服裝熱防護性能測評技術的發(fā)展過程及現(xiàn)狀

翟麗娜，李 俊，3

(1.東華大學服裝·藝術設計學院，上海 200051;2.東華大學功能防護服裝研究中心，上海 200051;3.現(xiàn)代服裝設計與技術教育部重點實驗室(東華大學)，上海 200051)

自然界與社會環(huán)境中，存在多種熱傷害安全隱患，如火焰、熔融金屬濺射以及熱氣體等熱傷害源。穿著合適的熱防護服裝可以保護人體，在突發(fā)條件下，為著裝者提供寶貴的反應時間。

在熱環(huán)境中，熱防護服裝作為人體與外界環(huán)境的媒介，可以通過2個途徑對人體進行保護。一方面，熱防護服裝可以隔絕傷害源，避免人體皮膚與火焰、熔融噴濺等傷害源的直接接觸;另一方面可以在一定程度上減緩外界熱量向人體傳遞。熱防護服裝的這種防護性能即為熱防護性能。

然而不同的熱防護服裝可能具有不同的纖維成分、織物結構、款式特征，如何對不同的熱防護服裝進行性能評價，一直是服裝領域研究者關注的問題，熱防護性能的測評方法也經歷了從織物層面到服裝整體層面，從平板實驗到燃燒實驗的發(fā)展過程。本文分別從服用織物及服裝整體2個層面，對服裝熱防護性能的測評方法及評價指標進行了回顧與總結，并根據當前服裝熱防護性能測評的研究現(xiàn)狀提出了未來該領域發(fā)展的方向。

1 服用織物的熱防護性能測評

在服裝整體熱防護性能測試方法出現(xiàn)以前，服裝的熱防護性能多用服用織物的熱防護性能來表征。

1.1 阻燃性能

通過后整理方法，天然纖維織物(如阻燃棉)得到了阻燃、隔熱等熱防護性能，傳統(tǒng)的熱阻等服裝隔熱性能表征方法已不能滿足熱防護服裝的評價需求，因此熱防護性能主要通過織物的阻燃性能來代表。常用的方法包括垂直燃燒法、45°傾斜法、極限氧指數法。

其中垂直燃燒方法中，將織物置于火焰的垂直上方，測試織物在規(guī)定的火焰條件和時間內的續(xù)燃時間、陰燃時間、損毀長度等指標;極限氧指數方法計算了能夠支持織物燃燒的最低的氧氣體積分數;45°傾斜法測試了織物燃燒時火焰向上燃燒至一定距離所需要的時間。

這些測試方法與評價指標雖然可以評價織物的阻燃能力，但是隨著科技的發(fā)展，越來越多的阻燃織物具有優(yōu)越的阻燃性能，因此在同等情況下，難以通過阻燃測試進行性能優(yōu)劣的評價。

1.2 織物熱傳遞性能

隨著合成纖維等人造纖維技術水平的不斷提高，多種阻燃的化學纖維，如芳綸1313(Nomex)、芳綸1414(Kevlar)、聚苯并咪唑(PBI)等，已實現(xiàn)了工業(yè)化生產，并投入到熱防護服裝的使用中。Behnke［1］指出早期用于阻燃整理織物質量控制的阻燃性能測試，并不足以評價織物的防護等級，并基于Stoll關于人體皮膚二級燒傷的燒傷準則［2－3］，提出使用熱防護性能(thermal protective performance，TPP)測試裝置測試織物的熱傳遞性能。

隨著TPP測試方法的應用［4］，ASTM及 ISO等機構形成了一系列織物熱防護性能測試方法及評價標準。其中重要的測試方法見表1。

表中所示這些測試方法分為2種，一種將皮膚燒傷考慮在內，測試織物達到一定燒傷結果的防護時間(ASTM標準多使用此種方法);另一種則測試了織物達到一定溫度時的能量傳遞率(ISO標準中多采用此種方法)。根據不同測試方法的特點，可以將織物的熱傳遞性能評價指標分為不同類別。

1.2.1 考慮燒傷的測試方法

考慮燒傷的測試方法中使用了Stoll燒傷準則進行燒傷評價，即從人體生理的角度出發(fā)，衡量了織物的熱防護性能。

其中，根據標定變量的不同又可以分為溫度標定與能量標定2種方法。

溫度標定方法:這種方法源于Behnke定義的TPP測試方法。Behnke認為將熱暴露設定為已知水平時，即可以通過足以達到二級燒傷的熱傳遞能量值來評價服用織物，因此，TPP值為熱暴露時間與熱流密度的乘積。

