熱防護服裝發展現狀及趨勢

李俊， 管曼好

(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)

應急救援人員和軍隊士兵在執行任務時往往會受到火焰、輻射、高溫液體、高溫蒸汽、熔融金屬液滴、有害化學液體和毒氣等傷害。為保護作業個體的安全，需穿著特定的功能防護服裝，佩戴特定裝備。熱防護服裝作為功能防護服裝的重要類別，是在極端熱環境下和應急救援中保障作業人員生命安全及有效執行任務的關鍵裝備。熱防護服裝泛指在火災、高溫工業場所等熱危害環境下保護人體皮膚免受燒傷的服裝，主要用來減緩環境向人體皮膚傳遞熱量的速度，延緩皮膚產生燒傷的時間。熱防護服裝一般具有防火、隔熱、耐磨、耐折、阻燃、反輻射熱等特性，廣泛應用于作戰、反恐、消防、應急救援等場合以及石油化工、冶金、天然氣、食品加工等行業。

1 熱防護服裝構成

1.1 阻燃纖維

熱防護服裝纖維的主要特征之一是具有高阻燃性[1-3]。纖維的阻燃性可用燃燒所需最小含氧量，即極限氧指數(limiting oxygen index，LOI)表達。如果纖維的極限氧指數大于21%，則該纖維稱為阻燃纖維。根據纖維阻燃特性的形成方法，阻燃纖維可分為常規阻燃纖維和本質阻燃纖維[2, 4]。常規阻燃纖維是在纖維制造過程中，利用共聚、共混、皮芯復合紡絲或接枝共聚等改性方法，將阻燃劑加入到普通纖維中，以提高纖維阻燃性能[4]。常規阻燃纖維原材料易得、生產簡便且成本較低。但長期來看，尤其在重復洗滌后，常規阻燃纖維阻燃性不穩定，且在燃燒過程中會釋放有毒氣體[2]。本質阻燃纖維是通過在合成纖維高聚物分子鏈中引入苯環或者芳雜環來提高纖維熱裂解溫度，增強合纖高聚物大分子本身的熱穩定性能[5]，具有較好的高溫穩定性和不易發生熔融滴落等優點。本質阻燃纖維適用于建筑火災救援的熱防護服裝。由于常規阻燃纖維的極限氧指數(28.4%～35%)大多顯著低于本質阻燃纖維的極限氧指數(32%～98%)[2]，且無法自動熄滅，因此常規阻燃纖維不適用于高強度火災環境，而通常用于野火救援或交通救援熱防護服裝中。

1.2 熱防護織物

熱防護服裝可分為單層熱防護服裝、雙層熱防護服裝和多層熱防護服裝。單層熱防護服裝由單層阻燃隔熱材料構成。多層熱防護服裝在不同的國家有不同標準，美國建筑物火災滅火防護服裝標準NFPA 1971—2018規定其由外到內包括最外層、防水透氣層和隔熱層；中國國家行業標準消防員滅火防護服GA 10—2014規定其由外到內包括最外層、防水透氣層、隔熱層和舒適層。多層熱防護服裝最外層織物通常為機織織物，由于其直接接觸火焰等熱災害環境，因此需具備阻燃隔熱、高溫穩定和無熔融滴落等性能，此外也需具備足夠的抗切割、撕裂、刺穿和耐磨性能，并具備相應的色牢度等[6-7]。防水透氣層既要防止高溫液體、高溫氣體和蒸汽等穿透防護層，也要允許人體的汗氣通過服裝系統排至環境中，以保證人體的熱平衡[7]。隔熱層主要用于減緩環境向人體熱傳遞的速度，同時保證汗液及時散發到體外，防止熱蓄積的產生[7]。

1.3 熱防護服裝

根據環境熱危害類型，可將熱防護服裝分為單層阻燃防護服、多層滅火防護服、熱輻射防護服、高溫液體防護服及高溫蒸汽防護服等若干類。此外為應對熱危害，也有研究人員對智能降溫防護服進行開發。

