消防服用隔熱層孔型結構優化與測評

胡貝貝， 杜菲菲， 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)

多層復合結構的消防服系統在實現其熱防護性能的同時，很容易導致笨重、悶熱等。為了平衡消防服的熱防護性能與舒適性能之間的矛盾，國內外學者在新型功能材料、織物配置以及服裝結構等方面進行了相關研究。一些研究人員以液體[1]、氣體[2]及相變材料[3-4]為冷卻源制成降溫服，來緩解消防員著裝工作時產生的熱應激。一些學者將消防服的隔熱層采用氣凝膠等新型材料，利用其隔熱性能良好，密度小等特點，有效地減輕消防服材料的質量[5-7]。此外，還有一些研究者提出在消防服特定部位設置通風口，在不同消防環境下開啟或關閉通風口能在一定程度上減少熱蓄積，提高消防服的熱濕舒適性能[8-10]。實際上，目前消防服的熱防護本質仍是通過隔絕傳熱的方式，其較好的隔熱性雖然能最大限度地隔絕外界熱量，但同時也限制了服裝自身的透氣透濕性能，加重了消防服內部的熱應力以及人體生理負荷。

正六邊形蜂窩結構質輕、省料，具有優良力學性能、隔熱性能以及熱穩定性能[11-13]，本文研究將其應用在消防服的隔熱層上，進一步對蜂窩結構進行優化設計，提出蜂窩分層，通過將消防服用蜂窩直孔改為蜂窩斜孔來提高織物系統的熱防護性能，實現熱防護性能與舒適性能的綜合提升。并針對織物系統的熱防護性能進行測評，探究直孔、斜孔對其熱防護性能的影響，以滿足眾多領域的應用需求。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

采用國內外消防服產品中典型的織物材料，外層選取了Nomex?IIIA；防水透氣層采用聚四氟乙烯(PTFE)微孔膜復合Nomex?氈；隔熱層選取一定面密度的Nomex?氈(I-120氈Nomex?)，并應用蜂窩結構為研究對象進行實驗；舒適層采用阻燃粘膠，所有實驗材料都選購于上海伊貝納紡織品有限公司。實驗所選取各層材料的基本性能如表1所示。其中，隔熱層為實心織物試樣。

表1 各層試樣及其基本性能Tab.1 Fabric sample of each layer and its fundamental characteristic

1.2 實驗方案的設計

1.2.1 蜂窩尺寸設計

正六邊形蜂窩結構的尺寸設計包括邊長設計及壁厚設計。相關研究表明，消防服用蜂窩織物的熱防護性能與蜂窩邊長、壁厚的大小有關[14]。為滿足消防服熱防護性能的要求，并綜合考慮其舒適性能及服用性能，針對蜂窩邊長、壁厚設計出6種蜂窩尺寸以及1組實心對照組。實驗采用二氧化碳激光切割機制備隔熱層試樣，其蜂窩結構平面圖如圖1所示，蜂窩尺寸方案如表2所示。表中質量減少率表示相同面積內，蜂窩隔熱層質量減少量與原實心隔熱層質量的比值。

圖1 蜂窩結構平面圖Fig.1 Plan sketch of honeycomb hole structure

孔型尺寸方案編號邊長/mm壁厚/mm質量減少率/%C1實心實心0C215.26.24C317.83.30C425.215.99C527.89.46C635.224.98C737.815.99

1.2.2 蜂窩孔型結構的優化設計

根據對消防服及蜂窩傳熱機制的研究發現，消防服用蜂窩熱傳遞的主要方式是熱輻射。對消防服用蜂窩織物進行結構優化設計，將單層蜂窩隔熱層變為3層蜂窩隔熱層，通過層與層之間蜂窩結構的錯位，減小蜂窩上下表面間的輻射角系數，使得外界熱流不能直接通過垂直的蜂窩孔洞進入服裝內部，在質量不變的情況下提高其熱防護性能。

圖2 隔熱層用蜂窩孔型結構示意圖Fig.2 Diagram of honeycomb hole structure for thermal barrier.(a) E (straight hole); (b) S (oblique hole)

如圖2隔熱層用蜂窩孔型結構示意圖所示，模擬E(直孔)和S(斜孔)2種開孔方式。其中S(斜孔)是在E(直孔)的基礎上將每一層的蜂窩都相對下一層蜂窩沿同一方向平移同一距離(正六邊形對邊寬的二分之一)，最終實現最上層六邊形的一條邊與最下層六邊形同一邊的對邊重合，該孔洞在俯視視角下不通。

1.2.3 實驗方案

選取同一外層、防水透氣層、隔熱層和舒適內層面料，其中隔熱層為3層蜂窩試樣疊加組合而成的復合材料。蜂窩孔型尺寸有6種(C2～C7)，開孔方式有2種(E、S)，加上1種實心對照組，共13種實驗方案，見表3。對13種試樣各做3次實驗，取其平均值，即共計39次實驗。

