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，導致消防員在作業過程中產生熱應激從而削弱其體力及作戰效率[1-3]，因此，現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個關鍵指標。織物的濕阻越低，越容易在高溫環境中維持人體的熱平衡[6]。總熱損失是指人體和環境之間總的熱量交換。

以往關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，而這些設備國內普及使用較為困難。本文采用傳統的織物隔熱、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成，由各單層面料組合為3層織物系統，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 各層面料結構參數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 穩態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的環境條件下，靜坐者(其基礎代謝為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表示試樣兩側的水蒸氣壓差，Pa；W表示透濕率，g/(m2·h)；α表示水的蒸發散熱系數，W·h/g。實驗在溫度為38 ℃，相對濕度為(90±2)%的環境中進行。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《建筑火災及近火作戰防護裝備標準》要求防護服的總熱損失不低于 205 W/m2。根據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 結果與分析

2.1 織物基本性能測試結果

8種外層織物的阻燃性能、斷裂強力以及相應織物組合熱防護性能(TPP值)的實驗結果見表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構。結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。可以看出，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構，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。控制織物面密度，運用SPSS軟件對單層織物的熱阻和厚度進行偏相關分析，結果顯示織物厚度與熱阻的相關系數為0.879，屬于顯著相關。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增加[10]，因此導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分析，結果顯示織物面密度與熱阻的相關系數為0.715，屬于中度相關。說明控制織物系統厚度后，織物系統面密度越大，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 總熱損失相關系數Tab.8 Total heat loss of coefficients

注：B為回歸系數；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。可發現，2#、3#織物組合的濕阻仍明顯大于其他織物。控制織物厚度，利用SPSS對織物組合的濕阻和面密度進行偏相關分析，相關系數為0.518，具有中度正相關性，表明織物系統面密度越大，濕阻越高。

2.4 織物組合的總熱損失分析

總熱損失計算結果如表7所示。可以看出，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分析，得到相關系數為-0.722，具有中度負相關性。說明織物系統面密度越大，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 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性；多層織物系統的面密度會對織物系統的熱濕阻以及總熱損失產生影響，織物系統面密度越大，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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