消防服用織物熱防護性能的研究現狀

韓　倫，趙曉明

(天津工業大學紡織學部，天津 300387)

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消防服用織物熱防護性能的研究現狀

韓倫，趙曉明

(天津工業大學紡織學部，天津 300387)

對消防服用織物熱防護性能的研究現狀進行了系統的總結和分析，并總結了領域內存在的一些亟待解決的問題，為消防服熱防護性能改進和評估領域的發展提供了方向性的指導。目前熱防護領域學者的研究課題主要集中在熱防護過程中的熱傳導，各類損傷對消防服面料功能的影響，厚度、空氣層等因素對消防服熱防護性能的影響，熱防護和皮膚燒傷相關模型的建立，消防領域的熱應激研究，儲藏熱對消防服熱防護性能的影響，熱液體對熱防護性能的影響，相變材料等新材料向消防服領域的引入，消防服的智能防護等方向。在各領域內都有一定的研究進步，但仍有很多不足之處，值得科研人員繼續探索發現。

熱防護性能熱應激空氣層消防服面料燒傷模型

0　引言

如今，人類社會正處于一個經濟和科技急速發展的時代，但隨之而來的也有人們身邊錯綜復雜的火災源頭。近年來，火災發生頻率不斷上升，火場環境也日益復雜。每年，全球都有數以萬計的人因火災而受傷，除了因皮膚直接與熱源接觸而受傷外，傷者所穿衣物著火后對其造成的燒傷更為嚴重。因此，世界各地都制定了相關法規，要求在接近火源的地方工作的人員必須穿著使用阻燃織物制造的服裝。

據統計，只在美國每年就約有70000消防員在救人和救火時受傷[1]。在執行任務時，消防員會遇到像對流熱、輻射熱、熱氣體、摩擦、火焰、化學等復雜的危險。消防服是這些危險和消防員之間的唯一防護屏障。因此，消防服的性能一直是多年來國內外學者們研究的重要方向。目前國內消防服用織物主要是芳綸織物。由于技術、資金等方面的問題，我國自主生產的芳綸織物性能與國外產品還有很大差距。我國從2003年起，消防部隊逐步開始穿著符合GA10-2002 標準的消防員滅火防護服。防護服的防護性能好壞決定了消防員是否能夠成功地實施救援任務。如果消防服防護性能不好，則會降低消防員的救援效率，使消防員在搶救被困人員時受傷，甚至死亡。

近年來，消防員由于穿著消防服而帶來的熱應激成為了消防領域的熱門話題。在救火時，消防員經常要長時間奮戰在高溫火場。在高強度的工作條件下，長時間穿著消防服會大量消耗消防員的體力，使其生理壓力升高[2]。據報道，消防員穿著消防服執行任務時，三十分鐘內產生的熱應激就會使消防員的生理指標達到極限。此時，如果不能及時補充水分，緩解生理壓力，恢復體力，消防員就會因中暑而造成危險。

同樣，熱防護過程中的熱傳導，各類損傷對消防服面料功能的影響，厚度、空氣層等因素對消防服熱防護性能的影響，熱防護和皮膚燒傷相關模型的建立，儲藏熱對消防服熱防護性能的影響，熱液體對熱防護性能的影響，相變材料等新材料向消防服領域的引入，消防服的智能防護等都是值得科研人員極力研究和探索的方向。為了給消防人員提供更好的防護，為了給國民財產提供更好的保障，研究好消防服的熱防護性能迫在眉睫。

1　各類損傷對消防服面料功能的影響

想要研究消防服的性能，首先要研究好用來制作它們的纖維和織物的性能。在研究熱防護纖維和織物性能的領域，國內外學者已經取得了很多成果。

Sumit Mandal和GuowenSong等人研究了不同的熱傷害源對熱防護織物的性能的影響。實驗中，織物暴露于火焰、熱輻射、熱平面、熱水和熱蒸汽五種熱傷害源下，實驗證明織物暴露于火焰和熱輻射時，發射率、吸收率和熱阻是影響織物熱防護性能的主要因素。織物與熱平板接觸時，織物的壓縮性能是影響織物熱防護性能的主要因素。當織物暴露于熱液體或熱蒸汽環境下時，液體帶來的熱量質傳導是導致人體燒傷的主要原因。這一研究獲得的結果可用于工程織物系統的研究，為暴露于不同的熱傷害源的穿著者提供更好的保護[3]。

