基于最大衰減因子模型的服裝熱防護(hù)性能預(yù)測

何佳臻，薛蕭昱，王 敏，李 俊

(1. 蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021； 2. 蘇州大學(xué) 現(xiàn)代絲綢國家重點(diǎn)實驗室，江蘇 蘇州 215021； 3. 東華大學(xué) 現(xiàn)代服裝設(shè)計與技術(shù)教育部重點(diǎn)實驗室，上海 200051)

消防救援、工業(yè)冶金、軍事反恐等行業(yè)的從業(yè)人員經(jīng)常遭受各種潛在的環(huán)境熱災(zāi)害，包括爆炸烈火、高溫?zé)彷椛?、熔融金屬、熱蒸汽或熱氣體等。熱防護(hù)服裝是保護(hù)作業(yè)人員免受各類環(huán)境熱侵襲的必備個體防護(hù)裝備，其熱防護(hù)功能的不足將引起皮膚燒傷，甚至對作業(yè)人員的生命安全造成嚴(yán)重威脅。根據(jù)美國消防協(xié)會的資料，2015年僅在消防救援中，遭受皮膚燒傷的作業(yè)人員達(dá)到2 020名[1]。在熱災(zāi)害環(huán)境下，充分發(fā)揮防護(hù)服裝的熱防護(hù)功能是保障作業(yè)人員生命安全和有效執(zhí)行任務(wù)的唯一途徑。

如何準(zhǔn)確全面地評價防護(hù)服裝的熱防護(hù)性能對于科學(xué)裝備防護(hù)服裝、機(jī)構(gòu)產(chǎn)品研發(fā)、產(chǎn)品控制及用戶產(chǎn)品選擇具有重要作用。目前防護(hù)服裝的熱防護(hù)性能評價主要采用織物試樣測試與燃燒假人轟燃實驗，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)?？傮w而言：織物試樣測試具有測試成本低、實驗可控性好、實驗效率和測量精度高等優(yōu)點(diǎn)；燃燒假人轟燃實驗可通過對災(zāi)害環(huán)境下仿真人體的燒傷程度評估，獲取服裝整體熱防護(hù)性能信息，但該方法不僅要求具備價格高昂的燃燒假人測試系統(tǒng)，而且需要對完整服裝進(jìn)行破壞性實驗，因此測試成本很高，實驗效率較低且可重復(fù)性相對較差[2]。為此，實現(xiàn)基于織物試樣測試的防護(hù)服裝熱防護(hù)性能預(yù)測，對于降低測試成本、節(jié)約資源具有重要意義。

近年來，防護(hù)服裝熱防護(hù)性能的評價原理突破發(fā)展。研究表明，熱防護(hù)服裝實際上對人體皮膚存在截然相反的雙重作用[3]：一方面，在熱危害暴露階段通過阻隔環(huán)境熱發(fā)揮了熱防護(hù)的作用；另一方面，在熱危害暴露結(jié)束后通過向人體皮膚不斷釋放蓄熱又實施熱危害作用。長期以來，防護(hù)服裝領(lǐng)域廣泛使用的熱防護(hù)性能(TPP)、耐熱輻射性能(RPP)測試等，均僅評估了熱暴露階段防護(hù)服裝的隔熱防護(hù)作用，卻忽略了離開熱源后其對人體皮膚產(chǎn)生的放熱危害作用，這會對評價結(jié)果的全面性造成影響，也會高估甚至是誤判了防護(hù)服裝的真實熱防護(hù)性能，對防護(hù)服裝的可靠性造成挑戰(zhàn)。

