消防服的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

朱榮桂，趙曉明

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)部，天津 300387)

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消防服的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

朱榮桂，趙曉明

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)部，天津 300387)

消防服裝是消防隊(duì)員在進(jìn)行滅火救災(zāi)時穿著的保護(hù)自身安全的服裝，對消防服裝的研究是必要的。通過文獻(xiàn)研究，從消防服材料的開發(fā)、各層之間的組合形式以及服裝的結(jié)構(gòu)功能性設(shè)計(jì)三方面來總結(jié)國內(nèi)外消防服研究的新進(jìn)展，重點(diǎn)闡述材料的研發(fā)和服裝的功能性設(shè)計(jì)，并指出未來消防服發(fā)展的趨勢。

消防服新材料組合形式功能設(shè)計(jì)

由于火災(zāi)的頻繁發(fā)生，消防隊(duì)員的工作也越來越繁忙，消防服作為消防隊(duì)員們進(jìn)行滅火救災(zāi)的消防裝備之一，是十分重要的。消防服是消防隊(duì)員在極端惡劣的火災(zāi)環(huán)境下所穿著的，所以消防服必須具有防護(hù)性能，包含阻燃性能、隔熱性能以及良好的機(jī)械性能和舒適性能等，這樣才能夠在最大程度上確保消防員的人身安全，提高工作效率。

近年來，人們對于消防服的研究主要涉及材料的開發(fā)、功能的設(shè)計(jì)、性能的測試等方面。本文通過搜集文獻(xiàn)資料研究消防服，從消防服裝材料、各層之間的組合形式和服裝的結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)出發(fā)，研究了目前消防服的現(xiàn)狀，為后續(xù)的消防服研究提供參考。

1　消防服材料的研究現(xiàn)狀

消防服是由外層-防水透氣層-隔熱層-舒適層四層織物結(jié)構(gòu)組織而成的，具有防護(hù)功能的服裝。外層是主要與火災(zāi)環(huán)境接觸的一層，所以外層為阻燃層，多使用耐高溫纖維面料制作而成。最常使用的有美國杜邦公司先后研制成功的芳綸1313纖維和芳綸1414纖維、PBI纖維、kevlar纖維等紡織而成的具有阻燃性能的面料。還有許多通過研究新發(fā)現(xiàn)的具有較好阻燃性能的纖維和面料，例如zheng, YB, Song, J 等人通過利用紅外光譜和核磁共振技術(shù)對纖維素酯的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征和實(shí)驗(yàn)證明，發(fā)現(xiàn)丙酸(3-hpp)對纖維素的阻燃性能和熱性能有積極的影響，并發(fā)現(xiàn)加入纖維素纖維所制得的Hpp纖維素纖維及其混紡纖維具有良好的力學(xué)性能和阻燃性能，可以用于消防服的外層織物中[1]。宋翠艷，陳延平等人發(fā)現(xiàn)間位芳綸基導(dǎo)電纖維以其極佳的阻燃性能，優(yōu)異的耐高溫性能，杰出的導(dǎo)電性能和良好的機(jī)械性能可以運(yùn)用到抗靜電消防服中[2]。魏亮，劉介正等人通過在芳綸1313面料上涂層鋁膠，并進(jìn)行熱防護(hù)性能和阻燃性能測試，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過涂鋁層后的芳綸1313面料的阻燃性能和熱防護(hù)性能均大于未涂層的[3]。這些纖維和面料的研發(fā)，增強(qiáng)了對消防員的保護(hù)，促進(jìn)了消防服的發(fā)展。

防水透氣層主要是防止外面的水進(jìn)入人體，但同時也能將身體排汗產(chǎn)生的水蒸氣排出去。Miao Tian，Zhaoli Wang等人通過簡化的三維立體模型建立起來的單層和多層的織物模型，研究了在閃火情況下各層及皮膚表面的溫度，發(fā)現(xiàn)在消防服多層織物體系中，防水透氣層是最有效的保護(hù)層[4]。目前防水透氣層多是采用膜+阻燃基布/棉布組織而成，最常見的有PTFE膜、PE膜等等。

