蒸汽暴露條件對織物熱防護性能的影響

邱 浩， 蘇 云,2， 王云儀,2,3

(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； 3. 同濟大學 上海國際設計創新研究院， 上海 200080)

消防、石油和天然氣、食品加工等行業的作業人員，除了會遭遇火焰、熱輻射、高溫液體等災害威脅外，還會面臨熱蒸汽的傷害[1-3]。蒸汽能夠輕易地穿透服裝層將熱量傳遞到人體皮膚表面，造成皮膚嚴重的燙傷。

目前，閃火和熱輻射條件下織物和服裝的熱防護性能研究得到較多關注[4-5]，且已經建立了包括熱防護性能測試(TPP)、熱輻射防護性能測試(RPP)及熱蓄積測試(SET)等測試的國際標準。然而，由于熱蒸汽中同時包含了熱傳遞、濕傳遞、噴射壓力等因素的共同作用，因此不能簡單地將針對其他熱災害威脅的測評標準應用于蒸汽熱防護的測評。

與蒸汽熱防護直接相關的研究工作多從3個角度展開：1)從織物性能的影響角度，包括織物的滲透性、厚度、透氣性等能改變蒸汽穿透織物系統能力的指標，包括來自法國海軍建立的蒸汽實驗室在內的一系列研究發現[6-9]，對于水分和蒸汽均不能透過的面料，織物熱防護性能隨厚度的增加得以提升，而良好的透氣性則會顯著增加蒸汽滲透速率；2)從蒸汽本身特征的角度，有學者[2]采用圓筒模擬人體軀干，研究低壓蒸汽環境下織物系統的熱傳遞規律，發現皮膚表面最高溫度發生于最大蒸汽壓力時；3)從衣下空氣層的角度，有學者[10]研究低壓蒸汽和低熱輻射混合作用下空氣層的影響，發現空氣層可以降低皮膚表面的熱流量，降低蒸汽傳遞速率。

本文針對熱防護織物，研究蒸汽壓力、蒸汽與人體相對距離(簡稱噴射距離)對織物熱濕傳遞的影響規律，為蒸汽熱防護產品開發及更全面的防護機制研究提供參考。

1 實驗部分

1.1 實驗樣品

本文實驗選擇了常見的熱防護服阻燃織物，其厚度和透氣性方面存在差異，織物基本參數如表1所示。試樣的面積大小為15 cm× 15 cm，靜置于標準環境氣候艙(溫度為(20±2) ℃，相對濕度為(65±5)%)預調24 h。

表1 實驗織物的基本參數Tab.1 Basic parameters of fabrics for testing

1.2 實驗方法

本文實驗采用的織物蒸汽熱防護性能測評裝置，已經被其他學者使用并驗證了其有效性[9-11]。通過蒸汽壓力與熱暴露模擬箱內溫度標定蒸汽熱暴露起始環境，熱暴露箱內的溫度達到(45±5) ℃為實驗起始溫度[12]。蒸汽熱暴露的時間通過移動隔熱板進行控制。

蒸汽壓力為設計壓力，選取5種壓力水平的低壓蒸汽：50、100、150、200、300 kPa。調節噴嘴到試樣夾持裝置上的織物的距離，即噴射距離，設定4種水平的噴射距離：5、8、11、14 cm。根據標準NFPA 1971—2007《建筑火災用防護服》，織物與模擬皮膚傳感器之間設有6 mm厚空氣層。

1.3 評價指標

1.3.1 儲水量和滲透量

由于蒸汽溫度高于織物表面溫度，蒸汽接觸織物后，一部分會發生冷凝并被織物吸收，還有一部分氣態水則會穿過織物進入衣下空間。對織物內儲水量與蒸汽滲透量的研究有助于了解蒸汽的這一分離過程。

通過計算蒸汽熱暴露前后織物與吸紙板的質量差，作為織物內的水分儲存量和穿過織物的蒸汽滲透量。其中，吸紙板放置于織物背面，為防止織物內水分傳遞到吸紙板，與織物間隔3 mm。

1.3.2 溫度和皮膚燒傷時間

記錄織物正反面溫度，用于分析織物系統的熱量傳遞過程；記錄模擬皮膚傳感器表面熱流量，用于計算皮膚達到二級燒傷的時間，評價織物的蒸汽熱防護性能。

使用阻燃線將直徑為0.25 mm的K型熱電偶(OMEGA)固定到織物的正反面，測量試樣上3處位置的溫度，如圖1所示。暴露時間為30 s，傳感器在蒸汽暴露停止后仍記錄溫度和熱流量隨時間的變化，直到90 s停止。每種織物重復3次，取其平均值。

