高溫液體及蒸汽防護服裝防護性能研究進展

陳 思， 盧業虎， 戴曉群， 王 敏

(1. 蘇州大學 紡織與服裝工程學院， 江蘇 蘇州 215006； 2. 東華大學 現代服裝設計與技術教育部重點實驗室， 上海 200051)

對在消防、餐廳、發電廠、輪船、潛艇等領域工作的人員來說，高溫液體和高壓蒸汽是一種潛在的危害[1-3]。因接觸到高溫液體或蒸汽而造成的傷害是相當嚴重的，尤其是涉及到呼吸道問題時，有可能會導致患者死于呼吸系統疾病[4-5]。需要穿著高溫液體和蒸汽防護服來保證相關工作人員在發生類似災害時不受傷害，同時保護救援人員的生命安全及救援工作的順利進行。在熱防護服裝領域，國內外的研究主要集中在高溫熱接觸、熱輻射、火焰等災害條件下的防護性能實驗室測評、熱濕傳遞建模和防護機制的研究上，而對高溫液體和蒸汽防護服裝的防護性能研究較少。從熱傳遞的角度來看，高溫液體和蒸汽災害不同于其他的熱災害，服裝對此類災害的防護機制也不同，因此，對此類防護服的防護性能進行全面研究和分析探討，剖析各影響因素的影響程度，闡明高溫液體和蒸汽防護機制具有重要的意義。

近年來，針對高溫液體和蒸汽防護性能的研究逐漸引起廣泛關注，并開展了一定的基礎性研究，主要關注織物和服裝本身的防護性能。本文首先從“人體-服裝-環境”系統的角度分析影響高溫液體和蒸汽防護性能的主要因素，概括當前的測評技術和標準，并針對上述影響因素逐一闡述當前國內外的主要研究進展，總結現行研究的缺陷，并提出未來的研究方向及發展趨勢。

1 影響因素分析

圖1示出防護服性能的主要影響因素。從“服裝-人體-環境”系統的角度出發，將影響高溫液體和蒸汽防護性能的關鍵因素分為服裝、人體和環境3個因子。首先，服裝因子可從面料的基本性能和空氣層2個方面分析，面料的基本性能又包括厚度、密度、防水性、透氣性等方面，而在研究服裝因素時還要從二維的面料小樣測試與三維的服裝整體測試2個層面開展。其次，人體因子著重考慮的是人體在動態運動過程中，可能使服裝的基本性能或服裝與人體間的空氣層產生變化，從而影響防護性能的因素。例如在運動過程中，服裝會產生拉伸、形變，空氣層尺寸及分布也會發生動態變化；同時人體會出汗，汗液浸透服裝，改變其基本性能；服裝穿著時受到輻射損傷和機械磨損，穿著后洗滌都會使其老化，改變其基本性能，從而影響其防護性能。最后，防護服裝在不同的災害環境下所提供的防護性能也不同，環境因子主要從災害因素、溫度、距離、壓力、沖擊角度等方面進行探索。此外，3種主要因素之間可能產生動態交互作用，例如環境因素可能由于服裝因素的變化從而影響其防護性能；人體與服裝之間相互影響，即人體動作和出汗等會改變服裝的基本性能，而服裝有可能因尺寸和結構等問題限制人體的運動，從而引起人體出汗等；在不同的環境條件下，人體的出汗等生理反應、人體動作引起的摩擦損傷等均不同。

圖1 防護服性能的主要影響因素Fig.1 Key factors influencing thermal protection of protective clothing

2 防護性能測評技術

2.1 織物二維測評技術

現行的高溫液體和蒸汽的防護性能評價標準較少，目前使用最多的高溫液體防護性能測評標準為美國的ASTM F 2701—2008《接觸高溫液體時防護服材料的熱傳遞性能》。液體在加熱到一定的溫度后倒入漏斗，漏斗上有均勻分布的小孔來控制液體流速，使得1 L的液體在10 s左右的時間里噴濺在測試臺上的面料表面。測試臺與水平面成45°傾角，其上有2個銅片流量計，來測量面料的熱傳導速率。實驗中得到的數據通過數據采集器輸出到電腦上，利用Stoll曲線預測皮膚二級燒傷的時間。該標準存在如下缺陷：1)在將高溫液體倒入漏斗的時候，液體溫度和流速無法監測，液體溫度在接觸面料時不能保證在一定誤差范圍內，液體流速不易控制，使得實驗的可重復性差，結果誤差大；2)無法模擬液體對服裝造成的壓力作用；3)測試臺是固定的，無法改變角度；4)傳感器的材料在實驗過程中也會吸收熱量和濕度，影響結果準確性[6]。

