防火服熱蓄積的影響因素及其測評方法

張夢瑩， 苗 勇， 李 俊,4

(1. 東華大學 功能防護服裝研究中心， 上海 200051； 2. 東華大學 服裝·藝術設計學院， 上海 200051；3. 河南科技學院 服裝學院， 河南 新鄉 453003； 4. 現代服裝設計與技術教育部重點實驗室， 上海 2000511)

防火服熱蓄積的影響因素及其測評方法

張夢瑩1,2， 苗 勇3， 李 俊1,2,4

(1. 東華大學 功能防護服裝研究中心， 上海 200051； 2. 東華大學 服裝·藝術設計學院， 上海 200051；3. 河南科技學院 服裝學院， 河南 新鄉 453003； 4. 現代服裝設計與技術教育部重點實驗室， 上海 2000511)

為合理評價防火服的熱蓄積,全面準確地研究防火服熱防護性能，通過回顧實驗室模擬低熱流環境中防火服熱蓄積的相關研究，分析了防火服熱蓄積的產生原因以及由熱蓄積引起的主要燒傷部位；總結了現階段熱蓄積的測試裝置、測評方法以及熱傳遞、熱蓄積測試過程；從防火服反光帶、防水層透濕性、隔熱層厚度、外層織物特性、空氣層厚度等服裝因素以及熱流量強度、熱暴露時間、防火服中水分等環境因素歸納了影響熱積蓄的因素；最后預測了對未來防火服熱蓄積的研究趨勢；指出在未來的研究中，應更加全面地模擬火場特點，提高服裝熱蓄積性能測評方法準確性。

防火服； 熱蓄積； 二級燒傷； 熱防護性能； 熱傳遞

防火服是保護消防員免受外界高熱侵襲所穿著的防護裝備[1]。在建筑火災中，消防員長時間暴露在低輻射熱環境中[2]，盡管防火服外層面料沒有明顯損傷，但消防員皮膚仍會發生燒傷[3]。研究發現，消防員長時間暴露在熱環境中，服裝與人體之間會蓄積一定的熱量，并在熱暴露結束后仍存留在衣下[4]，蓄積的熱量自然釋放或由于服裝受到壓力被迫釋放，從而導致皮膚燒傷[5]。傳統的TPP測試方法只考慮了熱暴露階段熱傳遞對皮膚燒傷的影響，忽略了熱暴露結束后織物中的熱量受壓釋放而引起燒傷的現象，不能準確描述織物的熱防護性能[6]，因此，近年來國內外展開了對防火服熱蓄積的研究，彌補了當前防火服熱防護性能研究的不足，為人體燒傷預測以及防火服熱防護性能的提高提供了更為準確的理論依據。

本文對國內外相關文獻進行綜述，從防火服熱蓄積的產生及其對消防員皮膚燒傷的影響、測評方法、影響因素等方面對防火服熱蓄積的研究進行總結、評價。

1 熱蓄積的產生及影響

根據熱流量強度、空氣溫度和消防員承受時間的不同，一般把火場環境分為3個等級，即普通、危險和緊急環境[7-8]。普通和危險環境溫度通常小于300 ℃，熱流量為1～10 kW/m2，消防員能夠承受的時間約60～1 500 s；緊急環境常常屬于“閃火環境”，溫度大于300 ℃，熱流量為10～20 kW/m2，消防員能夠承受的時間小于60 s[9]。消防員經常工作在熱流量相對較低的緊急、危險和普通環境中，而非“閃火”環境，并且大部分燒傷發生在低熱流量環境中[10-12]。研究發現消防員長時間暴露在熱環境中，環境中的熱量以及人體自身代謝產熱不斷在衣下積累，當消防員運動或受到外力時，防火服受壓變形，服裝中的熱量釋放到人體皮膚，引起嚴重的燒傷，但這些熱量卻不足以損壞外層織物[13-14]。