2 濕傳遞性能分析

2.1 水分儲存量的變化

保持噴射距離為5 cm恒定，不同壓力水平的織物內的儲水量如圖2所示。可看出，織物內儲水量隨蒸汽壓力增大而增加。Pearson相關性分析表明，蒸汽壓力與儲水量之間呈顯著正相關關系(P=0.001< 0.01)。其原因是：壓力越大，蒸汽溫度越高，加劇了分子間運動，引起水分的擴散系數增大[13]，導致織物表面擴散面積增加，提高了織物內的儲水量。

不同織物內的儲水量存在差異，蒸汽壓力由50 kPa增加到300 kPa時，織物F2、F6的儲水量上升幅度最大，增加了8.1和7.7倍，織物F3、F4、F5、F7的儲水量上升幅度較小。其中，織物F6儲水量最多，這與面料飽和含水量、回潮率和厚度最大有關(見表1)。飽和含水量、回潮率代表了面料的吸濕能力，Pearson相關性分析表明，織物飽和含水量、回潮率與儲水量之間分別呈顯著正相關關系(P值均小于0.01)，進一步分析發現，回潮率與飽和含水量呈顯著正相關，Pearson系數為0.952，P=0.001，說明回潮率越大，面料吸收水分的能力越強，飽和后面料所含水分也越多；越厚的面料則能夠儲存更多的液態水，因此，降低水分吸收的有效措施在于減小蒸汽壓力與織物的回潮率。

2.2 蒸汽滲透量的變化

由于蒸汽壓力超過150 kPa后，蒸汽流出的沖擊力過大，易造成織物與吸紙板接觸，并將水分傳遞其中，因此，僅分析蒸汽壓力為50、100、150 kPa時穿過織物的蒸汽滲透量的變化規律(噴射距離為5 cm不變)，結果如表2所示。

表2 不同蒸汽壓力時蒸汽滲透量Tab.2 Steam permeability under different pressures

從表2可看出，蒸汽壓力為50 kPa時，蒸汽滲透量最小；蒸汽壓力為150 kPa時，滲透量最大。Pearson相關性分析表明，蒸汽壓力與滲透量之間呈顯著正相關關系(P=0.010< 0.05)。原因可能是蒸汽壓力越大，蒸汽流出的沖擊力越強，導致其滲透阻力越小[14]，所以滲透量隨壓力增大而增加。

不同織物的蒸汽滲透量存在差異，蒸汽壓力由50 kPa增加到150 kPa時，織物F2、F4、F6的滲透量增加了5.6～6.5倍，明顯高于其他4種織物，這與面料透氣性有關。織物F2、F4、F6透氣性是其余4種織物的2.5～ 5.3倍。Pearson相關性分析表明，織物透氣性與蒸汽滲透量之間呈顯著正相關關系(P=0.009<0.01)。另外，織物F4的滲透量最高，因其厚度比織物F2、F6更薄，導致蒸汽滲透速率加快，因此，阻擋或降低穿過織物的蒸汽滲透量的有效措施在于減小蒸汽壓力與面料透氣性。

3 熱傳遞規律分析

3.1 蒸汽壓力的影響

蒸汽熱暴露階段，將7種實驗織物正反面溫度差與蒸汽壓力進行Pearson相關性分析的結果表明，二者呈顯著負相關關系(P=0.000<0.01)，說明蒸汽壓力越大，正反面溫差越小，則織物的隔熱性能越差，傳遞到織物反面的熱量越多。

圖3示出織物F1正反面溫度的變化。總體上看，正反面溫度均隨蒸汽壓力增大而上升，說明其變化受到蒸汽傳遞的熱量影響，且隨蒸汽壓力增高增幅較大，這與Pearson相關性分析的結果一致。從織物正面溫度看，除蒸汽壓力為50 kPa，其余壓力下織物F1正面溫度在蒸汽暴露2 s內出現峰值，這是由于壓力為50 kPa時，蒸汽溫度最低且攜帶的熱量最少，導致織物正面溫升速率低所造成。蒸汽壓力為300 kPa時，織物F1正反面溫度明顯高于其他壓力水平，這與壓力增加的幅度有關。

