多災害環境下熱防護服裝防護性能研究進展

盧業虎， 王麗君

(1. 蘇州大學 紡織與服裝工程學院,江蘇 蘇州 215006；2. 南通紡織絲綢產業技術研究院，江蘇 南通 226300)

戰場、消防、應急救援和石油化工等從業人員常遭受各種潛在的熱災害，包括強烈的火焰、輻射、高溫氣體、熔融金屬液滴、蒸汽、高溫液體飛濺物、化學液體、易燃物體燃燒產生的濃煙和有毒氣體等。消防員和應急救援人員在進行滅火救援時身體和心理遭到極大考驗。性能優良的熱防護服可以保障應急救援人員的生命安全，提高救援效率。行業內相關研究人員已從各個方面對熱防護服的熱防護性能展開研究，并制定了熱防護服相關標準。文中總結了近幾年多災害環境下熱防護服的研究進展，概括了熱防護服的產品標準和測試標準，從災害因子、服裝因子和人體因子3方面分析了影響服裝防護性能的因素，討論了防護服裝的熱濕傳遞模型，預測了熱防護服研究的發展趨勢。

1 熱災害

1.1 火焰

火焰是消防、石油、石化或航空航天行業工人可能遇到的火災危險之一。常規火災救援中，火焰溫度在400 ℃左右，而在工業火災中，火焰溫度可達800～2 500 ℃。消防員暴露在火焰中的時間通常很短(3～5 s)，但高溫和對流熱對人體危害程度相對較高，易造成人體傷亡。

1.2 熱輻射

滅火救援時，一般建筑物火災引起的熱輻射通常在5～10 kW/m2，當發生煉油廠、化工廠、鋼鐵廠等工業火災或森林火災時，熱輻射的強度可達到200 kW/m2[1]，且輻射面積廣。熱輻射除了作用在人體外表，還對人體深部組織有影響。此類火災相對濕度較低，易形成干態環境，從而導致起火物品溫度高、燃燒猛烈。該類火場滅火救援作戰時間一般為6～8 h，甚至需要連續作戰24 h，長時間高溫作業易造成消防員身體嚴重疲勞[2]。

1.3 高溫液體

高溫液體災害可能發生在家庭住宅、工業用地等區域。一般熱水的溫度可以達到85 ℃左右，接觸人體時有一定的壓力，并且會立即形成燙傷。同時，噴射出的熱水流所具有的壓力會壓縮服裝內部空氣層，降低服裝隔熱性能，造成皮膚的潛在燙傷。除熱水外，食用油、石油等液體在工業加工過程中溫度遠高于100 ℃，碰到皮膚后會形成更嚴重燙傷[3]。此外，油狀液體的黏度較大，接觸服裝后在服裝表面停留的時間更長，會持續向內部皮膚傳遞熱量，加大了皮膚燙傷的可能性。

1.4 蒸汽

消防員在高溫環境消防作業時，由于消防水槍或環境中的水分受熱蒸發形成蒸汽，造成皮膚蒸汽燙傷。高壓蒸汽廣泛應用于工業領域，可一旦發生泄漏則危害極大，如海軍和能源部門的從業人員或因高壓蒸汽管道泄漏而暴露在蒸汽災害環境下。通常蒸汽壓力高達100～4 000 kPa，溫度為100～300 ℃。此外，高壓蒸汽環境下，防護服可能會被高壓蒸汽壓縮，從而傳遞至人體皮膚的熱量增加[4]。消防員所處的火場在高溫環境中，高溫蒸汽和高溫液態水環境占60%～70%，這是導致消防員燒傷的主要因素，而由火焰產生的燒傷僅占20%左右[5]。

1.5 電弧

電弧是高壓電器在短路或介質被擊穿情況下的瞬時放電，會產生巨大的熱量和熱沖擊，電弧產生的能量可高達8～60 MW。電弧災害的特點是持續時間短，但所攜帶的能量極高。短時間的高能量聚集會對周圍的人造成致命傷害。一般普通火災事故中產生的對流熱和輻射熱能量各占50%，而在電弧災害下，輻射熱產生的能量占90%，即使沒有火焰也會造成嚴重的危害。

2 熱防護服標準

2.1 服裝產品標準

中國現行的防護服標準主要有消防服標準GB 8965.1—2009和GA 10—2014、抗熔融金屬飛濺物標準GB/T 17599—1998、勞動和勞動安全行業標準LD 58—1994、電力行業防電弧服標準DL/T 320—2010等。