表3 實驗方案Tab.3 Experimental scheme

1.3 織物熱防護性能測試

采用熱防護性能(TPP)測試裝置來測定復合織物的熱防護能力。實驗具體使用CSI-206型熱防護性能測試儀(美國Custom Scientific Instrument公司)測試織物組合的熱防護性能。

實驗時，將試樣水平放置在熱源上，在規定的距離內，接受輻射熱和對流熱為1∶1比例的2種不同形式的傳熱。燃燒實驗試樣尺寸為150 mm×150 mm，測試時要求試樣與火焰直接接觸，當織物表面熱流量達到規定值(84±4)kW/m2時開始實驗，置于試樣背面的銅片熱流計測量其溫度并得到升溫曲線，與Stoll標準曲線比較，從而得到二級燒傷所需要的時間，再乘以此條件下暴露的總熱流量得到TPP值，計算公式為

TPP=qt

式中：TPP為試樣整體的熱防護性能值，kW·s/m2；q為暴露的輻射和對流總熱流量，kW/m2；t為導致二度燒傷所需要的時間，s。織物系統的TPP值越大，表明其熱防護性越好，反之則越差。

此外，為了檢測開孔織物熱流密度的均勻度問題，本文采用Optris-PI400型紅外熱像儀對各實驗試樣燃燒時的溫度分布進行檢測，熱暴露時間設置為30 s。

2 結果與討論

2.1 蜂窩開孔對熱流密度的影響

圖3為實心織物系統和蜂窩斜孔織物系統在熱暴露時間為0、10、20、30 s時的紅外熱像儀檢測圖。以實心對照組(1#)和蜂窩斜孔織物系統(9#)為例。可以看出：蜂窩斜孔織物系統在整個熱暴露過程熱流密度均勻，孔洞部分和織物部分無明顯溫差；且在20 s時，蜂窩斜孔織物系統的溫度明顯小于傳統實心結構。

圖3 紅外熱像檢測示意圖Fig.3 Diagram of infrared thermal imager inspection.(a) Solid fabric system; (b) Honeycomb oblique hole fabric system

2.2 開孔方式對熱防護性能的影響

圖4示出了13組實驗方案的TPP值。可以看出：開孔方式為E(直孔)的織物系統TPP值變化范圍是45～52.2 kW·s/m2；開孔方式為S(斜孔)的織物系統TPP值范圍為47.4～54.9 kW·s/m2。對于蜂窩C3(邊長1 mm，壁厚7.8 mm)，開孔方式對TPP值影響最大，當開孔方式由E變為S時，TPP值提高2.7 kW·s/w2；對于蜂窩C4(邊長2 mm，壁厚5.2 mm)，開孔變化對TPP值影響最小，當孔洞斜度由E變化為S時，TPP值增加0.3 kW·s/m2。

圖4 織物系統的TPP值Fig.4 TPP value of fabric system

此外，由圖4還可觀察到，對于C2、C3、C4、C5、C6、C7這6種蜂窩尺寸，斜孔織物組合的TPP值均大于直孔織物組合的TPP值。但相比于實心結構而言，只有蜂窩C3(邊長1 mm，壁厚7.8 mm)的TPP值有提高，這是因為C3的面密度減小得最少，其余空心結構相比實心結構而言面密度明顯下降，而面密度又是影響熱防護性能的主要因素。

為進一步研究開孔方式對織物系統熱防護性能的影響，運用SPSS對TPP值進行兩配對樣本的非參數檢驗(秩和檢驗)，檢驗P值為0.028，小于顯著性水平0.05，即直孔和斜孔存在顯著性差異。進一步比較直孔織物系統和斜孔織物系統的中位數：48.95(直孔)<50.40(斜孔)，這說明斜孔織物系統的熱防護性能得到了顯著增強。

消防服用蜂窩織物的傳熱方式包括織物部分的熱傳遞(傳導及輻射)、蜂窩孔洞空氣的傳導熱以及蜂窩空腔上下兩面間的輻射換熱。而斜向的蜂窩孔洞主要是通過改變蜂窩孔洞的傾斜角度來降低輻射傳熱的實際有效面積，使得蜂窩孔洞部分的輻射強度下降，織物的熱防護性能提高。

3 結 論

1)傳統消防服增加熱防護性的同時，會增加織物系統的面密度；而將蜂窩孔洞引入消防服中，可以在減小面密度的同時盡量減少熱防護性的損失。開孔方式的引入是在隔熱層蜂窩結構研究的基礎上的進一步優化，斜孔S相對于直孔E可以在織物系統面密度相同的情況下增加其熱防護性。

2)開孔方式對消防服用蜂窩夾芯結構織物系統的熱防護性能有顯著影響(P值為0.028<0.05)，同一邊長、壁厚情況下，斜孔S比直孔E具有更好的熱防護性能。

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