消防服性能研究現(xiàn)狀及展望

劉津池,于 淼,程文杰，王 俠

(1.青島大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，山東 青島 266000；2.武漢警官學(xué)院，湖北 武漢 430000)

1 引言

穿著消防服的消防員長(zhǎng)時(shí)間處于高溫環(huán)境，身體會(huì)產(chǎn)生一系列不良反應(yīng)，如體溫上升、出汗量增多等。消防服在阻擋外部熱量進(jìn)入的同時(shí)，也會(huì)抑制穿著者體熱向外散失，從而產(chǎn)生熱積蓄，使得人體與消防服之間微氣候溫度過高，進(jìn)一步加劇人體不良反應(yīng)，甚至導(dǎo)致熱暈厥[1-3]。

文章首先從最基本的阻燃功能、隔熱功能兩方面分析了消防服的熱防護(hù)性能標(biāo)準(zhǔn)；其次從熱濕舒適性能、服用性能等角度剖析了消防服的舒適性能要求；然后從熱防護(hù)性能、熱濕舒適性能、工效性能等方面詮釋了消防服性能平衡交互評(píng)價(jià)；最后總結(jié)并從面料研發(fā)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、性能匹配等多個(gè)角度對(duì)消防服研發(fā)提供思路。

2 消防服熱防護(hù)性能

熱防護(hù)服是指高溫條件下穿著的、能夠隔絕熱源、減緩熱量傳遞與集聚、防止體表微環(huán)境溫度過高、減少人體不良熱反應(yīng)、避免燒傷、灼傷等熱傷害，保護(hù)穿著者作業(yè)安全的功能防護(hù)服裝[4-7]。

消防服是一類特殊的熱防護(hù)服，是消防員在火場(chǎng)實(shí)施救援行動(dòng)的重要防護(hù)用具[8]。所以消防服需要具備阻燃性能、隔熱性能、高溫下保持完整、熱蒸汽及噴濺熱水流防護(hù)性能、防化學(xué)品腐蝕等性能，還有降溫、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、穿著舒適等服用性能。其中最重要的是熱防護(hù)性能，即高溫環(huán)境中保護(hù)人體免受熱傷害的性能。而消防服熱防護(hù)性能一般可細(xì)分為阻燃性能與隔熱性能。

2.1 阻燃功能

火場(chǎng)中身體受到熱傷害最嚴(yán)重的部位大都在直接接觸燃燒物處，因此消防服需具有優(yōu)良的阻燃性能。采用耐高溫紡織材料[9]織造消防服是確保良好阻燃性能的重要方法。強(qiáng)化阻燃功能是消防服設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，可以通過新型高性能阻燃面料研發(fā)、服裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化等手段實(shí)現(xiàn)。由于消防服外側(cè)可能直接接觸火焰，因此阻燃層織物還需有一定的防火焰燒透性能。

2.2 隔熱功能

消防員實(shí)施救援作業(yè)的火場(chǎng)溫度一般為600℃～1000℃，輻射熱為115 kW/(m2·s)～200 kW/(m2·s)，所以消防服需有較好的隔熱性能，在一定時(shí)間內(nèi)盡可能減少穿著者所受的熱傷害[10，11]。當(dāng)消防服處于熱源與受保護(hù)消防戰(zhàn)斗員之間時(shí)，熱量將通過熱傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射三種方式的綜合作用傳到消防服內(nèi)側(cè)。由于織物表面的反射作用和織物的吸收作用，使其具備了一定的隔熱性能[12]。