低輻射熱環境中，消防員大部分燒傷發生在肩部和手臂處；另外一些燒傷發生在服裝受壓部位，如肩部配置自給式呼吸器的部位、肘部和膝蓋彎曲部位；還有一些燒傷發生在消防服外層附加材料、反光帶、補丁所覆蓋的部位[15]。這些燒傷可能是由于服裝的熱蓄積引起的，織物中蓄積的熱量釋放到皮膚，降低防火服的熱防護性能[16]。

2 現行的熱蓄積測評方法

現階段防火服熱蓄積不是直接測定織物的熱蓄積性能，而是考慮織物在熱暴露階段的熱傳遞以及冷卻階段的熱蓄積，對織物系統的熱防護性能進行評價。針對防火服用織物在低輻射熱環境中熱防護性能的測試，美國材料與試驗協會有ASTM F2731—2011《防火服多層織物系統熱傳遞及熱蓄積測試標準》。針對大部分燒傷發生在手臂的情況，NFPA 1971—2013《建筑物火災用滅火防護服標準》中又增加了衣袖部位的熱蓄積測試要求，具體的測試方法引用ASTM F2731—2011標準，但熱蓄積的測試只針對防火服面料，對于服裝整體或局部的熱蓄積測試并沒有制訂相關標準。

2.1 現行的熱蓄積測試裝置及方法

美國消防協會曾經嘗試使用TPP測試儀，考慮防火服的熱蓄積，測定織物系統的熱防護性能，但結果不理想，尤其對于濕潤的織物系統[17]。另外，TPP測試是在高熱流量環境中進行的，只考慮了熱暴露階段熱傳遞對皮膚燒傷的影響，忽略了織物熱蓄積加重皮膚燒傷的現象[18-20]。

考慮到熱蓄積對皮膚燒傷的影響，Lawson等[17]研發了一種新型的測試裝置，能夠測量濕潤的多層織物系統長時間暴露在低輻射熱環境中的熱防護性能，但該測試儀器缺少壓縮裝置，不能模擬多層織物系統中熱蓄積受壓釋放的情形。Neal等[21]研發的熱蓄積測試裝置包括壓縮裝置，但在冷卻階段忽略了空氣層的存在。美國材料與試驗協會研發了低輻射熱環境下，織物中熱傳遞和熱蓄積的測試裝置主要包括：樣品夾持器、傳感器組件、轉移托盤、數據采集傳感器、壓縮裝置、熱源、數據采集/控制/燒傷分析系統，如圖1所示。

測試過程包括熱暴露和冷卻壓縮2部分[15]，試樣置于樣品夾持器中，數據采集傳感器與織物內層形成6.4 mm的空氣層，織物正面暴露于黑色陶瓷熱源下。熱暴露結束后，轉移托盤在5 s內將織物轉移到壓縮裝置，并由絕熱壓縮塊對織物施加13.8 kPa壓力。傳感器采集織物熱暴露階段的傳熱量和冷卻壓縮階段的放熱量，燒傷分析系統根據皮膚傳熱模型和皮膚燒傷模型，利用采集的數據計算皮膚溫度并作出燒傷預測，之后利用迭代法或固定熱暴露時間法，評價織物的熱防護性能。

該方法模擬了織物與皮膚間的空氣層，但織物與傳感器間的空氣層為定值，無法測定空氣層厚度對服裝熱防護性能的影響；另外，在測定水分對織物熱防護性能的影響時，只是預先向織物系統中加入一定量的水分，該裝置并不能模擬真實火場的熱濕環境。

現行的熱蓄積測試方法的測試對象均為織物，然而消防員與防火服是一個統一的整體，只有同時考慮消防員在火場中的生理、心理以及身體動作，才能全面評價防火服整體的熱防護性能；同時防火服的結構設計、制作工藝也會不同程度地影響其熱蓄積性能，因此研究防火服熱蓄積的整體測評方法勢在必行。可通過改進燃燒假人系統，使其能夠在低輻射熱環境中準確測定防火服的熱防護性能，并模擬消防員在火場中的動作，研究蓄熱釋放對防火服整體熱防護性能的影響。

