含水率對消防服用織物熱防護性能的影響

曹　娟，宋國文，2，張　慧，任海濤

（1.天津工業大學紡織學院，天津　300387；2.愛荷華州立大學人類科學學部，艾姆斯IA50011美國）

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含水率對消防服用織物熱防護性能的影響

曹娟1，宋國文1，2，張慧1，任海濤1

（1.天津工業大學紡織學院，天津300387；2.愛荷華州立大學人類科學學部，艾姆斯IA50011美國）

摘要：為研究消防服用織物在濕態下的熱防護性能，選用3種常見的消防服多層結構面料，通過使用改進的TPP測試儀，將多層織物組合暴露在強度為15.4 kW/m2的熱輻射下，利用皮膚模擬傳感器記錄溫度變化，并通過皮膚燒傷模型預測二級燒傷時間，比較不同面料吸濕后熱防護性能的變化.結果表明：隔熱舒適層較厚的織物在含水率為45.9%時，二級燒傷時間達到了最小值，隔熱舒適層相對較薄的兩種織物在含水率分別為20.0%和24.2%時，二級燒傷時間也達到了最小值.隨著織物含水率繼續增大，二級燒傷時間呈上升趨勢，而模擬皮膚吸收的熱量出現了不同的波動.

關鍵詞：消防服裝；織物；熱防護；含水率；二級燒傷時間

消防員無論在外圍控制火勢還是進入火場救援都常常會與水接觸，消防服外層難免會被水潤濕，其中一部分水分會通過服裝表層傳遞到內層[1].同時，在救援過程中，消防員本身會產生大量的汗液，穿著消防服后人體會以1 200～1 800 g/h的速率出汗[2-3].出汗是為了調節人體的溫度，能夠保持在適應的范圍內，避免人體過熱，然而，在消防作業中，將近2/3的水分會留在服裝層中[4].服裝中水分的傳熱傳質通過蒸發、凝結、解吸和吸附等作用進行，這是一個很復雜的過程[5].在火災救援過程中，水分在高溫下汽化成水蒸氣，傳遞到皮膚表面，造成蒸汽燒傷，甚至沒有接觸火源的情況下就會使人體燒傷[6].因此，為了研究水分的蒸發和傳導對皮膚的影響，需要了解水分在織物層中的分布，以及織物暴露在熱源下時水分的溫度和水蒸汽的含量[7].

織物中的水分對消防服的熱防護性能有很大影響，同時還會影響多層織物的熱傳導性能，水分的存在增加了織物的導熱系數和熱容量[8]，很多學者研究了關于水分對多層織物系統的影響[9]，發現在不同條件下，水分會提高或降低織物的熱防護性能.Lee和Barker[10]發現水分對織物熱防護性能的影響跟熱輻射強度有很大關系，在20 kW/m2的熱源下，水分提高了熱防護性能，然而在84 kW/m2的熱源下，水分卻對熱防護性能產生了消極的影響.Barker等[11]研究發現，在6.3 kW/m2的低輻射下，水分降低了織物熱防護性能，當添加水分為系統織物質量的15%～20%時，皮膚二級燒傷時間達到最小值.這些結果表明，消防服中有諸多因素會影響它的熱傳導性能，包括熱傳遞性質（熱對流、熱輻射和傳導）、水分含量與分布、水分吸收時間、材料種類、暴露時間以及熱源強度等.本文以含水率為主要因素，將不同厚度的消防服面料暴露在熱輻射下，探究多層織物系統在不同潤濕狀態下時熱防護性能的變化.

1　實驗部分

1.1實驗材料

消防服通常是由3層（阻燃外層、防水透濕層、隔熱舒適層）組成[12]，本實驗選用一種消防服外層面料A，即芳綸IIIA織物，由93%芳綸1313、5%芳綸1414 和2%抗靜電纖維組成；一種防水透濕層B，由100%的芳綸氈與PTFE膜復合構成；3種不同厚度的隔熱舒適層面料C1、C2、C3，由100%的芳綸1313和起舒適作用的芳綸混紡底布復合而成.實驗用織物的基本參數如表1所示，其組成的多層織物系統Z1、Z2、Z3如表2所示.

