消防避火服復(fù)合織物熱防護(hù)性能的影響因素分析

劉國熠，李建明，趙曉明

(1.天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)部，天津 300387；2.天津市消防局，天津 300090)

0 前言

消防避火服是應(yīng)用在高溫明火火場條件下，確保消防員短期穿越火場行動安全、對被困群眾和重要物資實施救援的防護(hù)裝備[1-2]，其需要具備在施救的8min～10min時間內(nèi)能夠耐受上千攝氏度高溫火焰舔舐的能力，充分保障消防救援人員的人身安全[3-6]。然而，由于消防避火服適用標(biāo)準(zhǔn)缺失，其防護(hù)效能可靠性不被認(rèn)可[7-9]，亟需對該類服裝的熱防護(hù)效能的影響因素進(jìn)行研究，找到提升消防避火服熱防護(hù)效能可持續(xù)性的途徑與方法，為有效增強消防避火服的防護(hù)效果，提升滅火救援效率奠定理論基礎(chǔ)。

消防避火服復(fù)合織物是由耐火外層、防水透濕層、隔熱層和舒適層等四層結(jié)構(gòu)組成[10-13]。其中耐火外層和隔熱層為主要的防護(hù)功能層，對于這兩層織物熱防護(hù)性能的研究可對提升復(fù)合織物整體的熱防護(hù)性能產(chǎn)生事半功倍的效果[14-16]。考慮到消防避火服的穿著舒適性等要求，選擇對外層織物種類和層數(shù)，以及隔熱層厚度等因素對消防避火服外層織物熱防護(hù)性能的影響為主要研究內(nèi)容[17-18]，通過對比與分析，找到各因素對復(fù)合織物整體熱防護(hù)性能的影響規(guī)律，為進(jìn)一步優(yōu)化消防避火服復(fù)合織物的熱防護(hù)效果找到理論依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

高硅氧玻璃纖維織物(A1)、隔熱層非織造布(A2)和舒適層阻燃棉織物(A3)，由北京品益思科技有限公司提供；高硅氧玻璃纖維(B1)，由青島星輪實業(yè)有限責(zé)任公司提供；連續(xù)玄武巖玻璃纖維織物(XW)，由天津市鼎上新材料科技有限公司提供，防水滲透層織物(F)由上海圣鷗集團(tuán)提供，三類不同厚度隔熱層非織造布(C2、D2和E2)為自制。

1.2 實驗儀器

TPS-2500S型Hot Disk熱常數(shù)分析儀(瑞典凱戈納斯有限公司)； TPP701D型熱防護(hù)性能測試儀(美國精密制造公司)。

1.3 實驗方法

1.3.1 導(dǎo)熱系數(shù)的測定

根據(jù)織物厚度選用適宜探頭，使用Hot Disk熱常數(shù)分析儀對不同種類外層織物進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)的測試與分析[19-21]。

1.3.2 熱防護(hù)性能測試(TPP)

熱防護(hù)性能測試參照標(biāo)準(zhǔn)ISO17492，使用TPP701D型熱防護(hù)性能測試儀對織物進(jìn)行防護(hù)效能測試，輻射熱通量與對流熱通量的比值控制在1∶1，通過二級燒傷時間曲線與織物傳感相應(yīng)曲線的交叉點，判斷織物的熱防護(hù)性能優(yōu)劣[22-25]。

2 結(jié)果與討論

2.1 外層織物種類對復(fù)合織物熱防護(hù)性能的影響

為探究外層織物種類對消防避火服復(fù)合織物熱防護(hù)性能的影響，使用TPP701D型熱防護(hù)性能測試儀對織物進(jìn)行防護(hù)效能測試，輻射熱通量與對流熱通量的比值控制在1:1，測試結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同外層織物消防避火服復(fù)合織物熱防護(hù)性能(TPP)測試曲線對比

從圖1中可以看出，三種消防避火服復(fù)合織物的傳感響應(yīng)曲線較為接近， A1FA2A3、B1FA2A3和XWFA2A3等三類織物組合的TPP時間分別為35.87 s、34.87 s和34.56 s，其中以高硅氧玻璃纖維織物(A1)為最外層時，復(fù)合織物的TPP時間最大，分別比以B1和XW為最外層時高出1 s和1.31 s。而高硅氧玻璃纖維織物(A1)、高硅氧玻璃纖維織物(B1)和連續(xù)玄武巖纖維織物(XW)等三類消防避火服外層織物的TPP測試曲線如圖2所示。