織物纖維的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于空氣導(dǎo)熱系數(shù)[13]，所以熱量從消防服外側(cè)傳遞到內(nèi)側(cè)時(shí)，比直接在空氣中傳遞相同距離、時(shí)間存在一定滯后。消防服織物層數(shù)、織物性質(zhì)、消防員身體形態(tài)及穿著狀態(tài)等均對(duì)空氣層厚度有影響。較小的衣下空氣層厚度對(duì)熱能阻礙過小，極易造成皮膚二級(jí)燒傷；但過大的空氣層厚度，會(huì)產(chǎn)生熱對(duì)流效應(yīng)，促進(jìn)熱量傳遞[14，15]。消防服的隔熱性能與纖維原料導(dǎo)熱性、消防服結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、面料及里料結(jié)構(gòu)均有很大關(guān)系。消防服纖維選用上，選用導(dǎo)熱性差的紡織纖維，使外部熱源的熱量難以向人體皮膚傳導(dǎo)，從而提升消防服隔熱性。在消防服結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，盡可能減少開口、縫合外漏部位，選擇緊密程度合適的消防服面料，進(jìn)而減少環(huán)境中熱量向內(nèi)傳導(dǎo)的直接通道，達(dá)到優(yōu)化消防服隔熱性能的目的；設(shè)置的空氣層厚度越接近合理值，熱量傳輸阻力越大，隔熱性能越好。

3 消防服舒適性能

服裝作為存在于人體和外界環(huán)境之間的一層介質(zhì)，在“人體—服裝—環(huán)境”這個(gè)微氣候中起著重要的調(diào)節(jié)作用，其舒適性能直接受服裝自身結(jié)構(gòu)與外界環(huán)境影響[16，17]。

3.1 熱濕舒適性能

在滅火作業(yè)過程中，外部熱量從環(huán)境經(jīng)過衣服到達(dá)皮膚，然后向人體內(nèi)部傳遞，從而提升體核溫度；而工作負(fù)荷則是通過新陳代謝直接引起體核溫度升高，再將多余的熱量傳遞到體表微環(huán)境，產(chǎn)生新的熱量對(duì)流，這些熱量在消防服內(nèi)部大量聚積，可能會(huì)使消防員遭受燒傷和熱應(yīng)激反應(yīng)等熱危險(xiǎn)[18]。

熱和濕直接決定服裝的舒適性能，而服裝與人體微氣候中粒子的傳輸、擴(kuò)散與熱和濕的聯(lián)系非常緊密，所以服裝舒適性研究也就是服裝熱濕耦合作用的相關(guān)研究[19]。穿著消防服從事救援作戰(zhàn)活動(dòng)的人體在高溫環(huán)境下會(huì)以1200 g/h～1800 g/h的速率出汗，造成消防服內(nèi)部水分蓄積，而水分會(huì)影響消防服熱傳導(dǎo)及熱蓄積等熱防護(hù)性能[20，21]，當(dāng)含水率較低(相對(duì)于織物重15%～20%)的單層織物暴露于6.3 kW/m2的低熱輻射強(qiáng)度，水分會(huì)降低其熱防護(hù)性能[22]。

當(dāng)環(huán)境溫度高于人體皮膚溫度時(shí)，人體只能靠汗液蒸發(fā)進(jìn)行散熱[23]。而消防服的阻燃和防水性會(huì)降低消防服透濕性，阻礙汗水蒸發(fā)和排出衣服外，限制潛熱釋放，導(dǎo)致消防員承受巨大熱荷載，從而使舒適性大幅下降甚至?xí)霈F(xiàn)過熱反應(yīng)。因此，消防服裝熱濕舒適性能在消防服裝研發(fā)設(shè)計(jì)中不容小覷[24]。由于外部熱量和工作負(fù)荷對(duì)體核溫度的影響方式存在一定差異，所以消防服設(shè)計(jì)需有針對(duì)性，以確保合理熱防護(hù)性能基礎(chǔ)上的最佳熱濕舒適程度。

織物的液態(tài)水傳遞性能可能對(duì)人體運(yùn)動(dòng)中的生理反應(yīng)有廣泛而深層次的影響[25]。吸濕性較強(qiáng)的織物兩側(cè)相對(duì)濕度相差較大時(shí)，熱蒸汽沖擊能會(huì)被顯著緩沖[26]，即消防服面料有較強(qiáng)吸濕性能時(shí)，高溫噴濺熱水流和高溫蒸汽的沖擊力可以被有效削減，從而減輕對(duì)消防員的傷害。