目前，以TPP值為代表的熱傳遞性能評價廣泛應用于國際測試標準中。其中，ASTM D4108《明火法測試防護織物的熱防護性能》，是應用TPP測試裝置的經典測試方法，其熱暴露的熱流密度(84±2)kW/m2即(2±0.05)cal/(cm2·s)為之后的測試標準廣泛使用。另外，熱源為熱輻射的測試條件被單獨提出，形成了ASTM F1939-99a《防火服裝材料的防輻射性能試驗方法》，并定義輻射熱防護性能(radiant protective performance，RPP)來評價織物的輻射防護性能。

ISO標準借鑒了ASTM標準中的測試方法，定義熱臨界指標(thermal threshold index，TTI)或熱防護指標(thermal protection index，TPI)表征織物的熱傳遞性能。TTI與TPP指標本質相同，只是表述方法不同，由于TPP指標提出較早且應用廣泛，TTI指標的使用比較少見。

能量標定方法:早期的TPP、RPP、TTI測試方法中，均將Stoll燒傷準則中的皮膚表面吸收能量轉化為熱流計的溫度上升值。而在ASTM F2700—2008《連續(xù)加熱法評估服裝用阻燃材料的非穩(wěn)態(tài)傳熱的標準試驗方法》及ASTM F1939—2008《用連續(xù)加熱測定防火服裝材料的防熱輻射的標準試驗方法》中，去掉了熱流計溫度轉化這個步驟，而改為使用熱流計的累積能量。然后利用縱坐標為能量值的Stoll曲線，判斷達到二級燒傷的時間。

表1 織物熱傳性能的測評方法Tab.1 Test methods for heat transfer performance of fabrics

對熱輻射及熱對流耦合的熱源，定義熱傳遞性能(heat transfer performance，HTP)，對于僅有熱輻射的熱源，定義輻射熱阻(radiant heat resistance，RHR)。2個指標的計算方法與TPP一致，僅在命名上有所不同。

1.2.2 未考慮燒傷的測試方法

ISO標準中，也使用了單純的能量方法標定織物的熱傳遞性能。

2個典型的指標為熱傳遞指標(heat transfer index，HTI)、熱 傳 遞 因 子 (heat transfer factor，HTF)。其中HTI定義為銅片傳感器溫度上升到12℃或24℃時，織物的總傳遞能量。HTF定義為經過面料傳遞后的熱流量密度與入射熱流量密度的比值。

與TPP測試中模擬皮膚達到二級燒傷的時間控制不同，在這2種測試方法中，人為規(guī)定了實驗終止的節(jié)點，比如傳感器溫度上升到12℃或24℃，因此無需使用燒傷準則及燒傷模型進行判斷，是一種單純的能量標定的方法。但是由于沒有考慮人體穿著防護服裝后可能出現(xiàn)的燒傷危害，對于終端的用戶來說，指標的實際指導意義并不明顯，所以應用并不廣泛。

無論是基于皮膚燒傷的測試方法，還是能量傳遞率的直接表征，其本質均為對面料熱傳遞性能的標定。然而，對于織物熱傳遞性能的測試僅僅考慮了織物在熱暴露階段的隔熱性能，未將冷卻階段，服裝可能釋放熱量的因素考慮在內，因此這些測試方法未能全面的反應織物的熱防護性能。

1.3 織物的熱防護性能評價

自1971年開始，消防服裝的多層織物系統(tǒng)的蓄熱性能引起了學者的重視［5］。學者指出，織物特別是具有多層織物的服用織物系統(tǒng)，在熱暴露階段會蓄積大量的熱量，在熱暴露結束之后，這些熱量會發(fā)生持續(xù)的放熱過程，這些熱量傳遞到皮膚之后，會引起更大程度的燒傷［6］。

傳統(tǒng)上，較高的TPP值被認為具有較好的熱防護性能，然而TPP本質上測試的僅僅是服用織物的熱傳遞性能，并沒有將織物的熱蓄積性能考慮在內，因此，2008年，ASTM 機構制定了 ASTM F2703—2008《評估阻燃服裝材料的非穩(wěn)態(tài)傳熱進行燒傷預測的標準試驗方法》及ASTM F2702—2008《評估阻燃服裝材料的輻射熱性能進行燒傷預測的標準試驗方法》(見表2)。這2個測試標準中考慮了熱暴露結束之后，織物系統(tǒng)的熱蓄積的因素，并重新定義了熱性能評估(thermal performance estimate，TPE)，及輻射熱性能(radiant heat performance，RHP)2個指標。

