光濕作用對消防服用多層織物熱防護(hù)性能的影響

王珍玉 蔣璐璐 金艷蘋

摘 要：為研究消防服用多層織物在受到光照、水分兩種環(huán)境因素共同作用時，其熱防護(hù)性能的變化，選取國內(nèi)常用的4種消防服用面料進(jìn)行多層織物組合，測試其在進(jìn)行不同時長光照處理和不同程度潤濕處理下的TPP值，采用Origin和SPSS軟件對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。結(jié)果表明：光照會降低多層織物的熱防護(hù)性能，潤濕量則會提高其熱防護(hù)性能。經(jīng)過相同時間光照處理后，多層織物的熱防護(hù)性能隨潤濕量的提高而提高。隨著光照時間的延長，未飽和潤濕狀態(tài)下，其熱防護(hù)性能總體呈降低趨勢;飽和潤濕狀態(tài)下，其熱防護(hù)性能先增加后減小;當(dāng)光照時間為20 h、潤濕量為100%時，熱防護(hù)性能最好，達(dá)到48.5 cal/m2，比未經(jīng)光濕處理提高9 cal/m2。

關(guān)鍵詞：消防服;多層織物;光濕作用;熱防護(hù)性能

Abstract：In order to study the change of thermal protection performance of multilayer fabrics under light and water， the four kinds of fire-fighting fabrics commonly used in China were selected for multilayer fabric combination， and their TPP values were tested under different duration of light treatment and different degrees of wetting treatment. Besides， the test data were analyzed by Origin and SPSS software. The results showed that light would reduce the thermal protection performance of the multilayer fabric， but the amount of wetting would increase its thermal protection performance. After light treatment for the same time， the thermal protection performance would increase with the increase of wetting amount. With the extension of illumination time， the thermal protection performance presented a downtrend under the unsaturated wetting state. In the saturated wetting state， the thermal protection performance increased first and then decreased. When the illumination time was 20 h and the wetting amount was 100%， the thermal protection performance was the best， up to 48.5 cal·m2， which was 9 cal·m2 higher than that of the multilayer fabric without light and wetting treatment.

Key words：firefighting clothing; multilayer fabric; light and wetting treatment; thermal protection performance

目前消防服普遍采用多層織物組合的形式，由外至內(nèi)分別為外層、防水透氣層、隔熱層和舒適層[1]。作為火場中直接接觸火源的防護(hù)屏障，消防服能夠減少或隔絕火場環(huán)境對消防員的傷害，減少人員傷亡損失[2-3]。但在穿著和存儲過程中，消防服不可避免會受到光照、熱、水分、熱蒸汽等環(huán)境因素的影響[4-5]，從而造成性能的變化。作為功能防護(hù)型服裝，熱防護(hù)性是評判消防服性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一[6]，目前許多學(xué)者已從熱輻射類型、輻射時間、水分、結(jié)構(gòu)參數(shù)等方面對消防服用織物熱防護(hù)性能的影響進(jìn)行研究。孟瑾[7]選擇常用的消防外層織物為研究對象，用自制的氙燈日曬儀進(jìn)行日曬處理，研究不同輻照強(qiáng)度和輻照時間對織物力學(xué)性能和熱學(xué)性能的影響。發(fā)現(xiàn)經(jīng)日光照射后織物的TPP值有所提高，但隨著輻照強(qiáng)度和輻照時間的增加，熱防護(hù)性能有所降低。周靜等[8]利用YG611E型日曬氣候色牢度儀模擬太陽光，通過控制不同輻照強(qiáng)度對芳砜綸織物分別進(jìn)行不同時間的光照處理，發(fā)現(xiàn)織物的拉伸強(qiáng)力和拉伸斷裂強(qiáng)力總體上隨光照時間的延長而減弱，其熱防護(hù)性能略有減小但不顯著。Mandal等[9]分別將織物暴露于火焰、熱輻射、熱水和熱蒸汽等熱傷害源下，研究不同熱源對織物熱防護(hù)性能的影響。發(fā)現(xiàn)濕度會對織物的熱防護(hù)性能產(chǎn)生影響，且主要由織物對水分的吸收量來決定。陳萌等[10]發(fā)現(xiàn)在含水率小于32%的低含水率狀態(tài)下，消防服用多層織物熱防護(hù)性能隨著外層織物含水率的增加而減小。