美國國家防火協會(National Fire Protection Association)制定有消防服標準NFPA 1971和NFPA 1977；美國材料與試驗協會(American Society for Testing Materials)制定有耐熱和阻燃防護服標準ASTM F 2302；歐盟技術委員會(CEN/TC)制定有關于消防服、防護服和高溫工作服的標準EN 469，EN 470和EN 531；防護服國際標準主要包括ISO 11611，ISO 11612，ISO 11613等。

2.2 服裝性能測試標準

2.2.1服裝面料性能測試標準 火焰和熱輻射災害條件下，阻燃服裝材料測試標準為ASTM F 2702；熱輻射災害條件下，服裝材料熱輻射性能測試和性能評估的標準包括ISO 6942，EN ISO 6942，ASTM F 1939和ASTM F 2703；高溫熱接觸災害條件下的測試標準為ASTM F 1060；高溫液體飛濺時織物熱傳遞性能的測試標準為ASTM F 2701；測量熔融金屬飛濺物對織物性能影響的測試標準包括ISO 9185，EN 348，EN 373，GB/T 17599—1998；面料電弧火焰性能的測試標準有ASTM F 1959和ASTM F 1506。為了評價消防服在熱暴露和冷卻階段能量傳輸和儲存對人體產生的危害，美國制定有ASTM F 2731標準，目前該標準已被TPP等相關性能測試設備采用。

2.2.2服裝整體性能測試標準 為了評價服裝整體防護性能，在模擬火焰燃燒熱災害的條件下，美國制定假人測量服裝隔熱性能的方法ASTM F 1291、燃燒假人測試標準ASTM F 1930和工業人員防火服標準NFPA 2112。國際標準化組織也制定有消防服假人測試標準ISO 13506-1，ISO 13506-2，防護服限制火焰蔓延的試驗方法ISO 15025，阻燃隔熱服裝暴露于火焰和輻射熱時熱傳遞的測定方法ISO 17492，防護服防熔融金屬飛濺物性能測試方法ISO 9150和防電弧的假人測試標準ASTM F 1958。

3 影響防護性能的因素

3.1 熱災害因子

BEHNKE W P[6]和CROWN E M等[7]早期研究了服裝材料在高溫火焰下燃燒的性能，并逐漸引入人體模型儀器對服裝整體防火性能進行測試。ROSSI R M等[8]、王敏等[9]、WANG Y Y等[10]利用假人測試火焰對防護服性能的影響，并進行熱流量分布情況預測和燒傷預測。

SONG G W等[11]研究了6.3～8.3 kW/m2低熱輻射條件下，織物系統的熱防護性能。付明等[12]研究了不同輻射強度對防護服性能的影響。結果表明，隨著熱輻射強度的增加，尤其在其超過5 kW/m2時，服裝總熱阻減小，外層、防水層和隔熱層的熱阻減小，而舒適層的熱阻先增大后減小。HUMMEL A等[13]、李莎莎[14]對輻射熱條件下服裝防護性能的測試方法進行研究，比較了不同測試設備和測試方法的差異。ASTM F 1930中已經確定了評估暴露于火焰和輻射熱環境下防護服整體防護性能的方法，認為暴露于火焰和輻射熱環境時，防護服中約40%～60%的能量會釋放到人體皮膚上，顯著降低其熱防護性能。

高溫液體同樣是影響防護服性能的關鍵因素之一。ACKERMAN M等[15]發現液體種類會影響織物的防護性能。NEAL T[16]將菜籽油加熱至148 ℃，評價熱防護面料的防護性能。LU Y H等[17]發現暴露在同樣的高溫液體條件下時，鉆井冷卻液和蒸餾水產生的燒傷比菜籽油更嚴重。液體的熱擴散性能、濕傳遞的速率和傳遞的總量是影響織物熱防護性能的重要因素。管曼好等[18]研究了熱水的水溫、侵入角度、侵入高度對織物熱防護性能的影響。

行業內還沒有統一的測試標準來評估蒸汽暴露環境下服裝的性能。SATI R等[19]使用圓筒實驗裝置模擬高壓蒸汽暴露環境，蒸汽噴射壓力和噴射距離會影響防護材料的蒸汽防護性能。MANDAL S等[20]研究了火焰、熱輻射、高溫熱接觸、熱水和蒸汽5種熱源下面料的熱防護性能，結果表明：在火焰和熱輻射環境下，面料系統的熱防護性能主要受面料發射率、吸收率和熱阻的影響；在高溫熱接觸時，面料的抗壓縮性能是影響熱防護性能的主要因素；當熱源為熱水或蒸汽時，熱水和蒸汽流壓強影響面料的熱防護性能，面料的抗壓縮性也對熱防護性能有較大影響。

