消防服多層織物的熱濕舒適性

劉林玉， 陳誠毅， 王珍玉， 祝 煥， 金艷蘋,2

(1. 浙江理工大學 服裝學院， 浙江 杭州 310018； 2. 浙江理工大學 浙江省服裝工程技術(shù)研究中心， 浙江 杭州 310018)

消防員防護服是保護消防員在火場環(huán)境中免受高溫傷害的特殊功能性服裝。由于消防服通常具有良好的隔熱性能，導(dǎo)致消防員在作業(yè)過程中產(chǎn)生熱應(yīng)激從而削弱其體力及作戰(zhàn)效率[1-3]，因此，現(xiàn)代消防服不僅要考慮服裝的功能性，還要注重服裝的熱濕舒適性[4]。目前各國消防服標準對熱濕舒適性的評價指標有：熱阻、濕阻、總熱損失[5]，其中濕阻和總熱損失是評價消防服熱濕舒適性的2個關(guān)鍵指標?？椢锏臐褡柙降?，越容易在高溫環(huán)境中維持人體的熱平衡[6]?？偀釗p失是指人體和環(huán)境之間總的熱量交換。

以往關(guān)于消防服織物的研究主要集中在功能性方面，即探究織物的阻燃性能和熱防護性能[7-9]。雖已有學者[4,6]對消防服的熱濕舒適性進行了一定的研究與評價，但大都采用出汗熱平板儀或出汗暖體假人測試織物或服裝的熱濕阻、總熱損失，而這些設(shè)備國內(nèi)普及使用較為困難。本文采用傳統(tǒng)的織物隔熱、透濕測試方法對消防服多層織物組合的熱阻、濕阻和總熱損失進行測試和分析，探討影響消防服織物熱濕舒適性能的主要因素，對織物組合的總熱損失與其克羅值、透濕率間的關(guān)系進行分析，為評價消防服織物的舒適性提供一定的參考。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

本文實驗選取目前國內(nèi)消防服的11種常用面料(市售)，包括外層、防水透氣層和隔熱舒適層。所選試樣有芳綸1313、芳綸1414、帶PTFE膜的無紡氈覆膜等。各層面料的基本參數(shù)見表1。其中：外層面料為A1～A8；防水透氣層面料為B1、B2；隔熱舒適層為C。模擬消防服的層次構(gòu)成，由各單層面料組合為3層織物系統(tǒng)，為更加全面地研究織物的不同配伍組合對其熱濕舒適性能的影響，利用外層和防水透氣層為因子混合水平正交表設(shè)計8種組合作為多層織物組合的試樣。

1.2 測試方法

1.2.1 織物基本性能測試

織物面密度采用精度為±0.1 g的電子天平進行測定；厚度采用YG(B)141D型數(shù)字式織物厚度儀按照GB/T 3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測定》進行測定。根據(jù)GA 10—2014《消防員滅火防護服》要求，外層織物阻燃性能按照GB/T 5455—2014《紡織品燃燒性能垂直方向損毀長度、陰燃和續(xù)燃時間的測定》進行測定；外層織物斷裂強力按照GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能 第1部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測定(條樣法)》進行測定；織物組合的熱防護性能(TPP值)依照NFPA1976—2000《實地消防防護服標準》標準進行測定。

表1 各層面料結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural parameters of each layer fabrics

1.2.2 織物熱濕阻測試

按照GB/T 11048—2008《紡織品 生理舒適性 穩(wěn)態(tài)條件下熱阻和濕阻的測定》，采用YG606D型平板式保溫儀測試織物的熱阻及克羅值。按照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YG(B)216-Ⅱ型透濕量儀測試織物的透濕性能。

其熱阻的換算公式如下。

Rct=0.155K

(1)

式中：Rct為試樣的熱阻，m2·K/W；K為試樣的克羅值，clo，clo為熱阻的一個表示單位，指在溫度為21 ℃、氣流不超過0.1 m/s的環(huán)境條件下，靜坐者(其基礎(chǔ)代謝為58 W/m2)感覺舒適時其所穿服裝的隔熱值為1 clo。

各試樣的濕阻換算公式為

(2)

式中：Ret為試樣的濕阻，m2·Pa/W；ΔP表示試樣兩側(cè)的水蒸氣壓差，Pa；W表示透濕率，g/(m2·h)；α表示水的蒸發(fā)散熱系數(shù)，W·h/g。實驗在溫度為38 ℃，相對濕度為(90±2)%的環(huán)境中進行。通過查表計算可知，ΔP=5962.5 Pa，α=0.669 W·h/g。由此再根據(jù)式(2)計算出試樣的濕阻值。

1.2.3 織物組合的總熱損失測試

總熱損失是衡量織物熱濕舒適性的一個較為客觀、全面的指標[13]。按照美國建筑物滅火防護標準 NFPA 1971—2013《建筑火災(zāi)及近火作戰(zhàn)防護裝備標準》要求防護服的總熱損失不低于 205 W/m2。根據(jù)多層織物的熱阻和濕阻，計算織物組合的總熱損失。計算公式如下：

(3)

式中，Qt為織物組合的總熱損失，W/m2；Rct為試樣的熱阻，m2·K/W；Ret為試樣的濕阻，m2·Pa/W。

2 結(jié)果與分析

2.1 織物基本性能測試結(jié)果

8種外層織物的阻燃性能、斷裂強力以及相應(yīng)織物組合熱防護性能(TPP值)的實驗結(jié)果見表2。其中織物組合按照外層、防水透氣層、隔熱舒適層的順序疊放在一起，模擬消防服的層次結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明各試樣基本性能均達到GA 10—2014消防員滅火防護服標準。

