氣凝膠隔熱面料熱防護(hù)性能測評

劉沙， 陳維旺

(中國民航大學(xué) 民航熱災(zāi)害防控與應(yīng)急重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300300)

工業(yè)化和城市化進(jìn)程的推進(jìn)帶來社會經(jīng)濟(jì)的繁榮和人們生活水平的提高，但同時導(dǎo)致過度集中的人口和密集的建筑群，進(jìn)而增加火災(zāi)事故發(fā)生的概率，對人民的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。近年來，我國火災(zāi)形勢整體呈下降趨勢，但群死、群傷事故仍時有發(fā)生。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，2009—2019年間發(fā)生的35起火災(zāi)事故，共導(dǎo)致 677 人傷亡[1]，且多發(fā)于商場、高層建筑與群租房等人員密集的區(qū)域，嚴(yán)重影響社會公共安全。為此，國家與民眾對消防救援工作的要求和期望越來越高[2-4]。消防裝備的優(yōu)劣直接關(guān)乎消防人員的生命安全，影響應(yīng)急救援工作的開展。提高消防服的熱防護(hù)性能是保護(hù)消防員免受外界高溫和熱輻射危害，保障消防救援工作順利進(jìn)行，減少人員傷亡的必要途徑[5-7]。

氣凝膠是一種具有較高孔隙率(最高可達(dá)99%)、超輕(～0.03 g/cm3)的納米多孔結(jié)構(gòu)固體材料[8]，熱量在氣凝膠內(nèi)部的傳遞可分為氣相傳熱、固相導(dǎo)熱和熱輻射換熱。氣凝膠內(nèi)部堆積的大量微尺度顆粒使得氣凝膠的固相傳熱面積縮小并延長了熱量的傳遞路徑，從而降低氣凝膠的固相熱導(dǎo)率；其次，氣凝膠材料具有納米級的孔隙，氣相熱導(dǎo)率極低；另外，氣凝膠內(nèi)部存在無數(shù)的微孔和反射顆粒，也能降低氣凝膠內(nèi)部的熱輻射換熱。因此，氣凝膠材料熱導(dǎo)率低，具有良好的隔熱性能。氣凝膠因自身的特殊結(jié)構(gòu)可有效抑制固相導(dǎo)熱和氣相傳熱，使消防服具備優(yōu)異的隔熱性能[9]。目前，氣凝膠復(fù)合材料的制備方式主要有兩種[10-11]：①在氣凝膠制備過程中加入增強(qiáng)材料，如玻璃纖維；②將氣凝膠顆粒與黏合劑等試劑復(fù)合。

近年來，研究人員發(fā)現(xiàn)氣凝膠的添加可顯著改善消防服的熱防護(hù)效果。任乾乾等[12]研究了以玻璃纖維二氧化硅氣凝膠氈為隔熱層的新型面料組合方式，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，各參數(shù)均優(yōu)于我國現(xiàn)役消防服的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求；張興娟等[13]對復(fù)合氣凝膠的新型組合式消防服進(jìn)行了熱防護(hù)性能評價，發(fā)現(xiàn)新型組合式消防服的導(dǎo)熱系數(shù)為傳統(tǒng)消防服的1/4； JABBARI M等[14]使用涂層法將滌綸織物和氣凝膠相結(jié)合，制備了輕質(zhì)高隔熱的聚氯乙烯涂層織物，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氣凝膠的引入使復(fù)合材料的熱防護(hù)性顯著提高且不會弱化其他性能；張慧[15]將實(shí)驗(yàn)與建立的數(shù)學(xué)模型相結(jié)合，對氣凝膠、相變材料和新型熱防護(hù)面料在不同強(qiáng)度下的熱防護(hù)性能展開了較為全面的研究和評價，為后續(xù)新型氣凝膠熱防護(hù)面料的研發(fā)奠定了一定的基礎(chǔ)。近年來，相關(guān)研究人員致力于研究影響氣凝膠應(yīng)用于熱防護(hù)服的各種因素，試圖克服實(shí)際使用中存在的阻礙，在確保熱防護(hù)服其他性能的同時進(jìn)一步提高其熱防護(hù)性能[16-21]。

