防火服用蜂窩夾芯結構織物的熱防護性能測評

杜菲菲， 李小輝，2，3， 張思嚴

(1. 東華大學 服裝與藝術設計學院， 上海 200051； 2. 同濟大學 上海國際設計創新研究院， 上海 200080；3. 東華大學 現代服裝設計與技術教育部重點實驗室， 上海 200051)

防火服是一種特殊的功能性服裝，其作用是保護作業人員在特殊的工作環境中免受高溫傷害[1]。目前，防火服一般采用4層結構，由外向內依次為阻燃外層、防水透汽層、隔熱層與舒適內層[2]，每層都有其各自的功能，這種多層復合結構極大地提高了防火服的熱防護性能。然而，正是這種阻燃、高熱阻和防水性會降低防火服的透濕性能，阻礙汗水的排出和蒸發，限制人體出汗所釋放的潛熱[3-4]。

為解決防火服功能防護與熱濕舒適性的平衡關系，很多學者對熱防護材料進行了研究。一些研究者提出利用相變材料來協調人體著裝時的熱平衡[5-6]，相變材料雖然可以減少熱應力，提高熱濕舒適度，增強熱防護性能，但是相變材料本身的相變溫度、時間等會受火場環境下的暴露熱流量以及熱暴露時間的影響，同時研發也需要耗費昂貴的成本[7]，應用范圍相對比較局限。此外，還有一些學者提出將三維阻燃間隔織物應用于隔熱層[8]，雖然三維阻燃間隔織物具有較好的透氣性，但由于它是經編雙層結構，容易在層隙之間形成熱循環，而且壓縮性也不是很好，做成的衣服較厚，用于防火服的優勢并不明顯。另外有研究者研究了氣凝膠熱防護材料，由于質輕、熱導率低，其性能非常適合作為隔熱材料[9]，其缺點是成本高、容易碎[10]，織物透氣性問題沒有得到解決，因此，目前尚不能滿足防火服熱濕舒適性能的要求。

事實上，上述熱防護材料都是通過隔絕熱傳遞的方式來實現熱防護，這導致水氣無法透過隔熱層到達防水透氣層，造成內部悶熱的問題，因此，熱防護服要充分發揮多層結構的復合功能，必然要克服實心夾層結構自身的弊端，其結構應該在確保阻燃隔熱性能的同時更輕便、透氣透濕性能更好。而蜂窩結構具有抗疲勞性能好、熱穩定性佳、質量輕、隔熱隔音性能優良等優異功能，在航空航天、汽車、船舶、建筑等領域[11-13]應用廣泛。鑒于此，本文利用蜂窩結構的質輕、隔熱耐高溫等特性，提出用蜂窩夾芯中空結構來改善服裝功能防護與人體熱平衡之間的矛盾，實現熱防護與熱濕舒適性能的綜合提升。

本文主要通過選取當前典型的熱防護織物進行蜂窩夾芯結構的設計與制備，對織物組合熱防護性能進行測評研究，進一步考察蜂窩邊長、壁厚、芯厚等參數對其熱防護性能的影響，以滿足其在眾多功能防護領域的應用需求。

1 實驗部分

1.1 試樣選取

本文選取了當前典型的各層面料作為實驗材料：阻燃外層面料為A；防水透氣層面料為B；不同厚度的隔熱層面料分別為C1、C2、C3；舒適內層面料為D。各層面料所對應的參數見表1。

表1 面料試樣及其基本性能Tab.1 Fabric samples and fundamental characteristics

1.2 蜂窩孔形結構設計

蜂窩結構的產生源于仿生學對于蜜蜂筑建的六角形蜂巢的研究，同時六邊形蜂窩結構的制備簡單，用料最少，效率也高。本文主要采用圖1所示的六邊形蜂窩結構，其中邊長、壁厚、芯厚為六邊形蜂窩結構的主要幾何參數。

圖1 芯子層蜂窩結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of sandwich layer honeycomb structure

對蜂窩孔形的設計主要包括邊長設計和壁厚設計，文獻[14]指出：隨著蜂窩壁厚的增加，其熱導率也逐漸增大；隨著蜂窩邊長的增加，其熱導率開始逐漸減小。綜合考慮熱導率和面料性能，設計出6種不同蜂窩孔形結構和1種不對隔熱層進行切割的對照組，如表2所示。

