空氣層厚度對熱防護面料蒸汽防護性能的影響

陳 思， 盧業虎,2

(1. 蘇州大學 紡織與服裝工程學院， 江蘇 蘇州 215006；2. 現代絲綢國家工程實驗室(蘇州)， 江蘇 蘇州 215123)

高壓蒸汽被廣泛應用于工業、消防、餐飲等領域，通常壓力高達100～4 000 kPa，對工作人員造成了巨大的安全隱患，統計數據表明，美國自2004—2013年間約34%的受傷人群是由燙傷引起的，其比例接近由火焰和熱輻射引起的燒傷[1-3]。高壓蒸汽不同于火焰和輻射等熱源災害，它可以快速滲透進防護服裝并釋放熱量，造成皮膚燙傷。針對火焰和輻射防護的機制研究已經相對明晰，而對蒸汽災害防護的研究非常少[4]，因此，開展防護服蒸汽防護性能的研究具有重要的應用價值。

現階段，國內外對蒸汽防護性能的研究還處于初級階段，主要關注點在于織物本身性能對蒸汽防護性能的具體影響[4]。研究結果表明：面料的種類、厚度、透氣性等都會影響其蒸汽防護性能[5-7]。Mandal等[8]測量了面料系統暴露在蒸汽流下的防護性能。結果表明蒸汽防護性能與面料的厚度和透氣有關，防水透氣膜的位置影響其防護性能。Rossi等[9]提出圓筒模型來模擬人體出汗，發現織物在濕潤狀態下蒸汽防護性能會降低；不透性面料比半透性面料的蒸汽防護性能好。Sati等[10]發現蒸汽噴射距離和壓力均影響織物的蒸汽防護性能，蒸汽噴射距離最近且壓力最大的條件下，織物的防護性能最差。Desruelle等[11]在80 ℃飽和蒸汽環境艙內測試防護服裝的防護性能發現，假人測試結果與面料測試結果具有很好的一致性。不透氣服裝具有優異的蒸汽防護性能，服裝面料的厚度越大，其防護性能也越高，透氣服裝各部位的防護性能不同。

我國學者對蒸汽防護性能的研究相對較少，且起步較晚，張洪鳳等[12]對多種不透氣芳砜綸復合材料的蒸汽防護性能進行初步探索(暴露時間為 30 s)，發現蒸汽噴射條件、不透氣處理方式以及材料的隔熱性能等因素均影響芳砜綸復合材料的蒸汽防護性能。由于實驗條件有限，該研究僅對芳砜綸復合材料的蒸汽防護性能進行了初步定性探索，各種因素的影響程度還需要進一步研究。

真實著裝情形下，防護服裝與人體皮膚之間形成的不規律空氣層分布改變了防護服裝內的熱濕傳遞，嚴重影響了防護服裝對蒸汽的防護性能[4]。雖有學者研究了熱蒸汽和輻射環境下空氣層厚度對防護性能的影響[13-14]，但在面對蒸汽管道破裂、爆炸等情況下，著裝者直接面對的是蒸汽噴射條件，蒸汽的壓力較大會對面料的性能以及空氣層的尺寸和分布產生影響。因此，本文旨在采用新研發的防護性能測評裝置，分析蒸汽噴射環境下服裝與人體間空氣層厚度對蒸汽防護面料性能的具體影響，為進一步提升服裝蒸汽防護性能提供思路。

1 實驗設計

1.1 實驗樣本

本文實驗選取常用于制作消防服的面料，包括外層、防水透氣層、舒適層，同時選取由PTFE覆膜的外層面料。所選用的各層面料基本結構參數如表1所示。面料的厚度和透氣性分別根據 ASTM D1777—2015《紡織材料厚度測量方法》和 ASTM D 737—2004 《紡織面料透氣性測量方法》進行測量。由不同的面料組成織物系統，其基本性能如表2所示。