目前，在織物試樣測試和假人轟燃實驗方面均已分別建立了相關(guān)測試方法用于評價熱防護(hù)服裝對人體皮膚的雙重作用，但是現(xiàn)有的織物試樣測試和燃燒假人實驗仍存在較大差異性和局限性。首先，二者的測試原理和測試程序不同。假人轟燃實驗采用固定熱暴露時間法，例如ISO 13506∶2008《防熱和防火防護(hù)服·完整服裝的試驗方法·用裝備假人對燃燒傷害的預(yù)測》建議單層熱防護(hù)服裝的熱暴露時間為3 s或4 s，而雙層服裝的熱暴露時間為4 s或5 s，以最終考察衣下皮膚在整個數(shù)據(jù)采集時間段內(nèi)所能引發(fā)的燒傷程度。而織物試樣測試則要求將織物持續(xù)暴露于閃火熱源中直至皮膚達(dá)到二級燒傷為止。為與假人轟燃實驗程序進(jìn)行統(tǒng)一，Schoppee等[4]也曾嘗試設(shè)置相同的熱暴露時間，將不同織物暴露于閃火熱源中，但發(fā)現(xiàn)最終只能判斷衣下皮膚是否達(dá)到了二級燒傷，而不能進(jìn)一步區(qū)分不同織物的熱防護(hù)等級。其次，二者的評價指標(biāo)不同。假人轟燃實驗最終獲得的是人體皮膚燒傷圖譜，顯示了人體燒傷分布和燒傷百分比；但織物試樣測試的輸出結(jié)果為衣下皮膚達(dá)到二級燒傷的時間。另外，也需注意，2種方法中所使用的燒傷預(yù)測模型不同。織物試樣測試普遍采用Stoll二級燒傷準(zhǔn)則作為皮膚燒傷的閾值，而假人轟燃實驗采用Henriques燒傷積分模型。研究發(fā)現(xiàn)，這2種燒傷評價方法可能導(dǎo)致不同的燒傷預(yù)測結(jié)果[5]。上述差異最終造成了平面織物與立體服裝間的測試結(jié)果不能直接進(jìn)行比較，因此，長期以來絕大多數(shù)研究均是針對織物和服裝分別展開。20世紀(jì)90年代起開展了針對織物試樣和假人轟燃實驗的比較研究，但也僅進(jìn)行了簡單的關(guān)聯(lián)性分析[6-7]。可以看出，傳統(tǒng)的評價方法無法完成對織物試樣和服裝整體熱防護(hù)性能的統(tǒng)一聯(lián)合表征，這也成為了實現(xiàn)基于織物性能測試的防護(hù)服裝熱防護(hù)性能預(yù)測的瓶頸問題。

文獻(xiàn)[8]提出了一種新型的熱防護(hù)性能評估模型：二級燒傷最大衰減因子(MAF)模型。首先該模型從皮膚燒傷預(yù)測角度，全面評價了熱防護(hù)織物或服裝對人體皮膚的熱防護(hù)和熱危害雙重作用；最重要的是，該模型統(tǒng)一了織物試樣測試和服裝整體測試的實驗程序和評價指標(biāo)，使得織物和服裝的測試結(jié)果可以直接進(jìn)行比較，這為實現(xiàn)基于織物試樣測試的服裝整體熱防護(hù)性能預(yù)測提供了實踐基礎(chǔ)。本文將利用MAF評價模型，首先對防護(hù)織物和服裝的MAF評價結(jié)果關(guān)聯(lián)性進(jìn)行探討，然后利用MAF評價模型，建立基于織物試樣測試的防護(hù)服裝熱防護(hù)性能和皮膚燒傷預(yù)測模型，為熱防護(hù)服裝的性能評價提供更有效、更具成本效益的手段。

1 實驗設(shè)計

1.1 實驗面料

本文研究選用了9種當(dāng)前市場上常用的熱防護(hù)服裝面料，利用這些面料共制成符合標(biāo)準(zhǔn)要求的統(tǒng)一規(guī)格服裝試樣。參照ISO 13506∶2008對實驗服裝的款式和規(guī)格進(jìn)行設(shè)計。服裝款式為上下連體式，腰部有橫向分割線設(shè)計，前中門襟有拉鏈開口，衣領(lǐng)為立領(lǐng)，衣袖為直身袖。實驗服裝的基本規(guī)格符合標(biāo)準(zhǔn)尺寸175/96A。測試服裝面料的性能如表1所示。這些服裝代表了不同的熱防護(hù)等級，可分為單層服裝和多層服裝，其中單層服裝G1～ G7用于森林火災(zāi)戰(zhàn)斗滅火服、工業(yè)和軍事防護(hù)服，多層面料服裝G8和G9用于建筑火災(zāi)消防戰(zhàn)斗服，該類服裝包含外層、防水透氣層和隔熱層。