ChathuriViyangika等人研究了污染和凈化處理對熱防護織物燃燒性能和阻燃性能的影響。研究分三個實驗，在第一個實驗中研究人員使用放射性示蹤劑分析和掃描電子顯微鏡研究了在被油污污染和得到凈化處理后阻燃織物中油污染物的數量和分布對織物性能的影響；第二個實驗使用熱重量分析法和量熱法研究了阻燃織物在受到污染前后的燃燒性能和阻燃性能的變化；第三個實驗研究了燃燒過程中的熱分解和熱釋放與織物的阻燃性和極限氧指數之間的關系。在實驗中還加入了洗滌對織物性能的影響。結果顯示，油污污染會增強織物的燃燒性能，洗滌也會對織物的熱防護性能產生影響[4]。

李俊，李曉輝等人用TPP測試儀研究了織物的形變對暴露于熱環境下的熱防護織物的基本物理性能的影響。在實驗過程中，為了更好的實現實驗目的，研究人員研發出一種可以在TPP試驗中模擬織物形變的實驗儀器，使用該儀器可以探究形變對織物熱防護性能的影響[5]。

BengiKutlu和AysunCireli等人研究了單層、雙層和三層熱防護織物的熱防護性能，并研究了洗滌對熱防護織物防護性能的影響。實驗顯示，織物的厚度是影響織物熱防護性能的主要因素。對于單層織物來說，洗滌會降低織物的熱防護性能；而對于多層織物來講，洗滌會使其熱防護性能增強[6]。

周亮通過對消防服面料THL值和TPP值的測試分析來建立起這兩個指標與面料基本性能之間的關系。根據現有消防服面料的不同搭配，尋找出TPP值和THL值都比較高的最優組分。建立數學模型，進而對消防服面料的熱舒適性和熱防護性起到預測作用[7]。

公安部上海消防研究所徐蘭娣，戴國定，楊曉華，姜敏對纖維成分對整體熱防護性能的影響以及制作過程中行縫的疏密程度、隔熱層的厚度對熱防護性能的影響進行研究，模擬消防員的服裝內部系統的濕氣狀況，測定其熱防護性能,并與干態服裝進行分析比較。探究面料單位面積質量對熱防護性能的影響。他們按標準洗滌方法，分析樣品未洗滌，經5次、50次洗滌后的TPP值的變化趨勢。并對國內外組合材料比較,分析了國內外服裝材料的差距[8]。

姚波，張文斌通過多因素分析法對影響多層織物組合系統熱防護性能的因素進行了實驗測試分析，并進行了相關性分析。實驗表明，多層織物組合系統整體的熱防護性能與多層織物組合的厚度、面密度及透氣率等存在著明顯的相關性，而與其質量損失率之間相關性不明顯。利用極差分析，針對各層組分織物對多層織物組合系統整體的熱防護性能、隔熱性能、透濕及透氣性能影響的主次順序進行了分析。結果表明，隔熱層織物對多層織物組合系統的整體熱防護性能、隔熱性能及透氣性能都起著較大的影響，而外層與防水透氣層織物的影響相對較小；防水透氣層織物對多層織物組合系統的整體透濕性能起著關鍵的作用，而隔熱層與外層織物的影響較小[9]。

孟瑾等人研究了光照后消防服織物結構參數和撕破性能的回歸關系。選用消防服織物芳綸和NomexⅢA為實驗對象，以長弧氙燈為光源，進行日曬模擬實驗。采用SPSS軟件分析實驗結果，發現自變量之間存在共線性，采用主成分分析解決這一問題，最終得到具有統計學意義的線性回歸方程[10]。

2　消防領域的熱應激研究

雖然防護服會給消防員提供很好的防護功能，但是防護服也會增加消防員的疲勞度，會降低消防員的靈活性，會加快人體的新陳代謝，從而導致人體產生不適感，也就是所說的熱應激。熱應激在消防員執行任務時，是一項應該得到重視的重要因素。因此，科學家們對熱應激也有了廣泛的研究。