表1 單層面料的基本性能

表2 面料系統的基本性能

1.2 實驗設備

為測量蒸汽防護性能，本研究使用了與加拿大MAYC公司聯合研制的型號MYAC0001型蒸汽防護性能測試，如圖1所示。該設備主要包括蒸汽發生器、蒸汽傳輸和控制裝置、測試單元、數據采集系統等。該設備可設置壓力為70～700 kPa，溫度為95～250 ℃的蒸汽，蒸汽暴露時間可以自行設定，采樣頻率為10 Hz。待測試樣水平放置在直徑為150 mm的圓形面料板上。面料板中間為皮膚熱流傳感器，固定在穿有細小孔隙的支架上。皮膚熱流傳感器熱慣性與皮膚接近，可測量熱流量隨時間的變化，精度在±3%以內。皮膚熱流傳感器與數據采集系統相連，并用電腦控制記錄溫度變化曲線。蒸汽噴射和數據采集時間可以根據測試要求設定。采用Pennes皮膚傳熱模型和Henriques模型預測皮膚達到二級或三級燒傷的時間，同時計算皮膚總吸收能量。

圖1 蒸汽防護測試儀

皮膚組織內的熱傳遞預測采用3層皮膚傳熱模型，主要包括表皮層、真皮層和皮下組織內的皮膚傳熱，同時考慮了皮膚血流對傳熱的影響。皮膚內的熱量傳遞Pennes方程如下所示：

(1)

式中：ρs為皮膚組織的密度，g/cm3；Cs為皮膚組織的比熱容，J/(kg·K)；ks為皮膚的熱傳導率，W/(m·K)；ρb為血液的密度，g/m；Cb為血液的比熱容，J/(kg·K)；ωb為皮膚血流灌注率，認為是恒定的參數，即表皮內的血流量為0，真皮層和皮下組織內的血流量為0.001 25 kg/(m3·s)；T為皮膚組織溫度，℃；x為皮膚組織的厚度，m。Ta為血管動脈溫度即37 ℃。皮膚邊界條件如式 (2) 和 (3) 所示，外邊界條件為隨時間變化的熱流量，內邊界條件為血管的溫度即恒溫37 ℃。皮膚組織的初始溫度假定為線性函數，即從皮膚表面32.5 ℃逐漸增加到37 ℃。

(2)

T|x=Le+Ld+Ls=Ta

(3)

式中:kt為皮膚組織的熱傳導率，W/(m·K)；qn(t)為t時刻傳遞至皮膚的熱流量，W/m2；Le、Ld、Ls分別是表皮層、真皮層和皮下組織的厚度，m；T是皮膚組織溫度，℃；x是皮膚組織的厚度，m。

1.3 實驗方案

織物試樣的尺寸為190 mm×190 mm，放置于溫度為(20±2)℃、濕度為65%±10%的恒溫恒濕室靜置24 h以上。為表征衣下空氣層對防護性能的影響，制作了厚度為6和12 mm的墊片，用于模擬不同的空氣層厚度，分別為6、12、18 mm。測試的蒸汽溫度為(134±1)℃(壓力值為(207±10)kPa)，蒸汽暴露時間為20 s，數據采集時間為60 s。測試時將面料放置在面料板上并壓緊固定，待傳感器的初始溫度為(30±1)℃，打開蒸汽并采集數據。為減少實驗誤差，每種面料系統進行3次重復實驗。基于SPSS 22.0軟件采用One-way ANOVA方法分析不同測試條件下熱流量、二級燒傷時間、三級燒傷時間和總吸收能量的顯著性差異，顯著性水平設定為P<0.05。

2 結果與分析

2.1 空氣層厚度對蒸汽熱防護性能的影響

表3示出了不同面料系統設置不同空氣層厚度時的二級燒傷時間、三級燒傷時間、總吸收能量。可知，面料S和D1在增加18 mm空氣層時沒有產生二級和三級燒傷，且面料D1在4種情況下均沒有產生3級燒傷。整體上看，3種面料的二級燒傷和三級燒傷時間都隨空氣層厚度增加顯著增加，而吸收的熱量呈現下降趨勢，面料系統的蒸汽防護性能有顯著提升。統計分析表明：3種面料系統的二級燒傷時間和總吸收能量均有顯著性差異(P<0.05)，所以空氣層厚度對織物的蒸汽熱防護性能有顯著影響。

表3 各面料系統不同空氣層下的防護性能

注：**表示極其顯著(P<0.01)，NS表示無顯著性，NB表示無燒傷，SD表示誤差。S+6/12/18 mm表示在面料系統S下方加入厚度為6/12/18 mm的空氣層，D1+6/12/18 mm和D2+6/12/18 mm同理。

