熱功能防護服的設計與研究

【摘要】2012年，國家安全監管總局發布的《防溫降暑措施管理方法》中將高溫作業引起的中暑納入了工傷范圍。人在高溫環境中工作，往往會導致中暑等機體功能失調的熱致疾患，所以從人文關懷的角度出發，熱防護服的研究可謂非常迫切。所謂的熱功能防護服是指能夠保護在極端天氣（高溫或超高溫）和特殊場所工作的人員，減少職業傷害的服裝。主要用于消防、國防、建筑施工、野外勘探、冶金以及有明火、熔融金屬和有易燃物質的場所。本文基于熱功能防護服的一般設計模式，分析了在防護服設計中常用到的高溫防護方法；遵從防護服設計原則，明確了“主動降溫、被動隔熱”的熱功能防護服機理，希望可以為從事該研究的工作人員提供幫助。

【關鍵詞】熱功能防護服；研究現狀；防護機理分析；設計研究

【中圖分類號】TD727 【文獻標識碼】A

引言

熱功能防護服主要適用于高溫環境下的工作人員，能夠促進身體快速散熱，同時阻擋外界高溫對人體的傷害，具有防中暑、防燒傷、防灼傷的功能。近年來，隨著熱防護技術的發展和人們對身體健康的愈發重視，社會對熱功能防護服的要求也大大提高。因而，熱功能防護服不僅要具備良好的防熱功能，還要達到一般服裝的舒適感、輕便感。在高溫環境下作業的人們，有許多是死于熱應激導致的心臟病，而并非是燒傷致死。這就警示了我們，在進行熱功能防護服的設計時要充分應用“主動降溫、被動隔熱”的原理來進行服裝設計。

一、高溫工作對人體的影響

我們將可引起人體過熱的環境稱之為熱環境。在工作中，我們將氣溫>32℃，炎熱地區>35℃，或者說在氣溫>30℃而相對濕度大于80%的勞動環境列為高溫工作的范疇[1]。正常情況下，人體體溫調節中樞能使機體環境和外界環境保持相對平衡。但當外界溫度過高時，會使體溫調節中樞發生障礙，使人體體溫調定點上移，導致人體大量產熱而無法正常散熱，進而出現中暑、熱暈厥、脫水、酸堿平衡紊亂、皮疹、行為障礙等一系列癥狀，嚴重者可突發心臟病而死亡。因而，為了保護工作人員，提高工作效率，對于在沒有空調等制冷設備的高溫環境下作業的人員，熱功能防護服具有非常重要的現實意義。

二、國內熱功能防護服研究現狀

我國最初的熱功能防護服研制于19世紀60年代，是利用冷水循環進行除熱的管式降溫服。80年代末，我國航空醫學研究院研制出管式液冷降溫防暑背心，其防熱效能遠遠優于管式降溫服并且具有輕便、安全等特點，在一定程度上可降低人體熱應激。90年代末，張吉州等人研制的恒溫防護服已經基本接近目前防護服的外形，并且適用于高溫、低溫及有害氣體的環境。其后幾年內，電子調溫服、抗高溫多功能消防服、高溫防護服、防護靴等相繼問世，其應用領域也不斷變廣，效能和舒適度也大大提高。目前，熱功能防護服可分為五種，分別是高溫防護服（<200℃）、消防員滅火服（<200℃）、工業隔熱服（<800℃）、消防隔熱服（<800℃）以及消防避火服（>1000℃）[2]。這五種服裝防熱等級差距很大，意味著在設計生產中，在材料選擇方面，各種防護服存在極大的差異，而生產熱防護服主要運用的材料有熱絕緣織物、阻燃織物和熱輻射防護織物等，再采用純紡法、混紡法等多種加工技術制成。

三、熱功能防護服防護機理分析與設計研究

熱功能防護服應用于各種高溫環境，因而必須具有阻燃性、隔熱性、防液體透過性、完整性和舒適性等性能。考慮到人體對外界溫度的適應性，在進行熱功能防護服設計時，研究者應當注重如何提升防護服隔絕外界溫度內導和內部熱量散失的能力。

（一）主動降溫

熱功能防護服通過外部冷源（氣體、液體、固體等）與人體形成熱量對流，在人體和防護服上形成熱交換[3]。同時，吸濕快干、涼爽型面料可以最大程度上促進散熱并擁有顯著區別與其他面料的舒適感。以上方式都可以達到“主動降溫”的目的，使人體皮膚熱量和衣下空氣層熱量快速向外散失。