3.2 其他服用舒適性能

較高的耐久度、質(zhì)量輕、方便穿著、寬松結(jié)構(gòu)等良好的服用舒適性，對(duì)消防員在火場(chǎng)救援作業(yè)時(shí)的大幅度動(dòng)作不會(huì)產(chǎn)生限制，有利于消防員散失余熱、蒸發(fā)汗液、降低生理負(fù)荷，能夠兼顧協(xié)調(diào)性和舒適性，有利于提高救援工作效率。

GA 10—2014標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定消防服為四層層間結(jié)構(gòu)，每層都要有一定的阻燃、防水性能。穿著厚重、多層、透氣性較差的消防服進(jìn)入火場(chǎng)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、高強(qiáng)度的救援工作時(shí)，大量出汗帶來較大的熱應(yīng)力，同時(shí)由于消防服散熱量不足，會(huì)導(dǎo)致消防員身體熱平衡失調(diào)，威脅生命安全[3]。所以實(shí)現(xiàn)消防服輕質(zhì)化，對(duì)改善消防服防護(hù)性能，便利消防員實(shí)施消防救援時(shí)的活動(dòng)，提高其消防救援工作效率有重要作用。消防服裝輕質(zhì)化，可以從開發(fā)利用輕質(zhì)紡織材料、減少不必要的結(jié)構(gòu)部件等方面著手。

4 消防服性能交互平衡評(píng)價(jià)

消防服常見評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)有三類：突出熱防護(hù)性能、防液體滲透性、物理機(jī)械性能的NFPA 1971；增加輻射處理后織物拉伸性能測(cè)試項(xiàng)目，水洗縮率要求更高，由RPP、TPP等熱防護(hù)性能測(cè)試組成的BS EN 469；規(guī)定了消防服為四層結(jié)構(gòu)及每一層的性能要求，總體質(zhì)量不大于3.5 kg，顏色為藏藍(lán)色，整體TPP值≥28.0，標(biāo)準(zhǔn)高于BS EN 469，略低于NFPA 1971的GA 10—2014。這些標(biāo)準(zhǔn)測(cè)評(píng)指標(biāo)大體可以分為消防服熱防護(hù)性能、熱濕舒適性能、工效性能三大類。

4.1 熱防護(hù)性能評(píng)價(jià)

消防服的熱防護(hù)性能是根據(jù)皮膚二、三級(jí)燒傷比例來評(píng)價(jià)的，當(dāng)熱流密度達(dá)到5.02×104 J/(m2·s)，即人體溫度達(dá)到72℃時(shí)，皮膚起泡，出現(xiàn)二級(jí)燒傷。評(píng)價(jià)織物熱防護(hù)性能的模型指標(biāo)有Stoll燒傷準(zhǔn)則和Henriques燒傷積分模型[27，28]。熱防護(hù)性能是消防服作為功能防護(hù)服裝最重要、最基本的功能。

4.2 熱濕舒適性能評(píng)價(jià)

消防服熱濕舒適性的評(píng)價(jià)是以“消防員—消防服—高溫環(huán)境”之間的生物熱力學(xué)綜合平衡的實(shí)現(xiàn)程度為標(biāo)準(zhǔn)的，這一平衡是溫度、濕度、人體活動(dòng)狀態(tài)和消防服熱濕傳遞性能綜合作用的結(jié)果[29]。消防服面料熱舒適性能評(píng)價(jià)主要有物理指標(biāo)評(píng)價(jià)法、微氣候參數(shù)評(píng)價(jià)法、暖體假人法、生理學(xué)評(píng)價(jià)法、心理學(xué)評(píng)價(jià)法、綜合評(píng)價(jià)法等在內(nèi)的主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)兩大類的方法[30]。