1.2 燃燒假人實驗的實施

本文實驗采用“東華火人”燃燒假人測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)滿足ISO 13506∶2008的相關(guān)技術(shù)要求。假人本體尺寸符合中國男性體型，身高為175 cm。假人表面均勻設(shè)置了135個傳感器，可對閃火全程假人體表溫度和熱流數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集。實驗時燃燒室內(nèi)的模擬熱暴露環(huán)境為(84±2) kW/m2，由6組 12個噴火頭提供，燃燒器均勻分布在假人周圍。通過燃燒假人測試，可預(yù)測各傳感器部位的皮膚燒傷程度以及人體燒傷百分比，進(jìn)而實現(xiàn)對服裝整體熱防護(hù)性能的綜合評估。

表1 實驗面料的基本性能Tab.1 Specifications of fabric

對于單層服裝，參考ISO 13506∶2008標(biāo)準(zhǔn)將熱暴露時間設(shè)置為4 s；對于多層服裝，熱暴露時間設(shè)置為6 s。為評估熱暴露結(jié)束后服裝的蓄熱釋放作用，傳感器的數(shù)據(jù)采集時間應(yīng)包含熱暴露結(jié)束的冷卻階段。參考測試標(biāo)準(zhǔn)，單層和多層服裝的數(shù)據(jù)采集時間分別設(shè)定為60 s和120 s。

1.3 織物試樣測試方法

采用織物熱防護(hù)性能測試儀CSI-206(美國)對實驗服裝所采用的對應(yīng)面料進(jìn)行測試。模擬火場環(huán)境由2個Meker燃燒器(與測試織物成45°)和9個石英燈管提供，它們所產(chǎn)生的熱流密度與燃燒假人實驗相同，為(84 ± 2) kW/m2。織物試樣架和熱源間設(shè)置了電子觸發(fā)式氣動水冷遮板，可在熱暴露前將織物與熱源隔絕并準(zhǔn)確控制熱暴露時間。銅片熱流計采用直接接觸的方式置于織物背面，測量模擬皮膚位置的溫度。與燃燒假人實驗相同，單層和多層織物試樣的熱暴露時間分別設(shè)置為4 s和6 s。熱暴露結(jié)束后，將試樣推車移離熱源，持續(xù)采集傳感器數(shù)據(jù)，直至單層織物和多層織物的總數(shù)據(jù)采集時間分別達(dá)到60 s和120 s。通過上述步驟，統(tǒng)一了織物試樣測試和燃燒假人實驗的測試程序。

1.4 熱防護(hù)性能評價新模型

1.4.1 織物熱防護(hù)性能評價

采用MAF評價模型[8]，評價織物和服裝的熱防護(hù)性能。該模型可用于判斷在傳熱全程中傳感器的能量響應(yīng)與Stoll皮膚燒傷準(zhǔn)則的關(guān)系。該模型將銅片熱流計所吸收的熱量Q(t)與根據(jù)Stoll準(zhǔn)則預(yù)測的皮膚達(dá)到二級燒傷所需熱量S(t)進(jìn)行逐時比較，并計算數(shù)據(jù)采集總時間tT內(nèi)Q(t)與S(t)比值的最大值：

(1)

式中，εMAF為二級燒傷最大衰減因子，為無量綱量。

事實上，織物熱防護(hù)性能測試中銅片熱流計記錄的是傳感器的溫度變化，根據(jù)ASTM F2703—2008《基于燒傷預(yù)測的阻燃服裝材料非穩(wěn)態(tài)傳熱評估的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》，可將該溫度轉(zhuǎn)化為傳感器所吸收的熱量，即式(1)中的Q(t)，其計算公式為：

(2)