比較不同面料系統防護性能的差異發現，面料S的蒸汽防護性能明顯比面料D1差，這是因為D1組合比面料S多加了一層3-D間隔織物，增加了防護面料系統的厚度，降低了熱量傳遞的速度。由此可見，對于不透氣織物，厚度越大其防護性能越強。進一步比較S與D2的防護性能發現，在沒有空氣層的情況下，S與D2的二級燒傷和三級燒傷時間沒有差異，而S吸收的總能量較低。這與2種織物的構造方式有關，即S為覆膜的外層面料OS，而D2為OS+MB的面料組合。S的透氣性為0，蒸汽無法穿透面料，在不吸濕的情況下，噴射的蒸汽在對面料造成沖擊后，通過四周預留的孔隙之間散逸到空氣中。而D2中的外層OS會吸收大量水分，MB為防水透氣層，導致在MB面料表面易形成積水，增大了面料系統的熱傳導率。盡管D2的厚度大于S，但在沒有空氣層的情況下，S的防護性能略優于D2。當增加6和12 mm空氣層時，D2的二級、三級燒傷時間和總吸收能量均略大于S。由于2種面料系統均為不透氣結構，盡管OS吸收了大量的水分，但降低了蒸汽的溫度，此時空氣層的存在使得較厚的面料仍然可以延緩熱量傳遞速度，面料系統儲存的熱量較多，系統具有較好的防護性能，吸收的總熱量也較多。當空氣層尺寸進一步增加到18 mm時，S的防護性能優于D2。進一步證明了空氣層對蒸汽防護性能的影響非常復雜，與面料的組合關系很大。

圖2示出了空氣層厚度對二級燒傷時間的影響。圖3示出了空氣層厚度與傳感器的總吸收能量之間的關系。結合表3可發現，當空氣層厚度增加時，二級燒傷時間和三級燒傷時間都顯著增加，總吸收熱量呈現下降趨勢，面料系統的蒸汽防護性能有顯著提升。分別對3組面料系統的空氣層厚度和二級燒傷時間、三級燒傷時間和總吸收能量進行配對T檢驗。結果顯示：3種面料系統的二級燒傷時間和總吸收能量的P值均小于0.05，S和D2的三級燒傷時間的P值也小于0.05，所以空氣層厚度對織物的蒸汽熱防護性能有顯著影響。進一步分析發現，對于面料D2，空氣層厚度與二級燒傷時間存在顯著相關性，在面料S與面料D1中，除無空氣層與6 mm空氣層之間無顯著相關(Ps=0.089>0.05，PD1=0.446>0.05)，其他空氣層厚度與二級燒傷時間存在顯著差異。上述結果表明，空氣層厚度的增加能顯著增強面料的蒸汽熱防護性能，當空氣層厚度足夠大時，有些面料甚至能夠對皮膚提供足夠的保護，不會產生皮膚燒傷。由于本實驗模擬的蒸汽噴射壓力較大，在蒸汽暴露階段，面料會被蒸汽壓迫，面料與皮膚之間存在的6 mm空氣層會被壓縮，因而較之沒有空氣層的情況，6 mm空氣層不一定能提供更好的防護性能。圖3表明加入空氣層時，皮膚吸收的熱量要小于無空氣層時，并且空氣層厚度越大，皮膚吸收的熱量越少。比較面料S與面料D1可以發現：在空氣層厚度為0、6、12 mm時，織物D1總吸收能量較低；但當空氣層厚度增加到 18 mm時，織物S總吸收能量更少，這可能與D1在蒸汽暴露過程中吸收的能量在冷卻階段釋放有關，可結合熱流量曲線(2.2節)進一步分析。

圖2 空氣層厚度對面料二級燒傷時間的影響

圖3 空氣層厚度對總吸收熱量的影響

2.2 空氣層厚度對熱流量的影響

皮膚吸收的熱流量變化可以用來評價空氣層厚度對織物系統傳熱的影響。面料S、D1、D2在不同空氣層厚度下傳感器吸收的熱流量隨時間變化的曲線如圖4～6所示。20 s之前為蒸汽暴露階段，20～60 s 為冷卻階段。研究發現，無空氣層時的熱流量值均最大，加入18 mm空氣層的熱流量值都最小，因此面料與傳感器直接接觸時，其吸收的總能量更多，二級燒傷時間最短(見表3)。在暴露階段，無空氣層和6、12 mm空氣層的熱流量曲線中會出現1～2個峰值，即在蒸汽暴露數秒內，熱流量迅速增加然后逐漸回落；而空氣層為18 mm時在暴露階段熱流量逐漸增加到一定值后基本保持平穩。