表2 織物熱防護性能的測評方法Tab.2 Test methods for thermal protective performance of fabrics

TPE與RHP的計算方法與TPP的原理基本相同，不同之處在于TPE與RHP的計算中，實驗時間分為2部分，一部分為熱暴露時間，另一部分為30 s冷卻時間。由于測試前不能預測恰好達到二級燒傷的實驗時間，因此測試需要經過不斷嘗試進行。

這2種測試方法不僅考慮了織物的阻燃性能、熱傳遞性能，還考慮了后期的蓄熱性能，因此可以比較全面地反映織物整體的熱防護性能。但是，由于這種測試方法近年才開始提出，且測試過程需要不斷嘗試，因此還未得到廣泛理解和接受。

2 服裝整體熱防護性能的測評

與織物熱防護性能測評方法相比，服裝整體熱防護性能測評的手段較少。曾有學者使用圓筒測試儀進行服裝熱防護性能測試［7］，然而認可度較高，接受較廣泛的測試方法為燃燒假人測試方法［8］。

2.1 燃燒假人測評系統(tǒng)的發(fā)展歷程

20世紀60年代，美國空軍研究所進行了有關燃燒假人研制的項目，用來研究空難人員逃離飛機墜毀火場時的服裝防護及人員受傷情況。Stoll基于其早期關于燒傷實驗的研究，根據溫度判斷不同部位的燒傷情況［9］。

1973年，Elkins等［10］嘗試使用一種精確簡單的計算機代碼來實現(xiàn)皮膚不同深度及程度的組織燒傷預測及服裝性能評價。此時，假人系統(tǒng)不僅配備了完善的數據采集系統(tǒng)，還首次使用了Henriques燒傷模型進行皮膚燒傷預測評價。

1979年，Trent等［11］提出對溫度超過44 ℃后的所有時間進行燒傷積分計算，這個評估不僅包括了熱暴露階段，同時考慮了冷卻階段;另外，使用可視化的人體燒傷分布圖，來評價服裝在不同部位的熱防護效果。

20世紀80年代，燃燒假人系統(tǒng)陸續(xù)在多個研究機構建立，如美國的明尼蘇達大學［12－13］、加拿大的阿爾伯特大學［14－15］、美國的北卡州立大學［16］。在這個時期，燃燒假人系統(tǒng)逐步完善，出現(xiàn)了完整的燃燒實驗室系統(tǒng)。另外，燒傷預測的方法從簡單的經典導熱微分方程發(fā)展到考慮了生物組織特點的Pennes模型［17］;配合 Henriques燒傷模型，系統(tǒng)可以輸出完整的熱防護性能報告［18］。

近年來，美國的 WPI［19］、瑞士的 EMPA［20－21］，南斯拉夫JSI［22］等研究機構對假人測試系統(tǒng)進行了研究開發(fā)。另外，東華大學也開展了利用其燃燒假人“東華火人”對動態(tài)人體模擬條件下的整體熱防護性能測評工作［2］。

隨著燃燒假人測試方法的不斷完善，逐步形成了燃燒假人系統(tǒng)測評方法的相關標準。

2.2 服裝整體熱防護性能測評方法

2000年至2008年，ASTM和ISO機構先后制定了ASTM F1930—2000《用裝有測量儀器的人體模型評價防護服裝耐模擬暴燃火焰的標準試驗方法》及ISO 13506—2008《防熱和防火防護服 完整服裝的試驗方法 用裝備儀器的假人對燃燒傷害的預測》，對使用燃燒假人的測試方法進行了統(tǒng)一規(guī)范。其中ASTM F1930標準至今已發(fā)展至13版本，在不同年代的版本中，測試評價方法基本一致，但是在皮膚燒傷預測方面對于皮膚厚度、熱物理性能等變量，給出了不同的參數值。而ISO標準基本參照了ASTM F1930—2000標準中的實驗方法及參數。

在測試評價方面，ASTM標準中規(guī)定使用燒傷預測百分比及燒傷預測分布圖的方法，而ISO標準同時推薦使用總傳遞能量值的方法，因此，目前，燃燒假人測試系統(tǒng)的評價包括燒傷預測百分比、燒傷預測分布圖及總傳遞能量3種方法。

2.2.1 燒傷預測百分比

對于皮膚燒傷患者來說，身體燒傷面積是影響生還率的關鍵因素。早在1961年，Stoll［9］已使用燒傷預測比例來預測著裝者的皮膚燒傷程度，之后這種方法一直被學者沿用。目前，ISO標準及ASTM標準中均要求系統(tǒng)計算不同燒傷程度的區(qū)域預測比例。包括二級燒傷、三級燒傷、總燒傷(二級燒傷和三級燒傷的總和)區(qū)域分別占燃燒假人總體區(qū)域的比例，不同燒傷程度占服裝覆蓋區(qū)域的比例。其中總燒傷區(qū)域的比例常用來評價熱防護服裝整體的熱防護性能。

