高溫接觸條件下形狀記憶合金阻燃面料的隔熱性能

王麗君　盧業虎　王帥　尤禪懿

摘要： 熱防護服對于保護消防員與應急救援人員的健康和人生安全起到至關重要的作用。文章在熱防護服的防水透氣層與隔熱層之間設置若干對環境溫度變化反應較為靈敏的感溫驅動組件——形狀記憶合金彈簧，研制具有動態結構的新型熱防護服面料。通過高溫接觸實驗，表征各層面料的溫度變化，從而評價不同排列方式的形狀記憶合金彈簧對面料隔熱性能的影響。研究表明，形狀記憶合金彈簧可以顯著降低傳遞至人體的熱量，彈簧的排列方式對其熱傳遞也具有一定的影響。此研究結果為開發性能優越的形狀記憶熱防護服提供科學依據。

關鍵詞： 熱防護服；形狀記憶合金；高溫接觸；排列方式；阻燃面料；熱防護性能

中圖分類號： TS101.923

文獻標志碼： A

文章編號： 10017003（2017）05001905

引用頁碼： 051104

Abstract： Thermal protective clothing plays an important role in protecting health and safety of firefighters and emergency rescuers. In this study， shape memory alloy （SMA） springs were set between moisture barrier layer and thermal liner layer of thermal protective clothing to develop novel thermal protective materials with dynamic structure. Hot surface contact experiment was done to characterize the changes in temperature at different layers to evaluate the influence of different arrangement modes of SMA springs on thermal insulation performance of the fabric. The results indicate that SMA spring could greatly decrease the heat transfer to human body， and the spring arrangement mode has certain influence on heat transfer. The research findings may be applied to design excellent thermal protective clothing with proper arrangement of SMA springs.

Key words： thermal protective clothing； shape memory alloy； hot surface contact； arrangement mode； fireproof fabric； thermal protective performance

消防員或應急救援人員工作中經常遭受很多危害，包括熱量上的（火焰、輻射和對流熱）、生物上的（血液傳染和致病菌）、化學上的（皮膚接觸）、物理上的（撞擊、碎片和粗糙的表面）及環境中的（極端環境溫度和高濕度）災害[1]，需要穿著特定的熱防護服，以保障他們的健康和人身安全。防護服的隔熱性能和舒適性能直接影響了消防員的救援時間及消防作業的進行。

為了提高熱防護服的隔熱性能，一般通過研制新型阻燃隔熱纖維材料或增加面料的厚度和層數等手段來實現[23]。然而，阻燃隔熱纖維材料的發展已經相對成熟，其研發的難度也相對較大[3]。傳統的熱防護服則主要通過多層服裝組合增加服裝熱阻，提高熱防護性能[1，4]。因此，傳統的防護服比較厚重，影響熱量散失，易產生熱應激[5]。為了解決傳統熱防護服厚重的問題，研究者們采用氣凝膠或者相變材料增加面料的防護性能[2，67]。氣凝膠嵌入防護服內部，在消防員不作業時顯得臃腫使其行動不便，同時其透氣性也較差，制成的服裝也不具有動態調節能力[2，7]。而相變材料在循環過程中熱物理性質易退化，且易從基體泄漏，產生的熔滴可能會損傷人體皮膚[6]。更進一步，研究者將形狀記憶合金或形狀記憶聚氨酯應用于防護服中[811]。將合金或聚氨酯制成彈簧狀，在常溫下收縮成扁平狀，不影響服裝正常穿著狀態，遇熱則彈起在服裝中形成一定厚度的空氣層作為隔熱層，自動調節防護服的厚度[1012]。然而，以往的研究并沒有系統地考慮形狀記憶彈簧分布的影響，也沒有分析高溫熱接觸環境下形狀記憶合金的性能。

鑒于上述傳統熱防護服的缺陷，本研究在防護服的防水透氣層與隔熱層之間設置若干感溫驅動組件——形狀記憶合金彈簧[9，11]，構筑一種具有動態結構調節的新型熱防護服面料。通過高溫接觸實驗評價形狀記憶合金彈簧及其排列方式對面料隔熱性能的影響，獲得熱防護服性能最佳的新型智能熱防護服。