表1　實驗織物基本參數Tab.1 Parameters of fabric samples

1.2實驗儀器

實驗儀器采用MEASUREMENT TECHNOLOGY NORTHWEST公司生產的403-08型熱防護性能測試儀.該測試儀中所配備的傳感器為銅片熱流計，數據通過采集系統進入基于Stoll燒傷模型的分析軟件經分析后得出二級燒傷時間.本實驗是在傳統TPP測試儀的基礎上，對其進行改進，使用表面熱電偶傳感器代替TPP中原有的銅片傳感器，如圖1所示，將熱電偶置于殼體表面，稱為皮膚模擬傳感器.它的殼體由無機混合物構成，其材料的熱性能和物理性能與人體皮膚相似.數據接收系統是基于Labview2010軟件開發的溫度測試儀器.由美國National Instruments（簡稱NI）開發的虛擬溫度測試儀（NI儀器），主要由數據采集、數據處理和控制、數據顯示記錄3部分組成，其中數據采集部分由硬件完成，數據處理和控制部分由軟件完成[13].

表2　多層織物組合試樣Tab.2 Multi-layer fabric composite samples

?圖1皮膚模擬傳感器Fig.1 Skin simulant sensor

1.3實驗方法

本實驗用基于Henriques燒傷積分方程的分析軟件Skin Burn Prediction代替TPP測試儀中基于Stoll二級燒傷準則的分析軟件來評價織物的熱防護性能. Skin Burn Prediction軟件將收集到的時間和溫度數據經過處理得到皮膚的二級燒傷時間.Henriques皮膚燒傷積分方程如式（1）：

式中：Ω為皮膚燒傷程度的量化值，無量綱；為皮膚組織頻率因子（s-1）；為皮膚表面80 μm處的溫度（℃）；為皮膚受熱時間（s）；為理想氣體常數（8.31 J/（mol·℃））；為人體皮膚活化能（J/mol）.

通過計算值確定皮膚燒傷的程度，皮膚溫度> 44℃且Ω= 0.53時，皮膚為一級燒傷；皮膚溫度> 44℃且Ω= 1.0時，皮膚為二級燒傷.

利用改進的TPP測試儀，根據標準ASTM F1939，將試樣暴露在強度為15.4 kW/m2的熱輻射下，皮膚模擬傳感器安裝在可加工的陶瓷磚中，正好接觸樣品的隔熱舒適層.經過前期預實驗測試，在80 s內試樣均會出現二級燒傷時間，因此暴露時間確定為80 s.實驗步驟為：①在計算機上設置熱源強度，并通過銅片熱流計進行校正達到所需強度.②將規格為150 mm×150 mm的試樣組合水平放置在特定的熱源上面，在規定的距離內，熱源以熱輻射的形式出現.③通過皮膚模擬傳感器記錄溫度隨時間的變化，NI儀器每0.1 s接收一個溫度，試樣暴露80 s后離開熱源，并停止接收數據.④提取溫度和時間數據，放入Skin Burn Prediction軟件中，對數據進行分析.⑤根據Duhamel準則，計算熱流量曲線，再通過微積分得到皮膚模擬傳感器吸收的熱量，基于皮膚燒傷預測模型，估計皮膚達到二級燒傷的時間.

試樣的預處理方案：將大小為150 mm×150 mm的多層織物系統進行稱重，按照總質量的百分數，將不同含量的水分噴灑在隔熱舒適層的表面來增加整個系統的質量（隔熱舒適層、防水透濕層、外層），從而達到預期的質量[11].本文選取3種不同厚度的隔熱舒適層，為了統一變量，更好地研究水分對防護性能的影響，選取一種組合質量最大的Z1組合（14 g）作為噴灑水分的最大質量.將其分為4種潤濕水平：第1種是干態，不加水；第2種是組合質量的15%，即加入2.1 g的水分；第3種是組合質量的50%，即加入7 g的水；第4種是組合質量的100%，即加入14 g的水.為了使織物潤濕表面均勻穩定，將潤濕的隔熱舒適層放置在密封袋中調濕12 h，測試前將其從密封袋中取出，并進行稱量，計算織物的含水率，如式（2）：

2　實驗結果與分析

2.1二級燒傷時間分析

將Z1、Z2、Z3試樣組合暴露在15.4 kW/m2熱輻射下，隔熱舒適層加入不同含量的水分后，皮膚二級燒傷時間會發生變化，結果如表3所示.