表2 蜂窩孔形結構參數Tab.2 Parameters of honeycomb structure

1.3 實驗方案設計

實驗模擬防火服真實結構的多層織物組合，由外向內依次為阻燃外層、防水透氣層、隔熱層(蜂窩芯子層)和舒適內層，如表3所示。分別對不同厚度的隔熱層C1、C2、C3按照表2設計出的7種蜂窩孔形結構E1、E2、E3、E4、E5、E6、E7進行切割，共制備得到21種蜂窩芯子層，切割后的隔熱層厚度用蜂窩芯厚表示，分別為0.81、1.28、1.65 mm。各層面料組合得到21組試樣，其中第1組、第8組和第15組試樣是實心結構。為提高實驗的精確性，減小實驗誤差，擬對21組試樣各做3次實驗，取其平均值，共需63個實驗組。

表3 實驗方案設計Tab.3 Experimental scheme design

1.4 織物熱防護性能測試

目前，針對防火服的熱防護性能主要是采用織物熱防護性能值測評和燃燒假人系統測評。本文采用織物的熱防護性能(TPP)實驗方法，其測試原理是小規模模擬火災現場，測定透過織物表面導致人體皮膚二度燒傷所需的熱量，從而來評價織物熱防護的相對能力。本文實驗采用的儀器為如圖2所示的美國Custom Scientific Instrument公司的CSI-206型熱防護性能測試儀。

圖2 熱防護性能測試儀示意圖Fig.2 Schematic diagram of thermal protection performance tester

實驗時將試樣水平置于熱源上面，在規定的125 mm距離內，接受熱源為50%的熱對流和50%的熱輻射2種不同形式的傳熱，并達到標定值(84±4)kW/m2。通過計算機程序控制窗口監控傳感器的溫度，當其溫度達到(32.5±0.2)℃時，開始實驗，試樣的暴露時間為25 s。置于試樣背面的銅片熱流計溫度隨熱源作用時間而變化，從而計量出造成人體皮膚二度燒傷所需的時間，并計算此條件下的總熱量TPP值：

TPP=t2×q

式中：q為規定距離內熱源輻射或者對流的總熱流量，其值為(84±4)kW/m2；t2為引起二度燒傷所需要的時間，s。TPP的大小代表織物熱防護性能的好壞，其值越大，織物熱防護性能越好；反之，織物熱防護性能越差。

2 結果與討論

蜂窩芯子層的面密度見表4。可看出：將不同厚度的隔熱層按照E2，E3，E4，E5，E6，E7切割后的面密度都比按照E1未切割的面密度小，其中：按照E2切割后的面密度減小得最少(減小了18.1～37.7 g/m2)；按照E5切割后的面密度減小得最多(減小了46.4～96.9 g/m2)；并且按照E3，E4，E7切割后的芯子層面密度相等，在3種芯厚下其面密度分別是40.2、71.2、84.0 g/m2。蜂窩夾芯結構對織物TPP 值的影響將從蜂窩結構的邊長、壁厚、芯厚這3個控制參數進行討論。

表4 蜂窩芯子層面密度Tab.4 Areal density of honeycomb core layers g/m2

2.1 邊長對織物熱防護性能的影響

控制蜂窩結構的壁厚和芯厚2個參數不變，研究邊長變化對織物熱防護性能的影響規律。當蜂窩壁厚為2.6 mm時，織物組合的TPP值隨著蜂窩邊長的增加而減小。

圖3示出蜂窩壁厚為5.2 mm時不同蜂窩芯厚下其邊長變化對織物熱防護性能的影響。可以看出：對于芯厚0.81和1.28 mm，蜂窩孔形結構E2的TPP值最高，E6的TPP值次之，E4的TPP值最低，其中E4和E6相差很小，不排除實驗誤差的影響；對于芯厚1.65 mm，蜂窩孔形結構E2的TPP值最高，E4的TPP值次之，E6的TPP值最低，與壁厚為2.6 mm時的變化規律一致。

