消防服用面料阻燃性及熱防護性綜合評價

王鴻博, 馬晶婧， 董維鋒， 喻爽， 黃丹青， 陳文婷

(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.江南大學 生態紡織教育部重點試驗室，江蘇 無錫 214122)

消防服是集阻燃、隔熱、防水、透濕于一體的多功能熱防護服裝[1-4]，其面料由外向內依次是阻燃外層、防水透氣層、隔熱層和舒適層[5]。一方面，消防服可以阻礙外界熱量向人體傳遞、減少皮膚燒傷，起到熱防護的作用，保護消防人員的生命安全；另一方面，它的4層結構阻礙了液體和氣體向外及時傳遞，限制了服裝的導汗散熱能力，極易出現高溫高濕的服裝微環境[6]，影響人體的舒適感，導致人體熱應激反應，甚至引起燒傷或猝死，嚴重威脅消防人員的生命安全。

消防服的熱防護性能和舒適性能往往是相互牽制的。熱防護服的性能受織物厚度、面密度、經緯密度等多種因素的影響[7]。LEE Y M[8]、王秀娟[9]、李紅燕等[10]研究發現影響織物防護性能的首要因素是織物的厚度，其次是面密度、體積密度、透氣性等。面料越厚重，體積密度越大，所含纖維越多，熱量越不易透過織物，二級燒傷時間越長，織物熱防護性能越好，但其舒適性能則越差；此外，織物透氣率、導熱性與熱防護性能具有顯著的負相關關系，且良好的透氣性有助于提高織物的舒適性。因此開發實現熱防護性能和熱濕舒適性能協調平衡的新型面料，已成為廣大學者的研究焦點。

文中選用4種市場上常用的消防服用外層面料作為研究對象，分別對其阻燃性能、熱防護性能等進行對比研究，并探討厚度、面密度等基本參數對織物熱防護的影響規律，分析影響織物熱防護性能的因素。在此基礎上，綜合評價面料的熱防護性與阻燃、透氣等性能，從而找出兼具優良熱防護性能與阻燃、透氣等性能的最佳工藝，為進一步研制出熱防護性更高效、穿著性更舒適的消防服奠定基礎。

1 實驗

1.1 材料

1.1.1實驗樣品 4種消防服用外層面料，編號分別為1#(純黑色)，2#(大灰白)，3#(小灰白)，4#(灰黃色)，均由江蘇圣華盾防護科技股份有限公司提供。

1.1.2實驗儀器 #403-14型熱防護性能測試儀，美國Thermetrics公司制造；YG141型織物厚度儀、HD026N+型電子織物強力儀、Y511型織物密度鏡、YG416E-Ⅱ型自動織物透氣性儀、EL303型電子天平、YG815型垂直法織物阻燃性能測試儀，均由寧波紡織儀器廠制造。

1.2 實驗方法

1.2.1面料基本性能測試 在標準的溫濕度條件下，分別測試4種消防服用外層面料的基本性能參數，如織物的厚度、面密度等，測試結果見表1。

表1 織物參數

1.2.2面料阻燃性能測試 根據GB/T 5455—1997，使用織物阻燃性能測試儀對4種消防服外層面料進行垂直燃燒實驗測定，探究面料的阻燃性能。

實驗步驟如下所示：打開箱門將尺寸為80 mm×300 mm的外層面料放入試樣框夾中，將框夾垂直懸掛于箱中央。關門設置點火時間為12 s，按住點火開關，待火焰點然后合理調整火焰高度。按“始動”按鈕后，燃燒器移動至試樣懸掛位置，12 s后燃燒停止并復位，續燃自動計時，觀察試樣至無續燃時，按續燃停止按鈕，則陰燃自動計時，待無陰燃時按“陰燃停止”按鈕，陰燃計數停止。多次實驗，測量織物損毀長度和質量損失率，結果取其平均值。

1.2.3面料透氣性能測試 依據GB/T 5453—1997，利用自動織物透氣性儀進行透氣性測試，測試前選取無拉伸、折痕與疵點的4種外層面料各1塊(足夠大)，進行預調濕處理，溫度為20 ℃，在相對濕度65 %的標準大氣壓環境中達到平衡，耗時大于24 h。

其中1#,2#和4#面料的實驗條件為：口徑0.8 cm，壓差100 Pa，測試面積20 cm2。3#小灰白面料的實驗條件為：口徑1.2 cm，壓差100 Pa，測試面積20 cm2。分別對4塊外層面料進行5次實驗測試，記錄數據，取其平均值，結果見表1。

1.2.4面料熱防護性能原理 熱防護性能測試真實模擬火場環境中熱輻射和熱對流的混合效果，TPP值為評價消防服熱防護性能的綜合指標，常用于建筑火災領域等緊急情況下的測試[12]。熱防護性能測試裝置如圖1所示。

注:1 銅片熱流計；2 試樣固定器組件；3 試樣；4 傳感器支撐結構；5 用于暴露控制的隔熱遮板；6 對流熱源；7 輻射熱源。圖1 TPP測試裝置Fig.1 TPP testing equipment

圖1中儀器設有自動化裝置，控制試樣暴露及遠離熱源；同時設有循環水冷裝置降低溫度。該儀器設有雙重熱源，即一個輻射熱源和兩個對流熱源，模擬火場環境中輻射熱和對流熱。對流熱源為兩個呈一定安裝角度的火焰發生裝置，對稱放置在樣品下方，通過連接丙烷氣筒發生火焰；輻射熱源由9個水平排列的紅外石英燈管(500 W，240 VAC)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，模擬人體皮膚表面溫度變化。通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。