隔熱層主要的功能是保溫隔熱，保持消防員自身的溫度阻礙外面高溫對其傷害，隔熱層對多層織物的綜合熱防護(hù)性能起著重要的作用[5]。隔熱層多是用耐高溫的纖維經(jīng)針刺工藝針刺而成的針刺氈，常見的有芳綸針刺氈。蔡普寧,林娜，趙領(lǐng)航通過對芳綸1313、芳綸1414針刺氈以及芳綸1414縫編復(fù)合氈的研究，發(fā)現(xiàn)隔熱層織物的層數(shù)越多，其熱防護(hù)性能越好，覆膜比不覆膜的熱防護(hù)性能更好，洗滌后的熱防護(hù)性能比洗滌前的更好[5]。

舒適層主要是貼近人身體，具有集舒適性能和阻燃性能于一身，最常使用的是純棉和粘膠等天然纖維經(jīng)過阻燃處理得到的阻燃棉和阻燃黏膠等[6]。馮倩倩，朱方龍等人通過正交試驗(yàn)研究了Outlast腈綸調(diào)溫紡織品的性能，發(fā)現(xiàn)其具有熱濕舒適性，并驗(yàn)證了其作為消防服舒適層的可行性[7]。

近年來，隨著消防服研究的不斷發(fā)展和人們對消防服功能要求的不斷提高，消防服所用的材料正由一般的耐高溫纖維材料向新型材料發(fā)展[8]。除了上述所提及的新型纖維材料外還出現(xiàn)了許多新型消防材料。如相變材料，是指一定相變范圍內(nèi)可以改變物理狀態(tài)，吸熱和放熱保持本身溫度恒定的材料，是一種新型智能調(diào)溫材料[9]。Lee K, Marino di Marzo 通過含有和不含相變材料的實(shí)驗(yàn)和有限差分傳熱模型研究，發(fā)現(xiàn)加入相變材料可以提高消防服的熱防護(hù)性能，在同等熱性能效果下，還可以減少隔熱層的厚度，減少消防員的負(fù)擔(dān)，增加消防員的活動舒適性[10]。Hannah Phelps, Harvinder等人通過將相變材料通過微膠囊包裝置于消防多層織物中，研究發(fā)現(xiàn)附加相變材料層的織物其熱防護(hù)性能顯著提高[11]。崔志英，袁曉云等人通過對附加相變材料的多層織物進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)附加了相變材料的織物系統(tǒng)的 TPP值大于無相變材料織物系統(tǒng)，即相變消防服整體的熱防護(hù)性能得到了提高[9]。蘇州大學(xué)陳柔羲通過對PCM的配比和在高溫防護(hù)服內(nèi)附加PCM研究發(fā)現(xiàn)，正十八烷與正二十烷的復(fù)合PCM最適合做高溫防護(hù)服，并發(fā)現(xiàn)在高溫防護(hù)服內(nèi)添加PCM后，其熱防護(hù)效果提高了，并延長了其熱防護(hù)時間[12]。由于相變材料只能調(diào)節(jié)一定范圍內(nèi)的高溫，超過1000度的高溫則相變材料將失去阻燃效果，所以在一般高溫防護(hù)服中，相變材料的運(yùn)用是可行的且有效的。

形狀記憶材料，是指可以在外界溫度變化時發(fā)生預(yù)定的形變，形成空氣層從而達(dá)到隔熱效果的材料。陳艷，林天蘭，任乾乾通過運(yùn)用形狀記憶彈簧構(gòu)成的玄武巖纖維織物，空氣層和芳砜綸組合而成的瞬時隔熱組合面料，其綜合熱防護(hù)性能明顯增大[13]。鄭慧琴使用隔熱材料及形狀記憶彈簧共同構(gòu)成一種新型防火隔熱組合面料，發(fā)現(xiàn)其熱防護(hù)性能大大增高，適合用來制作成穿著在消防服外面抵御瞬時高溫火焰的消防背心[14]。形狀記憶材料通過瞬時隔熱引起其形狀的變化而達(dá)到防護(hù)功能的效果，在消防服裝中是可行的，進(jìn)一步保護(hù)了消防員的安全。

