基于灰色關聯和模糊綜合評判的消防服用多層織物組合

陳誠毅 王利君

摘要： 針對消防服用織物如何進行配伍組合的問題，文章選取10種國內常用消防服用織物并對其進行組合，測試其結構參數、基本服用性能和熱防護性能;利用灰色關聯分析研究了各織物參數和性能對整體織物組合熱防護性能的影響程度，并利用驗證實驗得出實驗試樣的灰色關聯度不具有偶然性;最后，根據灰色關聯分析得到的影響趨勢對各參數和性能進行權重賦值，通過模糊綜合評判選出綜合性能最優(yōu)的織物組合。結果表明：織物組合的透濕率和外層織物的阻燃性對整體織物組合的熱防護性能影響最大;由芳綸1414（200 g/m2）、無紡布+PTFE膜（90 g/m2）、芳綸無紡布和芳綸阻燃黏膠構成的織物組合S2的綜合性能最佳。

關鍵詞： 消防服用織物;多層織物組合;熱防護性能;灰色關聯分析;模糊綜合評判

中圖分類號： TS101.1

文獻標志碼： A

文章編號： 10017003（2021）01004007

引用頁碼： 011107

DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2021.01.007（篇序）

Multi-layered fabric combination for firefighter clothing based on greycorrelation analysis method and fuzzy comprehensive evaluation

CHEN Chengyi1， WANG Lijun1，2

（1.School of Fashion Design and Engineering， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China;2.Zhejiang Provincial Research Center of Clothing Engineering Technology， Hangzhou 310018， China）

Abstract：

Aiming at the problem of how to combine fabrics for firefighter clothing， 10 kinds of common fabrics for firefighter clothing were combined and the parameters， basic wearability and thermal protective performance were tested. The influence of fabric parameters and properties on thermal protective performance of fabric combination was studied through grey correlation analysis method， and the grey correlation degree of test sample was not accidental according to the verification test. At last， according to grey correlation analysis method， the weights of parameters and properties were assigned according to the influence trend and the fuzzy comprehensive evaluation was used to select the optimal combination. The result showed that the moisture permeability of fabric combination and flame retardant performance of outer fabric had the greatest influence on the thermal protective performance. The S2 fabric combination of aramid fiber 1414（200 g/m2）， non-woven fabric and PTFE membrane（90 g/m2）， aramid fiber non-woven fabric and flame retardant viscose had the best comprehensive performance.

Key words：

firefighter clothing fabric; multi-layered fabric combination; thermal protective performance; grey correlation analysis method; fuzzy comprehensive evaluation

消防防護服是消防員進行滅火救援最重要的防護裝備[1]，不僅需要有對火焰的阻燃性，也需要具備對熱通量的防護性，這一重要性能又受到織物各種結構參數及服用性能的影響，與其他性能指標相輔相成。消防服目前廣泛采用圖1所示的多層織物組合（由外層、防水透濕層、隔熱層、舒適層構成），除了四層織物系統(tǒng)也存在能達到防護服標準的三層結構[2]（除去隔熱層或防水層）。多層織物組合的綜合性能主要取決于各種不同種類、參數的織物組合配伍方式，各層織物對整體織物組合的各性能影響主次順序也不同[3]。國內外學者對織物的各種結構參數進行測試，分析織物的成分、厚度、緊度、面密度等對其熱學性能的影響規(guī)律，并建立模型進行預測[4-6]。為了適應更高的防護需求，業(yè)界為消防服所制定的相關標準一再提升及擴展，為此防護服的多層織物組合選擇一直以來都為學者所持續(xù)研究。

在消防服多層織物組合的選擇研究方面，大多學者一般通過熱防護性指標對正交組合設計的多層織物組合進行最佳選擇，再分析熱防護性的影響因素[7]。李俊等[8]利用兩步法篩選出性能優(yōu)良的各層織物，再通過正交組合設計和極差分析選出最優(yōu)的多層織物組合。李甜等[9]通過垂直燃燒法和熱防護性實驗，以TPP值和織物燃燒后狀態(tài)為依據，得出最適用于消防服的多層織物組合。楊柳等[10-11]結合熱防護性能與織物燃燒后表面性狀，選出最適用于作為消防服面料的織物組合方案，后來又通過透氣性比較得出最優(yōu)的多層織物組合。這些學者僅在正交組合設計的基礎上，通過對比熱防護性等單一指標的優(yōu)劣來對多層織物組合進行優(yōu)選，且結合舒適性等相關性能較少，所以難以綜合評價多層織物組合的整體性能。