3.2 服裝因子

目前國內外針對熱防護服面料基本性能對其防護性能的影響進行了大量研究，取得了一定的研究成果。SHALEV I等[21-22]研究得出，纖維比熱容和面料質量、密度、組織結構、導熱系數影響火焰暴露環境下面料系統的熱防護性能，強對流環境下的織物厚度可延緩二級燒傷時間。考慮到人穿著服裝后面料會發生形變，XIE Y C等[23]使用TPP測試儀和手持式掃描儀，在閃火條件下研究面料形變對熱防護性能的影響。研究表明，面料形變影響其透氣性，面料的接觸面積和隔熱性能影響其TPP值。防護服在接觸火焰時，服裝表面會發生一定的收縮形變，導致服裝內部空氣層厚度減小，從而影響熱防護性能。此外，若人體直接接觸發生收縮形變的面料，皮膚會受到灼傷。翟麗娜等[24]、李俊等[25]、LI X H等[26]研究了防護服裝在閃火條件下發生的形變，并對人體在火焰危害下的燒傷程度進行預測。李小輝等[27]基于織物熱防護性能測試，提出了服裝防護性能的評價方法。

SUN G等[28]發現在輻射熱暴露環境下，消防服防護外層的材料、厚度、質量等因素會影響其熱傳遞性能。KUTLU B等[29]通過分析單層、雙層、3層面料的熱防護性能，得出厚度和面密度是影響單層織物熱防護性能的主要因素。對于單層織物而言，洗滌導致面料收縮，提高了面料的面密度，其熱防護性能降低；但對于多層織物而言，洗滌可導致其熱防護性能提高。李紅燕等[30]、崔志英[31]分析了消防服面料的阻燃性和TPP值，結果表明，相比于面密度，面料厚度對熱防護性能的影響更顯著。織物厚度與TPP值之間呈正相關，透氣性與TPP值之間呈負相關關系。ROSSI R M等[32]、LU Y H等[33]研究表明，隨著熱暴露時間的增加，防護服面料的抗撕裂強度、耐水性、抗拉伸強度等機械性能都有所下降。WANG L J等[34]研究顯示，織物熱防護性能隨著洗滌和摩擦次數的增加先增強后減弱，織物的面密度與熱防護性能之間存在一定的正相關關系。

作者[35]研究了高溫液體環境下熱防護服裝的熱濕傳遞性能，進行皮膚燒傷預測，并研發了針對織物的新型高溫液體飛濺物防護性能測試儀器。為探索液體沖擊時影響織物滲透性能的因素，作者從多個方面(液體種類、液體溫度、液體沖擊角度、織物特征和面料配伍等)展開研究，構建了噴淋假人測試系統，分析了織物基本性能、服裝設計特征和服裝尺碼等因素對服裝熱濕傳遞和皮膚燒傷分布的影響。LU Y H等[36]研究顯示，暴露在高溫液體環境下時，防護服面料的面密度對半透性服裝的熱防護性能有一定影響，但不顯著。CHEN S等[37]用噴淋假人測試系統評價防護服裝的高溫液體防護性能，表明總燒傷和總吸收能量與織物質量呈負線性相關，與織物密度也呈負線性相關。

陳思等[38]從災害因子、服裝因子和人體因子3個維度總結了高溫液體和蒸汽防護性能的最新研究進展。ROSSI R等[39]研究表明，織物的蒸汽滲透性是影響蒸汽防護性能的最重要特性。DESRUELLE A V等[40]在80 ℃飽和蒸汽環境艙內，用銅人測評了防護服裝的防護性能，結果表明：織物測試和服裝測試的結果一致；不透氣織物和服裝的蒸汽防護性能較好；服裝面料越厚，其防護性能越好。ACKERMAN M Y等[41]指出織物防護性能受厚度、密度和透氣性等多種因素的影響。此外，防護性能與面料的厚度和透氣性分別呈正相關和負相關關系，防水透氣膜的位置影響其防護性能[24]。

3.3 人體因子

3.3.1衣下空氣層 蘇云等[42]對消防服衣下空氣層熱傳遞機制進行綜述，顯示服裝與人體間的空氣層對熱防護服裝的熱濕傳遞性能具有重要作用。賴軍等[43]從衣下空氣層的厚度與位置、影響因素、測量方法3方面綜述了消防服衣下空氣層的研究方法及最新進展。LEE Y J等[44]研究顯示，衣下空氣層體積隨平均衣下空氣層厚度的增加呈線性增大，且與服裝的放松量有關。王敏等[45]利用三維掃描技術測量燃燒假人衣下空氣層的分布，表明即使是相同的服裝，每次穿著后衣下空氣層分布也存在較大差異。大量研究表明，平均衣下空氣層的厚度對熱防護服的火焰防護性能具有明顯促進作用[46-49]。CROWN E M等[46]得出，在服裝完整性可控的基礎上，寬松的服裝存在較大的空氣層，因此比緊身服裝具有更好的防護性能。GHAZY A[50]建立了防護服內部新型空氣層，研究了影響空氣層內熱傳遞并由此影響衣服防護性能的不同因素。