阻燃、滅火防護服是熱防護服裝中最常見的類型。單層阻燃防護服主要用于有潛在明火危險的施工環境，要求服裝面料具有良好的阻燃性能和高溫隔熱性能。多層滅火防護服主要用于火災救援場所，主要作用是隔絕或減少環境向人體的熱量傳遞，從而使人體處于可承受的溫度變化范圍內，為解救受困人員提供足夠時間。

熱輻射防護服通常采用表面鍍鋁且具有高反射率的織物，但鍍鋁織物不適用于存在明火的熱災害環境，而適用于作業人員與火災相隔一定距離的熱輻射環境。多層滅火防護服在熱輻射環境中也同樣適用，目前針對熱輻射環境的研究也主要針對這類防護服裝展開。

高溫液體和蒸汽易穿透服裝并釋放大量熱量，從而造成皮膚損傷，因此減小液體和蒸汽穿透力是高溫液體和蒸汽防護的主要要求之一。同時，在高溫液體和蒸汽暴露過程中，熱防護面料會吸收大量液體，而這些液體在冷卻階段也會不斷向皮膚釋放熱量，因此降低液體吸收和傳遞能力也是此類熱防護服裝必須具備的條件[7]。

2 熱防護服裝研究現狀

現階段，熱防護服裝的主要研究方向之一是熱防護服裝與其織物的性能評價，以及性能所涉及相應機制的探索。性能評價主要涉及熱防護性能評價、熱生理性能評價及工效性能評價。

2.1 熱防護性能

熱防護性能是指服裝或織物阻止環境熱量向人體進行傳遞的性能。熱防護性能包括阻燃性能和熱傳遞性能，其中熱傳遞性能為通常狹義所指的熱防護性能，其測評主要以皮膚燒傷為生理基礎，通常由熱暴露環境下皮膚產生二級燒傷的時間進行表征，皮膚達到二級燒傷所需時間越長，熱防護服裝或織物的熱防護性能越好。當前對熱防護服裝或織物的性能測評和研究主要針對熱防護性能。

對材料熱防護性能的評價主要針對明火和輻射條件，包括對流輻射混合熱暴露、輻射熱暴露以及冷卻階段壓縮等條件下的熱防護性能評價。近年來，隨著熱防護性能測評設備的進一步開發，對熱防護性能的評價也拓展至高溫液體和高溫蒸汽等熱暴露環境下[8-10]。相比針對明火、輻射等較為成熟的織物熱防護性能評價體系，針對高溫液體和高溫蒸汽等熱暴露下的織物熱防護性能評價標準和研究較少。高溫液體熱防護性能測評標準有ASTM F2701-08[11]，高溫蒸汽熱防護性能測評尚未出臺相關標準。服裝熱防護性能的研究環境主要為閃火環境[12-14]，部分研究涉及高溫液體噴濺環境[15-16]。

常用的對流和輻射熱暴露下熱防護服裝和織物熱防護性能測評標準見表1[17-26]。由于在實際熱危害環境中，熱防護服裝所面臨的熱暴露情況十分復雜，單一實驗不能模擬實際影響熱防護服裝熱防護性能的全部因素。在現階段的熱防護性能測評方法中，環境因素只考慮特定熱源的影響，測試時對熱源性質和強度進行模擬，通過熱流傳感器計量特定熱暴露下到達人體皮膚的熱流量。

表1 熱防護服裝對流、輻射熱暴露下熱防護性能測評標準

Tab.1 Evaluation standards for thermal protective performance of thermal protective clothing under convective and radiant heat exposure