隨后，Jalbani等[6]改進了液體加熱、傳輸及噴射裝置，增加了可控恒溫水箱、液體傳送管道、液體循環系統以及液體噴射口。主要為了方便控制噴射液體的溫度和流速，從而實現實驗的可重復性，并可模擬不同災害情況。后來，Lu等[7]進一步改進了測試裝置，可利用該裝置來進行不同沖擊角度的影響研究。

至今為止，還沒有用來評價服裝蒸汽防護性能的統一測評標準，研究者們大都使用自己研制的各種簡易裝置來進行實驗研究。例如，法國海軍建立了一系列實驗設備用來評價織物的蒸汽防護性能，包括2種測試條件：蒸汽噴射和蒸汽環境[8]。該設備包括蒸汽鍋爐、樣品架、測量單元(包含熱傳感器)、數據采集器和電腦。在蒸汽噴射實驗中，樣品支架和測量單元固定在可移動基座上。在蒸汽環境實驗中，可移動基座被換成一個獨立的盒子，這個盒子會產生熱蒸汽構筑蒸汽環境。Ackerman等[9]設計了一種蒸汽測量儀，其操作便捷，精確性好。該儀器主要包括有加熱器的鍋爐、加壓裝置、蒸汽噴水口、皮膚傳感器和數據采集器。該設備可產生壓力70～620 kPa、溫度95～250 ℃的蒸汽。Su等[10]研發了一種用來評估在熱蒸汽和熱輻射條件下織物熱防護性能的設備。該設備由蒸汽鍋爐、送管口、蒸汽箱、試樣固定組件和數據采集系統組成。蒸汽鍋爐可產生溫度100～150 ℃、壓強0.01～0.4 MPa的高壓蒸汽。蒸汽從輸送管中引入至待測樣品中心，蒸汽流量可通過流量控制閥來進行調節，實驗中蒸汽的沖擊壓力主要取決于蒸汽的流量、噴嘴的直徑和試樣的距離。Rossi等[11]的研究是利用煤氣燈來對水箱進行加熱從而產生蒸汽，再用管道輸出蒸汽，使待測面料暴露于蒸汽中。Sati等[12]研發了一種圓柱形的測試設備，來模擬人體軀干部位的服裝在蒸汽環境下的防護性能。實驗中可模擬的蒸汽最高壓力為345 kPa。

2.2 服裝三維測評技術

Lu等[13]建立了噴淋假人系統，用于評價高溫液體環境下服裝整體防護性能。該系統包括假人本體、噴淋系統和數據采集處理系統。假人本體與燃燒假人相同，保持直立姿勢懸掛，是由玻璃纖維和樹脂材料制成，配置有110個皮膚模擬傳感器均勻分布在假人表面。高溫液體噴淋系統由4組噴淋器構成，呈正方形均勻分布，每組噴淋器有3個自上而下的噴嘴。可自動化控制高溫液體從這12個噴嘴中同時噴出并噴濺到待測服裝表面。數據采集與處理系統與燃燒假人相同，利用皮膚傳熱模型和燒傷預測模型評估服裝的高溫液體防護性能。

法國海軍建立的蒸汽實驗室利用銅質暖體假人和人工氣候室對暴露在蒸汽環境中的服裝進行評測[8]。該假人被分為9個獨立部分，并依靠銅管內部的水循環系統使表面溫度維持在33 ℃。通過測量的水流量和溫度計算總體和局部的熱流量。實驗中，將穿著待測服裝的假人放置在氣候室中央，溫度設置為80 ℃，并逐步增加空氣濕度至設備允許最大值，測量溫度和水流量計算熱流量，從而評價服裝的蒸汽防護性能。

3 國內外研究現狀

3.1 服裝因子

3.1.1織物層面

3.1.1.1織物基本性能 在蒸汽防護性能研究中，大量的研究表明面料的種類、透氣性、結構、厚度、密度、面密度、層數等都會影響服裝的防護性能[8-10]。經研究發現，織物越厚，其防護性能越好；厚度相同時，不透氣的織物比透氣織物具有更好的防護性能[9-11]；對相同織物采用不同的不透氣處理方式時，蒸汽防護性能會有明顯區別[14]；多層織物比單層織物防護效果好[8]；層壓和涂層織物比沒有經過該處理的織物防護性能更好[12]。

