消防服外層織物熱防護性與舒適性綜合評價

翟勝男， 陳太球， 蔣春燕， 傅佳佳， 王鴻博

(1. 江南大學 江蘇省功能紡織品工程技術研究中心， 江蘇 無錫 214122； 2. 生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)， 江蘇 無錫 214122； 3. 圣華盾防護科技股份有限公司， 江蘇 無錫 214413)

消防服是消防人員在進行滅火作業時所穿著的具有防護功能的一類服裝，具有較高的阻燃和熱防護性能，避免消防人員在滅火作業過程中受到燒傷和燙傷等危害。目前，國內消防服依據《消防員滅火防護服》標準裁制：消防類服裝由4層材料構成，分別為阻燃外層、防水透氣層、隔熱層及舒適層。其中，外層織物直接與火焰接觸，須具備較高的阻燃和耐高溫性能，因而常使用高性能阻燃纖維織造，如芳綸纖維等[1-2]；防水透氣層可阻止水向隔熱層滲透，同時又可排出水蒸氣和人體產生的汗液和濕氣，提高服裝舒適性；隔熱層起到隔絕高溫高熱的作用；舒適層則直接與人體接觸，具備舒適性及熱防護性能。這4層結構的存在雖有效地提高了服裝的熱防護性能，但同時也會阻礙人體熱量和汗液的排出，易造成人體熱應激反應，威脅消防人員生命安全[3-6]。

有很多學者從事織物參數對熱防護性能影響的研究：Sun等[7-8]指出單層織物成分對防護性能起著決定性作用，織物的厚度、面密度等也會對其產生影響；李俊等[9-12]則在此基礎上又進一步對消防服各層材料性能進行研究，推導防護性或舒適性的最佳結構。但目前對于兼顧服裝熱防護性和舒適性方面的研究還較少，本文則基于此對外層織物的熱防護性和舒適性進行研究，定性地描述織物參數對二者的影響，此外采用模糊綜合評判法對織物的綜合性能進行評價，得出評價最優的織物，以期為消防服裝外層織物綜合性能的研究提供參考。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與儀器

材料：消防服外層織物，由江蘇圣華盾防護科技股份有限公司提供。

儀器：#403-14型熱防護性能測試儀(美國Thermetrics公司)；YG141型織物厚度儀、電子天平、YG461E-Ш型全自動透氣量儀、YG601-Ⅱ型電腦式織物透濕量儀(寧波紡織儀器廠)。

1.2 實驗方法

在標準溫濕度條件下，測試了7種消防服外層織物的參數，結果如表1所示。

表1 織物參數Tab.1 fabric parameters

1.2.1織物熱防護性能測試

1.2.1.1 測試儀器及原理 熱防護性能測試儀器如圖1所示。該儀器的測試裝置包括：組合對流輻射熱源(對流熱源6、輻射熱源7)、試樣3及傳感器支撐結構4、用于暴露控制的隔熱遮板5、銅量熱傳感器1、銅量熱傳感器組件2和數據采集/分析系統等。此外，儀器還設有自動化裝置，控制試樣暴露及遠離熱源；同時設有循環水冷裝置。

圖1 熱防護測試儀的示意圖Fig.1 Schematic of thermal protection tester

該儀器設有雙重熱源，即1個輻射熱源和2個對流熱源，模擬火場環境中輻射熱和對流熱。對流熱源為2個呈一定角度安裝的火焰發生裝置，對稱放置在樣品下方，通過連接丙烷氣筒產生火焰；輻射熱源由9個水平排列的紅外石英燈管(500 W，240 V交流電)組成。在樣品上方放置一溫度傳感器組件模擬服裝與人體皮膚的接觸，通過該組件測試樣品溫度變化，經過數據采集/分析系統記錄描繪試樣的溫度變化曲線，并將該曲線與Stoll 標準曲線相比較(兩曲線的交點所對應橫坐標的數值即為達到二級燒傷的時間t(s))。

1.2.1.2 測試方法 根據GA10—2014《消防員滅火防護服》規定：測試樣品數量至少3塊，尺寸為(150±2) mm×(150±2) mm(不含接縫部位)，實驗總熱流量設定為(83±2) kW/m，熱暴露時間設定為 30 s。測試前樣品需在溫度為(20±2) ℃、相對濕度為(65±4)%的恒溫恒濕箱中調濕處理 24 h。在取出后3 min內進行測試[10]。通過下式計算樣品的熱防護系數。