測試對象標準號標準名熱暴露類型熱流密度/(kW/m2)評價指標織 物ASTM F2700—08持續熱暴露下服用阻燃織物非穩態熱傳遞評估標準測試方法50%輻射熱、50%對流熱84±2熱傳遞性能ASTM F1939—2015持續熱暴露下服用阻燃織物輻射熱阻標準測試方法輻射熱84±2,21±2輻射熱阻ASTM F2731—2018消防服裝系統熱傳遞及熱蓄積標準測試方法輻射熱8.5±0.5測試時間,燒傷程度ASTM F2703-08考慮皮膚燒傷下服用阻燃織物非穩態熱傳遞評估標準測試方法50%輻射熱、50%對流熱84±2熱性能評估ASTM F2702—2015考慮皮膚燒傷下服用阻燃織物輻射熱性能標準測試方法輻射熱84±2,21±2輻射熱性能ISO 9151—2016隔熱防火防護服———火焰暴露下熱傳遞評估對流熱80熱傳遞指標ISO 6942—2002防護服———隔熱防火———輻射熱暴露下材料和材料系統評估方法輻射熱5～80熱傳遞因子ISO 17492—2003防熱、火服裝———火焰和輻射熱暴露下熱傳遞評估50%輻射熱、50%對流熱80±2熱臨界指標,熱傳遞指標服 裝ASTM F1930—2018使用假人評估阻燃服裝防火性能標準測試方法對流熱84±4.2預測2/3級燒傷百分比、總燒傷百分比等ISO 13506-1—2017隔熱防火防護服———第一部分:完整服裝測試方法———使用假人測量傳遞能量對流熱84±4.2總傳遞能量、能量傳遞系數等

2.1.1織物熱防護性能 織物熱防護性能包括織物阻燃性能和熱傳遞性能。目前研究的熱傳遞性能主要針對熱暴露階段織物對環境熱量的隔熱性能，部分研究開始關注織物儲存的熱量在熱暴露停止后冷卻階段向皮膚進行釋放的性能，稱為蓄熱性能。

1)阻燃性能。阻燃性能是保證良好熱防護性能的基礎，阻燃性能好的織物在熱環境中不易發生自身燃燒，可以避免織物從保護層轉變為傷害源。常用的阻燃性能測試方法包括垂直燃燒法、45°傾斜法和極限氧指數法。這3種測試方法雖然可以評價織物的阻燃能力，但是用于服用織物熱防護性能評價時，具有難以評價多層織物系統以及未考慮人體燒傷的局限性。

2)隔熱性能。當織物具有相似的阻燃性能時，隔熱性能好的織物可以更有效地阻止或減緩熱對流、熱輻射和熱傳導的熱量傳遞。19世紀70年代，有學者基于Stoll人體皮膚二級燒傷的燒傷準則，提出使用熱防護性能(thermal protective performance, TPP)測試裝置測試織物的熱傳遞性能[27]。基于TPP測試方法，ASTM及ISO等標準機構制定了一系列不同熱暴露環境下的織物熱防護性能測試方法。但這類評測方法僅考慮織物在熱暴露階段的隔熱性能，而未將冷卻階段織物可能釋放的熱量考慮在內[28]。

3)蓄熱性能。在熱暴露階段熱防護織物內若蓄積了大量熱量，在其離開熱源的一段時間內，會繼續向人體釋放其內部蓄積的能量，從而造成燒傷。基于對熱暴露結束后冷卻階段織物熱蓄積因素的考量，ASTM機構制定了ASTM F2703—2008[20]和ASTM F2702—2015[21]標準，對涵蓋冷卻階段的織物熱防護性能進行評估。

基于已有測評標準，國內外學者針對影響織物熱防護性能的因素開展了大量實驗研究，并對織物熱濕傳遞過程建立數學模型，借助模型對織物熱濕傳遞過程的影響因素進行參數化研究，其影響因素包括熱源的性質和強度、水分、纖維的類型和成分、織物的性質(結構參數、熱物性等)和變形以及空氣層等[29-33]。研究中對環境因素的考量，由單一危害因素防護逐漸向多種危害因素綜合防護轉變。例如，由只考慮對流暴露，到綜合評估對流、輻射、傳導、蒸汽、高溫液體暴露等不同條件下影響織物熱防護性能的因素[34]；由研究單次危險環境暴露，到分析不同環境的重復暴露對防護服使用壽命的影響[35-36]。