圖3 蜂窩邊長對TPP的影響Fig.3 Influence of honeycomb side length on TPP value

從圖3還可看出，蜂窩結構邊長從3 mm依次增加到9 mm時，其每個階段TPP值變化范圍也不一樣。當邊長從3 mm增加到6 mm時，其TPP值變化范圍為1.2～1.5，變化比較大；當邊長從6 mm增加到9 mm時，其TPP值變化范圍為0.2～0.9，變化相對較小。這也說明了邊長在不同的范圍內變化時，對織物組合熱防護性能的影響程度也是不同的。綜上所述，蜂窩邊長影響著織物組合的熱防護性能，整體變化趨勢是隨著蜂窩邊長的增大，織物組合的TPP值變小，其熱防護性能減弱。

2.2 壁厚對織物熱防護性能的影響

在芯厚和邊長相同的情況下，其壁厚變化對織物熱防護性能的影響規律都是一樣的。圖4示出蜂窩邊長分別為3、6、9 mm時壁厚對熱防護性能的影響。其中：圖4(a)表示蜂窩孔形結構為E2(邊長3 mm，壁厚5.2 mm)，E3(邊長3 mm，壁厚2.6 mm)的TPP值；圖4(b)表示蜂窩孔形結構為E4(邊長6 mm，壁厚5.2 mm)，E5(邊長6 mm，壁厚2.6 mm)的TPP值；圖4(c)表示蜂窩孔形結構為E6(邊長9 mm，壁厚5.2 mm)，E7(邊長9 mm，壁厚7.8 mm)的TPP值。

圖4 蜂窩壁厚對TPP值的影響Fig.4 Influence of honeycomb wall thickness on TPP value. (a) Side length of honeycomb of 3 mm; (b) Side length of honeycomb of 6 mm; (c) Side length of honeycomb of 9 mm

從圖4看出，蜂窩壁厚越大，TPP值越大，即熱防護性能越好。另外，從圖中也可觀察到：當芯厚為0.81、1.28 mm時，TPP的變化范圍很小，在0.2～0.8之間；當芯厚為1.65 mm時，TPP的變化范圍較大，在0.8～1.1之間。因此，壁厚在芯厚較小時對織物組合的熱防護性能影響很小，在芯厚較大時對織物組合熱防護性能的影響較為顯著。

2.3 芯厚對織物熱防護性能的影響

圖5示出當外層面料為Nomex?時蜂窩芯厚對織物熱防護性能的影響。可以看出：當芯厚為1.65 mm時，此時對應的種蜂窩孔形結構的TPP值最大；當芯厚為0.81 mm時，此時對應的7種蜂窩孔形結構的TPP最小。此規律與一些文獻的研究結果一致，例如，有學者通過實驗發現，影響消防員防護服裝熱防護性能的主要因素是隔熱層的厚度，并證明TPP值隨著厚度的增加而增加[15]。這也說明了增加芯厚可以提高織物的熱防護性能。

圖5 蜂窩芯厚對TPP值的影響Fig.5 Influence of honeycomb core thickness on TPP value

此外，在圖5顯示的7種蜂窩孔形結構中，實心結構E1的TPP值最大，其次是蜂窩孔形結構E2(邊長3 mm，壁厚5.2 mm)，而邊長為6 mm、壁厚為2.6 mm的蜂窩孔形結構E5的TPP值最小，TPP值整體呈現先減小后增大的趨勢。結果表明：當蜂窩邊長在0～6 mm的范圍內變化時，邊長對TPP值的影響較大；然而之后隨著邊長繼續增加，邊長的影響逐漸變小，此時壁厚對TPP值的影響變得較為顯著。

3 結 論

1)蜂窩夾芯結構可減小多層織物組合的面密度，改善防護服存在的笨重問題。其中隔熱層蜂窩結構切割的邊長越大，面密度越小；切割的壁厚越小，面密度越小；且切割的邊長與壁厚按相同比例變化，切割后的面密度相等。

2)多層織物組合的閃火熱防護性能受蜂窩結構的邊長、壁厚、芯厚3個控制參數的影響，其中芯厚的影響最大。

3)增大蜂窩結構的芯厚和壁厚，減小蜂窩邊長有利于增大織物組合的熱防護性能。

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