Riana R.Pryor為了調查受試者穿著防護服進行體力運動后，5個外部溫度計的測量結果和人體核心溫度之間的一致性，做了這樣一組實驗。在實驗中，Riana R.Pryor找來50名消防員，并讓他們在一個高溫環境中，身著消防服在跑步機上完成一段時間的行走。行走結束后，受試者們要進入一段時長為20分鐘的恢復階段以模擬突發事件的恢復過程。在這20分鐘里，實驗員會測量瞬時溫度，前額溫度和皮膚溫度等數值。結果顯示，用外部儀器測得的外部溫度與人體核心溫度的溫差在1.31℃到3.28℃之間。臨床醫學所允許的外部溫度與人體核心溫度的標準溫差要在正負0.5℃之間，實驗結果明顯超出了這個范圍。因此Riana R. Pryor認為消防員在高溫環境下完成任務時，外部的設備測得的溫度與人體核心溫度誤差區間太大以至于不能很好的預測人體核心溫度。急救人員在使用這些用外部儀器測量出的人體核心溫度時一定要謹慎[11]。

黃冬梅等人對來自25個不同省份的1201名消防員進行了一次問卷調查。結果顯示，大部分消防員表示防護服會限制他們的行動，最主要的受限制部位是大腿、膝蓋、手臂、手肘和腳踝部位。消防員們表示，在冬天穿消防服會感覺冷，在夏天穿消防服會感覺熱。在1201名受試者中有21%曾經在穿著防護服時受過傷，并且調查顯示手是他們最容易受傷的部位[12]。

Anna Marszalek等人研究了穿著防輻射服裝的不同年齡段的男性受試者進行試驗過程中的熱應激情況。實驗選擇了24位健康、血壓正常、無水土不服現象的男子，其中包括9名年輕人(20歲～28歲)，9位中年人(43歲～52歲)和6名年老的人(58歲～65歲)。每名受試者要在人工氣候室中保持一定的坐姿60分鐘，在此期間他們要在29℃的條件下進行分別代表了低熱應激(Low Stress，LS)和高熱應激(High Stress，HS)兩組試驗，并要測量WBGT(Wet Bulb Globe Temperature)。在LS實驗中，受試者穿短服，WBGT隨空氣溫度和濕度而變化。在HS實驗中，受試者身著鋁箔反射服，WBGT隨紅外發射器發出的輻射熱而變化。在實驗中測試了受試者的直腸和皮膚溫度、心率、體重損失和血壓，匯總了受試者的主觀評價。在不同的年齡段的LS和HS實驗中，受試者的直腸溫度、皮膚溫度和全身出汗率基本相同。受試者心率反應也基本相同，但第三組受試者卻表現出明顯與一組、二組不同的現象。健康老年男性能夠承受的熱應激與年輕和中年男子差不多，只是較年老的受試者更容易面臨脫水的危險[13]。

G. Havenith研究了消防員在穿著防護服時的熱平衡問題。實驗分析了相對熱交換過程，定義了空氣和輻射溫度、濕度、風速度、代謝產熱和服裝絕緣性等相關參數，并研究了服裝設計、服裝合體度和服裝透氣性對熱應激的影響[14]。

Kiwon Park等人研究了消防員的步態對穿著防護服的消防員的熱應激的影響。消防員在不同強度的高溫環境和存在不同障的環境下進行行走。研究人員分析行走過程中的7種步態參數和3種行走錯誤方法。在3種不同的環境中，44名備選消防員每人身著一件或兩件防護服。實驗顯示，任何一種防護服都會明顯的影響消防員的步態變化和疲勞速度[15]。

G. Havenith建立了可以模擬人體溫度調節的熱應激個性化模型。模型中包含身體表面積、體重、脂肪含量、最大氧氣攝入量和人體對環境的適應能力等參數，根據各參數可以分析影響熱應激的被動因素(熱容、絕緣性)和主動因素(出汗和皮膚血流量)。應用此模型，可提高預測熱應激情況的準確性[16]。