2.1.2服裝熱防護性能 20世紀60年代，美國空軍研究所開發了第一個男性燃燒假人以進行燒傷評估[37]。20世紀80—90年代，燃燒假人系統陸續在多個研究機構建立，如美國明尼蘇達大學[38]、加拿大阿爾伯特大學[39]和美國北卡州立大學[40]。隨后，美國伍斯特理工學院[41]、瑞士聯邦材料科學與技術研究所[42]等研究機構也對燃燒假人測試系統進行了研究，部分燃燒假人系統如圖1所示。另外，東華大學也利用燃燒假人“東華火人”對動態人體的熱防護服裝熱防護性能開展測評工作[28]。東華大學燃燒假人系統如圖2所示。

圖1 國外燃燒假人系統Fig.1 Foreign flame test manikin system

圖2 東華大學燃燒假人系統Fig.2 Flame test manikin system at Donghua University

隨著燃燒假人測試系統的建立，ASTM和ISO機構分別制定了ASTM F1930—2018[25]和ISO 13506-1—2017[26]標準，統一規范使用燃燒假人測評服裝熱防護性能的方法。測評方法包括燒傷預測百分比、燒傷預測分布圖及總傳遞能量值等。

現階段基于燃燒假人系統的服裝熱防護性能研究主要針對單層熱防護服裝，包括單層熱防護服材料性能、服裝尺寸、衣下空氣層(包含熱收縮后)及燃燒性狀與服裝熱防護性能的關系等[43-46]。此外，有研究人員對織物和服裝的熱防護性能進行了綜合研究，基于平板測試和燃燒假人測試，提出最大衰減因子作為定量評估熱防護性能的指標，使得平板測試和燃燒假人測試的結果可用同一指標進行比較[47]。

2.2 熱生理性能

熱防護服裝在提供熱、機械等防護的同時，會對使用者施加額外的熱應力。受高溫環境、高強度工作和厚重服裝等因素的影響，人體會產生大量代謝熱量。若熱防護服裝對人體的熱量散失產生阻礙，那么熱量會蓄積在人體內，使人體產生核心體溫升高等熱應激反應，甚至導致個體休克、死亡。在消防員致死事故中，由于核心體溫升高引發心血管病變所導致的死亡率最高[48-49]。

服裝對人體熱生理表現的影響較復雜，影響因素包括服裝熱濕傳遞特征、服裝質量和服裝體積等。因此，熱防護服裝在達到熱防護性能的同時，也需滿足人體熱生理性能的要求。參照國際標準ISO 11092—2014對服裝熱生理性能的定義，文中所討論的熱防護服裝的熱生理性能為熱量和水分由人體通過服裝向環境散失的能力。現階段，對熱防護服裝熱生理性能的研究一般包括對熱防護織物和服裝的熱生理性能評估，即對織物或服裝在常規環境下熱濕傳遞性能進行表征，如熱阻、濕阻和總熱量散失，并研究影響熱生理性能的因素。熱防護織物及服裝熱生理性能測評的常用標準見表2。受標準所采用的環境條件等因素限制，表2標準中的指標可能不能合理反映出火場等高溫環境下熱防護服裝的熱濕傳遞性能及其所引起的人體熱生理反應[50-52]。因此有學者對標準條件下測得的織物、服裝熱生理性能指標對高溫環境下人體生理熱應激的預測能力進行研究[53]。此外，針對熱防護個體在熱環境中可能存在的熱應激反應，也有研究人員提出了多種減少熱應激的手段，并對相應手段進行評估[54-58]。

表2 熱防護服裝熱生理性能測評標準

2.2.1織物熱生理性能 織物熱生理性能的客觀評測指標主要包括織物的熱阻和濕阻等，一般通過出汗熱平板測量獲得。織物熱阻指織物將人體的干態熱量(較高溫度)以傳導、對流和輻射的方式向環境(較低溫度)進行傳遞時的阻力。織物的濕阻指織物將水蒸氣由人體表面(飽和水蒸氣壓)向環境(較低水蒸氣壓)進行傳遞時的阻力。