LU Y H等[51]研究了高溫液體環境下衣下空氣層對織物熱濕傳遞性能的影響，得出加入衣下空氣層可以顯著降低從半透性織物傳遞至皮膚的能量。SU Y等[52]研究了熱濕暴露情況下空氣層厚度對防護性能的影響，認為較大的空氣層厚度會明顯降低熱傳遞速率。此外，陳思等[38]認為防護服的熱濕傳遞因服裝與皮膚間不均勻空氣層分布的變化而改變，而這一結論對探索服裝蒸汽防護性能具有重要影響。

3.3.2人體出汗 熱防護服的性能可能會受內部水分(身體出汗產生)和外部水分影響，水分會增加服裝的熱導率和熱容[53]，從而影響服裝隔熱性能。SU Y等[54]總結了人體出汗對服裝防護性能影響的測試方法。LEE Y M等[55]研究顯示，熱輻射強度對濕態單層防護服的熱防護有影響，在21 kW/m2輻射下，水分對熱防護有積極的影響，而在84 kW/m2的輻射下則相反。ZHANG H等[56]使用熱防護性能測試儀研究了水分對熱防護性能的影響，表明當水的質量分數為15%時，水分對熱防護性能的抑制作用最大。BARKER R L等[57]認為，一定量的水分可以改善織物的防護性能，水的質量分數為15%～20%的面料在6.3 kW/m2的低輻射下會引起燒傷。HE J Z等[58]認為防護服內、外部水分的增加都會減少皮膚的熱吸收，從而在蒸汽暴露時延遲因服裝材料蓄熱導致人體皮膚燒傷的時間。外部水分對從防護服傳遞到皮膚的熱量沒有產生顯著影響，而內部水分則會增加熱量排放。LAWSON L K等[59]認為，在火焰暴露環境下，外部水分降低了服裝的導熱性能，從而提高了防護性能，而內部水分則降低了熱防護性能；在低輻射熱暴露環境下，內部水分同樣增加了服裝的防護性能。LU Y H等[60]模擬人體出汗時的水分含量、位置與衣下空氣層產生的交互作用對防護性能的影響。WANG Y Y等[48]研究了空氣層厚度、位置和水分對防護服熱防護性能的影響，當空氣層遠離熱源時，水分的增加降低了空氣層厚度增大對熱防護性能的積極影響。LI J等[49]研究了衣下微環境相對濕度與衣下空氣層交互作用對防護性能的影響，結果表明，增加微環境中的相對濕度能顯著提高不同厚度空氣層織物的熱防護性能。

3.3.3人體動作 人體動作會影響空氣層在人體各部位的分布，同時也會影響面料結構，最終導致防護服防護性能發生變化。GHAZY A等[61]研究在輻射強度83 kW/m2環境下暴露10 s后，空氣層動態變化對織物傳熱的影響。XIN L S等[62]采用帶有動態空氣層制造系統的新型改良TPP測試設備，研究人體運動對暴露于閃火的織物傳熱的影響，結果顯示，與沒有空氣層相比，變化范圍為0～25 mm的動態空氣層顯著改善了織物的熱防護性能。人體運動導致防護服面料發生形變，尤其是關節處會使面料產生不同程度的拉伸。LI J等[63]對防護服面料采用不同程度的拉伸來模擬身體運動過程中對服裝面料產生的形變，并以不同的空氣層進行測試，結果表明，面料變形后透氣性顯著降低，但是厚度變化較小。織物形變對不同空氣層下面料系統的熱防護性能具有復雜影響。

4 熱濕傳遞模型研究

4.1 服裝面料熱濕傳遞模型

針對單層防護面料的熱濕傳遞，TORVI D A[64]利用有限元方法建立了單火焰TPP實驗熱傳遞模型。KUKUCK S等[65]模擬了對流和輻射能量各占50%條件下的TPP實驗，并建立相應模型。