為了優(yōu)化多層織物組合的配伍方法，利用數學分析方法深入分析，進一步探究織物結構參數對熱防護性的影響并進行優(yōu)選評判?；疑P聯分析法是以灰色關聯度大小來分析各個子因素對主因素的貢獻程度的一種簡單可靠的數學分析方法，對樣本容量大小無要求，且計算量小、用時短[12]，對比單因素相關性或回歸分析，更系統(tǒng)地聯合所有性能參數進行研究、更定性地描述性能參數對熱防護性的影響，有利于解決織物熱學中許多不確定性的問題[13]。在熱學領域，蔡薇琦等[14-15]通過灰色聚類或灰色關聯對多種阻燃織物的數個指標進行對比，對其熱學性能進行了優(yōu)劣評價。在消防服的實際使用中，通常需要考慮多種性能的需求，因此織物組合的綜合分析顯得尤為重要。模糊綜合評價通過將織物評價中多種指標不同、不易定量、邊界模糊的因素分別進行量化排序比較，從多個因素統(tǒng)籌考慮織物總體性能的優(yōu)劣[16]，已多被應用于紡織領域中解決織物風格和舒適性等問題[17-18]。翟勝男等[19-20]分別選用包括熱防護性的三種指標，通過綜合評價找出綜合性能最佳的外層阻燃面料。前人所采取的消防織物綜合評價對象多為單層阻燃織物，或是選用性能指標較少，側重于厚度及面密度，而權重系數多由主觀經驗或專家給出，主觀性較強，未與織物各參數和性能的客觀影響規(guī)律相結合。

本文選取國內常用消防服用織物，測試其結構參數及服用性能，并對所選織物進行組合，測試其基本性能和熱防護性。采用統(tǒng)計軟件Excel，利用灰色關聯分析法探討厚度、平方米質量、機械性能、阻燃性和舒適性等多種性能指標對多層織物組合熱防護性的影響程度并進行驗證比較，以此為基礎推算出權重系數。通過模糊綜合評判評選出綜合性能最優(yōu)的多層織物組合，結合這兩種方法能夠有效排除主觀影響，使結果更加客觀準確，為消防服用多層織物組合的配伍選擇提供一定理論基礎。

1 實 驗

1.1 材 料

選用國內消防防護服常用的6種外層織物（A1～A6）、2種防水透氣層織物（B1、B2）、1種隔熱層織物（C）、1種舒適層織物（D）作為實驗試樣，各層織物材料所對應的物理參數見表1。平方米質量和厚度分別根據GB/T 4669—2008《紡織品機織物單位長度質量和單位面積質量的測定》和GB/T 3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測定》進行測量。利用外層和防水透氣層為因子混合水平正交表設計6種組合作為多層織物組合的實驗試樣，織物組合方式及基本參數如表2所示。

1.2 織物性能測試

1.2.1 阻燃性測試

根據GA 10—2014《消防員滅火防護服》標準，使用垂直燃燒儀（溫州大榮紡織儀器有限公司）對尺寸為300 mm×80 mm的樣本織物進行實驗。點燃時間12 s后觀察織物是否有熔融滴落現象，并先后進行續(xù)燃和陰燃的計時，測量試樣撕裂長度即損毀長度。

1.2.2 斷裂強力測試

根據GB/T 3923.1—2013《紡織品織物拉伸性能第1部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測定（條樣法）》實驗標準，使用YG026PC-250多功能電子織物強力機（溫州方圓儀器有限公司）對尺寸為300 mm×50mm的樣本織物進行實驗。設定織物斷裂伸長率所對應的夾距（200 mm）和拉伸速度（100 mm/min），下端采用織物平方米質量所對應的預加張力（5 N），拉伸試樣至斷裂。