1.功能性面料的設計與選擇

面料的選擇在服裝設計中是非常重要的一個步驟，這不僅關乎到服裝穿著的舒適度，還關乎它在工作環境中所能起到的作用。在高溫環境中，人體的能量消耗非常大，如果不能很好地隔熱，很有可能使人體感到不適，而大量出汗不僅會導致人體脫水，還會降低防護服熱阻以及紫外線的防護功能，增加皮膚黏著度，使隔熱效果下降。因此，功能性面料的選擇顯得尤為重要。針對大量出汗這一現象，我們通常采用吸濕快干、涼爽型的面料，這樣，防護服就可以起到熱交換的作用。同時，出于人性化設計的原則，我們可以依照現實情況進行不同面料的優化配置，例如，面部這種皮膚較薄的部位通常易于曬傷，因而選用紫外線防護性能較好的面料，而像前胸、后背以及腋下這種汗腺發達的部位則可以選用透氣性能好、吸濕快干的優質面料。例如，研究者可以選擇相變材料（PCM），相變材料是一種能夠依靠自身可逆相變從環境中吸收或釋放能量的物質，它的這一特點使它成為防護服研究領域的材料明星[4]，這樣就可以滿足人體的生理需要。

2.外部冷源降溫設計

目前，常見的降溫服裝形式是降溫背心，它將冷源（氣體、液體、固體等，制作成微小系統內置于防護服中，通過熱交換的形式來達到降溫的目的。我們將空氣通風系統運用到防護服的設計中，在高溫環境下進行降溫背心性能試驗。實驗數據表明，在穿著降溫背心時，受試者每公里的跑步時長明顯低于沒有穿降溫背心的受試者，并且人體溫度也相對正常，但沒做防護措施的受試者則出現散熱功能障礙。由此我們可以明確外部冷源設計確實可以起到熱防護功能。

3.通風結構設計

研究者可以將物理原理充分運用到防護服的設計中，例如，我們可以利用“鼓風效應”和“煙囪效應”來調節人體體表溫度。所謂“煙囪效應”即在服裝設計中利用上下開口促進自然對流，以達到散熱效果。同時，防護服的設計通常采用寬松型而不是緊致型，這樣的設計可以增加衣下空氣層，促進內外空氣循環。最后，我們的防護服需要局部開口設計，以供著裝者呼吸等生理功能的完成。

（二）被動隔熱

所謂“被動隔熱”便是避免或者減少外界熱量向內部傳導。在高溫環境下，太陽輻射、空氣溫度等因素可導致熱暈厥等病理現象。因此，“被動隔熱”的研究在熱防護領域是十分必要的。

1.選用反射率高的服裝材料

我們將反射率高的反輻射背心與冬季棉襖進行對比測試，發現，由于冬季棉襖的熱阻大，因而擁有較好的隔熱功能，但卻無法進行散熱。而反輻射背心卻能夠很好地隔絕外熱，同時擁有良好的體內散熱效果。

2.增加服裝覆蓋面積

增加服裝對人體體表的覆蓋面積也是隔絕外熱的有效手段。目前，我們所設計的防護服基本都運用了這一原理，達到了全身覆蓋的目的。防護衣、防護帽、防護褲、防護靴在高溫工作時缺一不可。考慮到活動性、靈活性，研究者應當在服裝的細微細節上多加揣摩，以實現著裝方式的多樣化，例如，衣領的翻領和立領設計，褲腿的長短變換等。

3.預防紫外線

面料的結構、類型、顏色等因素均會影響到防護服對紫外線的阻擋能力。在夏季戶外作業時，紫外線防護是必須重視的一個點。因而，在防護服的設計上尤其重視面料的選擇。前文所提到的相變材料（PCM）并不具備紫外線防護能力，所以，在研究設計中，我們不能單一地運用某種面料，而要靈活變通，將各種材料的優點相整合。

四、結束語

我國的石油、冶金行業還處在高速發展階段，而社會危險因素（火災等）一直存在，人們也越來越追求付出極小的損失得到最大的挽回，尤其是消防人員在執行任務時由于熱應激而死亡的事例，更是極大地推動著熱防護服行業的發展。研究者應當致力于研制具有良好隔熱效果，又具備一定熱濕傳遞能力的熱功能防護服。但是我們必須正視的問題是，目前，國內在熱防護服的發展與研究中存在一對相互矛盾的因素，即減少機體代謝熱負荷和增加防護服防熱性能這兩點，有待研究者在未來熱功能防護服的設計中能更加深入地研究。

參考文獻：

[1]李紅彥，孫成勛，朱寶余，蘇云.夏季高溫環境戶外作業服的熱功能設計方法[J].西南師范大學學報（自然科學版），2016，41（6）：146-151.

[2]盧業虎.高溫液體環境下熱防護服裝熱濕傳遞與皮膚燒傷預測[D].東華大學，2013.

[3]王來力.高性能防護服的發展現狀與展望[J].中國個體防護裝備，2013（3）：20-22.

[4]沈蘭萍，李一玲，潘海蓉，范立紅.雙層阻燃、防熱防護服織物的研制[J].北京紡織，2014（1）：46-47.

作者簡介：馬菡婧（1989-），女，漢，江蘇連云港，碩士，助教，研究方向：服裝設計。