TPP=tq

式中：TPP為熱防護系數，kW·s/m2；q為暴露熱通量，kW/m2；t為二級燒傷的時間，s。

TPP值越大，達到二級燒傷時間t越長，織物熱防護性能越好；反之，則越差。

1.2.2透濕率測試

依據GB/T 12704.1—2009《紡織品 織物透濕性試驗方法 第1部分：吸濕法》，使用電腦式織物透濕儀測定織物的透濕性能。測試條件：溫度為38 ℃，相對濕度為90%，每種織物不同部位各取3塊，通過下式計算透濕量。

式中：WVT為織物的透濕量，g/(m2· d)；S為織物測試面積，m2；t為測試時間，h；Δm為同一實驗組合體 2次稱量質量之差，g。

1.2.3透氣性測試

依據GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》，在實驗前將待測試樣進行預調濕：溫度為(20±2) ℃，相對濕度為(65±2)%。使用全自動透氣量儀測定試樣透氣率，測試壓差為100 Pa；測試面積為20或30 cm2，測試次數要求同一試樣不同部位重復測量至少10次，取平均值。

2 實驗結果與討論

表2示出了7種消防服織物熱防護性能及舒適性能測試值。

表2 織物熱防護性能及舒適性能Tab.2 Thermal protection and comfort properties of fabric

注：H12、H24分別為溫度升高12 ℃和24 ℃時試樣吸收的熱量值。

2.1 織物熱防護性能影響因素分析

2.1.1纖維種類對熱防護性能的影響

由表2可看出，7種試樣TPP值按從大到小排列順序為1#>7#>5#>6#>2#>3#>4#。其中，不含芳綸纖維的試樣4#、3#達到二級燒傷時間最短，TPP值最小，說明這2種試樣的熱防護性能最差。含芳綸纖維的試樣1#、7#、5#、6#及2#的TPP值大于4#和3#，說明這幾組織物熱防護性能較好。

由試樣纖維組成分析造成這種現象的原因可能是：織物4#和3#所含纖維(阻燃棉、腈/棉混紡)為阻燃后整理纖維，暴露于火焰時極易燃燒，達到二級燒傷時間較短，TPP值較低，織物熱防護性能較差；織物1#、7#、5#、6#及2#所含的芳綸纖維因其自身特殊的苯環結構，阻燃性和耐熱性能良好[2]，暴露于火焰時不易燃燒，TPP值較大，織物熱防護性能較高。

由以上分析可以看出：纖維的種類對織物的熱防護性能有很大影響，纖維阻燃和耐熱性能越高，TPP值越高，織物的熱防護性能越好，特別是本質阻燃的纖維織物熱防護性能要優于后整理阻燃的纖維織物。

2.1.2纖維含量對熱防護性能的影響

含有芳綸纖維的試樣1#、2#、5#、6#和7#，其中1#、5#、6#和7#芳綸纖維含量均在98%左右。芳綸纖維含量估算為：1#(245 g/m2)>7#(215 g/m2)>5#(199 g/m2)>6#(178 g/m2)>2#(125 g/m2)，這與織物TPP值變化相同。芳綸纖維含量越高，織物熱防護性能越好。

與此類似，試樣3#含有棉纖維約95 g/m2，小于試樣4#所含的310 g/m2，而TPP值為3#>4#。說明阻燃棉纖維的含量越少，織物熱防護性能越高。

由以上分析可以得到，纖維含量對織物熱防護性能同樣有很大影響：阻燃和耐熱性能好的纖維含量越多，越有利于提高織物熱防護性能；阻燃和耐熱性能差的纖維含量越少，越有利于提高織物熱防護性能。

2.1.3組織參數對熱防護性能的影響

在纖維原料相近(如1#、5#、6#、7#)情況下，隨著織物厚度和面密度的增大，TPP值相應增大，織物的熱防護性能提高。

此外，織物的熱防護性能還與總緊度有關。由表2可知，織物總緊度為6#<5#<7#<1#，織物TPP值相應減小。由此可知，隨著織物總緊度的增大，TPP值相應增大，織物熱防護性能提高。