1.2.3 透氣性測試

根據GB/T 5453—1997《紡織品織物透氣性的測定》實驗標準，使用FX 3300 IV透氣性測試儀（理寶科學器材有限公司）對尺寸不小于25 cm×25 cm的樣本織物進行實驗。設定對應的試樣面積（20 cm2）、測量壓力（100 Pa）和單位（mm/s），織物四周不該有拉力。

1.2.4 熱防護性測試

根據NFPA—1971《Standard on Protective Ensemble for Structural Fire Fighting》和ISO-17492《Technical Corrigendum 1-2004耐熱和火焰的防護服暴露于火焰和輻射熱的熱力傳輸的測定》實驗標準，使用CSI-206 TPP測試儀（美國Custom Scientific Instrument公司）對尺寸為150 mm×150 mm的樣本織物進行試樣。試樣需提前24 h在標準氣候環(huán)境（20±2） ℃和（65±3）%相對濕度的環(huán)境下進行預調濕。總熱通量為（84±2） kW/m2，熱暴露時間依主觀經驗為20～30 s。

1.2.5 透濕率測試

根據GB/T 12704.1—2009《紡織品織物透濕性試驗方法第1部分：吸濕法》實驗標準，使用織物透濕量儀（溫州大榮紡織儀器有限公司）對直徑為7 cm的圓形樣本織物進行實驗。調控實驗箱溫度使之達到溫度（38±2） ℃，相對濕度（90±3）%，試樣放置在裝有干燥劑的透濕杯上放入實驗箱內經過1 h后取出稱重，再放入實驗箱內經過1 h后取出稱重。通過下式計算透濕率：

WVT=Δm-Δm′A·t（1）

式中：WVT為透濕率，g/（m2·h）;Δm為同一實驗組合體兩次稱量之差，g;Δm′為空白試樣的同一實驗組合體兩次稱量之差，g;A為有效實驗面積（本部分中的裝置為0.002 83 m2），m2;t為實驗時間，h。

2 結果與分析

2.1 織物性能直觀分析

外層織物的阻燃性能和斷裂強力的測試結果如表3所示，所有外層織物在阻燃性能和機械性能上均達到國家標準。試樣中芳綸1414織物的阻燃性能和機械性能最好，其厚度和平方米質量較大、纖維較粗，結構緊實[21];芳綸1313與耐高溫纖維混紡的織物的阻燃性能和力學性能都較差。

多層織物組合的各性能測試結果如表4所示，透氣性和透濕率主要表現織物舒適性方面的性能。由表4可知，由于芳綸1414織物的結構緊實，以其為外層的織物組合的熱防護性能普遍較好、但舒適性較低，而相比較而言外層為芳綸IIIA（200 g/m2）的織物組合的舒適性能較好、但熱防護性較低。

2.2 織物結構參數、服用性能與織物組合熱防護性能的關系

為了深入探討織物的結構參數和服用性能對多層織物組合熱防護性能的影響，找出織物及組合各性能參數對熱防護性的影響程度主次關系，利用統(tǒng)計軟件通過灰色關聯分析法進行具體分析。

2.2.1 關聯分析具體應用

1）根據表3和表4的測試數據，設實驗試樣的織物組合的熱防護性能為母系列X0（t），設其余結構參數和基本性能為子系列Xi（t），Xi（t）指第t種織物組合的第i種子系列性能參數。其中織物組合的平方米質量為X1，厚度為X2，透氣性為X3，外層織物的損毀長度為X4，斷裂強力為X5，透濕率為X6（X4、X5采用經緯平均值）。

Xi（t）=X1X2X3X4X5X6X0=? 521.78501.96534.27512.27526.00564.3101.8501.8701.8401.9501.9201.9409.6000.8200.93010.41021.2508.12045.4005.2005.00014.60053.1005.4001 116.3501 858.0001 835.600941.8501 228.6001 336.700210.601201.767174.205221.201187.986221.55530.30031.60032.20029.60029.00029.700（1）

