消防服用織物濕態(tài)熱防護(hù)性能的測(cè)試與分析

王 諾 高翼強(qiáng) 吳艷杰 吳紅艷

1.河北科技大學(xué)紡織服裝學(xué)院，河北 石家莊 050018;2.北京服裝學(xué)院材料設(shè)計(jì)與工程學(xué)院，北京 100029

滅火防護(hù)服是消防員在火災(zāi)救援現(xiàn)場(chǎng)穿著以用來(lái)保護(hù)頭頸、腿部和手臂等軀干的專用服裝。國(guó)內(nèi)消防服一般由4層織物組成，分別為外層、防水透氣層、隔熱層和舒適層[1]。防護(hù)服的外層和舒適層一般為機(jī)織物，外層與火焰直接接觸，舒適層接觸人體皮膚。公共安全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GA10—2014《消防員滅火防護(hù)服》對(duì)防護(hù)服各組成部分的性能有強(qiáng)制和明確的要求，如外層和舒適層的阻燃性、穩(wěn)定性和力學(xué)性能?；馂?zāi)救援現(xiàn)場(chǎng)，在高速水流的連續(xù)作用下，防護(hù)服的外層將不可避免地被水打濕，同時(shí)，高強(qiáng)度的救援活動(dòng)和高溫環(huán)境易使防護(hù)服的內(nèi)層被汗水浸濕。舒適層汗液的蒸發(fā)和外層水分的滲透使防護(hù)服處于含有水分的濕態(tài)。

水分對(duì)多層織物熱防護(hù)性能影響的研究表明，不同條件下，水分會(huì)提高或降低織物的熱防護(hù)性能。李紅燕[2]認(rèn)為，在高強(qiáng)度和熱流量的短時(shí)間作用下，水分有助于提高防護(hù)服的熱防護(hù)性能。含水量越多，單層織物的熱防護(hù)性能越好。標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下，處于濕態(tài)的織物的熱防護(hù)性能優(yōu)于干態(tài)織物。曹娟等[3]研究認(rèn)為，隨著含水量的增加，織物的熱防護(hù)性能逐漸提高。在含水量相同的情況下，織物越厚，其熱防護(hù)性能越好。Barker等[4]研究發(fā)現(xiàn)，在6.3 kW/m2的低輻射下，水分能降低織物的熱防護(hù)性能。這些研究雖因測(cè)試條件及熱傳導(dǎo)性能的復(fù)雜性而尚未有統(tǒng)一結(jié)論，但都表明濕度是影響織物熱防護(hù)性能的一個(gè)重要因素。因此，對(duì)處于濕態(tài)的防護(hù)服的熱防護(hù)性進(jìn)行研究具有重要意義。本文將以消防員滅火防護(hù)服常用的織物為研究對(duì)象，對(duì)不同含水率的單層和多層織物的熱防護(hù)性能進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)

1.1 材料

選擇常用于消防員滅火防護(hù)服的5種外層織物(A1～A5)、1種防水透氣層織物(B)、1種隔熱層的織物(C)和4種舒適層織物(D1～D4)用于本試驗(yàn), 其規(guī)格如表1所示。

表1 各層織物的種類和規(guī)格

1.1.1 單層織物

選擇外層(A1～A5)和舒適層(D1～D4)單層織物為試樣，研究含水率對(duì)其熱防護(hù)性能的影響。

1.1.2 多層織物

各層織物試樣的尺寸均為15 cm×15 cm。按外層、防水透氣層、隔熱層、舒適層依次疊加組合后，用線密度為21.9 tex×3的芳綸1414縫紉線縫合為4層結(jié)構(gòu)的防護(hù)服織物試樣，即多層織物試樣，分別記為1#～12#(表2)。

表2 多層織物結(jié)構(gòu)