不同材料的織物提供的高溫液體防護性能也不同。Jalbani[15]發現織物的基本性能和結構會影響其熱水防護性能，其中織物的透氣性是影響防護性能的關鍵因素。Barker等[16]研究了22種不同面料(包括鍍鋁和非鋁化織物)在抵抗鐵水沖擊時的傳熱和熱降解，發現織物的防護性能與其厚度、重量、透氣性等基本屬性有關。Lee等[17]研究了通常用于個人防護裝備的36種材料的阻隔性和空氣/濕氣滲透性，研究了各種單層機織、針織、非織造織物在不同熱源下的熱防護性能，探討了織物結構對織物防護性能的影響。結果表明，在織物厚度、重量、密度等性能中，厚度是影響防護性能的關鍵因素，密度、透氣性對防護性能也有一定影響，這與文獻[18-19]的研究結果一致。

3.1.1.2空氣層厚度 在蒸汽防護研究中，Su等[20]研究了在干熱(熱輻射)和濕熱暴露(熱蒸汽和熱輻射)2種情況下空氣層厚度對防護性能的影響。結果表明，蒸汽防護性能不僅取決于織物厚度、重量、透氣性等因素，也受空氣層厚度的影響。干熱狀態下，空氣層厚度的增加能夠改善服裝的防護性能；在濕熱狀態下，較大空氣層明顯降低了傳熱速率，但空氣層厚度和皮膚降溫之間沒有顯著相關性。最后，該研究中還提出在空氣層方面還沒有一個定量的評價方法來具體表征防護性能與空氣層厚度之間的關系，需要更深入的探索。

在高溫液體防護研究中，Lu等[21]研究了在暴露于3種高溫液體飛濺物時，空氣層對不同織物的傳熱性能的影響。結果表明，空氣層顯著提高了織物的熱防護性能，但該結論只適用于不透氣織物，對透氣織物和半透氣織物，其傳熱模式更復雜，一方面要考慮半透氣織物熱量傳遞過程中空氣層吸收水分變潮濕帶來的影響，另一方面要考慮透氣織物吸收水分到飽和狀態時織物會直接接觸人體皮膚所帶來的影響。

3.1.2服裝層面

3.1.2.1服裝基本性能 法國海軍醫學院成立了蒸汽實驗室，建立了一系列實驗設備來研究熱蒸汽暴露對人體生理的影響以及防護裝備的防護性能影響[22]。Desruelle等[8]使用該設備測試織物的性能，探索織物厚度、防蒸汽透過等性能在蒸汽噴射環境下的防護效果，并利用暖體假人和人工氣候室測試了5種防護服裝在蒸汽環境下的防護效果，并分析服裝厚度、透氣性對防護效果的影響。結果表明較厚的服裝有著更優越的防護性能，水汽不可透過的服裝比可透過的服裝效果更好。

在高溫液體防護研究中，Lu等[13]基于新開發的噴淋假人系統來評估防護服對熱液體的防護性能，研究服裝設計特征(織物性能和服裝尺寸)對服裝防護性能的影響，發現在不透水或半透水的服裝中織物的厚度和織物結構對其防護性能有明顯影響。后來，Mandal等[19]在此基礎上進行了驗證，得出類似的結論。

3.1.2.2空氣層厚度及分布 在高溫液體防護的研究中，Lu等[23-25]采用非接觸式三維人體掃描技術對防護服與人體皮膚之間存在的空氣層厚度和分布進行了表征，探討織物性能和服裝尺寸對空氣層分布的影響[23]。隨后分析空氣層厚度及分布與皮膚燒傷的關系，發現空氣層厚度對服裝整體的防護性能有積極的影響[24]。最后探究織物實驗和假人實驗間的關系，發現二者之間表現出了明顯的相關性；在此基礎上，結合空氣層厚度分布的研究，建立了預測模型用來評價防護服防熱水噴淋的整體性能[25]。

3.2 人體因子

在蒸汽防護研究中，為了模擬人體形態，Rossi等[11]提出了圓筒模型，同時進行出汗模擬，來評估人體出汗對熱濕傳遞性能的影響。結果表明，織物在濕潤狀態下，其蒸汽防護性能會降低。Keiser等[26]用具有成人人體軀干尺寸的圓柱體來模擬人體，發現在多層防護服裝中不同層之間的水分輸送能力對水分分布有影響，水分分布受親水織物層與疏水織物層的不同組合影響。Zhang等[27]研究了6種織物體系中水分及其分布對儲存熱的影響，發現水分含量及其分布對熱防護性能具有復雜的影響。總的來說，隨著內層面料中水分的增加，織物的熱防護性能有所下降，但在某些極端情況下(100%濕度)，性能有所改善。然而，在內層面料及水分含量相同時，外層織物中的水分對熱防護性能有促進作用。除了模擬人體出汗，Su等[28]探討了人體運動對服裝防護性能的影響。結果表明人體的運動速度對二度燒傷和三度燒傷有著復雜的影響。一般來說，隨運動速度的增加，二度燒傷的時間先減少，后有上升的趨勢，而運動速度的增加可減少三度燒傷的時間。