3　厚度、空氣層等因素對消防服熱防護性能的影響

消防服面料結構間的空氣層會增強面料的隔熱性能。人體的運動會造成面料中空氣層的不斷地重新分配。因此，調節空氣層是一種可以改善織物熱防護性能的有效方法。

Guowen Song和盧業虎等人研究了空氣層和含水量對阻燃面料的熱防護性能的影響。結果顯示，含水量和空氣層厚度的增加都會明顯增強織物的熱防護性能。在空氣層厚度小于12mm時，含水量對空氣層有積極影響。當空氣層厚度大于12mm時，含水量對空氣的影響會發生變化。研究顯示，9mm～12mm的空氣層可以提供最好的熱防護性能[17]。盧業虎，王云儀等人研究了在熱源強度為84 kw/m2時，空氣層厚度和空氣層位置對防護阻燃面料的熱防護性的影響。實驗還加入了水分對試樣熱防護性能的影響，探究了空氣層與濕度對熱防護服面料隔熱層的熱防護性能的影響。實驗表明，熱防護纖維織物的防護性能隨著織物間空氣層的厚度的增加而增大。當空氣層遠離熱源時，濕度的增大會降低熱防護性能，也會減小空氣層位置對織物熱防護性能的積極影響。然而，當消防服外層織物與防水透濕層織物間不存在空氣層或是空氣層很薄時，濕度會提高整個織物系統的熱防護性能[18]。

李俊，盧業虎等人對原有的TPP測試儀中的實驗裝置進行了改進，并將其應用于探究在暴露于明火狀態下，相對濕度(RH)對纖維織物微氣候中熱傳導的影響。實驗中選取了0～24mm的空氣層厚度，3種不同的微氣候和不同的RH。實驗結果表明，在存在不同厚度的空氣層時，RH對織物的熱防護性能有著極其顯著的影響。當RH低于35%時，在空氣層達到15mm前織物的TPP值明顯升高。當空氣層厚度低于15mm后，TPP的增量開始降低。但從總體上來看，TPP一直呈上升趨勢。空氣層厚度小時，織物的TPP值隨空氣中的蒸汽濃度增大而增大。空氣層厚度大時，織物的TPP值卻隨相對濕度的增加而減小[19]。

E.M. Crown，J.D. Dale 和E. Bitner等人使用一個新的圓柱形設備研究了在存在和不存在6.35mm的空氣層時單層熱防護服面料的熱防護性能變化。實驗中測量了皮膚達到二度燒傷時間和傳感器上升24℃所需的時間。與其他實驗不同，在使用圓柱形設備的TPP實驗中，消防服面料的收縮會降低面料的熱防護性能[20]。

Guowen Song等人使用三維人體測量儀研究了不同規格的防護服和人體模型之間的空氣層厚度對防護服熱防護性能的影響，并建立了用于預測最佳空氣層厚度的數學模型。實驗使用Manikin Thermal Protective Clothing分析系統，分析了受試消防服的熱防護性能和收縮對織物熱防護性能的影響，并研究了假人的燒傷面積與織物間空氣層之間的關系。同時，應用該模型，研究人員可以測定服裝中的空氣層厚度，并研究空氣層對織物熱防護性能的影響[21]。

4　熱液體對熱防護性能的影響

消防員在執行任務時會經常暴露于會導致人體燙傷的熱蒸汽環境中。因此，研究好防護服對熱蒸汽的防護性能，得到了國內外研究者的重視。

Guowen Song和盧業虎等人研究了不同的熱蒸汽對織物滲透防護性能的影響和不同的碰撞角度對液體在織物上的滲透性能的影響。結果顯示，液體的溫度和碰撞角度都會明顯影響液體在織物表面的存留和滲透性能。在消防服面料中加入防水透濕層，會很好地防護熱液體的滲透[22]。

盧業虎和Guowen Song等人使用6mm的空氣層、85℃的三種液體(蒸餾水、菜籽油、鉆井泥漿)作為傷害源研究了消防服對熱液體的防護性能。結果顯示，織物的透濕性能會明顯的影響熱量在織物上的質傳導和滲透。減小質傳導可以提高防護服在暴露于熱蒸汽時的熱防護性能[23]。