2.2 織物舒適性能影響因素分析

2.2.1織物參數對透濕性的影響

從表2看出，試樣6#的透濕性能最好，3#的透濕性能最差。為找出影響織物透濕性的主要因素，采用灰色關聯度分析法，通過隨機性的時間序列找到關聯性，從而尋找系統中各因素的主要關系，進而找到主要影響因素，步驟如下。

1)確定分析數列。設因變量數據構成參考序列，自變量數據構成比較序列：

Xi(k)=[Xi(1)、Xi(2)、…、Xi(m)]

Yi(k)=[Yi(1)、Yi(2)、…、Yi(m)]

式中：Yi(k)為參考序列；Xi(k)為比較序列；m為序列長度；k為關聯時刻。

2)初始序列初值化處理。對比較序列和參考序列進行初值化處理。

3)計算差序列。差序列是指計算每個點上參考序列和比較序列差的絕對值。

式中：Δ0i(k)為差序列；Δmax為差序列極大值；Δmin為差序列極小值。

4)計算關聯系數。關聯系數是指比較序列與參考序列在同一時刻的關聯程度。

式中，ρ為分辨系數，一般取0.5。

5)計算關聯度。

設置目標值Y1為透濕量，X1為厚度，X2為面密度，X3為經向密度，X4為緯向密度，X5為總緊度。

經計算所得各項結構參數關聯度為：

γ11=0.658、γ12=0.610、γ13=0.642、

γ14=0.640、γ15=0.729

由此可看出，織物的緊度對透濕性能影響最為顯著，其次為厚度、經緯密度及面密度。

2.2.2織物參數對透氣性的影響

與分析織物參數對織物透濕性能影響相類似，通過灰色關聯度法計算得到織物透氣率與各項參數的關聯度：

γ21=0.564、γ22=0.543、γ23=0.701、

γ24=0.737、γ25=0.716

由此可看出，織物經緯密度及緊度對織物透氣性有顯著影響，其次為織物的面密度、厚度。結合生產實際可以得出，緊密程度以及厚度越小的織物，結構越疏松，透氣性能越好。

2.3 綜合評價織物熱防護與舒適性

在分析熱防護和舒適性能影響因素后，運用分層評價模式，從織物TPP值(安全Si)、透濕量(服用Ci)、透氣率(舒適Di)3個方面對消防服外層織物綜合性能進行評價，并計算得到質量評價綜合指數(Qi)[11]，選出綜合性能最優的織物。

將3項指標值做歸一化處理，即將單項參數與該項參數所有樣本之和求比值，結果如表3所示，表中數據作為評價分指數使用。

表3 測試數據處理結果Tab.3 Test data processing results

質量評價綜合指數Qi由3個分指數加權計算得到，其值越大,織物綜合質量越好。

Qi=u1Di+u2Si+u3Ci

式中：u1、u2、u3這3個權重值的設定由實驗室專業人員根據經驗賦值，其中u1=0.30，u2=0.55，u3=0.15[13]。

由表3可看出，7種織物中，芳綸防靜電防護織物(試樣6#)的評價綜合指數Qi最高，說明織物綜合熱防護與熱濕舒適性能最好；全棉阻燃織物(試樣4#)的評價綜合指數Qi最低，綜合性能最差。

結合上述分析得出：在織造消防類織物時，原料優選本質阻燃纖維且纖維的阻燃性及耐熱性能要好，如芳綸纖維，該類纖維在織物中含量越多越有利于提高熱防護性能。此外，為同時保證服裝舒適性能，在參數方面，要對織物厚度、密度、緊度等進行合理選擇。具體參數選擇還有待于進一步實驗研究。

3 結 論

1)通過對織物熱防護性能分析發現，織物的熱防護性能主要取決于纖維原料、織物的厚度、面密度以及緊度等。織物的厚度越大，緊度越大，熱防護性就越好；反之，則越差。

2)通過對織物舒適性能分析發現，織物的舒適性與織物緊密度及厚度、面密度有關，緊密度及厚度、面密度越小的織物，透氣性能越好。

3)通過對織物綜合性能分析發現：7種織物中，芳綸防靜電防護織物綜合性能最好；全棉阻燃織物綜合性能最差。