圖2 不同消防避火服外層織物熱防護(hù)性能(TPP)測試曲線對比

從圖2中可以看出，三種消防避火服外層織物的TPP時間分別為5.64 s、5.29 s和4.75 s，其中以高硅氧玻璃纖維織物(A1)的TPP時間最大，分別比高硅氧玻璃纖維織物(B1)和連續(xù)玄武巖纖維織物(XW)高出0.35 s和0.89 s。

根據(jù)圖1和圖2中所示，為了更加直觀地體現(xiàn)外層織物對消防避火服復(fù)合織物整體熱防護(hù)性能的影響，將高硅氧玻璃纖維織物(A1)、高硅氧玻璃纖維織物(B1)和連續(xù)玄武巖纖維織物(XW)與以此三類織物為最外層的復(fù)合織物TPP時間繪制于圖3中。

圖3 消防避火服外層織物種類對消防避火服復(fù)合織物TPP時間的影響

從圖3中可以看出，外層織物的TPP時間與消防避火服復(fù)合織物整體TPP時間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，且復(fù)合織物的TPP時間變化幅度相對更大?？梢?，外層織物的熱防護(hù)性能優(yōu)劣對消防避火服復(fù)合織物的TPP時間影響較為明顯。

出現(xiàn)上述現(xiàn)象可能的原因是，作為直接接觸火場環(huán)境中的高溫明火的防護(hù)層織物，消防避火服外層織物主要起到防止明火火焰和高溫輻射熱對織物的損傷的作用，其防護(hù)性能的優(yōu)劣，直接影響著后續(xù)各層織物防護(hù)功能的持久穩(wěn)定發(fā)揮[26-28]。因此，外層織物對于輻射熱和對流熱為1:1的火源條件的TPP時間越長，以該類織物為外層織物的消防避火服復(fù)合織物整體的熱防護(hù)性能就相對越好[29]。

2.2 外層織物層數(shù)對復(fù)合織物熱防護(hù)性能的影響

為了防止消防避火服外層織物在實際滅火救援中發(fā)生鉤掛等損傷，導(dǎo)致防護(hù)功能失效，一些避火服生產(chǎn)廠家設(shè)計出兩層外層織物的防護(hù)服裝，以增強防護(hù)效果。為探究外層織物層數(shù)對消防避火服復(fù)合織物熱防護(hù)性能的影響，使用TPP701D型熱防護(hù)性能測試儀對織物進(jìn)行防護(hù)效能測試，輻射熱通量與對流熱通量的比值控制在1:1，以高硅氧玻璃纖維織物(B1)和連續(xù)玄武巖纖維織物(XW)為例進(jìn)行對比，測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同外層織物層數(shù)消防避火服復(fù)合織物熱防護(hù)性能(TPP)測試曲線對比

從圖4中可以看出，增加外層織物層數(shù)后，消防避火服整體的熱防護(hù)性能得到明顯提升，增加高硅氧玻璃纖維織物(B1)和連續(xù)玄武巖纖維織物(XW)層數(shù)后，消防避火服復(fù)合織物TPP時間分別為39.91 s和47.07 s，比未增加外層織物層數(shù)前分別提升了5.04 s和12.51 s，復(fù)合織物的熱防護(hù)性能得到了明顯的提升，其中增加連續(xù)玄武巖纖維織物(XW)層數(shù)后，復(fù)合織物的TPP時間提升更為明顯。

出現(xiàn)上述現(xiàn)象可能的原因是：(1)外層織物層數(shù)的增加減緩了在面對高溫火焰時消防避火服外層部分的損傷，提升了復(fù)合織物體系的防護(hù)持久性。其中由于連續(xù)玄武巖纖維織物(XW)高溫?zé)岱€(wěn)定性較高硅氧玻璃纖維織物(B1)更強，因此，增加該類織物層數(shù)后，避火服外層織物在高溫明火條件下受到的損傷更小，推遲了后續(xù)功能層在受到高溫?zé)釗p傷后發(fā)生性狀改變的發(fā)生時間，從而有效地延長了消防避火服復(fù)合織物整體的熱防護(hù)時間[30-33]。(2)外層織物層數(shù)的增加，使得復(fù)合織物在兩層外層織物間形成了空氣附面層，這一附面層的增加可以進(jìn)一步提升消防避火服復(fù)合織物的熱防護(hù)性能[34-36]。

