火災環境中消防服防護性能測評研究進展

翟勝男 王鴻博 柯瑩

摘要： 為了全面測評火災環境下消防服的防護性能，優化服裝熱防護性能評價體系，通過回顧國內外熱防護領域的研究現狀，從“人體-織物-環境”三個角度分析影響織物熱防護性能的因素;并基于環境角度，從單一和復合災害環境2個層面，歸納分析防護服性能的測評方法和模擬研究，預測未來探索復合火場環境綜合熱防護性能的研究方向，提出在后續研究中應建立更加標準化的火災實驗測試方法和測試裝置、熱防護性能的綜合評價體系，準確評估復合災害環境下消防服的熱防護性能。

關鍵詞： 消防服;熱防護性能;影響因素;災害環境;模擬測評

中圖分類號： TS941.73

文獻標志碼： A

文章編號： 1001-7003（2020）11-0046-05

引用頁碼： 111108

Abstract： In order to comprehensively evaluate the protection performance of fire-fighting clothing under the fire environment and optimize the evaluation system of thermal protection performance of the clothing， this paper reviews the research status of thermal protection field at home and abroad， and analyzes the factors influencing thermal protection performance of fabrics from three perspectives of "human body， fabric and environment". Based on the environmental perspective， the evaluation method and simulation research of protective clothing performance are summarized and analyzed from two aspects of single and compound disaster environment， and the research direction of thermal protection performance of the clothing is proposed. This paper also puts forward that a more standardized fire experimental test method and test device as well as a comprehensive evaluation system of thermal protection performance should be established in the follow-up research， so as to accurately evaluate the thermal protection performance of fire-fighting clothing in a composite disaster environment.

Key words： fire-fighting clothing; thermal protection performance; influencing factors; disaster environment; simulation evaluation

火場環境錯綜復雜，不僅包括火焰、輻射等熱源危害，還伴有如高溫蒸汽、高溫液體等次生衍生災害或多種災害并發的情況。有研究機構調查顯示：高溫蒸汽和高溫液態水是導致消防員燒傷的主要因素，占比65%;由火焰產生的燒傷占比例20%;接觸式燒傷占比15%[1]。由此可見，在面對復雜的火場環境時，對于消防服的要求不僅要包括對輻射、對流等火源的防護，還要包括對高溫液體和高溫蒸汽等濕態熱源的防護，在未來對消防服防護性能要求需要更加全面、更加嚴格。

在各種熱暴露環境中，能夠正確評價消防服的熱防護性能是保障消防員生命安全的重要途徑[2]。目前，國內外學者對熱防護領域的測評主要集中在輻射、對流等火源災害的基礎上開展的熱防護性能影響因素的研究、皮膚燒傷模型的建立、新材料的應用等方面。對于復合高溫蒸汽、高溫液體等環境的研究測評較少，相應的評估體系和測試方法的探索研究也明顯不夠深入。本文主要通過回顧國內外熱防護性能研究成果，總結熱防護性能的影響因素，并分別從單一和復合災害環境2個層面，歸納分析防護服性能測評方法和模擬研究現狀，并提出在未來的發展方向。

1?熱防護性能的影響因素

從“人體-織物-環境”三個角度出發，分析歸納影響織物熱防護性能的關鍵因素。

1.1?織?物

國內外學者基于織物基本性能與熱防護性能間的關系進行了大量研究，并發現消防服系統各層織物的基本參數對服裝整體的熱防護性能有重大影響，如織物的平方米質量、厚度、織物組合等[3-4]，一般織物越厚重，其熱防護性能越好。此外，Song等[5-6]研究發現熱防護性能還與織物蓄熱量有關，熱暴露階段織物會儲蓄大量熱量并于冷卻階段迅速釋放，導致或加重皮膚的燒傷，尤其是在加壓或長時間熱暴露條件下。

為了同時兼顧織物的舒適性能，一些學者嘗試采用鍍鋁、相變材料、形狀記憶材料和氣凝膠等新型材料代替耐高溫纖維制作新型消防服。馮倩倩等[7-8]通過實驗驗證了它們在消防服中應用的可行性，并發現在等熱效果下新材料能明顯減輕服裝質量，減少消防員負擔;同時增強了服裝舒適性，更好地保護消防員安全。