2.2 現行的熱蓄積評價方法

基于ASTM F2731標準有2種測試程序用于評價織物中的熱蓄積，即迭代法和固定熱暴露時間法[22]。迭代法首先要確定織物熱暴露的初始時間，根據傳感器測得的數據預測是否發生二級燒傷。若沒有發生二級燒傷或已經發生二級燒傷，則改變熱暴露時間，使用新的試樣重復實驗，直至恰好發生二級燒傷，最后一次實驗的熱暴露時間即為達到二級燒傷的最小熱暴露時間。固定熱暴露時間法是確定一個固定不變的熱暴露時間，根據傳感器采集的數據預測是否發生二級燒傷，若發生二級燒傷，則將此時間記為二級燒傷時間；若沒有發生二級燒傷，則記為“預測無燒傷”。

另外，Torvi等[23]針對織物系統低輻射熱環境中的熱蓄積現象，建立了織物冷卻階段的傳熱模型，能夠預測織物的熱防護性能。然而目前存在的模型模擬條件都比較理想化，消防員面臨的火場環境熱流量和濕度不斷變化，實驗室的模擬環境并不能反映真實的火場環境，因此低輻射熱環境中皮膚的燒傷預測模型需要考慮熱蓄積對織物防護性能的影響，總測試時間應包含織物冷卻階段的時間[24]，預測皮膚的燒傷程度，探索燒傷機制。

3 熱蓄積的影響因素

3.1 服裝因素

根據NFPA 1971 —2007《建筑物火災用滅火防護服標準》以及GA 10—2014《消防員滅火防護服》等相關標準，防火服普遍采用多層織物組合，通常由外及內依次為：外層、防水層、隔熱層以及一些輔料，如反光帶。與單層織物相比，其熱蓄積性能更強[25]。另外，每層織物的不同性能都會影響防火服的熱蓄積，從而影響其熱防護性能。

3.1.1 反光帶

研究發現，防火服外層存在反光帶時更易發生燒傷，此時反光帶和防火服外層織物沒有出現明顯損傷，皮膚燒傷只發生在反光帶覆蓋部位，周圍的皮膚沒有觀察到燒傷[15]，如圖2所示。

針對這種現象，Eni[26]在熱流量為20.9 kW/m2時，在濕潤的織物系統中加入反光帶，結果顯示多層織物系統的熱蓄積性能提高，熱防護性能降低。Barker等[27]的研究也證明同樣的結論，但是當使用多孔的外層加強材料替代無孔反光帶時，多層織物系統的熱防護性能提高。

綜上，反光帶增加了織物局部厚度，降低服裝局部的透氣性，從而增強熱蓄積性能，產生嚴重的燒傷現象，因此未來的研究應增加反光帶的孔隙度，并通過實驗測定其最佳孔隙度，以減少熱蓄積，提高防火服的熱防護性能。

3.1.2 防水層透濕性

Barker等[13]在熱流量為14.6 kW/m2時，考慮織物的熱蓄積，測試防水層透濕性對熱防護性能的影響。研究發現防水層透濕性對熱防護性能的影響非常小，但實驗中的防水層織物試樣只有2種，無法得到織物系統熱防護性與防水層透濕性的關系。一些學者[15]在熱流量為8.4 kW/m2時，研究防水層透濕性對熱防護性能的影響發現，織物系統的熱防護性能隨防水層透濕性的升高呈先升高再降低的趨勢。

綜上，防水層的透濕性過低或過高都會降低織物的熱防護性能。透濕性過低，能夠有效阻隔外界環境的水分，但消防員工作時大量出汗，衣下汗液不能及時排出，織物與皮膚間的熱蓄積增大，防火服的舒適性變差，嚴重時還會影響消防員的生命安全；透濕性過高，消防員的汗液能夠快速排出，但同時也易導致外界環境的熱量和水分傳遞到皮膚，增加熱傳遞，從而導致燒傷。

3.1.3 隔熱層厚度

Eni[26]選擇3種不同面密度的隔熱層(322、271、234 g/m2)進行實驗，發現隔熱層越厚，TPP值間越高；但考慮織物的熱蓄積性能，重新進行實驗發現，中等厚度織物和厚型織物的熱防護性能并無明顯的差異。一些學者[15]也指出在考慮熱蓄積時，隔熱層的厚薄程度與防護性能的高低不成比例關系。