式中：Q(t)為t時間內(nèi)銅片熱流計所吸收的熱量，kJ/m2；M為銅片熱流計的質(zhì)量，g；Cp為升溫過程中銅片的平均比熱容，kJ/(g·℃)；A為銅片熱流計的表面積，m2；Ti和Tf分別為銅片熱流計的初始溫度和t時刻的溫度，℃。需注意，式(2)忽略了傳感器背面和周圍由于熱傳導(dǎo)所引發(fā)的熱量散失。

此外，式(1)中所涉及的Stoll燒傷準(zhǔn)則反映了皮膚吸收能量與二級燒傷的時間關(guān)系。自2008年開始，美國材料與試驗協(xié)會在新版的ASTM系列標(biāo)準(zhǔn)中[9]，將Stoll準(zhǔn)則作為皮膚二級燒傷的閾值，其可按照式(3)進(jìn)行計算：

S(t)=50.204t0.290 1

(3)

式中：S(t)為根據(jù)Stoll準(zhǔn)則預(yù)測的皮膚在t時刻達(dá)到二級燒傷時所吸收的能量，kJ/m2；t為熱暴露開始后所經(jīng)歷的時間，s。

圖1示出織物試樣測試時傳感器的能量響應(yīng)曲線與Stoll準(zhǔn)則曲線的示意圖。從MAF的計算原理可以看出，MAF評價模型評估的是傳熱全程皮膚燒傷的最大危險性。若εMAF值小于1.0，則表示傳感器所吸收能量不足以引起皮膚二級燒傷；若εMAF值剛好為1.0，則表示傳感器所吸收能量剛好達(dá)到皮膚燒傷的閾值；若εMAF值大于1.0，則表示傳感器的能量響應(yīng)曲線會超過Stoll準(zhǔn)則曲線，皮膚達(dá)到二級燒傷。

圖1 傳感器能量響應(yīng)曲線和Stoll準(zhǔn)則曲線示 意圖以及MAF的計算示例Fig.1 Schematic representations of sensor response and Stoll criteria, and determination of MAF

1.4.2 服裝熱防護(hù)性能評價

MAF模型同樣適用于燃燒假人測試。在燃燒假人測試中，假人表面第i個傳感器所對應(yīng)部位的服裝局部二級燒傷最大衰減因子(εMAFi)的計算式為：

(4)

式中：S(t)為根據(jù)Stoll準(zhǔn)則預(yù)測的皮膚在t時刻達(dá)到二級燒傷時所吸收的能量，kJ/m2,可按照式(3)進(jìn)行計算；Qi(t)為假人表面第i個傳感器在t時間內(nèi)所吸收的能量，其計算式為：

(5)

式中：qi(t)為t時刻假人表面第i個傳感器的熱流密度，kW/m2；Δt為采樣時間間隔，s。

服裝整體二級燒傷最大衰減因子(εOMAF)的計算如式(6)所示：

(6)

式中：Ai為第i個傳感器所代表的假人體表面積，m2；A為假人體表總面積，m2；n為假人體表傳感器數(shù)量。由于實驗中假人頭部、手和腳未被服裝覆蓋，這些部位不納入計算。

2 結(jié)果與討論

2.1 織物試樣實驗和假人著裝實驗的關(guān)系

首先對織物試樣測試和假人著裝實驗結(jié)果的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行分析。服裝的εOMAF值與織物的εMAF值關(guān)系如圖2所示。可知，實測織物試樣的εMAF值與其服裝整體的εOMAF值呈顯著線性正相關(guān)關(guān)系(P< 0.01)，擬合方程可決系數(shù)R2=0.764，表明織物試樣測試結(jié)果與服裝整體的測試結(jié)果具有顯著的相關(guān)性。這為進(jìn)一步建立基于織物試樣測試的服裝整體熱防護(hù)性能預(yù)測模型奠定了基礎(chǔ)。

圖2 實測服裝εOMAF值和織物εMAF值的相關(guān)性Fig.2 Correlations between experimental εOMAF of garments and εMAF of fabrics