圖4 不同空氣層厚度時面料系統S的熱流量曲線

圖5 不同空氣層厚度時面料系統D1的熱流量曲線

圖6 不同空氣層厚度時面料系統D2的熱流量曲線

從圖4可以發現，面料S在空氣層厚度越大時皮膚吸收的熱流量越小，在空氣層厚度為0、6、12 mm 時，暴露階段的熱流曲線呈現相似趨勢，都是先急劇上升到1個峰值后開始平緩下降，該峰值與蒸汽穿透織物接觸皮膚釋放大量的能量有關；而在空氣層厚度為18 mm時，熱流量緩慢上升，并在某一時刻后保持穩定，平均熱流量值也很小。進一步分析可以看到，當空氣層厚度增加到12 mm時，皮膚吸收的熱流量值明顯低于0和6mm。這表明在這4種空氣層厚度中，18 mm的空氣層厚度下面料S的蒸汽防護性能最佳，且對于面料S來說，在空氣層厚度增加到12 mm后，其防護性能得到明顯增強。當空氣層厚度為6 mm時，高壓蒸汽壓迫面料導致空氣層厚度降低，熱流量傳遞仍然較快，防護效果不明顯(見表3)。

從圖5可以發現，面料D1的熱流量低于面料S。這是因為對比其他2種面料系統而言，D1面料系統厚度更大。以往的研究表明，面料的厚度越大，其蒸汽防護性能越好[5]，所以D1面料的熱流量普遍低于其他2類，性能優于其他2類。在空氣層厚度為0和6 mm時，蒸汽暴露和冷卻階段傳感器的熱流量曲線幾乎相同，當空氣層厚度增加到 12 mm 時，熱流量略低于0和6 mm的情形，而當厚度達到18 mm時，熱流量明顯降低，表明面料D1在空氣層厚度達到18 mm時性能最佳。

從圖6可以發現，面料D2在空氣層厚度為0時，熱流曲線出現了2個峰值，這是因為在10 s左右的時候，外層面料吸濕后導致熱傳導率顯著增加，且冷凝的蒸汽釋放大量的熱量，同時部分蒸汽穿透進去接觸皮膚，使得熱流量上升。在空氣層厚度為6和12 mm時，熱流量曲線的趨勢一致，先急劇上升到達某一峰值后開始下降，后有一段時間達到平穩。在空氣層厚度為18 mm時，熱流量曲線沒有出現明顯峰值，數值較其他3個厚度小。與面料S的結論相似，18 mm的空氣層厚度時蒸汽防護性能最佳，在空氣層厚度增加到12 mm后，其防護性能得到明顯增強。與面料S相比，D2的熱流量普遍高于S，這是因為D2的外層吸收大量水分，不僅增大了面料整體的熱傳導率，同時吸收的水分儲存熱更多，在暴露和冷卻階段不斷地向皮膚釋放，因此熱流量較S大。而S在暴露過程中，蒸汽接觸面料后變成熱水從面料表面流失，儲存熱較少。由此可見，面料的構造方式對蒸汽暴露過程中的熱濕傳遞具有重要的影響。

3 結 論

通過探討空氣層厚度對熱防護面料蒸汽防護性能的影響發現，熱防護面料的蒸汽防護性能與空氣層厚度有著顯著相關性。面料與人體間的空氣層可顯著降低皮膚吸收的總能量，延長二級燒傷時間和三級燒傷時間，提高面料的蒸汽防護性能。其次，在空氣層厚度增加到12 mm及以上時，防護服的蒸汽防護性能會得到顯著提升。此外，不同面料系統的蒸汽防護性能不同，增加面料系統的厚度有利于提升其防護性能，但與面料組合方式有關，即防水透氣膜越靠近蒸汽熱源，系統的防護性能越好。分析熱流量曲線有助于進一步理解面料系統的蒸汽防護機制。本文的研究結論可用于蒸汽防護面料的開發和防護服裝的設計，提升防護系統的防護性能。