氣凝膠，是一種具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的納米多孔性固體材料，其密度低，是世界上最輕的固體。以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和低熱導(dǎo)率和低密度特性，可以被用來作為超級隔熱材料。張興娟，孔祥明等人通過對氣凝膠的研究發(fā)現(xiàn)，其現(xiàn)如今主要運(yùn)用于航空航天、軍事和商業(yè)等領(lǐng)域，如NASA制作的氣凝膠太空服，還有一些登山鞋墊等等，并指出其在消防織物中的可行性，在相同的隔熱效果下運(yùn)用氣凝膠制作的消防服則更為輕薄，減輕消防隊(duì)員的負(fù)擔(dān)，從而增加消防員戰(zhàn)士的火場作業(yè)功效[15]。Jin, lu, Hong, Kyounga等人通過對經(jīng)氣凝膠處理和未經(jīng)氣凝膠處理的消防服裝進(jìn)行人體假人測試，結(jié)果表明經(jīng)氣凝膠處理的消防服的熱防護(hù)性能比未經(jīng)處理的高，驗(yàn)證了氣凝膠在消防服中運(yùn)用的可行性[16]。賀香梅通過常壓干燥法得到的二氧化硅氣凝膠具有低的導(dǎo)熱系數(shù)和密度，可以涂層在織物表面形成隔熱涂層[17]。未來在消防服制作過程中，可以將二氧化硅氣凝膠涂層織物作為隔熱層，這樣既可以減輕織物的厚度和重量，減少消防員的負(fù)擔(dān)；也可以增強(qiáng)其隔熱性能，更好的保護(hù)消防員。

2　消防服的層間組合形式

消防服是典型的四層結(jié)構(gòu)，分別是外層(阻燃層)-防水透氣層-隔熱層-舒適層，消防服的層間組合形式，指的就是各層之間的配置。李俊，王云儀等人通過對多層消防服系統(tǒng)的組合構(gòu)成與性能的研究，發(fā)現(xiàn)消防服的綜合性能取決于每一層的各項(xiàng)基本性能，并提出兩步法來解決優(yōu)先配伍的問題，以選出最適合的多層消防織物[18]。Weidong Yu等人通過在原有的三層消防服(不包括舒適層)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，再加入兩層相變材料層發(fā)現(xiàn)熱防護(hù)性能明顯提高[19]。既運(yùn)用了新材料，也考慮到了不同的組合形式將相變材料組合到消防服織物中去。Rossi, Rene M, Bolli, Water P通過對使用相變材料的消防服的儲存和吸收熱量進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)相變材料對消防服的熱防護(hù)具有積極的作用，但是其吸收效率取決于相變材料組合進(jìn)消防服的位置和入射的強(qiáng)度[20]。

Fanglong Zhu, Qianqian Feng等人，通過一系列的防火測試保護(hù)實(shí)驗(yàn)觀察，發(fā)現(xiàn)相變材料層位于隔熱層和舒適層之間的防護(hù)性能比在防水透濕層和隔熱層之間要好[21]，在添加相變材料的基礎(chǔ)上考慮不同的組合形式，可以更好地得到最具防護(hù)功能的消防服。

3　消防服的結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)

消防服是消防隊(duì)員在不同的火災(zāi)環(huán)境下穿著的防火救災(zāi)的服裝，火災(zāi)環(huán)境是復(fù)雜的，因此，消防服的結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)也十分重要。

3.1消防服的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

消防服的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足人體工效學(xué)原理，盡可能的增加其舒適性，這樣才能提高消防隊(duì)員的工作效率，保護(hù)消防隊(duì)員的安全。劉榮平，李俊通過實(shí)地問卷調(diào)查和實(shí)驗(yàn)，對現(xiàn)有的寬松型消防服進(jìn)行改進(jìn)，通過加大主要活動部位(背部、腋下)的松量，減少不必要的松量來提高消防服的活動舒適性，并采用了前短后長的設(shè)計(jì)來減輕消防服的重量[22]。

張向輝等人分別從服裝的一下間隙、服裝的開口、部位結(jié)構(gòu)以及整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)4個方面，分析了消防服的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對其舒適性能的影響，提出了服裝舒適性的評價方法和采用并行工程的設(shè)計(jì)概念來進(jìn)行消防服的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[23]。

陳曉鵬等人根據(jù)三維測量所得的動態(tài)人體情況以及對消防服的運(yùn)動舒適性和防護(hù)性的要求，對消防服的衣身和衣袖的結(jié)構(gòu)做出改進(jìn)，減少前后袖窿差、抬高袖窿線、增加袖底插片的寬度以及在后袖窿部位增加褶裥等，改進(jìn)后的消防服同之前比較，發(fā)現(xiàn)采用結(jié)構(gòu)補(bǔ)償方法能夠明顯的改善消防服上裝的遮蔽防護(hù)性能[24]。馬素琴等人通過在前褲片膝蓋部位加活褶，在后褲片的相應(yīng)位置用省來收掉部分余量，增加了膝蓋部位以及腿關(guān)節(jié)的活動量，在橫縱向均設(shè)計(jì)了松量，大大的提高了消防員的活動舒適性[25]。