上述學(xué)者多從外層織物或單一因素研究消防服織物熱防護(hù)性能的變化，但火場環(huán)境異常復(fù)雜，織物通常會受到多種因素的共同作用。本文以常用的消防服用多層織物為研究對象，對其進(jìn)行光、濕復(fù)合處理，測試處理前后多層織物的熱防護(hù)性能。采用Origin和SPSS軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，探究復(fù)合環(huán)境因素作用下消防服用多層織物熱防護(hù)性能的變化情況，為消防服熱防護(hù)性能研究提供一定的借鑒和參考，從而設(shè)計和研發(fā)在實際環(huán)境使用中具有良好熱防護(hù)性能的消防服。

1 實 驗

1.1 實驗材料

實驗選取制作消防服時常用的4種面料組合成多層織物，其中外層選用芳綸1414（江蘇天地造新材料科技有限公司），編號為A;防水透氣層選用芳綸氈覆PTFE膜（浙江帕森防護(hù)安全科技有限公司），編號為B;隔熱層選用芳綸氈（江蘇凱盾新材料源頭廠家），編號為C;舒適層選用阻燃棉（鄭州特安防護(hù)紡織有限公司），編號為D。各層織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

1.2 光濕處理方案

1.2.1 光照處理

采用QUV/spray紫外光加速老化儀對多層織物進(jìn)行光照處理，輻照強(qiáng)度設(shè)為1.1 kW/m2。因芳綸織物耐光性差[11-12]，進(jìn)行30 h的光照處理后，其力學(xué)性能明顯變差，因此光照時間分別設(shè)為0、10、20、30 h，將多層織物試樣平鋪在儀器中進(jìn)行光照處理。經(jīng)預(yù)實驗發(fā)現(xiàn)光照和潤濕處理的先后順序?qū)嶒灲Y(jié)果無顯著影響[13]，所以實驗設(shè)置先光照后潤濕的處理方案。

1.2.2 光濕復(fù)合處理

在救火環(huán)境中，消防服織物會接觸到不同量的水分從而被不同程度地潤濕。由于消防員救火時的消防用水大多是自來水，所以本次實驗采用自來水從外層方向?qū)椢镞M(jìn)行噴濕處理，噴濕量分別設(shè)置為0、30%、60%、100%，其中100%為飽和潤濕狀態(tài)。具體潤濕處理如下：恒溫恒濕環(huán)境下，將經(jīng)光照處理后的外層織物完全浸沒在盛有1 000 mL自來水的燒杯中，浸潤180 s后將其取出，自然懸掛直至無水滴落下。使用XY系列精密電子天平對潤濕后的外層織物進(jìn)行稱重，記錄潤濕后的織物重量，計算試樣在100%飽和潤濕狀態(tài)的含水量。30%潤濕、60%潤濕的含水量分別為100%潤濕狀態(tài)下含水量的30%、60%，含水量為0時表示未對織物進(jìn)行噴濕處理。對外層織物表面均勻噴灑所需的水分量，將其放入密封袋中并在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度為（20±2） ℃，相對濕度為65%±5%下調(diào)濕12 h以保證水分均勻分布在織物內(nèi)部，確保實驗的可靠性。

1.3 多層織物性能測試

1.3.1 基本性能測試

根據(jù)GA 10—2014《消防員滅火防護(hù)服》要求，外層織物斷裂強(qiáng)力和撕破強(qiáng)力需分別滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3923.1—2013和GB/T 3917.3—2009的要求;外層、隔熱層、舒適層織物阻燃性能需要滿足GB/T 5455—2014《紡織品燃燒性能垂直方向損毀長度、陰燃和續(xù)燃時間的測定》要求，所以需對各層織物按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行斷裂強(qiáng)力、撕破強(qiáng)力和阻燃性測試。另外，采用YG（B）141D數(shù)字式織物厚度儀按照標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 3820—1997）以及YG（B）216-Ⅱ型織物透濕量儀按照標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 5453—1997）分別對光照前后的多層織物進(jìn)行厚度、透氣性測試。

1.3.2 熱防護(hù)性能測試

熱防護(hù)性是消防服應(yīng)滿足的重要性能之一，按照GA10—2014《消防服滅火防護(hù)服》標(biāo)準(zhǔn)，采用CSI-206型TPP測試儀對經(jīng)光濕處理前后的多層織物進(jìn)行TPP值的測試。標(biāo)準(zhǔn)要求，消防服多層織物TPP值不得小于28 cal/m2。

