光濕作用下消防服色彩與使用性能的關系*

馬春杰 丁作偉 崔志英 于偉東

(1.東華大學服裝·藝術設計學院，上海，200051;2.東華大學紡織學院，上海，201620)

消防服是保障消防員在滅火救援現場人身安全的重要防護裝備之一，其在反復的服用過程中不可避免地會發生功能衰退，原因除人為因素(洗滌和儲藏)外，主要是熱、濕、光、應力等多種環境因素的作用。目前針對熱、濕、光等單一作用條件下消防服的性能研究比較充分［1-5］，老化研究及耐久性預測方法也逐步完善［6-8］，而有關多種環境因素復合作用下消防服的研究相對較少，因為試驗條件難模擬，且研究過程費財、費時、費力。本文以常用的消防服用織物為對象，研究光濕復合作用下織物的表觀性能、力學性能及熱防護性能，建立基于色彩變化的消防服使用性能預測模型，以達到采用非破壞性方法評價消防服及其織物生命周期的目的。

1 試驗部分

1.1 試驗材料與儀器

消防服通常由四層織物構成，由外到內分別為外層、透氣層、隔熱層及舒適層。本文選用外層面料分別為藏青色的NomexⅢA(記為A1)、土黃色的PBI金麒麟(記為A2)、橙紅色的國產芳綸(記為A3)三種材料，透氣層、隔熱層及舒適層分別為PTFE(聚四氟乙烯)膜、隔熱氈和阻燃黏膠。

依據太陽光基本理論及AATCC TM 16—2004 Colorfastness to Light、ISO 105 B02—1994《紡織品色牢度實驗》等標準，采用功率為1 500 W的長弧氙燈作為模擬日光光源，濾光系統選用紫外延展濾光器，尺寸為350 mm×90 mm×5 mm，波長截止點為275 nm，其允許透過比地球表面太陽光的波長截止點290 nm更短的紫外線。采用DT-1300型照度計和JTR09型高溫輻射熱計標定輻照度，UV-340A型紫外輻照計標定輻照度控制點，保證在300～420 nm段控制范圍的輻射量不小于42 W/m2。織物光老化儀示意圖如圖1所示。

1.2 試驗方法

模擬光老化試驗方法：光強度設為(21 200±300)lx(試樣中心部分)，輻照強度值設為(5.40±0.27)kW/m2，輻照時間分別為 0、15、30、45、60 min。

圖1 光老化儀示意圖

織物水處理方法：根據 AATCC Test Method 70—2010標準，在恒溫恒濕環境下，將外層面料完全浸潤在溫度為(20±2)℃的水中，試樣A1、A2、A3分別浸潤60、60、20 min接近飽和狀態，此時三者中含水率最大為89%，最小為80%。因此將織物的潤濕狀態設定為含水率約40%和飽和潤濕這兩種狀態，含水率計算公式如下：

式中：W——含水率(%);

m0——織物浸潤前的質量(g);

m——織物浸潤后的質量(g)。

試樣浸潤取出后，在試樣的上下方加上吸水紙，并施加3.5 kPa的壓強保持20 min。試樣在狀態調節后密封在塑料袋中，以便于進行其他試驗。通過預試驗發現光濕老化的順序對試驗結果無顯著影響，故本文設計先光照后潤濕的老化試驗。

1.3 織物性能測試

CIELAB顏色空間是國際照明委員會CIE制定的一種均勻的顏色系統，對于任何一種顏色都能在CIELAB色空間中表示出來，其中L為光亮度，取值范圍為0(黑色)～100(白色);a和b表示色坐標(其中a代表紅綠軸，b代表黃藍軸)，它們的取值范圍為－128～127，獲取Lab值的前提是測得樣品的三刺激值(X、Y、Z)及色度坐標(x、y、z)［9］。

三刺激值計算公式如下：

色度坐標公式如下：

式(2)中，I(λ)為光源經物體反射進入人眼的光譜能量分布(λ)(λ)(λ)為CIEXYZ標準色度系統的光譜三刺激值，k為歸化系數。三刺激值與色度坐標轉化過程的計算比較復雜，本文采用的方法是：首先采用島津UV-3600型分光光度計對樣品進行光譜測量;然后通過 MATLAB軟件編程［10-11］，利用load函數導入標準光源數據、樣品的光譜功率分布數據(光反射率)及CIE標準D65光源的三刺激值，見圖2;編寫 wlen、interp和 ccolor三個功能函數，獲取樣品光譜功率的三刺激值和色度坐標;編寫空間轉換函數xyz2lab，計算樣品的Lab值，見表1。

圖2 D65光源下外層試樣顏色的光譜曲線

表1 外層試樣表面顏色信息

采用Instron 3365型萬能材料試驗機測試織物的斷裂強力，采用美國Custom Scientific Instrument公司的CSI-206型熱防護性能測試儀測試織物的熱防護系數(TPP)值。

2 試驗結果

2.1 織物色彩變化

圖3是光老化過程中織物表面顏色的變化圖，從圖3中可直觀地看出，織物顏色隨著老化時間的增加而加深。光老化后潤濕狀態下，織物表面顏色比相應干態時略深。用Lab值表示光濕復合作用下織物的表面顏色，見表2。