4.3 工效性能評(píng)價(jià)

消防服工效性能是指消防服允許人體自由活動(dòng)、減少束縛的性能[31]，輕重量、穿脫方便的消防服才能夠減輕人體負(fù)荷，提高消防員的工作效率[32]。工效性能是消防服裝整體性能的體現(xiàn)，消防服在設(shè)計(jì)過程中，受到衣下間隙、開口、面料層次、縫合方法等影響，整體性能會(huì)發(fā)生變化[33]，在這一性能考量中要盡可能實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)工效1+1>2。工效性能與熱濕舒適性能密切相關(guān)，良好的工效性能有利于消防員著衣操作，同等工作強(qiáng)度下降低熱代謝，即有助于提升其熱濕舒適性能。

消防服熱防護(hù)性能、熱濕舒適性能、工效性能三者之間相互獨(dú)立，又存在著相互促進(jìn)、相互制約的關(guān)系[34]。在消防服設(shè)計(jì)研究中，提升熱防護(hù)性能也意味著更加厚重、密閉，其熱濕舒適性能更低、人體熱負(fù)荷更高，消防員遭受熱傷害的風(fēng)險(xiǎn)更大[35]，也會(huì)一定程度上降低消防員救援效率。但優(yōu)化消防服熱濕舒適性能會(huì)在一定程度上降低消防服系統(tǒng)的熱防護(hù)性能，因此需在確保熱防護(hù)性能的基礎(chǔ)上，提高熱濕舒適性能可以提高消防員在火場(chǎng)中的工作效率；提高工效性能可以有效減輕人體熱負(fù)荷、提高熱防護(hù)能力。

總而言之，在消防服整體性能設(shè)計(jì)中，熱防護(hù)性能、熱濕舒適性能、工效性能需要找到一個(gè)性能綜合考校的平衡點(diǎn)，在確保消防員生命安全的基礎(chǔ)上，盡可能提升穿著舒適度和救援工作效率等。

5 結(jié)語(yǔ)

消防服是消防員抵御熱傷害的功能服裝，其熱防護(hù)性能與面料阻燃性能、隔熱性能密切相關(guān)。但消防服系統(tǒng)的整體性能不單由面料性能決定，還與面料層間結(jié)構(gòu)、消防服結(jié)構(gòu)開口、款式設(shè)計(jì)等密切相關(guān)。完善的消防服結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該在確保必要的熱防護(hù)性能基礎(chǔ)上，遵循運(yùn)動(dòng)工程學(xué)、人體工效學(xué)理念，實(shí)現(xiàn)消防服的輕便、靈活，提高消防員工作效率。

消防服的開發(fā)研究應(yīng)該由單一的提升熱防護(hù)性能向多角度、全方位提升消防服整體性能轉(zhuǎn)變。消防服設(shè)計(jì)纖維層面上開發(fā)同時(shí)具備優(yōu)良熱防護(hù)性能、輕量、無毒等多種優(yōu)勢(shì)的高性能紡織纖維；面料層面上，一方面設(shè)計(jì)合理的面料編織方法抑制熱量由高溫環(huán)境向內(nèi)部傳導(dǎo)，另一方面通過設(shè)置合理的衣下空氣層厚度、面料層數(shù)設(shè)計(jì)等實(shí)現(xiàn)面料組合形式和消防服層間結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化?？傮w來說是在確保熱防護(hù)性能的基礎(chǔ)上，盡可能在服裝結(jié)構(gòu)層面實(shí)現(xiàn)輕量化，從而便利消防員的救援作戰(zhàn)行動(dòng)。

由于火場(chǎng)情況的復(fù)雜性和多變性，消防防護(hù)服裝性能設(shè)計(jì)還需要與火災(zāi)場(chǎng)景、火災(zāi)類型等相匹配，選擇相配伍的消防服可以在確保消防員生命安全的基礎(chǔ)上盡可能提高作戰(zhàn)效率。