1熱防護服面料組合的設計

1.1形狀記憶合金彈簧

為減小在常溫下形狀記憶合金彈簧對消防服層間空氣層的影響，本研究將形狀記憶合金彈簧設計為扁平狀螺旋型，如圖1（a）所示。形狀記憶合金材料為銅基，外徑為28mm，最小直徑14mm，合金絲的直徑為1.5mm，形變溫度45℃左右。當溫度超過形變溫度時，彈簧會逐漸彈起，形成圓錐形狀，如圖1（b）所示，完全彈起后的高度為32mm左右。這種形狀記憶合金彈簧本身質量較輕且對環境溫度變化的感應較為靈敏，從而能較好地調節消防服的隔熱性能，也能改善防護服的穿著舒適性且不影響穿著者肢體運動。

1.2熱防護服面料組合設計

選擇典型的防護外層、防水透氣層和隔熱層組成三層面料系統，15cm×15cm，各層面料的基本性能如表1所示。將形狀記憶彈簧放置在防水透氣層和隔熱層之間，采用五組不同的排列方式，如表2所示，即一個彈簧中心排列（One）、兩個彈簧對角（Two_diag）及并列（Two_para）排列、三個彈簧對角線（Three_diag）及等邊三角形（Three_tria）排列，加上對比組（CON）沒有放置任何彈簧共計六種實驗條件。為了防止彈簧形變過程中面料相對位置發生滑移，同時模擬實際穿著過程中面料之間的相互作用，將面料未放置彈簧的兩個對角固定。

2實驗

消防員和應急救援人員在救援過程中易接觸到灼熱的高溫物體，本研究采用熱平板儀模擬高溫熱接觸，如圖2所示。高溫熱平板儀溫度設置為400℃，熱接觸時間為20s。對六種不同條件的面料組合進行高溫熱接觸實驗，采用NI數據記錄儀（NI 9231，美國）實時記錄實驗過程中的防水透氣層與外表面間溫度T1、隔熱層與防水透氣層間溫度T2、隔熱層內層溫度T3（T1、T2、T3均為面料中心溫度）。測量T1的傳感器固定在防水透氣層外表面上，測量T2的傳感器固定在隔熱層的外表面上，測量T3的傳感器固定在隔熱層的內表面上。NI數據記錄儀包括熱電偶測試模塊和32 gauge T型熱電偶。每組排列方式至少測試三次，取平均值。

3結果與分析

3.1防護外層與防水透氣層間溫度T1

圖3描述了不同形狀記憶彈簧排列方式的試樣防火外層和防水透氣層之間的溫度T1變化曲線。從整體來看，在試樣外表面與溫度400℃高溫接觸的情況下，防水透氣層與外表面之間溫度T1在0～2s內迅速增加到100℃左右，之后緩慢增加，在3s后繼續穩定快速增加。到20s時，層間溫度T1最終達到210～270℃。所有試樣均表現出類似的規律。Two_diag與Three_tria兩種排列方式下試樣的溫度T1在2～5s內增加較為緩慢，最終溫度也相對較低。沒有安裝形狀記憶合金彈簧的試樣（CON）的T1最終溫度也與兩個形狀記憶合金彈簧對角排列（Two_diag）試樣的相近，而其他三種情況下T1的最終溫度均高于CON。

形狀記憶彈簧一個中心排列（One）與三個對角排列（Three_diag）的T1溫度偏高可能由于傳感器縫制在試樣中心，正對著防水透氣層內部中心的形狀記憶彈簧。彈簧受熱彈起，壓縮了中心點防水透氣層與外表面間的間隙，以及增加了防火外層與熱板的接觸。兩個并排排列（Two_para）試樣T1溫度偏高可能由于兩個彈簧間的距離較近，對中心點防水透氣層與外表面間間隙層的壓縮也較明顯，導致溫度傳導的速度較快。

3.2防水透氣層與隔熱層之間溫度T2

圖4描述了不同形狀記憶彈簧排列方式的試樣隔熱層外表面的溫度T2變化曲線。從整體來看，在同樣實驗條件下，防水透氣層與隔熱層之間的溫度T2在0～4s內快速增長至65℃左右，隨后略有下降后保持相對穩定，之后T2繼續迅速增長。在20s時，試樣的最高溫度可達76～115℃，并且呈明顯增長的趨勢。所有試樣均呈現出類似的變化規律，但變化區間不同。