2 結(jié)果與分析

2.1 基本性能測試結(jié)果

外層織物的斷裂強(qiáng)力、撕破強(qiáng)力以及外層、隔熱層和舒適層的阻燃性能測試結(jié)果見表2。由表2可知，所選各層織物試樣均滿足GA 10—2014《消防員滅火防護(hù)服》標(biāo)準(zhǔn)，可用于實驗研究。

2.2 光濕作用對織物基本性能的影響

多層織物經(jīng)光照處理前后，結(jié)構(gòu)參數(shù)及基本性能有所不同，其測試結(jié)果見表3。

由表3可以看出，多層織物經(jīng)光照處理前后，結(jié)構(gòu)參數(shù)及基本性能有所不同。經(jīng)光照處理后，多層織物厚度整體上略有減小，這是因為織物在光照過程中產(chǎn)生收縮，從而造成厚度減小。外層織物經(jīng)、緯向密度均是先增加后減小，這是由于隨著時間的延長，紗線受熱產(chǎn)生膨脹，從而使其經(jīng)緯密度變小[7]。且由于紡紗制造工藝的緣故，經(jīng)向變化較緯向明顯。除此之外，光照過程中，織物中的水分不斷蒸發(fā)從而使其平方米質(zhì)量減小。且隨著光照時間的延長，多層織物的熱收縮導(dǎo)致紗線之間變得更加緊密，空隙減小，從而導(dǎo)致其透氣效果變?nèi)?，透氣性逐漸減小。

通過SPSS對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析可以得到：光照時間與外層織物經(jīng)向密度、面密度和多層織物的透氣性、厚度相關(guān)系數(shù)分別為0.659、0.832、0.886、0.735，均為負(fù)相關(guān)關(guān)系。說明對織物進(jìn)行光照處理后，外層織物經(jīng)向密度、面密度，多層織物透氣性、厚度均減小。光照時間與外層織物緯向密度間的相關(guān)系數(shù)為0.086，說明時間對織物緯向密度的影響不顯著。

多層織物經(jīng)潤濕處理前后，結(jié)構(gòu)參數(shù)及基本性能測試結(jié)果見表4。

由表4可以看出，潤濕后外層織物的經(jīng)緯密度變化不大，但多層織物的透氣性會減小。這是因為所選織物吸水后不易變形，所以經(jīng)、緯向密度無顯著變化。但水分填充了紗線間的空隙，使氣體透過率減少，從而透氣性變差。

通過SPSS對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以知道，多層織物的透氣率和潤濕狀態(tài)的相關(guān)系數(shù)為0.990，呈高度負(fù)相關(guān)關(guān)系。即增加織物的潤濕量，多層織物的透氣率明顯下降。

由表3、表4可以知道，光照主要通過影響織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)來影響其性能，水分則對該織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)無顯著影響。

光濕處理后，織物結(jié)構(gòu)參數(shù)及基本性能測試結(jié)果見表5。

由表5可以看出，對多層織物表面進(jìn)行光照和潤濕處理前后，外層織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)及多層織物的厚度、透氣率等有所變化。經(jīng)相同時間的光照處理后，潤濕量對外層織物的經(jīng)緯密度、多層織物的厚度無顯著影響，但會降低多層織物的透氣率;經(jīng)過相同潤濕量的處理后，隨著光照時間的增加，織物經(jīng)向密度、透氣率有所降低;厚度先增加后減小，但總體較未經(jīng)光濕處理前小。

2.3 光濕作用對多層織物熱防護(hù)性能的影響

對多層織物進(jìn)行光照、潤濕單獨處理以及光濕復(fù)合處理后，其TPP值有不同的變化。

單一因素下TPP值測試結(jié)果分別見圖1、圖2，復(fù)合作用下TPP值測試結(jié)果見圖3。

由圖1可以看出，在對多層織物進(jìn)行不同時間的光照處理后，其熱防護(hù)性能有所降低，其中在光照10 h后，降低效果最明顯。這是由于經(jīng)過10 h的光照后，外層織物經(jīng)緯密度增加、厚度減小，且多層織物間的空隙變得更加緊密，即各層織物間的空氣層減小，從而降低其熱防護(hù)性能。

由圖2可以看出，對多層織物進(jìn)行潤濕處理后，其熱防護(hù)性能逐漸增加，但增加速率逐漸減緩。這是由于水分會增加織物的儲熱能力，延緩熱量傳遞到人體皮膚的速率，并且水分接觸熱環(huán)境時會蒸發(fā)，使熱量散失，從而減緩被燒傷的時間[14]，對消防員的安全起到防護(hù)作用。