1.2.5面料熱防護測試方法 根據GA 10—2014《消防員滅火防護服》標準規定：測試時，樣品尺寸為(150±2) mm×(150±2) mm(不含接縫部位)，對同種外層面料需重復測試至少3次，實驗織物表面的熱流量設定在(83±2)kW/m2，熱暴露時間設定為30 s。測試前需進行調濕處理：在溫度(20±2)℃，相對濕度(65±4)%的恒溫恒濕箱中24 h，拿出后3 min內進行測試。熱防護性能表達式為

αTPP=t×q

(1)

式中:αTPP為熱防護系數，單位kW·s/m2；q為暴露熱通量，單位kW/m2；t為二度燒傷的時間，單位s。

從式(1)可看出：熱防護系數αTPP越大，達到二級燒傷時間t越長，面料熱防護性能越好；反之，則越差。

2 結果與討論

2.1 面料阻燃性能

4種外層面料垂直燃燒法的測試結果見表2。

表2 織物垂直燃燒法測試結果

由表2可知,4種外層面料都不阻燃及不續燃，損毀長度均小于100 mm，符合GA 10—1024，其中,損毀長度由大到小依次為1#>3#>2#>4#；此外，損毀質量和質量損失率均為：1#>3#>2#>4#；且4#面料燃燒后收縮較小。由此表明，4#面料的阻燃性能最佳，2#面料次之，3#面料較差，1#面料燃燒后收縮較大，阻燃性能最差。

綜上所述,這4種外層面料的阻燃性能均符合GA 10—2014對消防服外層織物的規定，其中較為理想的阻燃外層面料為4#面料。

2.2 面料熱防護性能

織物熱防護性能測試結果如圖2所示。

圖2 織物熱防護性能 Fig.2 Thermal protection histogram of fabric

由圖2可以看出，這4種外層面料的熱防護性能αTPP：2#>4#>3#>1#;二級燒傷時間：2#>4#>3#>1#,其中，二級燒傷時間越長，織物熱防護性能αTPP越大，織物熱防護性能越好。

綜上，2#面料的二級燒傷時間最長，織物熱防護性能αTPP最大，織物熱防護性能最好；4#面料次之，3#和1#面料熱防護性能較差，其中1#面料的二級燒傷時間最短，織物熱防護性能αTPP最小，織物熱防護性能最差。結合表1中對織物基本性能的測試發現面料的厚度和面密度對其熱防護性能有重要影響：隨著厚度和面密度的增大，熱防護性能TPP值相應增大，面料的熱防護性能提高。此外，面料的阻燃性能與其熱防護性能也密切相關，其阻燃性能越好，面料相應的熱防護性能越好。

2.3 面料透氣性能

織物的透氣性是以透氣率表示。透氣率越大，織物透氣性越好，反之，則越差。由表1可以看出，3#面料的透氣率最大，透氣性能最好；1#和2#次之；而4#面料的透氣率最小，透氣性能最差；但1#、2#和4#透氣性能相差不大。這可能與面料本身的厚度、面密度等性能相關，面料厚度越厚，面密度越大，緊密程度越大，其相應的透氣率減小，透氣性能下降，舒適性變差。

2.4 面料綜合性能評價

運用綜合評價法對4種外層面料的阻燃性能f1(x)、熱防護性能f2(x)和透氣性能f3(x)進行綜合評價。其中，面料的阻燃性能f1(x)、熱防護性能f2(x)和透氣性能f3(x)的數值越大，織物相應的阻燃性、熱防護性及透氣性越好，即織物綜合性能f(x)值越大，織物綜合性能越好。面料綜合性能表達式為

(2)

式中：f(x)為綜合性能值；fi(x)為各項性能指標值；Wi為fi(x)的加權因子。

其計算方法如下：假設已知某指標的變動范圍

αi≤fi(x)≤βi,

令

Δfi(x)=-(αi-βi)/2,

則該項指標的加權因子為

Wi=1/(Δfi(x))2,

其值的大小決定了目標函數的數量級重要程度。

經計算W1=240.370；W2=1.003；W3=0.004。

由此推斷，面料的性能指標重要程度為：阻燃性能>熱防護性能>透氣性能。面料綜合性能計算結果見表3。

由表3可知，4種面料的綜合性能值：4#>2#>3#>1#。這表明在這4種外層面料中，4#面料的熱防護性能僅次于2#面料和透氣性能一般，但其阻燃性能最好，面料綜合性能最好；2#面料的熱防護性能最好，但其阻燃性能和透氣性能較差，面料綜合性能次之；1#和3#面料的綜合性能較差，且1#面料的阻燃性能、熱防護性能和透氣性能均較差，面料相應的綜合性能最差。

表3 面料綜合性能測試

注：面料的阻燃性能用其損毀長度的倒數表示，其值越大，面料阻燃性能越好。

3 結語

通過對4種外層面料的阻燃性能、熱防護性能、透氣性能等的研究發現：4#面料的損毀長度最小，損毀質量和質量損失率也均為最小，其阻燃性能最好；2#面料的二級燒傷時間最長，αTPP最大，其熱防護性能最好；3#面料的透氣率最大，其透氣性能最好。此外，通過綜合性能評價發現這4種面料中，4#面料的綜合性能值最大，其綜合性能最佳，在這4種面料中，最適宜做消防服的外層面料。