2.3 隔熱層織物厚度對復(fù)合織物熱防護(hù)性能的影響

為探究隔熱層織物厚度對消防避火服復(fù)合織物熱防護(hù)性能的影響，使用TPP701D型熱防護(hù)性能測試儀對織物進(jìn)行防護(hù)效能測試，輻射熱通量與對流熱通量的比值控制在1:1，測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同隔熱層厚度消防避火服復(fù)合織物熱防護(hù)性能(TPP)測試曲線對比

從圖5中可以看出，在自制的三類隔熱層C2(厚度3.92 mm)、D2(厚度5.12 mm)和E2(厚度6.72 mm)中，隨著隔熱層厚度的增大，消防避火服復(fù)合織物的TPP時間明顯增大，三類復(fù)合織物的TPP時間分別為33.75 s、37.41 s和52.85 s，以自制非織造布D2和E2為消防避火服隔熱層織物時分別比以自制非織造布C2為隔熱層時提升了3.66 s和19.10 s，隨著隔熱層織物厚度的增加，復(fù)合織物的熱防護(hù)性能得到了顯著的提升。而以市售非織造布A2(厚度3.05 mm)為隔熱層織物時，復(fù)合織物的TPP時間為34.88s，與以自制非織造布C2為隔熱層時提升了1.13 s。

出現(xiàn)上述現(xiàn)象可能的原因是：(1)在織物其它規(guī)格相同的條件下，隔熱層厚度的增加可以明顯提升消防避火服復(fù)合織物中駐留空氣的體積，增加織物整體的隔熱效果[37-39]。通過對三類自制非織造布C2、D2和E2的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測試，測得三者的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.1112 W·(m·K)-1、0.0910 W·(m·K)-1和0.0879 W·(m·K)-1。因此，增加隔熱層織物的厚度可以明顯降低隔熱層織物的導(dǎo)熱系數(shù)，進(jìn)而增強復(fù)合織物整體的絕熱能力，提升織物的整體熱防護(hù)性能[40-42]；(2)研究發(fā)現(xiàn)，密度的增加可以提升織物自身的熱防護(hù)性能，密度越大，其可以阻擋的熱量相對更多。對于不同種類的隔熱層織物市售非織造布A2和自制非織造布C2而言，雖然前者的厚度略低，但是其密度達(dá)到了72kg·m-3，而后者僅為61 kg·m-3，在1 m3的體積內(nèi)，前者的質(zhì)量比后者高出了11 kg，增加質(zhì)量為后者的18.03%。因此，以市售非織造布A2為隔熱層的消防避火服復(fù)合織物的熱防護(hù)性能相對較好[43-45]。

3 結(jié)論

通過對不同外層織物種類、不同外層織物層數(shù)和不同隔熱層厚度的消防避火服復(fù)合織物熱防護(hù)性能進(jìn)行對比，得出以下三個結(jié)論：

(1)消防避火服外層面料主要起到防止明火火焰和高溫輻射熱對織物的損傷的作用，其防護(hù)性能的優(yōu)劣，直接影響著后續(xù)各層織物防護(hù)功能的持久穩(wěn)定發(fā)揮。因此，外層織物的TPP時間越長，以該類織物為外層織物的消防避火服復(fù)合織物整體的熱防護(hù)性能就相對越好。

(2)外層織物層數(shù)增加后，減緩了在面對高溫火焰時消防避火服外層部分的損傷，阻礙了后續(xù)功能層在受到高溫?zé)釗p傷后發(fā)生性狀改變的過程，同時增加了復(fù)合織物外層部分的空氣附面層層數(shù)。因此，消防避火服整體的熱防護(hù)性能得到明顯提升。

(3)隔熱層厚度的增加可以明顯提升消防避火服復(fù)合織物中駐留空氣的體積，降低隔熱層織物的導(dǎo)熱系數(shù)，進(jìn)而增強復(fù)合織物整體的絕熱能力。同時，密度的增加可以提升織物自身的熱防護(hù)性能，進(jìn)而提升織物的整體熱防護(hù)性能。

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