1.2 熱防護(hù)性能測(cè)試

熱防護(hù)性能(Thermal Protective Performance)用透過(guò)織物引起人體二度燒傷的熱能值kTPP表征，其是目前評(píng)價(jià)服裝熱防護(hù)性能的通用指標(biāo)。采用對(duì)流和輻射兩種傳熱方式能夠較為客觀地評(píng)估織物的實(shí)際熱防護(hù)效果。本測(cè)試在陜西元豐紡織技術(shù)研究有限公司生產(chǎn)的RFH-Ⅱ型熱防護(hù)性能測(cè)試儀上完成。測(cè)試中，熱通量(F，即熱輻射和熱對(duì)流綜合作用)為81.3 kW/m2，相當(dāng)于1.9 cal/(cm2·s)。kTPP值可按下式計(jì)算:

kTPP=F×T

式中：F—熱通量，cal/(cm2·s)；

T—燒傷時(shí)間，s。

先將制備的單層和多層織物試樣依次放入烘箱，干燥10 min后稱取干態(tài)質(zhì)量并記錄。按照織物的含水率(5%、10%、15%和25%)計(jì)算噴水量，然后將水均勻地噴灑在水平放置的織物試樣表面，分舒適層到外層、外層到舒適層、外層和舒適層同時(shí)這3種噴灑方式?？椢镌嚇游鼭窈笾糜谒芰洗忻芊? h。最后取出各織物試樣，10 min內(nèi)完成熱防護(hù)性能的測(cè)試。

2 結(jié)果與分析

2.1 含水率對(duì)單層織物熱防護(hù)性能的影響

含水率不同的外層和舒適層織物試樣的kTPP測(cè)試結(jié)果如表3。

表3 含水率不同的外層和舒適層的熱防護(hù)性能測(cè)試結(jié)果

由表3知，隨著外層和舒適層織物試樣含水率的增加，其kTPP值增加，面料的熱防護(hù)性能提高。其中，A3和D1織物試樣的熱防護(hù)性能表現(xiàn)較好。當(dāng)含水率從0增加到25%時(shí)，外層A3的kTPP值增加了74%。舒適層D1的kTPP值增加了61%。在含水率增大的過(guò)程中，外層和舒適層織物試樣的kTPP值有一定差異。當(dāng)含水率0增加到5%時(shí)，外層織物試樣的kTPP值增幅不足10%。與含水率為15%的織物試樣相比，含水率為25%的外層織物試樣的kTPP值增加了20%～50%。對(duì)于舒適層織物試樣，含水率為15%的織物試樣的kTPP值比含水率為5%的試樣增加了16%～35%。究其原因是測(cè)試時(shí)隨著含水率的增加，織物試樣含水分增多，一方面水分蒸發(fā)消耗部分熱量，另一方面水分抑制了火焰的蔓延，降低了織物的燃燒速度，延長(zhǎng)了二級(jí)燒傷時(shí)間，因此，kTPP值增大。

相對(duì)于其他原料，棉纖維的回潮率較高，纖維吸收水分能力強(qiáng)，吸收速度較快。水分子進(jìn)入棉纖維后，與親水基團(tuán)的親和力較大，溫度升高時(shí)，分子振動(dòng)對(duì)水分子與纖維分子結(jié)合力的影響相對(duì)較小。因此，含棉織物的kTPP值增幅較大。

從織物結(jié)構(gòu)看，面密度越大的織物，其kTPP值的增幅較明顯。面密度大的織物，其結(jié)構(gòu)緊密厚實(shí)，當(dāng)噴灑相同的水分時(shí)，織物含水率偏低，水分導(dǎo)熱作用不明顯，熱源穿過(guò)織物傳遞到皮膚的熱量較少，二級(jí)燒傷時(shí)間長(zhǎng)，故kTPP值較大。

2.2 含水率對(duì)多層織物熱防護(hù)性能的影響

2.2.1 外層向舒適層滲透

以4層結(jié)構(gòu)的多層織物試樣1#～5#(表2)為測(cè)試樣，按照所計(jì)算的含水率將水均勻地噴灑在水平放置的各試樣的外層，使水分從外層向舒適層滲透，測(cè)試不同濕態(tài)條件(不同含水率)下各多層織物試樣的kTPP值(圖1)。

