附加相變材料的消防服多層織物性能研究*

崔志英 袁曉云 馬春杰

(東華大學服裝·藝術設計學院，上海，200051)

近年來國內火災、爆炸等災難性事故頻發，在火災和爆炸事故搶險現場，時有身著消防服裝的消防戰士被燒傷或犧牲的報道。Huang等［1］對25個省份的1 177名消防戰士進行問卷調查發現，救援過程中消防戰士被燒傷的比例高達21% ，目前中國大約有16萬名消防戰士，約有33 600人在救援過程中被燒傷，因此如何保護消防戰士的人身安全成為一個廣為關注的焦點。

為了減少消防員的傷亡，將相變材料新技術應用于消防服將成為研究的熱點。相變材料作為一種新型智能調溫材料，是一種能夠在特定溫度下發生可逆相態轉變的材料(如固-液態轉變)，在相轉變過程中可從周圍環境吸收或釋放大量的熱，并保持自身溫度恒定［2-3］。因此，本文設計了不同厚度的相變材料，將其與隔熱層復合后應用于消防服多層織物系統，探討了相變材料對消防服的熱防護性能及熱濕舒適性能的影響，為相變材料在消防服中的應用提供理論指導。

1 實驗部分

1.1 消防服各層試樣

消防服通常由外層、防水透氣層、隔熱層組合而成［4］。本文試樣均來自國內消防服中普遍使用的織物品類，各層試樣的基本物理參數見表1。其中:A1和A2分別為對位芳綸與間位芳綸混紡阻燃外層面料試樣和阻燃棉織物外層面料試樣;B為防水透氣層試樣;C0為隔熱層試樣。

表1 各層織物基本物理參數

1.2 相變材料

采用干法涂層工藝將相變材料與隔熱層復合制備成調溫織物，實驗選用的相變材料是自然調溫元素(專利號:2007100649214)［5］，其熔融溫度為－0.15～32.38 ℃，結晶溫度為25.93 ～ －5.64 ℃。相變涂層材料是由自然調溫元素制備的相變膠囊粉加入軟性丙烯酸酯黏合劑和水配制的相變膠囊混合液，涂層材料的厚度分別為 0.08、0.10、0.12、0.14和0.16 mm，相變涂層材料試樣的基本物理參數見表2。

1.3 試樣組合

多層消防服用織物系統實驗組合設計見表3。其中:X表示外層織物為A1，Y表示外層織物為

表2 隔熱層涂層織物基本物理參數

表3 消防服各層試樣的組合

1.4 性能測試

1.4.1 熱防護性能

熱防護性能(thermal protective performance，TPP)實驗是目前國際上通用的評價織物熱防護性能的實驗方法。本文采用CSI-206熱防護性能測試儀，其構造原理見圖1。測試儀主要由氣體燃燒器和石英燈管、熱源預屏蔽裝置、試樣夾持裝置、熱量計和繪圖記錄儀組成。

圖1 TPP性能測試原理示意

測試時試樣水平放置在以對流和輻射混合熱作用的火焰上方，織物正面對著熱源，試樣距石英管125 mm，置于試樣后的熱量計的溫度隨熱源作用的時間而變化，溫度記錄儀每隔0.1 s自動記錄熱量計隨時間延長的溫度變化值，并繪成曲線。曲線與Stoll標準曲線的相交點即為造成人體皮膚二度燒傷所需要的時間，與此條件下的熱量乘積即為TPP值［6］。TPP值按下式計算:

式中:F——熱流量［4.18 J/(cm2·s)］;

T——二度燒傷時間(s)。

TPP值越大，則織物的熱防護性能越好，人體皮膚越不容易燒傷。

1.4.2 熱濕舒適性能

采用美國西北測試(MTNW)公司的SGHP-10.5出汗平板儀測試消防服多層組合織物系統的熱阻和濕阻，其結構示意見圖2。該裝置包括多孔滲水發汗測試盤、四周熱護環與底部的熱護底板、重力自動供水系統，以及環境溫度和濕度感測器。該儀器通過ThermDAC控制系統進行數據的記錄與計算。按照ASTM F1868標準對多層織物的熱阻、濕阻、總散熱量(total heat loss，THL)及透濕指數(im)進行測試［7］。