如表3所示，試樣初始接觸熱源，試樣與熱源溫度差較大，熱傳導的速率較大，所以在0～2.5s溫度快速增長。隨著彈簧彈起，空氣層逐漸變厚，減慢了熱量傳遞，當空氣層進一步增加，層間發生空氣對流，散熱略大于吸熱致使溫度在短時間內降低。當形狀記憶彈簧達到最大高度，空氣層厚度穩定，散熱效果也基本穩定，此時吸熱大于散熱，熱量繼續傳遞，溫度再次升高。而沒有安裝（CON）彈簧的試樣由于層間隙較薄，在4～10s散熱與吸熱達到平衡，溫度穩定不變，隨后在持續受熱的情況下較薄的層間隙導致溫度升高的速度也較快。較之CON，設置形狀記憶彈簧試樣的T2溫度顯著降低，其不同的排列方式對隔熱效果的影響也不同。其中Three_tria排列方式的試樣較沒有設置形狀記憶彈簧（CON）試樣的T2溫度在20s時低39℃，高溫環境下這種排列方式能在織物間形成較穩定的空氣層，且其厚度也較為平均，溫度增加速率也較低（3.0℃/s），故最終達到的溫度也較低。相比較而言，Two_para排列方式的最終溫度略高于其他幾種排列方式，可能與傳感器測量位置的空氣層厚度偏低有關系。

3.3隔熱層內表面溫度T3

圖5描述了不同形狀記憶彈簧排列方式的試樣T3變化曲線。由圖5可知，沒有安裝形狀記憶合金彈簧試樣的內表面溫度在0～1s增長緩慢，1～6s迅速增長，隨后緩慢增長至最高溫度58℃后逐漸下降后維持在54℃左右。排列方式Two_diag的試樣溫度T3變化趨勢與CON類似，最高溫度為57℃，最終達到52℃。排列方式Two_para的試樣溫度T3變化趨勢與CON和Two_diag一致，最高溫度53℃，最終溫度為47℃。排列方式Three_tria的試樣溫度T3在0～2s緩慢增長，之后快速增長至53℃，隨后緩慢下降至48℃。與上述四種情況不同，排列方式One的試樣溫度T3在0～20s持續緩慢增長，最終達到45℃。Three_diag排列方式試樣的T3溫度在0～1s緩慢增長，隨后以一定的速度增長至45℃。

所有的試樣在最初的2s內，T3緩慢增加是因為面料組合的隔熱作用，熱量傳遞至隔熱層內表面需要一定的時間。隨后CON、Two_diag、Two_para、Three_tria排列方式試樣溫度增加較快可能由于中心點無彈簧，且隨著彈簧距中心點位置越遠，空氣層厚度增長越慢，溫度增長越快。隨著空氣層變厚，接觸外部空氣向外的散熱大于熱源向內的導熱，溫度呈下降趨勢。持續加熱，散熱與吸熱趨于平衡，溫度趨于穩定。對于Three_tria排列方式試樣的T1與T2溫度都較低，而T3溫度較高可能由于試樣在實驗時為防止織物間位置滑移及仿真服裝穿著時面料之間的相互作用，將其對角位置固定，受內部空間限制，空氣層厚度雖穩定但彈簧較多導致沒有彈起到最大高度。

排列方式為One、Three_diag的試樣內表面溫度一直穩定增長，最終達到45℃，相對于沒有安裝形狀記憶彈簧的試樣（CON），內表面溫度降低了近10℃，是CON試樣溫度的18.5%。由于中心縫制有形狀記憶彈簧，空氣層增長速度較快，并形成最大空氣層，從而這兩種排列方式的溫度較低，能有效地減慢溫度的增長速度，降低內表面溫度，達到較好的隔熱效果。