圖1 不同含水率的多層織物試樣的kTPP值

由圖1知，隨著含水率的增大，4層結(jié)構(gòu)織物的kTPP值增加。與單層織物試樣的kTPP值增幅(外層的40%～75%和舒適層的35%～61%)相比，多層織物試樣的kTPP值增幅(33%～52%)有所減小。當(dāng)4層織物試樣的含水為5%～15%時(shí)，kTPP值的增幅為15%～26%；含水率為15%～25%時(shí)，kTPP值的增幅不足10%。由面密度較大的外層織物構(gòu)成的多層試樣，kTPP的增幅均高于40%。

多層織物kTPP值增幅小于單層織物，可能是試樣在浸濕過(guò)程中，隔熱層和防水透氣層吸收了部分水分，導(dǎo)致停留在外層和舒適層的水分減小。因此，含水率對(duì)多層織物試樣的熱防護(hù)性的影響小于單層織物。而面密度較大的外層織物，其結(jié)構(gòu)更為緊密，浸透到隔熱層和防水透氣層的水分子數(shù)量少，停留在表層的水分子數(shù)量多，因而，水分對(duì)其kTPP值的影響較為明顯。

2.2.2 舒適層向外層滲透

以4層結(jié)構(gòu)的多層織物1#～6#試樣(表2)為測(cè)試樣，按照所計(jì)算的含水率在水平放置的各試樣的舒適層表面均勻噴水，使水從舒適層向外層滲透。測(cè)試不同濕態(tài)條件下各多層織物試樣的kTPP值(圖2)。

圖2 不同含水率的多層織物試樣的kTPP值

由圖2知，4層結(jié)構(gòu)織物的kTPP值隨含水率的增大而增加，kTPP值均大于28.00。5#試樣在含水為15%～25%時(shí)，kTPP值高達(dá)45.00以上。當(dāng)織物含水率從0增加到25%時(shí)，4層結(jié)構(gòu)織物的kTPP值的總體增長(zhǎng)幅度為5%～33%。與從外層噴水相比，從舒適層噴水的試樣kTPP值增幅較為緩慢，甚至出現(xiàn)了負(fù)增長(zhǎng)。在相同含水率條件下，舒適層單層織物的kTPP值增幅為35%～60%。舒適層選用全棉阻燃織物時(shí)，在織物含水率從0增加到25%的過(guò)程中，4層結(jié)構(gòu)試樣的kTPP值增幅大于20%。

從舒適層方向加濕，水分被舒適層織物吸收的較多，滲透到外層織物的水分減少。因kTPP測(cè)試時(shí)，外層織物首先與熱源直接接觸，所以kTPP值的增長(zhǎng)較為緩慢。在相同含水率下，與單層織物相比，多層織物的舒適層吸收的水分較少，熱防護(hù)性能的增長(zhǎng)幅度放緩。因此，水分對(duì)kTPP值的影響較為明顯。

2.2.3 雙向滲透

按照所計(jì)算的含水率同時(shí)從各多層織物試樣的外層和舒適層噴水(雙向)，測(cè)試濕態(tài)下各試樣的熱防護(hù)性能(表4)。

表4 不同含水率的多層織物試樣在雙向噴水條件下的熱防護(hù)性能測(cè)試結(jié)果

表4說(shuō)明，含水率的增大有助于提高多層結(jié)構(gòu)織物的kTPP值。5#試樣在含水率為25%時(shí)，其kTPP值達(dá)到了51.87 cal/cm2。當(dāng)織物含水率從0增加到25%且雙向加濕時(shí)，4層結(jié)構(gòu)織物的kTPP值的總體增長(zhǎng)幅度為20%～48%，增加幅度比僅從舒適層加濕時(shí)為大，但略低于僅從外層加濕時(shí)的增幅。

雙向加濕時(shí)，外層水分的含量介于單向的從舒適層加濕和從外層加濕之間，因此，水分對(duì)織物熱防護(hù)性能的影響介于從舒適層和外層單向加濕的狀態(tài)。

3 結(jié)論

隨著含水率的增加，不管是單層織物還是多層織物，kTPP值都增加，織物的熱防護(hù)性能提高，說(shuō)明濕度對(duì)織物熱防護(hù)性能有一定影響。在含水率相同的條件下，濕度對(duì)單層織物的熱防護(hù)性能的影響大于對(duì)多層織物；從外層加濕時(shí)，多層織物的熱防護(hù)性能優(yōu)于從舒適層加濕的多層織物。