圖2 出汗平板儀示意

實驗時設定環境溫度為25℃，環境相對濕度為65%，風速為1 m/s，熱平板溫度為35℃，試樣尺寸為50 cm×50 cm。

2 結果與分析

2.1 多層織物系統的熱防護性能

圖3是外層織物為芳綸織物(A1)的多層織物系統(X系統)的模擬皮膚溫度上升曲線。從溫度上升曲線可看出，織物在火焰暴露下，其溫度上升過程可分為兩個階段。第一階段是織物被加熱過程，在最初的幾秒鐘內，外界的大部分熱量都被織物吸收，織物被加熱，傳感器的溫度上升緩慢;第二階段是織物輻射熱量過程，當織物吸收了一定的熱量后，織物向皮膚傳遞熱量，皮膚溫度上升速率加快。圖3中附加相變材料的 X1～X5的溫度上升斜率相近，而無相變材料的X0溫度上升速率較快。這說明相變材料在加熱的過程中當達到相變溫度時發生了相變，吸收外界的熱量，使得多層織物溫度上升速度變緩慢，皮膚達到二度燒傷的時間增加，從而降低了火焰對人體的危害，能更好地保護消防員的人身安全。

圖3 多層織物系統中模擬皮膚溫度隨時間的上升曲線

表4為多層織物組合系統的TPP測試結果。實驗結果表明:附加了相變材料的織物系統的TPP值大于無相變材料織物系統，即相變消防服整體的熱防護性能得到了提高。這是由于相變材料吸收了從外界環境傳遞來的熱量，儲存于織物內部，有效地減緩了溫度上升的速率，從而延長了皮膚到達二度燒傷的時間。從表4可得到:X1～X5的TPP值與X0相比，增加了15.54% ～25%;Y1～Y5的TPP值與Y0相比，增加了13.38% ～27.16%。

表4 多層組合織物系統的TPP值

2.2 多層織物系統的熱濕舒適性能

消防服多層組合織物系統的熱阻、濕阻和透濕指數的實驗結果及其總散熱量的測試結果分別見表5和圖4。實驗結果表明:附加相變材料的多層織物系統的濕阻值均增大，透濕指數減小，熱阻無明顯變化;同時總散熱量THL值減小，但仍滿足NFPA1971標準THL值≥205 W/m2的要求［6］。對于外層織物為A1的組合織物，涂層厚度為0.16 mm的多層組合織物系統X5熱阻和濕阻最小，總散熱量最大，熱濕舒適性最好;其次為涂層厚度為0.10 mm的多層組合織物系統X2。外層織物為A2的組合織物，涂層厚度為0.10 mm隔熱層的多層織物系統Y2熱濕舒適性能最優。考慮到涂層厚度越大，越容易導致涂層不均勻，同時考慮消防員的滅火作業的靈活性，綜合以上因素，相變材料的涂層厚度以0.10 mm為最優。

表5 多層織物系統的熱阻與濕阻

圖4 多層組合織物的總散熱量折線圖

3 結論

(1)消防服多層織物在附加相變材料后其總散熱量減小，但仍滿足NPFA1971標準的要求。

(2)消防服多層織物附加相變材料后整體的TPP值增加了13.38% ～27.16%，即熱防護性能變好。

(3)將相變材料新技術應用于消防服，將有效地減少傳遞到人體皮膚的熱量，從而降低人體的燒傷程度，能更好地保護消防員的人身安全。

［1］HUANG Dongmei，YANG Hua，QI Zhengkun，et al.Questionnaire on firefighters’protective clothing in China［J］.Fire Technology，2012，48(2)，255-268.

［2］陳紹芳，孟家光.Outlast空調纖維/棉纖維混紡針織產品開發［J］.產業用紡織品，2012，30(2):5-6.

［3］孫錚，汪嬡，俊玲.石蠟相變微膠囊及其調溫織物的性能研究［J］.印染助劑，2013，30(1):5-8.

［4］全國消防標準化技術委員會.GA10—2002消防員滅火防護服［S］.北京:中國標準出版社，2002.

［5］北京巨龍博方科學技術研究院.自然調溫元素及制備方法:中國，2007100649214［P］.2007-03-29.

［6］National Fire Protection Association.NFPA1971 Standard on protective ensembles for structural firefighting and proximity fire fighting［S］.Massachusetts:National Fire Protection Association，2013.

［7］American Society for Testing and Materials.ASTM F1868-12 Standard test method for thermal and evaporative resistance of clothing materials using a sweating hot plate［S］.American Society for Testing and Materials，West Conshohocken，PA:ASTM International，2012.