表2 織物基本性能試驗結(jié)果Tab.2 Test results of basic properties of fabrics

2.2 熱阻分析

單層織物的熱阻值如表3所示?？梢钥闯?，隔熱舒適層C的熱阻值相對較大，這主要是由于隔熱層是無紡布結(jié)構(gòu)，隔熱性能好；其次是因為織物的厚度遠大于其他面料。因此，盡管面密度小于外層織物，其熱阻也最大?？刂瓶椢锩婷芏?，運用SPSS軟件對單層織物的熱阻和厚度進行偏相關(guān)分析，結(jié)果顯示織物厚度與熱阻的相關(guān)系數(shù)為0.879，屬于顯著相關(guān)。說明控制織物面密度后，織物越厚，熱阻越大。

表3 單層織物的熱阻Tab.3 Thermal resistance of single layer fabrics

對多層織物組合的熱阻進行測試與換算，并與各組分織物熱阻的累加和相比較，其中測試換算值記做實際熱阻，加和值記做理論熱阻，結(jié)果見表4。可以看出，在防水透氣層和隔熱舒適層不變的情況下，多層織物組合的熱阻值相差不大，每個織物組合的實際熱阻均低于其理論熱阻。其原因是實驗儀器測試換算的熱阻值是織物與邊界空氣層熱阻之和，而多層織物組合后邊界空氣層并沒有相應(yīng)增加[10]，因此導(dǎo)致實際熱阻低于各組分織物的累加和。這說明，空氣層厚度會影響織物的熱阻值。因此增加織物組合間空氣層的厚度，將有助于提升織物系統(tǒng)整體的隔熱性能[11]。運用SPSS軟件對織物組合的熱阻和面密度進行偏相關(guān)分析，結(jié)果顯示織物面密度與熱阻的相關(guān)系數(shù)為0.715，屬于中度相關(guān)。說明控制織物系統(tǒng)厚度后，織物系統(tǒng)面密度越大，熱阻越高，隔熱性能越好。

2.3 濕阻分析

單層織物的濕阻值如表5所示。可以看出，防水透氣層B1、B2的透濕率滿足GA10—2014標準，均大于208 g/(m2·h)。外層織物中A2、A3織物的濕阻明顯大于其他織物，這可能是由于在外層織物面密度大致相同時，該織物芳綸1414紗線明顯粗于其他織物紗線，紗線越細，織物的毛細高度越大，傳遞液態(tài)水的能力就越強，反之濕傳遞能力就越差[12]。防水透氣層B2的濕阻明顯大于B1。與其他層織物相比，隔熱舒適層的濕阻相對較低。

表4 多層織物組合的熱阻Tab.4 Thermal resistance of multi-layer fabrics

表8 總熱損失相關(guān)系數(shù)Tab.8 Total heat loss of coefficients

注：B為回歸系數(shù)；sig.表示顯著性；t表示顯著性檢驗值。

表5 單層織物的濕阻Tab.5 Moisture resistance of single layer fabrics

多層織物的濕阻見表6?？砂l(fā)現(xiàn)，2#、3#織物組合的濕阻仍明顯大于其他織物?？刂瓶椢锖穸?，利用SPSS對織物組合的濕阻和面密度進行偏相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)為0.518，具有中度正相關(guān)性，表明織物系統(tǒng)面密度越大，濕阻越高。

2.4 織物組合的總熱損失分析

總熱損失計算結(jié)果如表7所示?？梢钥闯?，本文選取的幾種面料組合雖滿足我國的GA 10—2014消防員滅火防護服標準，但在熱濕舒適性方面與美國NFPA 1971—2013 標準相比還存在一定的差距。控制織物面密度，運用SPSS軟件對織物組合的總熱損失和面密度進行偏相關(guān)分析，得到相關(guān)系數(shù)為-0.722，具有中度負相關(guān)性。說明織物系統(tǒng)面密度越大，織物的總熱損失越小，熱濕舒適性能越差。

表6 多層織物組合的濕阻Tab.6 Moisture resistance of multi-layer fabrics

表7 多層織物組合的總熱損失Tab.7 Total heat loss of multi-layer fabrics

由于本文實驗中織物的熱阻和濕阻值并不是通過現(xiàn)有儀器直接測出，同時為解決多個指標多重共線性的問題，避免參數(shù)間的相互影響和干擾，故進一步對織物組合的克羅值(K)、 透濕率(W)與因變量總熱損失(Qt)之間用多元線性回歸方法進行回歸模型建立。其回歸分析結(jié)果如表8所示。

從表8可以得到其多元線性回歸方程

Qt=162.9-147.263K+0.342W

(4)

方程中2個指標的容差遠大于0.1，方差膨脹因子值遠小于10，說明2個指標不存在共線性，可以獨立地表示織物組合的總熱損失。

3 結(jié) 論

1)實驗所選用織物的熱學性能、力學性能均滿足GA 10—2014消防員滅火防護服標準，可用于我國消防服。但所選織物的總熱損失與美國標準要求還有一定差距，熱濕舒適性方面有待加強。

2)單層織物厚度與熱阻值存在顯著正相關(guān)性；多層織物系統(tǒng)的面密度會對織物系統(tǒng)的熱濕阻以及總熱損失產(chǎn)生影響，織物系統(tǒng)面密度越大，其熱濕阻越高，而總熱損失越低，熱濕舒適性能越差。

3)空氣層的厚度會對織物熱阻值產(chǎn)生影響。適當增加織物組合間的空氣間隙，將有助于提升織物系統(tǒng)整體的服用性能。

4)通過多元回歸分析，織物組合的克羅值(K)和透濕率(W)之間不存在共線性，可以獨立表示織物組合的總熱損失(Qt)，其多元線性回歸方程為總熱損失Qt=162.9-147.263K+0.342W。

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