2）為了對各性能參數方便統(tǒng)一處理，對不同量綱的數據利用下式進行無量綱化：

xi（t）=Xi（t）Xi（t）（2）

3）利用下式計算母系列與子系列的絕度計差值：

Δ（t）=xi（t）-x0（t）（3）

4）利用下式計算對于母系列與子系列的關聯系數：

ζki（t）=Δmin+ρ×ΔmaxΔi（t）+ρ×Δmax（4）

式中：Δmin為最小絕對差值，Δmax為最大絕對差值，ρ為區(qū)間為（0，1）的分辨系數。

5）利用下式計算關聯度：

Ri=1n∑nt=1ζki（t）（5）

最終得到實驗試樣的關聯度為：

R1=（r1，r2，r3，r4，r5，r6）=（0.608，0.686，0.654，0.678，0.558，0.730）（6）

式中：r1、r2、r3、r4、r5、r6分別指平方米質量、厚度、透氣性、損毀長度、斷裂強力和透濕率。

通過灰色關聯法將不同類型數據的各性能統(tǒng)一量化分析，得到各參數和性能對于熱防護性能的關聯度為r6>r2>r4>r3>r1>r5，即織物組合的透濕率對其熱防護性能影響最為顯著，其次是織物組合的厚度和外層織物的損毀長度，外層織物的斷裂強力對其熱防護性能影響最小。

2.2.2 驗證比較

為了驗證前文得出的灰色關聯度并非具有偶然性，又選用了3種不同的外層織物、2種防水透氣層織物、2種隔熱層織物和2種舒適層織物，作為驗證試樣進行對照測試分析。各層織物材料所對應的物理參數見表5。驗證試樣通過混合水平正交設計，織物組合方式及基本參數如表6所示。

根據相關行業(yè)標準，同樣對驗證試樣的阻燃性能、斷裂強力、透氣性、透濕率和熱防護性能進行了測試。外層織物的阻燃性和斷裂強力測試結果如表7所示。相比實驗試樣，驗證試樣中外層織物的雙層結構并未給其帶來更加優(yōu)良的機械強度，W2織物的阻燃性較弱，W1織物的斷裂強力較低。

驗證織物組合的基本參數、透氣性、透濕率和TPP值如表8所示。由實驗結果可得，驗證試樣的透濕率相比實驗材料的透濕率普遍較低，而TPP值普遍較高。在這6種驗證材料組合中，外層織物為雙層織物W3的兩種組合的熱防護性能相對較低。

通過2.2.1的灰色關聯度分析方法，得出驗證試樣的關聯度為：

R2=（r1，r2，r3，r4，r5，r6）=（0.748，0.642，0.744，0.778，0.627，0.707）（7）

實驗試樣和驗證試樣的關聯度比較如圖2所示。

由圖2可以看出，雖然兩組試樣的灰色關聯度的數值上存在差異，但整體對熱防護性能的貢獻度大小趨勢相近。在兩組灰色關聯度中，斷裂強力都是對熱防護性能影響最小的因素;對于實驗材料，透濕率對熱防護性能的影響最為顯著，而對于驗證材料，阻燃性對熱防護性能的影響最為顯著。阻燃性和代表舒適性的透濕率在消防服用織物的性能中都是相對比較重要的性能。對R1和R2進行差異性分析得到：實驗試樣的t統(tǒng)計值為0.001 34，自由度df為5，t值大于理論t值的概率為0.998 99;驗證試樣的t統(tǒng)計值為2.216 84，自由度df為5，t值大于理論t值的概率為0.077 44。在零假設的均值=652.3和0.05水平下，實驗試樣和驗證試樣的總體均值與檢驗均值（652.3）均不存在顯著不同。

由差異性分析可知，兩組試樣的灰色關聯度不存在顯著不同，即其灰色關聯度相似，實驗試樣的灰色關聯度不具有偶然性。兩組織物組合的各性能對其熱防護性能的影響程度相近，其中外層織物的阻燃性和織物組合的透濕率對其織物組合的熱防護性能影響較大，而外層織物的斷裂強力即機械強力對其組合的熱防護性能影響較小。