2.2 服裝整體熱防護(hù)性能預(yù)測模型建立

服裝對人體皮膚的熱防護(hù)性能不僅取決于面料的熱防護(hù)性能，而且還與服裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計和測試條件有關(guān)。衣下空氣層厚度是反映服裝結(jié)構(gòu)設(shè)計特征的主要參數(shù)[10]，而熱暴露時間是測試條件的主要可控參數(shù)。因此在建立服裝熱防護(hù)性能預(yù)測模型時，選取無空氣層狀態(tài)下織物的εMAF值、服裝平均衣下空氣層厚度和熱暴露時間作為模型輸入?yún)?shù)，分別表征織物的熱防護(hù)性能、服裝結(jié)構(gòu)特征以及測試條件因素。其中，服裝平均衣下空氣層厚度的測量可采用三維人體掃描技術(shù)，獲取著裝和裸體狀態(tài)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)而計算服裝衣下空氣層的平均厚度εTAG值，具體方法請參見Wang等[11]的研究。利用多元線性回歸方程建立服裝整體的εOMAF值預(yù)測模型，如式(7)所示。模型的可決系數(shù)R2=0.921，顯著性水平P< 0.001，說明因變量的方差中，自變量能解釋92.1%，模型具有較好的擬合優(yōu)度。

(7)

式中：εOMAFpre為服裝二級燒傷最大衰減因子的預(yù)測值；εMAFtest為面料二級燒傷最大衰減因子的實測值；εTAG為服裝平均衣下空氣層厚度的實測值；texp為熱暴露時間的預(yù)設(shè)值。需注意，在獲得εTAG值的過程中，并不需要開展實際的燃燒測試，只需采用具有與人體形態(tài)一致的模型(例如人臺、暖體假人、燃燒假人)進(jìn)行三維掃描測量即可。此外，Texp可根據(jù)實際情況進(jìn)行直接設(shè)定，例如參考ISO 13506∶2008標(biāo)準(zhǔn)將單層服裝的熱暴露時間設(shè)置為3 s或4 s，在設(shè)定了服裝的texp值之后，需確保在織物試樣測試中采用相同的熱暴露時間，以獲得在相同測試條件下織物的實測εMAF值，進(jìn)而利用式(7)進(jìn)行預(yù)測。

基于上述預(yù)測模型，圖3比較了模型預(yù)測值與實驗測量值的關(guān)系。進(jìn)一步采用平均絕對百分比誤差(EMAPE)對預(yù)測模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行評價，如式(8)所示[12]。模型的平均絕對百分比誤差僅為4.82%，說明模型具有較高的預(yù)測精度。

(8)

圖3 服裝εOMAF的實測值與預(yù)測值比較Fig.3 Comparison of measured and predicted εOMAF of clothing

傳統(tǒng)燃燒假人測試的評價指標(biāo)為皮膚燒傷百分比，即達(dá)到皮膚燒傷的面積占皮膚總面積的百分比程度。利用MAF評價模型，同樣可對皮膚燒傷百分比進(jìn)行預(yù)測。根據(jù)MAF模型的評價規(guī)則可知，當(dāng)εMAF值大于或等于1.0時，則表示皮膚會達(dá)到二級燒傷。在燃燒假人測試中，通過預(yù)測假人表面所有傳感器位置的εMAF值并判斷其是否大于或等于1.0，進(jìn)而可計算皮膚的二級燒傷百分比，如式(9)所示。

(9)

式中：PTBP為二級燒傷的百分比，%；Ai，εMAF≥1為εMAF值大于等于1.0時，假人第i個傳感器所代表的假人體表面積，m2；A為假人體表總面積，m2；n為假人體表傳感器數(shù)量。實驗中假人頭部、手和腳這些部位不納入計算。

圖4示出假人著裝實驗中服裝的εOMAF值與皮膚燒傷百分比之間的關(guān)系，其回歸方程如式(10)所示。方程的可決系數(shù)R2=0.960，該回歸方程適用于服裝的εOMAF值大于0.4的情況。

PTPB=(75.337εOMAF-30.591)×100%

(10)