以往學者的研究主要是測量織物在標準環境下的熱阻、濕阻、透氣性和水蒸氣滲透率等指標，以表征織物熱濕傳遞等性能，并研究纖維類型、織物結構和基本參數(如厚度、面密度)、材料老化等因素對織物熱濕傳遞性能的影響[59-63]。也有研究人員利用人體-服裝-環境模擬器研究熱防護服裝多層織物系統在不同溫度和相對濕度環境下的熱濕傳遞[64]。

2.2.2服裝熱生理性能 服裝熱生理性能的客觀評測指標包括服裝的熱阻和濕阻，兩者定義與織物熱阻和濕阻的定義相同，通常采用暖體假人進行測評獲得。GAO C等[65]采用瑞典隆德大學假人Tore、香港理工大學假人Walter和美國西北公司假人Newton等不同類型的暖體假人，對防護服裝在標準環境下的熱阻和濕阻進行測評，分析不同假人測試結果之間的差異。考慮到實際作業環境下，作業人員會受到熱輻射暴露的影響，歐盟ThermProtect項目通過在氣候艙內設置輻射熱源模擬熱輻射暴露，利用暖體假人對單層、雙層和多層防護服的熱傳遞進行測量，分析了服裝阻值、反射率和內衣潤濕等因素對熱傳遞的影響[50]。WANG Y等[66]通過人體實驗評估了內外服裝組合對消防服熱濕舒適等級的影響，對常規環境下(28 ℃和15 ℃)著裝人體心肺指標、衣下微環境的溫度和相對濕度以及主觀感覺進行評估，分析了不同材質內衣對服裝總體舒適性能的影響。此外，張向輝等[67]指出可通過優化熱防護服裝的結構設計來有效促進人體的熱濕平衡，提高著裝舒適性。常見暖體假人系統如圖3所示[68-69]。

2.2.3冷卻手段 針對熱防護個體在熱環境下可能遇到的熱應激問題，學者們對相應冷卻手段進行了開發，并對其有效性進行了評估。開發的冷卻手段包括相變降溫背心[54]、通風服[55]、超吸水材料[56]、氣凝膠涂層整理[57]以及風扇預冷卻[58]等。

2.3 工效性

除熱防護性能和熱生理性能外，也應考慮熱防護服裝的人體工效學因素，如穿脫方便性、動作靈活性等。熱防護服裝可以對熱、機械等多重危害提供防護，但服裝的質量和體積可能會限制人體活動，增加肌肉應力[70-73]，從而增加人體能量消耗，并影響人的工作表現[74]。研究結果表明，在熱防護服裝、頭盔、呼吸器和消防靴等熱防護裝備中，熱防護服裝是影響消防員能量消耗程度的重要因素之一[75]。

科研人員基于活動角(range of motion,ROM)[70-73, 76]和動作捕捉儀[77-78]研究了熱防護服裝對人體活動性的影響。一些研究探討了新型消防服[70]和局部服裝設計特征[72]對人體活動性的影響。研究表明，可通過優化防護服裝的結構設計增加動作活動范圍，提高動作靈活性。但目前對于防護服裝結構設計的研究尚缺乏系統的理論體系[67]。

3 熱防護服裝發展趨勢

中國在高性能多功能熱防護服裝開發及產業化方面需提供基礎理論支撐與集成設計新技術，要在高性能面料開發、服裝構成設計、服裝性能評價等基本理論研究的基礎上，進一步開展原創性的科學研究，建立高性能多功能熱防護服裝研發基礎理論體系。此外，熱防護服裝的發展還要加強研究機構與產業界的密切合作，針對多重危害環境展開研究，盡快將高性能、智能型材料和現代高新技術結合應用于新型高性能熱防護服裝上。