目前，通過添加氣凝膠改善消防服熱防護(hù)性能的研究頗多[22]。對已有氣凝膠隔熱面料開展熱防護(hù)性能對比分析與評價研究，進(jìn)而評估熱災(zāi)害環(huán)境下消防人員穿著氣凝膠防護(hù)服的燒傷風(fēng)險也就變得十分必要，這將為消防服面料的選擇、性能評價等提供參考和借鑒。文中基于實(shí)驗(yàn)測試和皮膚燒傷計(jì)算，以無紡氈隔熱層為空白對照，對3種氣凝膠面料在消防服隔熱層應(yīng)用中所呈現(xiàn)的熱防護(hù)效果進(jìn)行評價。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1試樣 消防服為多層織物結(jié)構(gòu)，由外及里分別為阻燃外層、防水透氣層、隔熱層和舒適層[23-24]。文中熱防護(hù)織物的基本物性參數(shù)見表1。選用4種規(guī)格(針刺無紡氈、1 mm AG-T-Nomex、2 mm AG-T-Nomex 和 AG-ST-POF)的熱防護(hù)面料作為消防服隔熱層，將其依次與阻燃外層、防水透氣層和舒適層復(fù)合，得到4種不同的組合面料，分別記為S1～S4。其中：針刺無紡氈、1 mm AG-T-Nomex 和 2mm AG-T-Nomex 均由上海伊貝納紡織品有限公司提供；AG-ST-POF 由深圳中凝科技有限公司提供。隔熱層1#～4#常溫下熱導(dǎo)率分別為：0.070，0.032，0.025和0.020 W/(m·℃)。隔熱層面料如圖1所示。

表1 熱防護(hù)服織物基本物性參數(shù)

圖1 隔熱層面料Fig.1 Physical picture of thermal insulation fabric

1.1.2儀器 WXD-SERIES恒溫加熱臺，天津威迅達(dá)科技有限公司制造；OM-DAQPRO-5300數(shù)據(jù)采集儀，美國Omega Engineering公司制造；DSC-W830數(shù)碼相機(jī)，無錫中關(guān)數(shù)碼設(shè)備有限公司制造。

1.1.3模型計(jì)算 以Protective Clothing Performance Simulator (PCPS)軟件為藍(lán)本，采用Microsoft Visual Studio開發(fā)環(huán)境，基于Fortran編程語言實(shí)現(xiàn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

以恒溫加熱臺為熱源，為面料提供溫度恒定的高溫接觸表面；使用數(shù)據(jù)采集儀記錄圖1中單層及組合面料舒適層上表面溫度變化情況；使用數(shù)碼相機(jī)記錄隔熱層的外觀相貌變化情況，測試平臺如圖2所示。

圖2 熱防護(hù)性能測試裝置Fig.2 Device forthermal protective performance test

2 結(jié)果與討論

2.1 外觀形貌

圖 3 為不同隔熱層組合面料接觸高溫表面前后的外觀變化情況。

圖3 加熱前后隔熱層面料外觀形貌Fig.3 Appearance of insulation fabrics before and after heating

由圖3可以看出， 針刺無紡氈接觸 200 ℃和300 ℃高溫表面后無明顯變化，這與Nomex的耐高溫特性是一致的；接觸200 ℃ 和 300 ℃ 熱平板后，含有氣凝膠的隔熱面料 AG-ST-POF外觀形貌同樣沒有明顯改變，熱穩(wěn)定性也較好；而在接觸 200 ℃ 高溫?zé)岜砻婧? mm AG-T-Nomex 出現(xiàn)輕微的隆起，面料平整性變差，當(dāng)接觸300 ℃高溫?zé)岜砻婧竺媪习l(fā)生收縮變形，面料面積縮小；具有相同織物成分的2 mm AG-T-Nomex 在接觸 200 ℃ 高溫?zé)崞矫婧螅媪铣霈F(xiàn)一些細(xì)小的波紋，但是經(jīng)300 ℃高溫后該面料形態(tài)發(fā)生了極大的變化，橫向收縮嚴(yán)重并出現(xiàn)大量的褶皺與拱起。

2.2 熱防護(hù)性能

不同面料的熱防護(hù)性能測試結(jié)果如圖4所示。其中：圖4 (a) 為單層隔熱面料在 200 ℃ 的預(yù)設(shè)溫度下，熱防護(hù)性能的測試結(jié)果；圖4(b)和圖(c)分別為 200和300 ℃ 高溫環(huán)境下，不同組合面料熱防護(hù)性能的測試結(jié)果。