從表3可以看出，在3種不同厚度的隔熱舒適層上，噴灑等量的水分后，織物厚度越薄其含水率越大，且實際含水率均小于理論含水率，將織物噴水并調濕12 h后，此時有一部分水分蒸發，一部分水未被織物吸收，因此，實際含水率均小于理論含水率.

當隔熱舒適層為干態時，皮膚二級燒傷時間依次為Z1 > Z2 > Z3，相同材料情況下，織物的厚度越大，它的隔熱性能越好.當隔熱舒適層被不同程度潤濕后，試樣的熱防護性能均有一定程度的降低，這是因為水分增加了織物的導熱系數，使其溫度上升速率加快[5].隔熱舒適層最厚的Z1試樣含水率為45.9%時，二級燒傷時間達到最小值，隔熱舒適層較薄的Z2、Z3試樣含水率分別為20.0%和24.2%時，二級燒傷時間達到最小值.這是因為織物較厚時，熱源穿過織物傳遞至皮膚的熱量較少，二級燒傷時間長，在此期間，當織物含水率較小時，水分增大導熱系數為主要影響因素，模擬皮膚溫度上升速率加快，但是隨著時間的延長水分逐漸蒸發，并帶走部分熱量，剩余的水分不足以使溫度上升速率繼續加快；而隔熱舒適層較薄的織物，傳遞到皮膚的熱量多，達到二級燒傷的時間短，在短時間內，織物中的水分從吸熱到放熱，在到達二級燒傷時間前，織物中的含水率仍然保持在一定范圍內，使得溫度持續快速上升，因此，Z1試樣達到二級燒傷時間最小值需要加入更多的水分.隨著水分的繼續增加，織物的二級燒傷時間趨于升高，這是由于含水率增大后，織物熱容量增大，在初始階段，織物中的水分吸熱，水分越多，吸熱的時間越長，延緩了二級燒傷時間.此外，試樣被不同程度潤濕后，隔熱舒適層越薄，其實際含水率越大，二級燒傷時間降低幅度越小.

2.2模擬皮膚溫度變化分析

圖2—圖4分別為Z1、Z2和Z3試樣在不同濕潤狀態下，模擬皮膚的溫度變化.在干態下，織物受到熱輻射后，溫度迅速上升，當隔熱舒適層加入不同含量的水分后，溫度曲線發生了改變，對于所有組合試樣都包含前2個階段[14].

表3　不同含水率下試樣的二級燒傷時間Tab.3 Second-degree burn time under different moisture content percent

圖2　Z1組合試樣溫度曲線變化Fig.2 Temperature curve of Z1 combination sample

圖3　Z2組合試樣溫度曲線變化Fig.3 Temperature curve of Z2 combination sample

圖4　Z3組合試樣溫度曲線變化Fig.4 Temperature curve of Z3 combination sample

第1階段：最開始幾秒曲線變化平緩，模擬皮膚溫度升高較慢，且隨著加水量的增加，這一過程持續時間增大，此時，試樣剛開始接受熱輻射，織物中的水分吸收了較多的熱量，水分的存在增大了織物的蓄熱能力.在常溫下，水的比熱容為4.18 J/（g·℃），大約是一般干纖維的2～3倍[15]，因此，隔熱舒適層潤濕后，與干態相比，模擬皮膚溫度上升的速率變慢.

第2階段：曲線變陡.織物吸收了足夠的熱量后，織物也作為熱源向模擬皮膚傳遞熱量，而且，潤濕狀態下，溫度變化曲線與干態相比，更加陡峭，這是由于水分吸收了大量的熱，水的導熱系數為0.697 W/ （m·℃），芳香聚酰胺纖維的導熱系數為0.244～0.337 W/（m·℃），含水織物的導熱系數大大高于干態織物，因此，隔熱舒適層潤濕后熱量傳遞速率加快，溫度上升也變快.

對于Z1試樣，當加水量（2.1 mL）較少時，溫度曲線變化出現第3、第4階段.由于實驗僅記錄了在80 s中模擬皮膚溫度的變化，因此，Z2、Z3試樣溫度變化曲線也僅發生到第2階段，如果繼續輻射織物，模擬皮膚溫度將會出現下一階段變化.

第3階段：曲線變化又趨平緩.由于織物內部含有水分，當織物溫度較高時，織物內的水分開始蒸發，帶走了部分輻射熱量，同時使織物本身溫度升高變緩，從而使模擬皮膚溫度在這一階段變化緩慢.

