)境下，當間隙分布超過4mm時，防護時間減少幅度變大。由此可以看出，隨著環(huán)境溫度的升高，PCM包能對間隙的熱緩沖作用影響的間隙分布量越來越小。

3結論

本文通過利用熱平板儀模擬不同高溫環(huán)境，使用溫度記錄儀實時測試間隙處溫度及PCM包溫度的方法，對不同間隙及不同高溫環(huán)境下的溫度動態(tài)變化過程進行了分析，得出以下幾點結論：

(1) 在高溫環(huán)境下，間隙處溫度和PCM包溫度整體呈現上升趨勢，且間隙處溫度始終高于PCM包溫度。

(2) PCM 層的熱防護效果和熱緩沖作用與 PCM 包的分布間隙量成反比，即分布間隙量越大，熱防護效果越差，熱緩沖時間越短。

(3) PCM的熱防護效果和熱緩沖作用與環(huán)境溫度成反比，即環(huán)境溫度越高，熱防護效果越差，熱緩沖時間越短。

參考文獻：

[1]白瑞.高溫作業(yè)危害及其防護.現代職業(yè)安全.2012(7): 32-33.

[2]于爽.高溫作業(yè)的危害和防護.中國個體防護裝備.2010(3): 49.

[3]張冬霞,郭鳳芝.相變材料在調溫服裝中的應用[J]. 針織工業(yè),2007 (3):28-31.

[4]鄒振高.服裝用相變材料的研究進展[J].中國個體防護備,2009(2):16-21.

[5]黃建華.服裝的舒適性[M].北京：科學出版社，2008.

收稿日期：2016-01-08