防火服的隔熱層過厚，導熱系數降低，能夠更好的阻隔外界環境的熱量，但衣下熱蓄積現象會更加嚴重，此時若防火服受到消防員或外界的壓力，蓄熱釋放，將會導致更加嚴重的燒傷。

然而以上學者并沒有在考慮熱蓄積的情況下，研究隔熱層厚度的最佳值或最佳范圍，使得多層織物系統的熱防護性能達到最佳。

3.1.4 外層織物特性

Barker等[27]指出防火服的熱防護性能受外層織物多種特性的影響，包括顏色。但對于外層具體參數對防火服熱防護性能的影響的研究較少，因此在考慮熱蓄積現象的情況下，明確外層織物的各種特性對防護性能的影響，才能選擇合適的外層織物制作防火服，提高其熱防護性能。

針對長時間暴露于低輻射熱環境中的現象，未來的研究應考慮防火服熱蓄積現象，通過增加反光帶的孔隙度、改變防水層的透濕性、隔熱層厚度、外層織物的特性，確定各層織物的最佳配伍，提高低防火服的熱防護性能。

3.1.5 空氣層厚度

Song等[28]考慮到織物的熱蓄積現象，研究了多層織物系統在無空氣層和空氣層厚度為6.4 mm時織物的熱防護性能，實驗結果表明，衣下空氣層能提高服裝的隔熱性能，降低熱傳遞，因此熱防護性能提高；但由于空氣層的存在，防火服的熱蓄積性能提高，蓄積的熱量釋放到皮膚后引起更加嚴重的燒傷。

但實驗只研究了2種空氣層情況，由于人體表面不規則，與服裝之間的空氣層厚度也不均勻，應根據易發生燒傷部位的衣下空氣層厚度進行實驗；并且現有的研究僅考慮皮膚與最內層織物間的空氣層，然而我國實際使用的防火服是2件服裝，舒適層、隔熱層、防水層為內膽，可以與外層完全脫離[28]，這就導致防水層與外層之間存在較厚的空氣層，研究測試中應予以考慮。

3.2 環境因素

3.2.1 熱流量強度

火場中的熱流量是不斷變化的，因此研究不同熱流量強度對防火服熱蓄積的影響能夠預測防火服的熱防護性能，對提高消防員作業效率、防止皮膚燒傷具有重要意義。Song等[28]對6.3、7.5、8.3 kW/m23種不同的熱流量進行模擬，結果表明熱流量強度越高，織物系統的溫度梯度越大，熱蓄積現象越嚴重。

熱暴露強度能夠改變熱蓄積對防護性能的影響程度，Eni[26]的研究表明，熱流量較低(2.4 kW/m2)時，燒傷主要是由熱蓄積引起的；熱流量較高(20.9 kW/m2)時，燒傷主要是由于熱傳遞引起的。3.2.2 熱暴露時間

防火服熱蓄積的研究主要是針對長時間暴露于低熱流量環境，一些學者[15]在熱流量為8.4 kW/m2時，分別將織物系統在輻射熱源下暴露60、90、120 s，研究發現，熱暴露時間較短(60 s)時，燒傷主要是由冷卻階段蓄熱釋放引起的；熱暴露時間較長(90和120 s)時，燒傷主要是由熱暴露階段的熱傳遞引起的，但蓄熱釋放能夠縮短達到二級燒傷的時間[29]。

未來的研究應確定一定熱流量強度下的最小熱暴露時間，從而確定消防員在火場中的最佳工作時間，保證其生命安全、提高其工作效率。

3.2.3 水 分

消防員工作時由于出汗和外界噴水，防火服中一般含有一定量的水分[30]。防火服中水分的含量和分布能夠影響多層織物系統的熱屬性，改變織物的熱傳遞性能，從而影響防火服的熱防護性能。Barker等[3,13]在熱流量為6.3 kW/m2的環境中，考慮織物的熱蓄積現象發現，當織物系統吸收其自身質量15%的水分時，二級燒傷時間達到最低點，即此時的熱防護性能最差。基于Barker等的研究，Eni[26]向織物系統中加入其自身重量15%的水分，發現織物系統的TPP值減小；但考慮冷卻階段熱蓄積的釋放時，織物系統中有無水分對熱防護性能的影響較小。