2.3 消防服用織物多層織物組合的優(yōu)選

基于2.2的灰色關聯度，同樣利用統(tǒng)計軟件，通過模糊綜合評價，協(xié)調7項結構參數和防護性、舒適性指標，對織物組合進行綜合分析，以選出綜合性能最優(yōu)的織物組合。

1）為了協(xié)調平衡各結構參數、服用性能及最重要的熱防護性的綜合作用，以各結構參數和性能測試數據建立因素集U={u1，u2，u3，u4，u5，u6，u7}T，其中u1為平方米質量，u2為厚度，u3為透氣性，u4為損毀長度，u5為斷裂強力，u6為TPP值，u7為透濕率（u4、u5采用經緯平均值）。

2）對實驗試樣組成的6組織物組合進行綜合評判，以這6組織物組合的性能指標被作為評價對象，建立評判集V={S1，S2，…，S6}。

3）以U×V建立單因素評判矩陣。由于每項性能指標量綱不同，需要對每項指標進行量化處理，得到由rij組成的模糊關系矩陣R，其中rij為第j種被評價對象第i種評價因素的特征值。

用于評價綜合性能的7個評價指標中，平方米質量、厚度、損毀長度指標越大，織物越厚重、阻燃性越差，表示織物組合的綜合性能越差，其余性能與綜合性能形成正相關的關系。為此分別利用極大值和極小值的閾值法對數據進行量化處理：

rij=maxti-tijmaxti-minti（8）

rij=tij-mintimaxti-minti（9）

式中：rij為R中各元素，tij為第j種被評價對象第i種評價因素的未經量化處理的數值，maxti為第i種評價因素中的最大值，minti為第i種評價因素中的最小值。

經過量化處理后得到矩陣R：

R=0.6821.0000.4820.8350.6140.0000.9090.7271.0000.0000.2730.0910.4310.0000.0050.4711.0000.3580.1600.9971.0000.8000.0000.9930.1901.0000.9760.0000.3130.4310.7690.5820.0000.9930.2911.0000.4060.8131.0000.1880.0000.219

4）權重為強調某一要素在整體要素系統(tǒng)中的重要程度而賦予的某一特征值[22]，其確定分配通常采用主觀經驗法和專家賦值法，缺乏聯系主次因素間的影響規(guī)律。根據灰色關聯分析得到的貢獻度比較，在各性能中織物的阻燃性和透濕率對織物組合熱防護性能影響較大，將其余性能的關聯度R和熱防護性能進行歸一化處理得到權重A：

A=[0.124，0.140，0.133，0.138，0.114，0.149，0.204]

用加權平均模型M（·，+）計算得：

A·R=[0.509，0.728，0.652，0.462，0.326，0.439]

最后進行歸一化處理，得到綜合矩陣B：

B=[0.163，0.234，0.209，0.148，0.105，0.141]

根據灰色關聯分析歸一化處理得到的主觀權重賦值，由模糊綜合評判得到，實驗織物組合綜合性能排序為S2>S3>S1>S4>S6>S5，即織物組合S2的綜合性能最優(yōu)，芳綸1414織物雖然在服用性能方面相比其他芳綸織物較弱，但其對整體織物組合的熱防護性影響更大。

3 結 論

通過測試消防服用織物及其組合的結構參數、基本性能和熱防護性，利用灰色關聯法分析各性能參數對消防服用多層織物組合的熱防護性的影響，并對其進行模糊綜合評判評，得到以下結論：

1）實驗試樣中多層織物組合表示舒適性能的透濕率對其熱防護性能影響最為顯著：織物組合的透濕率越大其熱防護性能越好，外層織物的機械強力對其熱防護性能影響最小。

2）驗證試樣和實驗試樣的灰色關聯度相似、無顯著差異，驗證試樣中對織物組合熱防護性能貢獻度最大的是外層織物的阻燃性，貢獻度最小的是外層織物的機械強力。

3）8種實驗織物組合中，由芳綸1414（200 g/m2）、無紡布+PTFE膜（90 g/m2）、芳綸無紡布和芳綸阻燃黏膠構成的織物組合S2的綜合性能最佳，最適用于消防服的選材。

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