圖4 熱防護(hù)性能測試結(jié)果Fig.4 Thermal protective performance test results

由圖4(a) 可以看出，針刺無紡氈隔熱層在測試的前 20 s 迅速升溫，之后進(jìn)入緩慢升溫階段直至相對平穩(wěn)；1 mm AG-T-Nomex隔熱面料升溫速度較快；其余2種添加氣凝膠的隔熱面料在進(jìn)入類似的緩慢升溫狀態(tài)前，大約經(jīng)歷了45 s的快速升溫過程。2 mm AG-T-Nomex 與AG-ST-POF 隔熱面料的外側(cè)溫度明顯低于未添加氣凝膠的無紡氈，這進(jìn)一步驗(yàn)證了氣凝膠的添加對面料熱防護(hù)性能的提升有顯著影響。對比成分一致的1 mm AG-T-Nomex和2 mm AG-T-Nomex可以發(fā)現(xiàn)，氣凝膠隔熱層厚度與面料的隔熱性能成正比；另一成分的AG-ST-POF，其隔熱性能介于二者之間。

由圖4(b)和圖4(c)可以看出，組合面料S1接觸200和300 ℃ 的恒溫平板后，在很短時間內(nèi)即進(jìn)入平穩(wěn)狀態(tài)，熱防護(hù)效果相對較差；圖4(b)中，進(jìn)入平穩(wěn)狀態(tài)后，組合面料S3的舒適層上表面溫度約比非氣凝膠組合面料低20 ℃；由圖4(b)可以看出，組合面料S3的舒適層上表面溫度較低，熱防護(hù)效果最佳，其次為S2和S4。圖4(c)中，除 S1外，其余3種組合面料的溫度變化規(guī)律比較相似，其中組合面料S3與S4的舒適層上表面溫度在130 ℃ 之前幾乎完全重疊；130 ℃ 后，組合面料S4的舒適層上表面溫度進(jìn)入相對平穩(wěn)的狀態(tài)，表明AG-ST-POF具有較好的熱防護(hù)效果，而組合面料S3的舒適層上表面溫度一直處于緩慢升溫過程。結(jié)合圖3中2 mm AG-T-Nomex 經(jīng)300 ℃處理后的外觀形貌，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因可能是氣凝膠面料使用的黏合劑無法承受如此高的溫度，并在熱分解過程中釋放出熱量，導(dǎo)致2 mm AG-T-Nomex面料結(jié)構(gòu)在高溫下發(fā)生了嚴(yán)重破壞，舒適層上表面溫度持續(xù)升高，熱防護(hù)性能降低。圖4(c)中，平穩(wěn)狀態(tài)下，當(dāng)AG-ST-POF作為隔熱層時，組合面料的舒適層上表面溫度相比非氣凝膠組合面料低 18 ℃。

2.3 皮膚燒傷預(yù)測

研究表明，運(yùn)用數(shù)學(xué)模型，定量計(jì)算皮膚達(dá)到二度燒傷的時間，是評價消防織物及其服裝熱防護(hù)性能的重要依據(jù)[25-27]。

2.3.1皮膚傳熱模型 人體皮膚由表皮層、真皮層和皮下組織構(gòu)成，其幾何結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 皮膚幾何結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of skin

假設(shè)人體皮膚各層是均勻的，且物性參數(shù)保持不變[28]。采用Pennes生物熱平衡方程[29]計(jì)算人體皮膚的熱傳遞。

表皮層：

(1)

真皮層：

(2)

皮下組織：

(3)

式中：(ρс)e，(ρс)d，(ρс)s和(ρс)b分別為表皮層、真皮層、皮下組織和血液的體積熱容，血液的比熱和密度分別為3.3×103J/(kg·K)和1.1×103kg/m3；κe，κd和κs依次為表皮層、真皮層和皮下組織的導(dǎo)熱系數(shù)；ωb為血液灌注率；Tc為人體核心溫度(℃)，取 37 ℃。皮膚各層的物性參數(shù)值見表2[30]。

表2 皮膚各層的物性參數(shù)

2.3.2皮膚燒傷模型 為了預(yù)測皮膚達(dá)到二度燒傷的時間，采用Henriques皮膚燒傷積分模型[31]求得燒傷參數(shù)Ω，具體如下：

(4)

對式(4)進(jìn)行積分，可得

(5)

式中：ΔE為皮膚活化能(J/mol)；P為頻率因子(s-1)[32]；R為理想氣體常數(shù)，即8.315 J/(mol·K)；T為皮膚真皮層基質(zhì)層處的溫度(℃)[26]。

研究發(fā)現(xiàn)，皮膚燒傷一般發(fā)生在T>44 ℃的條件下。根據(jù)皮膚損傷達(dá)到的深度和皮膚表面的變化，將皮膚燒傷嚴(yán)重程度分為3級：一度燒傷，一般無大的風(fēng)險，僅傷害表皮層；二度燒傷，危及生命安全需入院治療，通常發(fā)生在真皮層 (50～100 μm處)；三度燒傷，皮膚將不能再生，表皮層與真皮層已完全損傷且皮下組織發(fā)生部分損傷，尤其是在皮膚深度 1000～2 000 μm 處。當(dāng)燒傷積分值Ω超過 0.53，1.0，104 時，一般認(rèn)為基質(zhì)層位置分別發(fā)生了一度燒傷、二度燒傷和三度燒傷[30]。