蒸汽壓力為50 kPa，熱暴露結束時(30 s)，不同織物上傳感器、下傳感器(見圖1)測試部位正反面溫差及其標準差如表3所示。

配對T檢驗的結果表明：織物上、下傳感器測試位置正反面溫差具有顯著性的差異(t值為6.155,P=0.001<0.05)，即隔熱性能具有顯著的差異。總的來說，織物上傳感器所測試部位的正反面溫差更大，因此其隔熱性能也更好。原因在于：本文試樣是垂直放置，蒸汽成網狀噴射到織物表面，冷凝后經重力作用水往下流，造成試樣下方位置儲水量大于上方位置的儲水量。而儲水量增加會引起織物熱容與導熱性上升[15]，對織物隔熱性能產生明顯的作用。織物內儲水量越多，其隔熱性能也越差。因蒸汽壓力能夠明顯地提高織物內儲水量，因此，這也解釋了織物的隔熱性能隨蒸汽壓力增大而降低的結果。

表3 上下傳感器正反面溫差Tab.3 Temperature differences between front and back of fabric for upper and lower sensors

3.2 噴射距離的影響

3.2.1 正面溫度

保持蒸汽壓力為150 kPa恒定，將7種織物在熱暴露階段的正面溫度(蒸汽噴射中心處)與噴射距離進行Pearson相關性分析，結果表明二者呈顯著負相關關系，P=0.000。這是由于蒸汽流出后，有空氣加入其中，導致二者混合后溫度下降，噴射距離越大時，與空氣間熱交換損失的熱量也越多，導致溫度也越低。

3.2.2 反面溫度

織物反面溫度的變化反映了不同噴射距離下，蒸汽流出后熱量經過織物的傳遞能力。Pearson相關性分析結果表明，噴射距離與熱暴露階段織物反面溫度(噴射中心處)之間呈顯著負相關關系(P=0.000<0.01)。其原因包括以下3點。

1)噴射距離越遠，導致蒸汽接觸到織物后，面料正面溫度明顯降低，織物表面張力減小，滲透阻力隨之增大[14]，傳遞到織物反面的熱量減少。

2)噴射距離越遠，蒸汽接觸織物后產生的沖擊力越小，液體滲透阻力與沖擊力成反比[14]，導致穿過織物的蒸汽滲透量減小，進一步降低了反面溫度。

3)蒸汽熱暴露階段，將7種實驗織物正反面溫度差(噴射中心處)與噴射距離進行Pearson相關性分析的結果表明，二者呈顯著正相關關系(P=0.000<0.01)，說明噴射距離越大，織物的隔熱性能越優，這也是反面溫度隨噴射距離增大而呈降低趨勢的原因之一。

4 皮膚燒傷分析

4.1 蒸汽壓力的作用規律

4.1.1 皮膚燒傷時間

保持噴射距離為5 cm不變，經不同壓力的蒸汽熱暴露后，7種織物測試時皮膚達到二級燒傷的時間如圖4所示。

蒸汽壓力為50 kPa時，皮膚二級燒傷時間最長；蒸汽壓力為300 kPa時，皮膚二級燒傷時間最短。總體來看，蒸汽壓力越大，皮膚發生二級燒傷的時間越短，即織物對蒸汽熱防護性能下降。Pearson相關性分析表明，蒸汽壓力與皮膚二級燒傷時間呈顯著負相關關系(P=0.000< 0.01)。其原因可能包括以下2點。

1)增加蒸汽壓力能夠顯著提高織物內儲水量，使織物的隔熱性能降低，傳遞到皮膚的熱量增多，導致發生二級燒傷的時間越短。

2)增加蒸汽壓力明顯地提高了蒸汽滲透量，穿過織物的蒸汽攜帶大量的熱量(100 ℃時具有2 257 kJ/kg的熱量)傳遞到皮膚表面，導致織物熱防護性能下降。

不同織物的二級燒傷時間存在差異，同一蒸汽壓力時，透氣性差的織物F1、F3、F5、F7的皮膚二級燒傷時間比透氣性好的織物F2、F4、F6的二級燒傷時間更長，Pearson相關性分析也表明，織物透氣性與皮膚二級燒傷時間呈顯著負相關性(P=0.007< 0.01)。ANOVA方差分析表明：蒸汽壓力對織物F1、F3、F5、F7的二級燒傷時間具有顯著影響(P=0.000< 0.05)，但對織物F2、F4、F6的二級燒傷時間沒有顯著影響(P=0.097> 0.05)。原因在于：良好的透氣性使蒸汽滲透速率加快[9]，引起更多的熱量傳遞到皮膚表面，蒸汽壓力達到150 kPa后，透氣性好的織物F2、F4、F6的皮膚在2 s內達到二級燒傷，進一步增大蒸汽壓力也不會對二級燒傷時間產生顯著影響。織物F1的皮膚二級燒傷時間最長，這與其厚度有關，織物F1與F6厚度比其他織物厚，能夠減小熱量傳遞速率[16]，但織物F6的透氣性為F1的4.7倍，導致織物F6的二級燒傷時間明顯縮短。