鑒于人體皮膚溫度超過44℃時（溫升為12℃）開始出現損傷，而當皮膚溫度超過56℃（溫升為24℃）可能出現二級燒傷。如表4所示，以T3溫度達到44℃和56℃分析六組試樣的隔熱效果。較之其他四種情形，排列方式為One、Three_diag的試樣隔熱性能最好，Three_tria的效果也優于兩個彈簧的排列方式。以皮膚溫度達到44℃出現損傷為界定，兩種排列方式制成的智能熱防護服能有效增長消防員救援時間至17s，比傳統防護服救援時間提高了389%，以皮膚溫度達到56℃出現燒傷為界定，可增長時間至20s以上，最少比傳統服裝提高了263%。應用形狀記憶合金彈簧，在高溫環境中能起到瞬時隔熱的效果，增加救援時間，這與陳艷[9]、Yoo S[10]、Congaltion[12]的研究結果一致。由此可見，與傳統消防服相比，智能防護服更具有動態特征，能夠根據環境的變化自動調節防護服的厚度，使熱防護性能在遇到強熱災害環境時顯著提高，從而提高搶救效果，減少損失。

4結論

1）6種排列方式下溫度T1和T2變化規律類似，其中Three_tria排列方式試樣溫度較低。

2）設置形狀記憶合金彈簧可以顯著降低傳遞至人體的熱量，隔熱層內表面層溫度T3除One、Three_diag排列方式試樣的內表面溫度在0～20s內呈緩慢增長趨勢，其余排列方式總體先快速增長后緩慢下降。One、Three_diag排列方式試樣最終達到的溫度在45℃左右，比其他排列方式的最高溫度低8～14℃，有較理想的隔熱效果。形狀記憶彈簧的排列方式對防水透氣層與隔熱層間的空氣層平均厚度有直接的影響，從而影響其隔熱作用。

3）One、Three_diag排列方式的智能熱防護服在不導致皮膚損傷的條件下，能有效增長消防員救援時間至17s，比傳統防護服救援時間提高了389%。在不導致皮膚燒傷的條件下，可延長至20s以上，是傳統防護服的近三倍。

參考文獻：

[1]WANG Y. Textile fabrics used for the manufacture of firefighter turnout garment[J]. Fire Technology Products Information，2006（6）：5354.

[2]張興娟，吳洪飛，孔祥明.新型組合式消防服熱防護性能分析[J].中國個體防護裝備，2013（6）：2024.

ZHANG Xingjuan， WU Hongfei， KONG Xiangming. Analysis of thermal protective performance of aerogelbased new combined firefighters clothing[J]. China Personal Protective Equipment，2013（6）：2024.

[3]NOCKER W， SEIBERT J. Fire fighter garment with nontextile insulation[C]// Paper Presented at the RTO HFM Symposium on Blowing Hot and Cold： Protecting Against Climatic Extremes.2001.

[4]LU Y， SONG G， LI J. A novel approach for fit analysis of thermal protective clothing using threedimensional body scanning[J]. Applied Ergonomics，2014，45（6）：14391446.

[5]SONG G. Clothing air gap layers and thermal protective performance in single layer garment[J]. Journal of Industrial Textiles，2007，36（3）：193205.

[6]ROSSI R， BOLLI W. Phase change materials for the improvement of heat protection[J]. Advanced Engineering Materials，2005，7（7）：368373.

[7]QI Z， HUANG D， HE S， et al. Thermal protective performance of aerogel embedded firefighters protective clothing[J]. Journal of Engineered Fibers & Fabrics，2013，8（2）：134139.

[8]MONDAL S， HU J， YANG Z， LIU Y， SZETO Y. Shape memory polyurethane for smart garment[J]. Research Journal of Textile and Apparel，1999，6（2）：7580.

[9]陳艷，林蘭天，任乾乾.采用形狀記憶合金的瞬時隔熱組合面料的研究[J].上海紡織科技，2012，40（2）：4346.

CHEN Yan， LIN Lantian， REN Qianqian. Investigation on the instant fireproof composite fabric made of shape memory alloy[J]. Shanghai Textile Science & Technology，2012，40（2）：4346.

[10]YOO S， YEO J， HWANG S， et al. Application of a NiTi alloy twoway shape memory helical coil for a versatile insulating jacket[J]. Materials Science & Engineering A，2008，481482（1）：662667.

[11]YATES D A. Design and Evaluation of a Thermally Responsive Firefighter Turnout Coat[D]. Washington，D.C.： University of Maryland，2012：1016.

[12]CONGALTON D. Shape memory alloys for use in thermally activated clothing， protection against flame and heat[J]. Fire & Materials，1999，23（5）：223226.