2.3.3邊界條件 利用皮膚燒傷模型計(jì)算皮膚達(dá)到二度燒傷時間之前，需要對計(jì)算的邊界條件進(jìn)行確定。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將舒適層面料與皮膚之間的空氣層厚度設(shè)為固定值 1 mm，另外，鑒于空氣層厚度太薄，忽略對流換熱對空氣層傳熱的影響，僅考慮導(dǎo)熱和熱輻射。表皮層左右邊界條件因此可以記為

(6)

(7)

真皮層和皮下組織的左右邊界條件為

(8)

(9)

(10)

(11)

圖 6 為不同組合面料在 200和300 ℃ 的熱面接觸溫度下，燒傷參數(shù)Ω隨時間的變化曲線。

由圖 6(a) 可以看出，組合面料S1，S2，S3和 S4接觸200 ℃高溫表面時，皮膚達(dá)到二度燒傷的時間依次為 139.1，207.3，229.0和 152.7 s。采用 2 mm AG-T-Nomex 作為消防服隔熱層，人體皮膚達(dá)到二度燒傷的時間延后了 89.9 s。故在此工況下，S3面料防護(hù)下皮膚達(dá)到二度燒傷所需要的時間最長，熱防護(hù)性能最好。

圖6 不同溫度下燒傷參數(shù)Ω隨時間變化曲線Fig.6 Variations of Ω with time at different temperatures

由圖 6(b)可知，組合面料S1，S2，S3和S4接觸300 ℃高溫表面時，皮膚達(dá)到二度燒傷的時間分別為 69.2，93.3，106.3和 103.9 s。其中，組合面料S3防護(hù)下皮膚達(dá)到二度燒傷所需要的時間最長，然而圖 2(c)中2 mm AG-T-Nomex 發(fā)生了嚴(yán)重的收縮變形，影響到面料的熱防護(hù)性能，致使舒適層上表面溫度持續(xù)上升。AG-ST-POF作為隔熱層時，人體皮膚達(dá)到二度燒傷的時間延后了 34.7 s。綜合來看，組合面料S4的整體熱防護(hù)性能更好。

3 結(jié)語

文中以無紡氈消防服隔熱層為對照，選取了3種不同規(guī)格的氣凝膠隔熱面料開展性能對比分析，利用熱平板法研究了不同組合面料的熱防護(hù)性能以及各織物作為隔熱層使用時的外觀形貌變化，結(jié)合皮膚傳熱和燒傷模型進(jìn)行了皮膚燒傷預(yù)測，根據(jù)皮膚二度燒傷所需時間對比不同隔熱層面料的熱防護(hù)效果。實(shí)驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果表明：

1)組合面料接觸較低溫度的熱平面(200 ℃)時，采用 2 mm AG-T-Nomex 作為消防服隔熱層，可以提供最佳的熱防護(hù)性能，舒適層上表面溫度約比非氣凝膠組合面料低 20 ℃，使人體皮膚達(dá)到二度燒傷的時間延后了 89.9 s；

2)組合面料接觸較高溫度(300 ℃)的熱平面時，盡管 2 mm AG-T-Nomex 作為隔熱層時組合面料的舒適層上表面溫度較低，但該面料發(fā)生嚴(yán)重收縮變形，且舒適層上表面溫度持續(xù)上升，因而不適合作為消防服隔熱面料使用。相比之下，AG-ST-POF 作為隔熱層的組合面料綜合性能相對更好，舒適層上表面溫度相比非氣凝膠組合面料低 18 ℃，使人體皮膚達(dá)到二度燒傷的時間延后 34.7 s。

需要說明的是：①AG-T-Nomex系列氣凝膠隔熱面料在較低溫度下使用時具有比較出色的熱防護(hù)性能，但由于所添加的黏合劑耐熱性較差，致使該面料在高溫下易發(fā)生收縮變形。因此，AG-T-Nomex系列不適合作為消防服隔熱層面料使用。若想改善這一系列面料的熱防護(hù)性能，首先需要解決面料所含成分(如黏合劑)的耐高溫問題。②AG-ST-POF面料在不同的工況下，其熱防護(hù)性能存在顯著差異，未來需進(jìn)一步探討分析，揭示發(fā)生這一現(xiàn)象的原因和氣凝膠面料差異性應(yīng)用的可能。