1.2?人體運動

在救援過程中，人體處于不斷運動狀態，織物間隙不斷變化、人體運動出汗等因素都會影響織物熱傳遞方式和熱防護性能。

1.2.1?空氣層厚度

熱量傳遞過程中，空氣層能夠減緩熱量向人體的傳遞，增加面料熱量蓄積，提高織物熱防護性能。

在不同的火源熱暴露條件下，空氣層厚度對熱防護性能影響各異。Ahmed Ghazy[9]在高強度的閃火和綜合熱源條件下，發現空氣層厚度增加能夠提高織物的熱防護性能。Zhu等[10]發現在84 kW/m2的高強度輻射熱下，空氣層厚度增加，二級燒傷時間呈現先增加后減小的趨勢;Ming Fu等[11]發現在2～10 kW/m2低強度輻射熱下，空氣層厚度增加，皮膚燒傷時間增加，且影響的程度與空氣層位置相關。這是因為隨空氣層厚度增大，空氣層的熱阻增大，輻射傳熱減少，織物熱防護性能增大;但當其厚度增加到一定程度時，空氣層內產生自然對流，總傳熱量增加，使熱防護性能下降。

Su等[12-14]研究發現高溫蒸汽等各種形式的水分也會影響空氣層的熱防護作用。一方面水分會降低空氣層厚度對織物熱防護性能的積極影響，延長對流傳熱出現的時間，提高織物熱防護性能;另一方面，水分也削弱了空氣層位置的影響。這是因為水分的存在改變了空氣層的熱物性能（如熱容、導熱系數等）和光學性能（如輻射吸收率、穿透率等），進而影響空氣層的熱量傳遞和熱防護性能。由此可見，探究多種因素復合環境下空氣層的熱防護機制，不僅要考慮熱源種類和強度的影響，還需要考慮各種形態水分的作用，以便選擇最優的空氣層厚度，最大程度優化織物熱防護性能。

1.2.2?人體出汗

高負荷運動會導致人體體溫急劇上升，皮膚大量出汗，這些汗液被織物吸收能夠改變織物的熱物性能和光學性能，同時水分在吸濕/解吸和相變過程中吸收或釋放的大量熱量，也會導致皮膚的燙傷。

面對不同災害環境，人體出汗對織物熱防護性能的影響各異，不僅與熱源種類和強度有關，還與水分含量等因素相關。陳萌等[15-16]發現在83 kW/m2的閃火條件下，水分使織物熱防護性能下降;而在83 kW/m2的綜合熱源下，含水率在32%以下時，對多層織物的熱防護性能有消極影響，特別是當含水率為26%時，熱防護性能降到最低。而在不同強度的輻射熱暴露下，Lelia等[17-18]發現在10 kW/m2的強度下，水分使織物熱防護性能提高;在20 kW/m2強度下，水分使織物熱防護性能下降。

相較于上述單一的火源災害環境，Su等[19]研究了輻射和高溫蒸汽復合環境下人體出汗對織物熱防護性能的影響，發現與低輻射環境相比，高溫蒸汽能夠明顯加快皮膚的燒傷，改變不同出汗量會對織物熱防護性能產生影響。但是，對于高熱通量的輻射環境或者綜合熱源環境中，人體出汗與高溫蒸汽對消防服熱防護性能的影響并未作進一步研究，在未來，需要綜合考慮各種火源災害和水分復合的環境，研究人體出汗對消防服防護性能的影響。

1.3?外界因素

在救災過程中，存在火焰、輻射和水分等多種環境因素，它們共同作用影響織物的熱防護性能。

近年來，水分對織物熱防護性能的影響引起了廣泛關注。Lee等[16-18]研究發現在高強度綜合熱源或閃火下，水分提高了織物的熱防護性能;在84 kW/m2的輻射熱源下，含水70%～80%的單層織物，熱防護性能降低35%;在10 kW/m2的輻射熱源下，水分對熱防護性能的影響則并不穩定。這些研究表明熱源種類和強度對織物熱防護性能有重要影響，相比于復雜的輻射熱，對流傳熱可以加快織物內部水分蒸發，提高織物熱防護性能。

火場環境溫度較高，液態水分可以吸收熱量變為高溫液態水，甚至高溫蒸汽形式，影響織物的熱防護性能。盧業虎[20]研究高溫液體環境下織物熱防護性能，發現液體溫度、種類、沖擊角度等對熱防護性能有重大影響;液體溫度越高，沖擊角度越大，在織物內的滲透量越大，使織物熱防護性能下降。蘇云[2]研究火災高溫蒸汽環境下織物的熱防護性能發現，與輻射環境相比，高溫蒸汽能顯著增加熱暴露階段的熱量傳遞，降低織物的熱防護性能，削弱織物厚度對熱防護性能的影響，提高了織物透氣性的作用。這些研究表明火場環境復雜多變，消防服的防護要求不再是簡單的阻燃和隔熱防護，還要包括對高溫蒸汽、高溫液體等多種因素的防護，未來需要進一步將多種環境因素復合，研究織物的綜合熱防護性能。

2?單因素火災環境熱防護性測評

研究發現各種環境因素對織物的熱防護性能影響重大。目前，織物熱防護性能測評多采用TPP、RPP等儀器，模擬單一的火源條件，對于多種因素復合的火災環境模擬研究較少，相應的測試裝置和測評方法也并不完善。表1顯示了現行的一些織物熱防護性能測評方法及標準。