通過SPSS對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，可以發(fā)現(xiàn)，光濕單一潤濕狀態(tài)下，TPP值與光照時間的相關(guān)系數(shù)為0.773，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系;與潤濕量間的相關(guān)系數(shù)為0.899，呈高度正相關(guān)關(guān)系。說明光照會降低多層織物的TPP值，水分則使織物TPP值有所提高。

由圖3可以看出，多層織物在經(jīng)過不同時間的光照以及不同程度的潤濕處理后，其熱防護(hù)性能的變化趨勢大體相同。經(jīng)過相同時間的光照處理后，TPP值隨外層潤濕狀態(tài)的增大而增大，即熱防護(hù)性能變好。這是由于經(jīng)相同時間的光照處理后，水分對熱防護(hù)性能的影響呈主要作用。水分減緩織物的加熱速率，并延遲織物被點燃的時間，從而加長其達(dá)到二級燒傷的時間，熱防護(hù)性能變好。在潤濕量分別為0、30%、60%時，隨著光照時間的增加，多層織物的熱防護(hù)性能整體呈減弱趨勢。這是由于在該潤濕狀態(tài)下，光照對織物產(chǎn)生的影響大于水分。光照使織物產(chǎn)生熱收縮，造成其厚度的減小，且纖維間的空氣層減少，使多層織物的熱防護(hù)性能減弱。潤濕量為100%時，其熱防護(hù)性能在光照時間為10、20 h后有所增加，光照時間為30 h后有所降低。其中光照時間為20 h、潤濕量為100%時，多層織物熱防護(hù)性能最大，達(dá)到48.5 cal/m2。這主要是由于在水分含量較高、光照時間較短時，水分產(chǎn)生的影響大于光照，使其熱防護(hù)性能提高;但由于外層織物為芳綸，耐光性較差，長時間的光照作用使其力學(xué)性能降低，進(jìn)而使其防護(hù)性能變差。

通過SPSS對TPP值、光照時間、潤濕量進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表6所示。

由表6可知，TPP值與光照時間和潤濕量交互作用間的統(tǒng)計量F為19.755，相應(yīng)的概率值P=0.000<0.001，說明光照和水分的復(fù)合作用對多層織物熱防護(hù)性能產(chǎn)生顯著影響。

采用SPSS軟件建立織物表面經(jīng)光濕處理后TPP值與光照時間及外層潤濕量間的回歸模型，結(jié)果見表7。

記多層織物熱防護(hù)性能為Y，光照時間為T，外層潤濕量為R。由表7可知，可建立回歸模型Y=-0.055T+0.087R+38.664。在該模型中，變量間的相關(guān)系數(shù)R=0.929，調(diào)整R2=0.863，接近于1，說明變量間的相關(guān)程度較高?；貧w系數(shù)t所對應(yīng)的概率值P均小于0.05，說明回歸系數(shù)均是顯著的。容差均遠(yuǎn)大于0.1，方差膨脹因子均遠(yuǎn)小于10，說明光照時間、外層潤濕量這兩因素間不存在共線性關(guān)性，可用來獨立表示織物熱防護(hù)性能。

3 結(jié) 論

通過測試消防服用多層織物在進(jìn)行不同時間光照以及不同潤濕量復(fù)合處理下的TPP值，分析光濕作用對消防服用多層織物熱防護(hù)性能的影響，得到以下結(jié)論：

a）光照和水分對消防服用外層織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)及多層織物的基本性能產(chǎn)生不同程度的影響。光照后外層織物經(jīng)向密度、面密度以及多層織物厚度、透氣性均有所降低，外層織物緯向密度變化則不顯著。潤濕量對織物結(jié)構(gòu)參數(shù)影響不明顯，但會降低其透氣性。

b）光照作用下多層織物的熱防護(hù)性能整體呈降低趨勢;外層織物潤濕量能顯著提高其熱防護(hù)性能，且隨潤濕量的增加，防護(hù)性能逐漸增加。

c）光濕復(fù)合作用對多層織物的熱防護(hù)性能有顯著影響。經(jīng)相同時間的光照處理后，可通過增加外層織物的潤濕量來提高多層織物的熱防護(hù)性能。光照時間為20 h、潤濕量為100%時，熱防護(hù)性能最好，達(dá)到48.5cal/m2，比未經(jīng)光濕處理前提高9 cal/m2?？山⒍鄬涌椢颰PP值（Y）與光照時間（T）、外層潤濕量（R）間的回歸方程：Y=0.055T+0.087R+38.664。

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