熱防護服用織物蜂窩夾芯結構的輻射熱性能測評

張泓月， 李小輝,2

(1. 東華大學 服裝與藝術設計學院， 上海 200051；2. 東華大學 現代服裝設計與技術教育部重點實驗室， 上海 200051)

火災現場的熱效應主要是由熱輻射引起的，由熱引起的電磁波輻射統稱為熱輻射[1]。一般火場作業人員會穿著熱防護服來抵擋火場環境中熱輻射等帶來的傷害[2]。為保證其防護性能，熱防護服一般由4層面料構成，由外向內依次是外層、防水透氣層、隔熱層和舒適層。但正是由于熱防護服的多層結構，在提升其熱防護性能的同時也會帶來笨重、悶熱等問題。這些問題不僅會降低作業人員的工作效率，還會對人體造成一定程度的傷害。

針對上述問題，相關領域的學者也做了許多研究：有學者提出改變外層織物來防止明火火焰對織物產生損傷，如使用連續玄武巖纖維織物和高硅氧玻璃纖維織物，前者具有優異的耐熱性能和力學性能，后者的力學性能則較前者弱；或者是采用鋁復合織物或者進行表面涂層來反射輻射熱[3]。此外有其他學者針對隔熱層提出改進措施,如采用質輕、熱導率低的氣凝膠材料[4-5]或結合熱濕舒適性好的相變材料[6-7]來抑制熱防護服內溫度突變、減少熱應力；以及通過具有特殊記憶功能的形狀記憶材料產生空氣隔熱層來進行改善[8]。雖然這些研究在熱防護性能方面取得了顯著成果，然而在熱防護服的實際應用過程中，如何能在確保輻射熱防護性能的同時更好地改善其熱濕舒適性能尚需進一步探索。

因此，本論文結合質輕、強度高、隔熱性能好的蜂窩結構[9]，針對熱防護服的隔熱層進行結構設計。試驗選取了當前典型的熱防護用面料，采用正交試驗設計制備蜂窩夾芯結構，并利用熱防護性能測試儀進行測試，明確外層面料、蜂窩夾芯結構的芯厚、壁厚、邊長等因素對輻射熱防護性能的影響規律，獲取蜂窩孔型結構的最優方案設計，從而使其應用在更多領域的熱防護服中。

1 試驗部分

1.1 試樣選取

選取當前幾種典型的防護服面料作為實驗材料。外層選用PBI?matrix和Nomex?IIIA 2種面料，防水透氣層選用I-70/PTFE，隔熱層選取4種厚度的 Nomex?氈面料，舒適層采用藍灰色阻燃粘膠。各層面料參數如表1所示。

表1 各層面料結構參數

1.2 實驗方案設計

1.2.1 蜂窩夾芯孔型結構設計

由于正六邊形蜂窩夾芯結構具有優異的穩定性與各向同性[9]，所以本文實驗選取正六邊形蜂窩結構進行實驗。實驗選取4種蜂窩邊長，3種蜂窩壁厚以及4種芯厚，根據3因素混合水平正交表(如表2所示)設計出12種不同的蜂窩孔型，得到圖1所示的12種蜂窩孔型方案設計(蜂窩芯厚h,邊長l，壁厚t)。

表2 三因素混合水平正交表

圖1 蜂窩孔型方案示意圖

熱防護服用織物的熱防護性能研究結果表明，隔熱層越厚，防護性能越好。同時考慮到服裝的熱防護性能、舒適性能等，蜂窩芯厚也不能無限增加[10-11]。試驗方案如表3所示，其中設置4個實心結構的對照組E4、E8、E12、E16進行對比試驗。

1.2.2 試驗儀器

本文試驗采用美國Thermetrics公司的輻射熱防護性能(RPP)測試儀。

表3 試驗方案設計

根據美國材料與試驗協會(ASTM)的ASTM F1939《持續熱暴露條件下阻燃服裝材料抵抗輻射熱標準測試方法》，設定輻射熱源的輻射熱流密度為(20.2±2.1)kW/m，將試樣外層朝熱源方向放置在夾持器的中心位置，當傳感器溫度從室溫(20±5)℃達到引起皮膚二度燒傷溫度時，熱源屏蔽裝置會自動放下，同時計算機軟件會記錄下所用的時間。RPP值的計算公式為

QRPP=q×t2

式中：q為試驗設定的輻射熱流量，kw·s/m2；t2為引起皮膚二度燒傷所需的時間，s。RPP值表示輻射熱防護性能的好壞，其值越大表示輻射熱防護性能越好，反之越差。

試驗根據RPP測試儀的要求，將各層面料裁切成尺寸為10.5 cm×25.0 cm的矩形，并采用激光切割進行蜂窩夾芯孔型結構的制備。取2種外層(PBI?matrix 和Nomex?IIIA)、防水透氣層、隔熱層的所有組合，按照上述12個試驗組以及4個對照組，共設計32種試驗方案。設置第8、16、24、32組為實心對照組。為提高試驗的準確性，減小誤差，每種試樣準備3份，進行3次RPP測試，結果取平均值，共進行96次RPP測試。