3.3 環境因子

在蒸汽防護研究中，Sati等[12]研究了蒸汽噴射距離和壓力對織物的蒸汽防護性能的影響。結果表明，蒸汽噴射距離最近且壓力最大的條件下，織物的防護性能最差。

在高溫液體防護研究中，Ackerman等[16]發現高溫液體的種類不同，織物所能提供的防護性能也不同。大量學者都探究過不同液體及溫度條件下的防護性能，如高溫堿性化學液體[29]、農藥[30-31]、蒸餾水、菜籽油、鉆井泥漿[20]。Lu等[32]進一步探討液體滲透與熱防護的關聯性，發現液體黏度和織物表面性質決定了其滲透。Lu等[33]還研究了不同液體和溫度對織物穿透性能的影響，并研究了沖擊角度對液體滲透保護性能的影響，結果表明液體溫度對儲存和滲透的液體量具有顯著影響，不同的液體可能導致織物不同程度的損壞，進而影響其防護性能。沖擊角度會影響通過織物的液體傳遞，添加熱襯里或防潮層可急劇降低液體滲透，影響防護性能。Gohlemareza等[34]也對沖擊角度的影響進行了研究，發現水平狀態下織物的防護性能低于在45°角的狀態下的防護性能。

4 研究不足與展望

盡管針對高溫液體和蒸汽防護服裝的研究取得了階段性進展，但仍缺乏系統的三維測評技術和研究成果，在動態防護性能研究方面仍有不足，其未來的發展趨勢可從以下幾個方向考慮。

4.1 服裝整體防護性能的研究缺乏

相比于織物小樣測試，三維的服裝整體測試在蒸汽防護領域還很缺乏，大量在二維織物小樣測評研究中得到的結論并未在服裝整體的測評研究中加以驗證，更未對二者進行對比分析，建立相關關系及預測模型，需要在后面的研究中深入探索，從而為服裝蒸汽防護性能的預測評價奠定基礎。除此以外，現階段的研究主要都集中在織物的基本性能，如厚度、層數、透氣性等，而對空氣層的研究相對較少。在研究高溫液體防護時對服裝與人體間空氣層進行了量化，并建立了皮膚燒傷預測模型來評估防護服性能，而在蒸汽防護服的研究中，其中沒有涉及，還需要對空氣層的影響做更深入的研究。

4.2 人體活動影響防護性能的探究甚淺

人體活動對服裝防護性能的影響涉及到很多因素(見圖1)，現有研究僅簡單地模擬了人體出汗狀態。除了人體出汗外，在運動過程中，服裝受力作用彎曲、拉伸產生形變，可能會改變防護性能[35]，并使得人體與服裝間的空氣層發生動態變化[36]，從而影響服裝的防護性能。服裝在穿著過程中，不可避免的會發生磨損，例如水洗老化、服裝與身體部位或物體等發生摩擦、受輻射造成老化等，都可能會削減其防護性能[37]。目前對這些因素的影響研究較少，有待下一步探索，從而為更準確地評價防護服裝的動態防護性能奠定基礎。

4.3 環境因素影響防護性能方面探索不足

蒸汽防護實驗中，環境因素主要有蒸汽的種類、溫度、壓力、距離、沖擊角度等。盡管Sati等[12]研究了蒸汽噴射距離和壓力對織物的蒸汽防護性能的影響，但在蒸汽種類、溫度和沖擊角度等方面都未進行探索，在高溫液體防護性能測試中，已經證實液體種類、溫度的不同對服裝防護性能具有明顯的影響，因此，非常有必要探索這些因素對蒸汽防護性能的影響，開發新的測試設備勢在必行。

5 結束語

對高溫液體和高壓蒸汽防護服裝的研究剛剛起步，從簡單的織物小樣測試到整體的服裝預測還需要進一步的探索。本文首先總結了當前常用的評價高溫液體和蒸汽防護性能的測評技術，其次從服裝、人體、環境3個因素方面詳細分析了國內外研究學者的已取得的成果，并提出未來研究的發展趨勢及方向。目前關于高溫液體和蒸汽防護性能的研究主要針對的還是織物，各項評測技術、儀器、標準還需進一步的統一和完善，來增強各研究之間的關聯性；有關蒸汽防護性能方面的研究還很少，建立蒸汽防護性能的預測模型及評價方法勢在必行。高溫液體和蒸汽防護性能的研究可減輕職業工人和應急救援人員在災害環境中受到的傷害，減少潛在危險，保障其生命安全，提高工作效率。

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