水分在增加多層織物系統熱容量的同時，也降低了材料的隔熱性能，而這2種影響相互矛盾，尤其在多層織物系統中，這種相互矛盾的影響變得更加復雜[31]。在熱暴露期間水分向其他織物層移動，并逐漸蒸發，織物系統的熱學性能不斷變化，從而影響織物的熱防護性能。

另外，在防火服中的水分模擬方面，只是在熱暴露開始前向織物系統中加入一定量的水分，實驗過程中不再加水，這與消防員工作不斷出汗、外界不斷灑水的情況差距較大，更沒有模擬防火服在真實火場中的熱濕環境。

4 結 論

關于防火服熱蓄積相關科學問題的研究時間較短，美國制訂了熱蓄積的測試標準，而我國仍缺少相關標準。本文首先解釋了熱蓄積的產生原因以及對消防員皮膚燒傷的影響，其次從熱蓄積的測試裝置、測評方法、影響因素方面概括、評價了熱蓄積的研究進展。目前關于熱蓄積的研究主要是針對織物，其測試儀器和預濕整理仍需進一步改進，以更加充分地模擬火場環境；有關防火服整體熱蓄積的研究較少，建立服裝整體的熱蓄積評價方法以及研究熱蓄積對皮膚燒傷的影響勢在必行。此外，考慮熱蓄積，建立防火服的熱濕傳遞模型可簡化研究工作，在預測防火服的熱防護性能方面具有參考價值。未來的研究中應考慮熱蓄積，確定多層織物系統最佳的配伍組合方式，提高防火服的熱防護性能。防火服熱蓄積的研究能夠減少消防員在低輻射熱環境中工作發生燒傷的現象，減少潛在的熱威脅，保障消防員的健康安全，提高工作效率。

FZXB

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Influence factors and evaluation methods of stored thermal energy in firefighters protective clothing

ZHANG Mengying1,2, MIAO Yong3, LI Jun1,2,4

(1. Protective Clothing Research Center of Donghua University, Shanghai 200051, China; 2. Fashion & Art Design Enstitute, Donshua University, Shanghai 200051, China; 3. Henan Institute of Science and Technology, Xinxiang, Henan 453003, China; 4. Key Laboratory of Clothing Design & Technology, Ministry of Education, Shanghai 200051, China)

The stored thermal energy in firefighter protective clothing is one of the most important factors to produce skin burn injury, and reasonable evaluation of which can improve the accuracy of the research on thermal protective performance of firefighters clothing. The developments of stored thermal energy in firefighter′s turnout suit in low heat flux environment were reviewed, the cause of stored thermal energy and its negative impacts on main parts of skin burn injury were analyzed, the experimental evaluation methods were summarized including test apparatus and assessment methods, and the clothing and environmental influences on stored thermal energy were summarized. At last, based on the analysis above, the developing trends of the study on stored thermal energy in firefighters protective clothing were predicted. A large amount of thermal energy stored in firefighters protective clothing during exposure. Currently, the stored thermal energy performance of materials is tested by an SET tester. In the future, laboratory simulation of the exposure environment should be performed more comprehesively ot improve the accuracy of evaluation methods for stored thermal energy.

firefighter protective clothing; stored thermal energy; second degree burn; thermal protective performance; heat transfer

10.13475/j.fzxb.20150500606

2015-05-06

2016-02-18

國家自然科學基金項目(51576038)；人因工程國家重點實驗室開放項目(SYFD150051812K)；中央高校基本科研業務費專項基金資助項目(15D110735/36)

張夢瑩(1992—)，女，博士生。主要研究方向為服裝功能性與舒適性。李俊，通信作者，E-mail：lijun@dhu.edu.cn。

TS 941.73

A