盧業虎和Guowen Song等人使用一個新開發的檢測系統研究了熱蒸汽對防護服熱防護性能的影響。實驗預測了皮膚燒傷情況和和燒傷部位的分布，并分析了消防服的服裝設計特點對消防服熱防護性能的影響。在實驗中，研究人員還分析了熱蒸汽在熱防護織物中的熱、質傳導。結果表明，可以通過降低質傳導的方法來獲得更高的防護性能[24]。

5　儲藏熱對消防服熱防護性能的影響

在暴露于熱傷害時防護服會儲存一定的熱量，這些儲存的熱量可能在當時不會對消防員的皮膚造成燒傷，但當面料受到擠壓或拉扯時，這些儲存的熱量會重新被釋放而造成皮膚的燒傷。因此，研究儲藏熱對消防服熱防護性能的影響在近年來也正被國內外研究人員所重視。

Guowen Song等人研究了在不同的暴露條件下，儲藏熱對消防服織物的熱防護性能的影響。結果顯示，儲藏熱會明顯降低防護服的熱防護性能，并且儲藏熱對多層面料熱防護的影響比較明顯[25]。

6　熱防護過程中的熱傳導

濕度會明顯的影響織物的熱防護性能。濕度對織物熱防護性能的影響主要取決于水分的吸收量、水分的分布、水分的吸收時間和織物的受熱時間。水分的存在還會影響織物的熱濕傳導。因此，對濕度與織物的防護性能之間的關系的研究得到了國內外研究者的重視。

R. L. Barker等人研究了吸收的水分對消防服熱防護性能的影響。結果顯示，當濕度較低時，濕度對織物熱防護性能的影響不明顯。當濕度比較大時，濕度會明顯的提高織物的熱防護性能[26]。

Lelia K. Lawson和Elizabeth M. Crown等人研究了在分別暴露于高強度(83 kw/m2)和低強度(10 kw/m2)的熱環境時，濕度對織物熱傳導的影響。在暴露于高強度的熱損傷時，外部水分會降低織物系統的熱傳導，內部水分會增強織物系統的熱傳導。在暴露于低強度的熱損傷時，內部的水分會降低織物系統的熱傳導[27]。

7　熱防護和皮膚燒傷相關模型的建立

為了研究消防服的性能，科學家們需要知道消防服在執行任務時消防服的實際受損情況。但是由于實際實驗的危險性很強，研究人員很難獲得充足的實驗數據，而且由于在火場中的實際損傷會對實驗面料造成嚴重的損傷。如果為了獲得實驗數據，每次都進行實際試驗，會造成大量的材料浪費。因此，模型對于研究人員的研究提供了安全而又節約的獲得數據的方法。

David A. Torvi等人使用有限元方法開發了一款用于研究阻燃織物熱傳導的數學模型。模型對Nomex IIIA和Kevlar-PBI兩種織物進行了研究。結果顯示，用于描述高熱流的邊界條件是最重要的試驗參數。該模型可以對比銅片熱流計和皮膚模擬傳感器的優劣，同時可以比較不同燒傷情況預測方法的好壞[28]。

Guowen Song等人為了統計單層織物系統的熱蒸發抗性而開發了一款研究熱、質傳導的數學模型。使用該模型可以研究外界環境、空氣層和材料自身性能對織物熱蒸發抗性的影響。這項研究可以為實現消防服系統舒適性和防護性的最優化提供基礎理論指導[29]

David A. Torvi等人為了研究消防服面料在離開火場后殘留在面料上的熱量在冷卻過程中對消防員皮膚的燒傷情況而開發了一款預測織物熱傳導的數學模型。此模型可以用于統計試樣表面熱流量和試樣在冷卻過程中對流熱的相關參數變化。模型中的數據已經與用Kevlar-PBI作試樣獲得的實驗數據做過對比，結果顯示其準確性極高[30]。

Guowen Song和R.L. Barker等人基于燃燒假人開發了一款可以預測燒傷情況的數學模型。模型由實驗室模擬的火焰條件和熱物理變化的相關數據組成。該模型可以幫助研究人員更好的了解在暴露于明火狀態下時消防服織物中的熱傳導過程，并且可以用于預測消防服面料的熱防護性能好壞。此模型可以模擬假人模型與防護服面料間的空氣層，并探討空氣層對面料熱防護性能的影響。從此模型中獲得的數據可以幫助研究人員更好的了解防護服中的熱傳導，為消防服性能的研究提供理論基礎[31]。