2 結果與討論

2.1 外層對蜂窩結構輻射熱防護性能影響

由于防護服的外層直接接觸火場環境，所以其熱防護性能就顯得至關重要[12]。試驗研究了2種外層織物(PBI?matrix 和Nomex?IIIA)條件下試樣E1～E16的RPP值，如圖2所示。結合其隔熱層的厚度可以看出試樣的RPP值隨著蜂窩芯厚的增大而增加。

圖2 不同外層條件下蜂窩夾芯結構的RPP值

當外層織物為A1時，E1的RPP值最小，E13最大，分別為 21.08、34.54 kw·s/m2；當外層織物為A2時RPP值最小的是E2，最大的是E13，分別為15.55、26.11 kw·s/m2。

試驗表明，外層織物對蜂窩夾芯結構的輻射熱性能存在影響，且試驗結果中E13的RPP值最高，表明其輻射熱防護性能較好；同時試驗也說明 PBI?matrix 作外層織物時輻射熱性能比 Nomex?IIIA作外層織物時要好，從而說明外層會對試樣整體的輻射熱防護性能產生影響。

2.2 芯厚對蜂窩結構輻射熱防護性能影響

上一組試驗可以看出，蜂窩芯厚對織物的RPP值存在影響。為研究不同芯厚條件下蜂窩夾芯結構的RPP值，本組試驗在2種外層條件下選取4種芯厚(1.04、1.43、2.04、2.84 mm)對織物組合進行RPP值測試。結果表明，2種外層條件下，具有蜂窩夾芯結構的試樣其RPP值均隨芯厚的增加而增大。當外層為A1時，極差R1為7.63 kw·s/m2；外層為A2時，極差R2為7.10 kw·s/m2。

外層織物為A1或A2時，4個水平指標中RPP值最大的都是當芯厚h為2.84 mm時的情況。結合表3可以得知，試驗組E13～E15具有較好的輻射熱防護性能，即芯厚為2.84 mm時的試樣；此外，計算比較2個極差R1與R2的值均大于7，可知芯厚對輻射熱防護性能的影響較大，且芯厚越大，蜂窩夾芯層的輻射熱防護性能越好。

2.3 邊長對蜂窩結構輻射熱防護性能影響

蜂窩的邊長和壁厚是蜂窩孔型的2個設計變量。本組試驗選取4種邊長(2、4、6、8 mm)進行蜂窩夾芯結構的織物組合的RPP儀測試。結果表明，外層為A1時，極差R3為1.90 kw·s/m2；外層為A2時，極差R4為0.73 kw·s/m2。

當外層織物為A1時，邊長l為2 mm的試樣具有最大的RPP值；而外層織物為A2時試樣的RPP值并不具備顯著變化，但此時邊長l為6 mm的試樣具有最大的RPP值。即外層為PBI?matrix時，蜂窩邊長為2 mm的蜂窩夾芯結構具有較好的輻射熱防護性能；外層為Nomex?IIIA、蜂窩邊長為6 mm的蜂窩夾芯結構具有較好的輻射熱防護性能。

結合之前的試驗結果可以得到，外層材料選用PBI?matrix時的織物組合具有更好的輻射熱防護性能。又有極差R3、R4的值均比R1、R2小得多，可知蜂窩邊長對輻射熱防護性能的影響小于芯厚的影響；此外邊長越小，蜂窩夾芯層的輻射熱防護性越好。

2.4 壁厚對蜂窩結構輻射熱防護性能影響

不同壁厚條件下，相同蜂窩夾芯結構織物組合的RPP值也會有所不同，本次試驗選取3種蜂窩芯厚水平(2.6、5.2、7.8 mm)對織物組合進行RPP儀測試。結果表明，在2種外層試驗條件下，測得試樣的RPP值隨壁厚的增加而減小。當外層為A1時，極差R5為5.03 kw·s/m2；外層為A2時，極差R6為1.99 kw·s/m2。即外層織物為A1或A2時，織物組合試樣的RPP值均隨蜂窩壁厚的增大而增加。其中壁厚為7.8 mm(E3、E7、E9)試樣的RPP值最大?？梢酝茰y是因為隔熱層的蜂窩壁厚越大，面密度越大，輻射熱防護性能越好。

從上述結果可以看出，在3種不同蜂窩壁厚的蜂窩夾芯結構中，蜂窩壁厚為7.8 mm的蜂窩夾芯結構具有相對好的輻射熱防護性能；又極差R5、R6的值均大于R3、R4但小于R1、R2，所以蜂窩壁厚對輻射熱防護性能的影響大于蜂窩邊長的影響，但小于芯厚對輻射熱防護性能的影響。

3 結 論

1)蜂窩夾芯結構可顯著減少多層織物組合的克重，改善防護服的笨重問題。

2)其他因素不變，外層織物的改變會對蜂窩夾芯結構的輻射熱防護性能產生影響。

3)芯厚對蜂窩夾芯結構的輻射熱防護性能影響最大，其次是蜂窩壁厚，最后是蜂窩邊長；且芯厚越大，壁厚越大，邊長越小，蜂窩夾芯結構的輻射熱防護性能越好。試驗結果表明：防水透氣層與舒適層面料不變的條件下，外層為PBI?matrix、蜂窩夾芯結構為芯厚2.84 mm、邊長2 mm、壁厚7.8 mm的織物組合具有較好的輻射熱防護性能。