4.1.2 織物儲水量

將皮膚二級燒傷時間與織物內的儲水量進行Pearson相關性分析，結果表明二者呈顯著負相關關系(P=0.022< 0.05)，對于同一種織物，儲水量越多，皮膚發生二級燒傷的時間越短。蒸汽熱暴露環境下，濕態織物熱傳導與濕傳遞以及水分的對流傳熱成為織物系統間主要熱傳遞方式，織物吸收水分后，導熱性與熱容上升[15]，增加了熱傳遞速率，且隔熱性能降低，故儲水量增加時，皮膚二級燒傷時間縮短，因此，降低水分吸收是提高蒸汽熱防護服裝性能的必要條件。

綜上所述，蒸汽壓力上升能夠顯著增加織物內的儲水量，從而進一步降低織物的隔熱性能，導致熱防護性能顯著下降。

4.1.3 蒸汽滲透量

蒸汽壓力為50、100、150 kPa時，7種實驗織物的皮膚二級燒傷時間與蒸汽滲透量的Pearson相關性分析的結果表明，二者呈顯著負相關關系(P=0.029<0.05)。究其原因可能是由于蒸汽攜帶大量的熱量，當蒸汽溫度達到100 ℃時潛熱能夠超過2 000 kJ/kg[17]。蒸汽透過織物接觸皮膚，一方面，能夠直接造成皮膚燙傷；另一方面，部分蒸汽在皮膚表面冷凝，導致熱量傳遞速率加快，熱量傳遞的更多，熱暴露結束后，模擬皮膚傳感器上發現大量的小水珠也證明此結論，因此，減少蒸汽滲透是提高織物系統和防護服裝熱防護性能的重要因素之一，蒸汽壓力對蒸汽滲透量具有顯著影響，且二者呈顯著正相關關系。

綜上所述，蒸汽壓力上升能夠減小織物的滲透阻力，明顯增加蒸汽滲透量，引起熱量傳遞速率加快，導致織物的蒸汽熱防護性能顯著降低。

4.2 噴射距離的作用規律

保持蒸汽壓力為150 kPa恒定，4種水平的噴射距離下，不同實驗織物的皮膚二級燒傷時間如圖5所示。

總體來看，隨著噴射距離的增大，7種織物的皮膚二級燒傷時間均逐漸增加。Pearson相關性分析結果表明，噴射距離與皮膚二級燒傷時間之間呈顯著正相關關系，P=0.003。說明在蒸汽熱暴露環境下，隨著噴射距離的增大，人體皮膚受到的傷害越小，織物熱防護性能較好體現。其原因如下。

1)相同的蒸汽流動速率下，噴射距離越遠，蒸汽流出后需更長的時間到達織物表面，且與空氣間熱交換散失的熱量更多，織物正面溫度隨噴射距離增大而顯著降低也反映了熱量急劇下降。

2)液體滲透阻力與沖擊壓力呈反比[16]，噴射距離越大，對織物造成的沖擊力越弱，導致蒸汽較難滲透織物，從而傳遞到織物反面的熱量減少。

3)噴射距離越大時，蒸汽所攜帶的能量損耗較多，因此，皮膚發生二級燒傷的時間越長。

同一噴射距離下，透氣性好的織物F2、F4、F6的皮膚二級燒傷時間比其他4種織物的更短。Pearson相關性分析表明，織物透氣性與皮膚二級燒傷時間在不同噴射距離條件下呈顯著負相關關系(P=0.000< 0.01)。其中，織物F1表現出最好的熱防護性能，這還與其具有較厚的厚度有關。

5 結 論

本文討論了蒸汽暴露條件對織物熱防護性能的作用規律，所得結論歸納為以下4個方面：蒸汽壓力能夠顯著增加織物內儲水量，從而降低織物的熱防護性能；蒸汽壓力上升會顯著增加蒸汽滲透量，加快熱量傳遞速率，導致皮膚二級燒傷時間明顯縮短；降低儲水量和蒸汽滲透量的有效措施分別是降低織物的回潮率和透氣性；較大噴射距離對應較高的蒸汽攜帶能量損耗，使皮膚二級燒傷時間顯著增加；蒸汽暴露條件下，皮膚二級燒傷時間與織物透氣性呈顯著負相關關系。