Guowen Song，PatiropChitrphiromsri和Dan Ding等人開發了一款用于研究暴露于明火條件下的熱防護服中的熱濕傳導的數學模型。該模型與不同狀態下的實際實驗數據進行了比較，結果顯示實際數據與模擬出的結果基本相符，代表模型的準確性很好[32]。

8　相變材料等新材料向消防服領域的引入

馮倩倩等人分析了Outlast 腈綸調溫織物的動態熱濕舒適性，并通過實驗研究了Outlast 腈綸調溫織物經過暫時性阻燃整理后作為消防服舒適層與竹漿面料作為舒適層的綜合熱防護性能的差異。實驗結果顯示，Outlast 腈綸調溫紡織品具有優異的調溫性能，熱濕耦合作用下有效地加速了熱濕的傳遞，將其作為消防服的舒適層具有應用可行性，并能有效地提高消防服的安全性和舒適度[33]。

張興娟等人對氣凝膠作為新型納米隔熱材料在服裝方面的應用現狀進行了分析。根據初步對比討論了SiO2氣凝膠復合材料用于消防服的可行性。結果顯示，在同樣的熱防護性能條件下，采用SiO2氣凝膠復合材料可使消防服重量及厚度降低70%以上[34]。

9　消防服的智能防護

李媛媛做了智能消防服系統信息獲取與處理關鍵技術方面的研究，研究的智能消防服系統包含信息感知子系統、短距無線通信子系統、人機界面以及多源信息融合處理研究[35]。

10　結論

本文對消防服用織物熱防護性能的研究現狀進行了系統的總結和分析，并總結了領域內存在的一些亟待解決的問題，為消防服熱防護性能改進和評估領域的發展提供了方向性的指導。目前，熱防護領域的科研成果主要集中于熱防護過程中的熱傳導，各類損傷對消防服面料功能的影響，厚度、空氣層等因素對消防服熱防護性能的影響，熱防護和皮膚燒傷相關模型的建立和熱液體對熱防護性能的影響等課題。人們對這些課題的研究已經相對深入，從中獲得的新成果、新規律已經在消防領域得到了廣泛的應用。

然而，有關新材料向消防服領域的引入，消防服的智能防護，新型熱防護評估方式和測試儀器的探索，消防領域的熱應激研究，還有儲藏熱對消防服熱防護性能的影響的研究還明顯不夠深入。防護性與舒適性本就是一對矛盾關系，如何制造兩種性能兼備的消防服面料，如何調節目前消防面料的舒適性與防護性比重等問題還沒有得到很好解決。隨著科技的發展，在各個材料領域里的新型高性能材料正如雨后春筍般競相涌現，但在消防服面料領域的新材料還是停留在以芳綸為主的段位。已經有科學家把金屬絲和相變材料等應用到消防服面料的制造，但技術和理論都還處于初級階段。還有，隨著人類社會的發展，行業里的“以人為本”原則早已深入人心，各個工種都開始重視對從業人員生理和心理綜合方面的保證。像消防員這種高危從業人員的熱應激當然更應得到保證，以確保其工作的高效性。但由于人種差異、性別差異、環境差異、經濟差異等因素，對熱應激問題的解決正是目前熱防護領域內最復雜、最難的問題之一。還有，目前已經是2016年，但用于評估面料熱防護性能的儀器水平還基本停留在多年前建立的TPP、RPP等熱防護性能評估系統。值得一提的是，目前已經有好多學者對TPP的評估結果進行了分析，結論顯示TPP結果不能反映消防服的綜合熱防護性能。況且，雖然有了“火人”技術，但由于價格過于昂貴，基本上沒有幾家消防部門能有幸擁有。所以，能開發出更廉價、更高效、更有實際意義的熱防護性能評估設備也應得到領域內研究人員的重視。

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1008-5580(2016)03-0222-07

2016-03-03

國家自然科學基金項目(51206122)

韓倫(1989-)，男，博士研究生，研究方向：消防服用織物熱防護性能。

趙曉明(1963-)男，博士，天津市特聘教授，博士生導師。

TS101

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