第4階段：溫度曲線又變陡，模擬皮膚溫度上升速率加快.在此階段，隨著熱輻射時間的進一步增加，織物內水分已蒸發，織物本身的溫度升高，輻射熱源的熱量傳遞到內層，因此，模擬皮膚溫度升高.

2.3模擬皮膚吸收熱量分析

將多層織物試樣暴露在熱源下時，隔熱舒適層被不同程度潤濕，在80 s內，模擬皮膚吸收的熱量會發生變化，如圖5所示.

圖5　織物含水率與吸收熱量的關系Fig.5 Relationship between fabric′s moisture content percent and absorbed energy

由圖5可見，在干態下，模擬皮膚吸收熱量依次為Z3 > Z2 > Z1，當阻燃層和防水透濕層相同時，試樣隔熱舒適層越厚其隔熱性能越好，可以有效地阻礙熱量的傳遞.試樣被不同程度潤濕后，與干態相比，模擬皮膚吸收熱量均增大，這是由于水分增加了織物的導熱系數，使得熱量傳遞速率加快.隨著含水率的增大，Z1、Z2和Z3試樣的吸收熱量出現了不同程度的變化，由于隔熱舒適層厚度不同，含水率不同，導致各階段持續時間和變化速率均不同，這些階段共同作用，決定了模擬皮膚吸收熱量的多少，因此，在80 s內，隨著織物含水率增大，模擬皮膚吸收的熱量變化各異.

3　結論

本文采用改進的TPP測試儀，在15.4 kW/m2輻射強度下進行測試，分析了不同濕狀態下二級燒傷時間、模擬皮膚溫度和吸收熱量的變化，探討了隔熱舒適層水分對多層織物熱防護性能的影響.通過以上分析可以得到：

（1）在干態下，二級燒傷時間依次為Z1 > Z2 > Z3，模擬皮膚吸收熱量依次為Z3 > Z2 > Z1，當外層和防水透濕層相同的條件下，試樣隔熱舒適層越厚，阻礙熱傳導的能力越強，其熱防護性能越好.

（2）當隔熱舒適層被不同程度潤濕后，與干態相比，試樣的二級燒傷時間均降低.隔熱舒適層最厚的Z1試樣實際含水率為45.9%時，二級燒傷時間達到最低，下降了31%，隔熱舒適層較薄的Z2、Z3試樣實際含水率分別為20.0%和24.2%時，二級燒傷時間達到最低，分別下降了16.9%和8.7%，隨著水分含量的繼續增加，織物的熱防護性能逐漸提高，在加水量相同的情況下，織物越厚，對熱防護性能的影響越大.

（3）試樣被潤濕后，在80 s內模擬皮膚吸收的熱量均高于干態，水分增加了織物的熱容量和導熱系數，隨著織物含水率的增大，模擬皮膚吸收熱量發生了不同變化，這與織物中水分的變化階段有密切關系. Z1試樣隨著含水率的增大，模擬皮膚吸收的熱量一直增大，而隔熱舒適層較薄的Z2和Z3試樣，吸收熱量的變化趨勢各異，由此可見，發生二級燒傷后，繼續輻射織物，水分對織物的熱防護性能的影響會發生變化，以后可以進一步探究.

參考文獻：

[1]李紅燕.單層織物濕態熱防護性能測試與分析[J].紡織學報，2009，30（12）：95-98. LI H Y. Testing and analysis on wet thermal protective performance of single layer fabrics[J]. Journal of Textile Research，2009，30（12）：95-98（in Chinese）.

[2] LAWSON J R. Fire fighters' protective clothing and thermal environments of structural fire fighting [J]. Astm Special Technical Publication，1997，127：334-335.

[3] FU M，WENG W G，HAN X F. Effects of moisture transfer and condensation in protective clothing based on thermal manikin experiment in fire environment[J]. Procedia Engineering，2013，62：760-768.

[4] KEISER C，BECKER C，ROSSI R M. Moisture transport and absorption in multilayer protective clothing fabrics[J]. Textile Research Journal，2008，78（7）：604-613.

[5] CHITRPHIROMSRI P，KUZNETSOV A V. Modeling heat and moisture transport in firefighter protective clothing during flash fire exposure[J]. Heat and Mass Transfer，2005，41（3）：206-215.