3.2消防服的功能設(shè)計(jì)

火災(zāi)的現(xiàn)場環(huán)境通常都是充滿煙霧，能見度很低，因此為了避免消防員在進(jìn)行消防活動時造成不必要的傷亡，提高服裝的可視性對消防服的設(shè)計(jì)來說是相當(dāng)重要的。常規(guī)的方法是在消防員的帽子頭盔上加上標(biāo)記，在消防服的外層也加上反光標(biāo)記帶。王可，馬倩等人通過以稀土鋁酸鍶和PU為原料，開發(fā)了一款集優(yōu)良的防水透濕性能、物理性能以及熒光性能為一體的特種防護(hù)面料，適合運(yùn)用在消防服的外層[26]。

李媛媛通過在傳統(tǒng)的消防服中加入不同模塊，來實(shí)時監(jiān)測火場的環(huán)境和消防員的位置信息，并根據(jù)紅外傳感器來感知火源的溫度等，然后通過無線電傳播給指揮系統(tǒng)，這樣既可以進(jìn)行火災(zāi)現(xiàn)場的遠(yuǎn)程監(jiān)控，同時也可以使得指揮系統(tǒng)更好地完成指揮任務(wù)[27]。林建琴，許武軍等人通過運(yùn)用GPS和氣壓傳感器來作為智能消防服的定位模塊，取代了之前單一的GPS定位，發(fā)現(xiàn)定位的精確度得到了大大的提高，從而得到了更為準(zhǔn)確的位置信息[28]。Susanne Aumann, Stephanie Trummer等人做了一個消防員衫，將電極加入到衫里面用來監(jiān)測消防隊(duì)員的生命特征，以便于減少消防員由于心臟、中風(fēng)等其他性質(zhì)的傷亡[29]。

服裝的結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)體現(xiàn)了消防服的制作以人為本的研究思想，要最大程度和最大限度上從消防員防火救災(zāi)活動的靈活性、舒適性和防護(hù)性出發(fā)，保護(hù)好消防員的安全。

4　展望

近年來，火災(zāi)的頻發(fā)，加之消防設(shè)備的不完善，導(dǎo)致許多消防員獻(xiàn)出了寶貴的生命。在研究人體-消防服-消防環(huán)境的消防系統(tǒng)時，消防服是研究的方法，人體是研究的最終目的。消防服是消防員穿著的用來保護(hù)他們進(jìn)行作業(yè)時的安全防護(hù)設(shè)備之一，它不僅需要具有良好的熱防護(hù)性能來抵御惡劣的火災(zāi)環(huán)境，而且也應(yīng)該具有一定的舒適性能來滿足消防員的作業(yè)需要[30-35]。目前消防服傳統(tǒng)四層結(jié)構(gòu)已經(jīng)確立，國內(nèi)外的專家們現(xiàn)在主要致力于新材料的開發(fā)與應(yīng)用，最主要的就是研發(fā)出新型的耐高溫纖維和耐高溫面料[36-39]。消防服材料是制作消防服的一個關(guān)鍵因素，但是其結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)等因素也不容忽視。

未來消防服的發(fā)展趨勢是材料的新型化：更多新型智能的材料，如相變材料、氣凝膠材料、形狀記憶合金材料等將成為研究熱點(diǎn)；組合方式的最優(yōu)化：將新型的智能材料以最優(yōu)化的組合方式組合到消防服中去，從而達(dá)到消防服最大化的熱防護(hù)性能將是未來的發(fā)展方向；結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)人性化：消防服的功能設(shè)計(jì)一直是國內(nèi)外學(xué)者們研究的熱點(diǎn)，如何在復(fù)雜的火災(zāi)環(huán)境里快速且精確的定位受傷人員，如何監(jiān)測火場內(nèi)部的環(huán)境，如何確認(rèn)消防員的安全等等都是有待于消防服功能設(shè)計(jì)的發(fā)展得以實(shí)現(xiàn)，將會逐步提高其防護(hù)性能，更好地保護(hù)消防員的安全。

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1008-5580(2016)03-0214-05

2016-03-15

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51206122)

朱榮桂(1991-)，女，碩士研究生，研究方向：消防服用織物熱防護(hù)性能。

趙曉明(1963-)男，博士，天津市特聘教授，博士生導(dǎo)師。

TS941

A