MELL W E等[66]、SPANGLER K B[67]分別建立了輻射熱流下多層面料間的傳熱模型，同時MELL W E等[66]建立了多層面料層與層之間的反射模型。CHITRPHIROMSRI P[68]、SONG G W等[69]結合Gibson模型和Torvi模型，建立了明火熱源下多層面料的火-面料-空氣層-皮膚系統熱濕傳遞模型。SAWCYN C M J等[70]在長時間低強度輻射熱流暴露環境下，對濕態多層熱防護材料的熱濕傳遞過程進行數字化模擬。PRASAD K等[71]局部改進對流模型，并建立了二維輻射傳熱模型。

SU Y等[72]提出了一種基于實驗的多介質傳熱模型，研究帶有空氣層的多層防護服暴露于熱輻射和熱接觸表面的熱響應，并將織物傳熱模型整合到人類皮膚燒傷模型中，以預測皮膚燒傷的危害。SU Y等[73]還開發了一個數值模型，以了解蒸汽暴露期間防護服內部的熱量傳遞。

4.2 服裝系統熱濕傳遞模型

SONG G W[74]基于面料的熱傳遞模型，建立了燃燒假人測試系統熱傳遞模型，分析單層熱防護服在閃火下的傳熱規律。JIANG Y Y等[75]基于CFD技術建立整體服裝- 皮膚熱傳遞模型，以預測皮膚燒傷。TIAN M等[76]建立三維有限體積模型，利用先進的計算流體動力學技術，模擬火焰人體模型通過燃燒室時的瞬態傳熱，以織物為三維介質模擬所接觸的單層和多層服裝，預測了衣服和皮膚各層的瞬時熱通量和溫度分布。TIAN M等[77]考慮到人體的真實形態，基于計算流體動力學開發三維傳熱模型，研究了氣隙寬度、衣服厚度和輻射率對暴露在閃火中的整裝人體模型熱傳遞的影響。

5 熱防護服裝發展趨勢研究

5.1 服裝標準研究

國內外針對多災害環境下防護服的產品標準和測試標準，多為小尺寸的服裝材料樣品性能測試標準[27，35]，其發展相對比較成熟，而利用假人系統進行整體性能測試的標準體系仍不完善，缺乏人體生理行為的綜合模擬功能。此外，防護服裝的蒸汽防護性能測試標準仍需建立。未來的標準將同步考察服裝的耐熱性、隔熱性、舒適性、透氣性、防水性等綜合性能，使防護服的評價切實符合消防救援行動的需求。

5.2 影響服裝防護性能的多因素交互作用

人們在實際的工作生活中會遭遇各種災害，包括火焰灼燒、輻射暴露、液體噴濺、蒸汽噴射等，因此全面評價織物在不同災害環境中的防護性能具有重要價值。同時，在多重災害環境中，防護性能是否會受到不同災害因子的交互影響還需要進一步探索。

防護服防護性能取決于多種因素，如織物面料成分、服裝設計特征、空氣層厚度和變化幅度、出汗量、熱源種類和強度以及暴露時間等。在人體運動狀態下，這些因素的影響情況還需進一步研究。

5.3 服裝性能評價方法

服裝熱防護性能的測評方法在服裝整體測試層面還有待發展，尤其是服裝整體熱防護性能的評價方法以及動態防護性能的評價技術仍需進一步研究。燒傷預測評價方法需進一步討論其準確性及合理性，并且還需充分考慮皮膚內部熱傳遞的規律。

5.4 熱濕傳遞模型研究

隨著計算機技術的發展，服裝熱濕傳遞模型研究取得了飛躍性進步，但在模型探索過程中所模擬的實驗條件還比較理想化，實驗室所模擬的熱流量和濕度未能真實反映出實際火場中不斷變化的環境。未來防護服熱濕傳遞模型的研究重點是面料所儲存熱量在冷卻階段的熱濕傳遞效果以及在動態條件下的防護效果，并且需同時探索蒸汽燒傷和二級燒傷機制，以及多層服裝整體的熱濕傳遞機制。

6 結語

熱防護服裝是產業用紡織品的重要研究方向。目前，從業人員遭受的熱災害環境由單一化向復雜化和多重化方向發展，這對熱防護服提出了更高的要求，即需要兼顧熱防護性和熱濕舒適性。近年來，行業內相關研究人員已從標準化、熱防護機理和熱濕傳遞模擬等方面對熱防護服展開了大量研究，并取得了突破。然而，熱防護服裝(尤其是高壓蒸汽防護服裝)的整體熱防護性能測試和動態評價標準仍不完善，新型的智能化和輕質化熱防護材料開發進度略顯不足，針對多層熱防護服裝的三維熱濕傳遞模擬仍未突破，還需進一步研究。