[6] ROSSIR，INDELICATOE，BOLLIW. Hot steam transfer through heat protective clothing layers[J]. International Journal of Occupational Safety and Ergonomics，2004，10（3）：239-245.

[7] CUI Z Y，WANG Y M，ZHANG W Y. Thermal protective performance and moisture transmission of firefighter protective clothing based on orthogonal design[J]. Journal of Industrial Textiles，2010，39（4）：347-356.

[8] KEISER C，ROSSI R M. Temperature analysis for the prediction of steam formation and transfer in multilayer thermal protective clothing at low level thermal radiation[J]. Textile Research Journal，2008，78（11）：1025-1035.

[9] LAWSON L K，CROWN E M，ACKERMAN M Y，et al. Moisture effects in heat transfer through clothing systems for wildland firefighters [J]. International Journal of Occupational Safety and Ergonomics，2004，10（3）：227-238.

[10] LEE Y M，BARKER R L. Effect of moisture on the thermal protective performance of heat-resistant fabrics[J]. Journal of Fire Sciences，1986，4（5）：315-331.

[11] BARKER R L，GUERTH-SCHACHER C，GRIMES R，et al. Effects of moisture on the thermal protective performance of firefighter protective clothing in low-level radiant heat exposures[J]. Textile Research Journal，2006，76（1）：27-31.

[12]劉旺，鄭明遠.淺談我國消防服的分類及發展[J].山東紡織科技，2014,55（5）：49-52. LIU W，ZHENG M Y. Classification and development of chinese firefighter uniform[J]. Shandong Textile Science & Technology，2014，55（5）：49-52（in Chinese）.

[13]顧娟，胡兆燕，錢鋒.消防服熱防護性能檢測用熱傳感器的研究[J].產業用紡織品，2007,25（12）：41-44. GU J，HU Z Y，QIAN F. Research of thermal sensors used in firefighter′s clothing thermal protective performance test [J]. Technical Textiles，2007，25（12）：41-44（in Chinese）.

[14]崔志英.消防服用織物熱防護性能與服用性能的研究[D].上海：東華大學，2008. CUI Z Y. Study of thermal protective performance and comfort for firefighter-clothing fabrics[D]. Shanghai：Donghua University，2008（in Chinese）.

[15]于偉東.紡織材料學[M].北京：中國紡織出版社，2006. YU W D. Textile material[M]. Beijing：China Textile & Apparel Press，2006（in Chinese）.

Effects of moisture content percent on thermal protective performance of firefighter-clothing fabrics

CAO Juan1，SONG Guo-wen1，2，ZHANG Hui1，REN Hai-tao1
（1. School of Textiles，Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387，China；2. College of Human Sciences，Iowa State University，Ames IA 50011，USA）

Abstract：In order to study the effects of absorbed moisture on the thermal protective performance of firefighter-clothing materials，three kinds of fire-retardant multilayer fabrics commonly used for firefighter were selected, and the thermal protective performance in term of the time required to second-degree burn was obtained from these fabrics through improved TPP experiment. The turnout system materials were exposed to the radiation heat with intensity of 15.4 kW/m2. The skin simulant sensor was used to measure temperature changes, and the second-degree burn time was predicted using a skin burn injury model. The thermal protective performance for these different layer fabrics with absorbed moisture was compared. The results show that the thicker thermal liners with moisture content percent of 45.9%can achieve minimum second-degree burn time and the thinner thermal liners with moisture content percent 20.0%and 24.2%can also achive minimum second-degree burn time. The results also suggest that with the increased moisture content percent，the predicted second -degree burn time gradually increase，however，the absorbed energy of simulant skin appears different fluctuations.

Key words：firefighter-clothing；fabric；thermal protective；moisture content percent；second-degree burn time

通信作者：宋國文（1965—），男，博士后，教授，博士生導師，研究方向為熱防護服裝工程. E-mail: gwsongsgs@gmail.com

基金項目：國家自然科學基金項目（51206122）；天津科委青年基金項目（13JCQNJC03000）.

收稿日期：2015-11-03

DOI：10.3969/j.issn.1671-024x.2016.01.007

中圖分類號：TS941.731

文獻標志碼：A

文章編號：1671－024X（2016）01－0033－05

第一作者：曹娟（1990—）女，碩士研究生.