圖3 光老化后織物的外觀形態

表2 光濕復合作用下織物顏色的Lab值

2.2 織物斷裂強力與整體TPP值變化

圖4是織物在光濕復合作用下斷裂強力的變化曲線。從圖4中可看出，隨著光照時間的增加，織物經緯向斷裂強力整體呈下降趨勢;光老化后潤濕狀態下，經緯向斷裂強力比對應干態時要低。利用SPSS［12］分析得，光老化時間對織物經緯向斷裂強力影響顯著(均為P＜0.01);潤濕程度對經緯向斷裂強力影響顯著(P＜0.001)。圖5反映的是光濕復合作用下服裝整體熱防護性能的變化，從圖5中可看出TPP值隨著潤濕程度的增加而增大，經SPSS分析得，潤濕程度與TPP值顯著正相關(相關系數 R=0.857，P ＜0.001)，而光老化時間對 TPP值影響不顯著。以上分析結合色彩變化的直觀判斷，可推測光濕復合作用下，織物表面顏色的加深對應著斷裂強力的下降及整體TPP值的增加，即顏色分別與斷裂強力、整體TPP值之間存在某種線性關系。

3 多元線性回歸分析

3.1 色彩與斷裂強力及TPP值間關系模型的建立

多元線性回歸的數學模型為：

式中：y——因變量;

x1、x2、x3——自變量;

β0、β1、β2、β3——未知參數;

ε——不可測的隨機誤差［12］。

將 L、a、b 值分別設為自變量 x1、x2、x3，經向斷裂強力、緯向斷裂強力、TPP值分別設為因變量y1、y2、y3。利用SPSS對自變量與因變量進行回歸分析，得到的回歸方程的擬合優度檢驗由復相關系數R和決定系數R2實現，R和R2越接近1，說明擬合優度越好。回歸方程的顯著性檢驗一般采用F檢驗，當顯著性概率P＜0.05時，說明回歸方程的顯著性高。回歸系數的顯著性檢驗采用T檢驗，當Sig.＜0.05 時，說明回歸系數具有顯著性［12-13］。

圖4 光濕復合作用下織物的斷裂強力變化

圖5 光濕復合作用下服裝整體的TPP值變化

采用逐步回歸分析方法得到的回歸方程如下：

(1)光老化后干態：

y1=1 069.700 －3.027x2

y2=843.171+1.824x1－3.431x2

y3=31.990 －0.045x2

(2)光老化后含水率約40%：

y1=971.092 －5.450x2+3.452x3

y2=768.883 －5.148x2+5.830x3

y3=34.512 －0.074x2+0.057x3

(3)光老化后飽和潤濕：

y1=960.636 －6.610x2+4.347x3

y2=770.029 －5.739x2+6.363x3

y3=39.760 －0.111x2+0.084x3

表3為回歸方程擬合度和顯著性檢驗結果。數據表明，除了在含水率約40%及飽和潤濕情況下方程 y3的擬合度較低(R2分別為0.759和0.587)外，其他情況下各方程的擬合度均比較高(R2范圍為0.855～0.965)。回歸方程顯著性檢驗結果表明所有方程的顯著性高，且各方程的T檢驗結果表明回歸系數具有顯著性。

表3 回歸方程擬合優度及顯著性檢驗

3.2 回歸模型的驗證

驗證試驗選用的外層面料為暗橙色的NomexⅢA，記為B，其他三層選材不變。試驗條件及方法不變，輻照強度值為(5.3 ±0.27)kW/m2，輻照時間分別為 0、15、30、45、60 min，光老化后的潤濕狀態為三種：干態、含水率約40%、飽和潤濕。光濕復合作用下，試樣B的表面顏色Lab值如表4所示。

表4 試樣B表面顏色的Lab值

用預測誤差表征回歸模型的預測效果，其表達式為：

平均誤差為各個誤差的平均值。表5、表6及表7分別是驗證試驗后試樣B經向斷裂強力、緯向斷裂強力及整體TPP值的預測值誤差。從表5中可看出，不同潤濕狀態下經向斷裂強力的預測值平均誤差最大為2.53%，說明預測結果很接近實際情況;表6中平均誤差最大為10.50%，說明預測結果較為可靠;表7中平均誤差最大為14.55%，說明整體TPP值在含水率約40%狀態下的預測值有一定偏離。

表5 試樣B經向斷裂強力的預測值誤差

表6 試樣B緯向斷裂強力的預測值誤差

表7 試樣B為外層的整體TPP值的預測值誤差

4 結語

本文對消防服常用外層織物進行了光濕復合老化試驗，采用分光光度儀和MATLAB語言編程計算得到織物色彩的Lab值，利用SPSS軟件分析并建立色彩分別與斷裂強力、熱防護性能之間的多元線性回歸關系，得到相應的回歸方程。

采用不同顏色的外層織物進行驗證試驗，預測結果為：光老化后，干態、含水率約40%及飽和潤濕狀態下，經向斷裂強力的預測平均誤差分別為2.53%、2.40% 和 2.53%;緯向斷裂強力的預測平均誤差分別為 4.90%、8.99% 和 10.50%;整體TPP值的預測平均誤差分別為4.10%、14.55%和10.41%。說明回歸模型的擬合度總體來說較好，用其進行預測可以接受，對用非破壞性試驗方法來預測消防服的報廢時機具有一定的指導意義。

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