3.1 熱防護纖維和面料高性能發展

對位芳綸纖維、間位芳綸纖維、PBO 纖維、PBI 纖維等熱防護耐高溫阻燃纖維，一般作為航空航天、國防軍事領域的戰略物資進行研發，也被用于防護服裝領域。近年來，碳纖維技術快速發展，已在航空航天、汽車、電力等領域廣泛應用，未來可應用于個體防護領域[79]。此外，可研發新型結構的服裝材料，提高材料熱阻、通風性、液態水管理能力和抗壓縮能力等；利用人工材料模擬自然界生物體的結構和性能，以獲得具有特殊結構的高性能面料。

3.2 熱防護服裝舒適性發展

高性能熱防護服裝的研制應在滿足熱防護性能的基礎上，提升熱防護服裝的舒適性，降低人體熱應激反應。通過研發高過濾性和高透氣性的多功能薄膜、進行相變材料的應用、發展靜電紡納米材料等方法，在確保熱防護性的同時減輕人體熱應激，是高性能熱防護服裝的主流發展方向。

3.3 熱防護服裝多功能化集成發展

面對多樣化的災害環境，防護服裝的研發要集多種防護功能于一體。防護服裝在生化防護的同時，需兼備阻燃性、抗靜電性、抗核輻射等性能，以應對未來高技術戰爭、生化恐怖襲擊、突發公共事件等狀況。這些技術難點的突破可帶動整個防護服裝行業的發展和技術革新。

3.4 熱防護服裝工效學設計與評價發展

目前熱防護服裝的性能評價體系中，對服裝工效學的設計和評價鮮有涉及。傳統的熱防護服裝較厚重，靈活性和舒適性差，影響著裝者的工作效率。熱防護服裝的發展要以改善工效學性能為方向，既要最大限度地使穿著者軀干與肢體活動自如，減少牽制，又要盡可能使服裝結構簡化，減少臃腫，降低能量消耗。

3.5 熱防護服裝智能化設計發展

隨著計算機模擬技術的發展，功能防護服裝設計可實現模塊化、智能化[12]。開發智能化的設計和評測系統能為智能設計和決策提供評判標準，實現服裝的虛擬設計。例如，借鑒“材料基因組”計劃模式，建立基于大數據的新型熱防護服裝研發創新模式。

隨著可穿戴技術和智能紡織品的發展，在傳統熱防護服裝上添加監測傳感器，借助數據分析平臺實時掌握災害現場的情況，可指導應急救援人員有效開展工作。國內智能服裝的研究現階段主要集中于材料和電子工程方面，而材料和電子技術與服裝的交互研究尚處于初期階段，服裝結構和舒適性的相關研究還未出現。現階段市場上仍缺乏成熟的智能服裝產品，原因包括學科交叉型研究少、研究成果尚不具備產業化要素等。

3.6 熱防護服裝標準發展

可按照熱防護服裝的不同等級設立相應標準，提出不同級別熱防護服裝的技術要求與相應的檢測方法。同時，由于熱防護服裝的發展趨向多功能性，因此可建立熱防護服裝性能的綜合測評平臺和相應標準，測評著裝者面臨多重危害時服裝的防護性能。此外，可建立大型防護性能檢測實驗室和相應標準，為防護服裝的整體性能評價提供保障。

4 結語

熱防護服裝的研究可涉及熱防護用纖維、織物和服裝3個層面，現階段的主要研究方向之一是熱防護織物和服裝的性能測評和研究，包括織物和服裝層面的熱防護性能與熱生理性能，以及服裝層面的工效性能。目前的性能測評和研究仍主要集中于熱防護性能，且主要針對對流和輻射熱暴露環境，對其他熱暴露環境的考量相對較少；對熱生理性能和工效性能的有效測評及研究仍有待發展。未來熱防護服裝可在材料高性能、服裝熱生理性能、工效性能及多功能集成、服裝智能化設計、服裝開發和測評標準等方面進一步發展。