2.2.2 燒傷預測分布圖

1979 年，Trent［11］等將人體不同區(qū)域的預測燒傷情況使用二維圖像的方法表征，是當今使用的燒傷預測分布圖的雛形。目前，通常將未燒傷、一級燒傷、二級燒傷、三級燒傷4個燒傷水平使用不同顏色表示，從而表達對應部位的燒傷程度。

根據燒傷預測分布圖，可以清晰地評估熱防護服裝不同部位的防護效果;為熱防護服裝不同部位的設計提供了依據。

2.2.3 總傳遞能量

在整個數據采集階段，假人體表每個傳感器接收到的累積能量的總和即為總傳遞能量值。一些研究中直接使用這個能量值進行服裝熱防護性能的評估［23－24］。最近，Rossi等［25］提出使用能量傳遞因子的方法進行防護性能的評估，因此這種評價方法仍有待完善。

3 熱防護性能測評的發(fā)展方向

由于研究對象的危險性與復雜性，服裝熱防護性能的測評方法發(fā)展緩慢，在織物測試及服裝整體測試層面仍然存在一定進步空間。

織物熱濕耦合狀態(tài)下測評方法的建立。織物熱防護性能測評方法經歷了從阻燃性能、熱傳遞性能、考慮熱蓄積的熱防護性能的不斷發(fā)展與完善。但是現(xiàn)有研究多局限于干熱條件下的熱傳遞過程模擬，在長時間熱暴露過程中，特別是低熱輻射狀態(tài)條件下，人體的出汗等生理反應仍需考慮在測試中。關于熱濕耦合作用的測試方法，一些學者進行了探索［26］，然而在對面料的加濕步驟等方面仍然需要建立標準化規(guī)范。

服裝整體熱防護性能測評方法的細分。假人系統(tǒng)最早被用來研究空難人員逃離飛機墜毀火場時的服裝防護及人員受傷情況。然而，有學者［27］認為例如消防服等的熱防護服裝的使用狀態(tài)為低熱流密度長時間熱暴露，與燃燒假人測試中使用的高熱流短時間熱暴露條件并不相同。在織物層面的測試中，已經單獨將熱輻射條件與熱對流熱輻射耦合的閃火條件進行區(qū)別，并形成了一些測試標準［5，12］。但是在服裝的整體熱輻射防護性能評價方面，仍有待形成一定測試規(guī)范與評價方法。

燒傷預測評價方法的完善。目前，皮膚燒傷預測百分比及皮膚燒傷預測分布圖成為整體熱防護性能評價的主要指標。然而近年來，不斷有研究者發(fā)現(xiàn)，由于皮膚厚度等參數的不同、皮膚傳熱模型及燒傷模型的差異，導致不同燃燒假人測試結果不盡相同［28］。另外，有學者提出了 Stoll燒傷準則及Henriques燒傷模型的適用性問題［29］，因此，未來仍需要挖掘皮膚性能以及燒傷機理的研究成果，充分考慮皮膚內部熱傳遞過程的內在規(guī)律，進一步討論皮膚燒傷預測方法的準確性及合理性等問題。

服裝熱防護性能客觀評價方法的完善。服裝的燒傷防護性能只是服裝熱防護性能的一個重要部分，然而服裝自身的性能變化是也是熱防護性能的組成成分。在ASTM及ISO測試標準中，均使用主觀觀察的方法來記錄燃燒過程中服裝發(fā)生的收縮、炭化、熔融，破損等服裝的性能變化，而缺乏客觀的評價指標。在此方面，通過利用三維掃面技術［30］，對服裝各部位進行記號標定［31］等手段，記錄燃燒前后服裝本身的性狀改變，將為服裝性能的客觀表征指標的建立奠定基礎。

4 結語

服裝的熱防護性能測評經歷了從織物測試到服裝整體的測試評價方法的發(fā)展過程，各種測試方法在硬件方面不斷完善，然而在評價理論方面，仍存在較多問題。未來，仍需充分考慮熱防護服裝的使用環(huán)境的實際條件，利用當前醫(yī)學及工程熱物理學方面先進的理論成果及技術手段，提高燒傷預測方法的合理性與準確度，實現(xiàn)火場環(huán)境中對人體燒傷更為準確的預測估計，建立完善的熱防護服裝的熱防護性能評價體系。

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