式中：PTBP為二級燒傷百分比，%；εOMAF為服裝的二級燒傷最大衰減因子。

圖4 服裝εOMAF值與人體皮膚燒傷百分比的關(guān)系Fig.4 Relationship between εOMAF of clothing and percentage of burn injury in manikin test

聯(lián)合方程(7)和(10)，即可實現(xiàn)基于織物試樣測試的燃燒假人燒傷百分比預(yù)測，其方程如式(11)所示。

(11)

式中：εTBPpre為二級燒傷百分比的預(yù)測值，%；εMAFtest為面料二級燒傷最大衰減因子的實測值；εTAG為平均衣下空氣層厚度的實測值；texp為熱暴露時間的預(yù)設(shè)值。

2.3 預(yù)測模型驗證

本文另選擇面密度為205 g/m2的100% Nomex?IIIA面料，驗證上述服裝熱防護(hù)性能和皮膚燒傷百分比預(yù)測模型的準(zhǔn)確性，該驗證實驗的熱暴露時間設(shè)置為3 s。

利用織物熱防護(hù)性能測試儀測量實驗織物的εMAF值，為1.18。按照前文所述的服裝款式和規(guī)格制作服裝，并將實驗服裝穿著于“東華火人”燃燒假人本體上，采用三維人體掃描儀獲取服裝平均衣下空氣層厚度信息。利用式(4)和(8)分別預(yù)測服裝的εOMAF值和衣下皮膚燒傷百分比。為驗證預(yù)測模型的準(zhǔn)確性，還需實際測量燃燒假人實驗中服裝的εOMAF值和衣下皮膚燒傷百分比。

表2示出了模型預(yù)測值和實驗測量值的對比結(jié)果?？梢钥闯觯bεOMAF的預(yù)測值和實測值分別為0.62和0.59，二者間的相對誤差僅為5.1%。同時，燒傷百分比的預(yù)測值(16.5%)和實測值(14.3%)相對誤差為15.4%，但是其絕對誤差僅為2.1%。雖然燒傷百分比的相對誤差相對較大，但結(jié)果是可接受的，這是因為相較織物測試而言，燃燒假人測試在實際測量時的可重復(fù)性較差[2]，研究表明燃燒假人測試時皮膚燒傷百分比的標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍為5.4%～37.1%[13]，而本研究中實測值與預(yù)測值的偏差僅為2.1%，由此可見所建立模型仍具有較高的預(yù)測精度。

表2 服裝熱防護(hù)性能預(yù)測值和實測值比較Tab.2 Comparison of predicted and experimental results of clothing thermal protective performance

3 結(jié) 論

雖然近年來在織物試樣測試和假人轟燃實驗方面均已分別建立了相關(guān)測試方法用于評價熱防護(hù)織物或服裝對人體皮膚的雙重作用，但是現(xiàn)有的織物試樣測試和燃燒假人實驗仍存在較大差異性，主要表現(xiàn)在測試原理、測試程序不同以及評價指標(biāo)不同。傳統(tǒng)的測評方法無法完成對織物試樣和服裝整體熱防護(hù)性能的統(tǒng)一聯(lián)合表征，這也成為實現(xiàn)基于織物性能測試的著裝人體皮膚燒傷預(yù)測的瓶頸問題。

本文利用二級燒傷最大衰減因子評價模型，實現(xiàn)基于織物試樣測試的防護(hù)服裝熱防護(hù)性能預(yù)測，為熱防護(hù)服裝的性能評價提供更有效、更具成本效益的手段。主要得到以下結(jié)論：1)織物試樣測試的εMAF值與燃燒假人轟燃實驗的εOMAF值呈顯著的線性正相關(guān)關(guān)系；2)基于二級燒傷最大衰減因子評價方法建立了服裝熱防護(hù)性能預(yù)測模型，經(jīng)驗證該模型具有較好的預(yù)測精度。利用織物試樣測試的εMAF值、服裝平均衣下空氣層厚度和熱暴露時間，可對服裝整體的熱防護(hù)性能εOMAF值以及燒傷百分比進(jìn)行直接預(yù)測。