由表1可以看出，對織物熱防護性能的測評可以分為小尺度的臺式測試和全尺度的假人測試，檢測織物小樣和服裝整體的熱防護性能。相應的模擬測試環境分別為綜合熱、輻射熱、閃火和高溫液體等環境條件，對于其他的環境因素模擬測試較少。此外，根據織物的評價準則也可以將以上的測評方法劃分為三大類：Stoll準則、Henriques皮膚燒傷積分模型及其他評價方法。Stoll[21]準則是根據大量動物實驗測得的恒定熱流條件下銅片熱流計的凈升值與二級燒傷時間的關系，從而得出評價熱防護性能的經驗關系式。大多數小規模的臺式測試就是利用Stoll準則評價織物的熱防護性能，包括NFPA 1971、ASTM F 2700等。實驗操作方法簡便，應用范圍較廣;但不適用于評價瞬態熱流、三級燒傷及蒸汽燙傷等方面[2]。Henriques燒傷積分模型可以用來評價不同時間段、不同深度的皮膚燒傷，通過將Pennes皮膚傳熱方程和皮膚燒傷積分模型結合，計算皮膚二、三級燒傷。理論上該模型適用于所有的熱暴露條件，但實際上對于模型參數的取值及皮膚傳熱的復雜計算都給實驗帶來了極大的限制。其他的評價指標如TF、HTI等，評價原理比較簡單，適用于任何條件的熱暴露情況。但卻不能預測皮膚的燒傷，只能對織物間熱防護性能進行對比。

綜合上述測評方法可以發現，它們大多忽略了水分的作用。一方面，在根據傳感器的能量守恒方程進行溫度熱流轉換時，并未考慮水分冷凝、蒸發過程熱量傳遞的影響。另一方面，標準中規定實驗前需將織物在標準狀態下進行預處理，平衡織物中的水分，也忽略了實驗中水分的作用。因此，這些評價方法和指標僅適用于干態的測試評價，對需要考慮水分的含濕狀態評價并不準確，還需要建立更加標準化的實驗過程和方法、全新的評價測試體系，全面準確地評價織物各種狀態下的熱防護性能。

3?多因素復合火災環境熱防護性測評

以輻射、火焰、水分這三個環境因素為例，相互復合產生圖1所示的火災環境：綜合熱源、輻射與高溫蒸汽或液體、火焰與高溫蒸汽或液體、綜合熱源與高溫蒸汽或液體等。

目前，對于火災綜合熱源下織物熱防護性能的研究較多，而涉及高溫蒸汽或高溫液體的研究則較少。最初，學者采用預濕處理的方法模擬水分在織物中的分布，如表2所示。可以將面料預濕處理的方法歸納為4種，分別模擬織物在外層潤濕、人體出汗、不同環境溫濕度下的水分分布狀態。但考慮到真實的火場環境中存在環境壓力、溫度、水分施加速率等因素，同時也需要考慮在熱暴露過程中不斷施加水分的情形。因此，需要進一步建立更加全面的水分動態模擬施加裝置，全面地測評火源與水分復合環境下消防服的熱防護性能。

3.1?火災高溫蒸汽環境模擬

火場環境溫度較高，水分會直接吸收熱量變為高溫蒸汽或高溫液體，影響織物的熱防護性能。目前，針對高溫蒸汽環境的模擬大多集中于石油化工、天然氣等行業，模擬蒸汽環境中蒸汽噴射壓力、蒸汽溫度、噴射距離、流動方向等因素，但對真實火場環境中火焰、輻射等高溫火源的復合模擬研究較少。

為了模擬真實的火場環境，蘇云等[22]研發了一款火災高溫蒸汽熱防護性能測評裝置，如圖2所示，可以同時模擬低輻射熱環境和高溫蒸汽環境。該裝置由蒸汽發生器、蒸汽輸送管、熱暴露模擬箱、樣品輸送裝置和數據采集系統組成，能夠同時模擬高溫蒸汽和高溫輻射環境。該裝置可以模擬2.1～21 kW/m2的低輻射熱通量、0.05～0.7 MPa的蒸汽壓力及100～175 ℃的蒸汽溫度，但是對于火焰、輻射綜合熱源等的高熱通量火場環境的模擬還需進一步的研究設計。

3.2?高溫液體環境模擬

由表1可知，標準ASTM F 2701使用的高溫液體測試設備雖然可以評價服裝高溫液體防護性能，但存在無法控制水流速率、液體溫度等缺陷，重復性差、實驗準確性低。盧業虎等[23]在此基礎上進行改進，研發了一款新型的高溫液體防護性能測試儀，如圖3所示。

裝置設有溫控裝置、恒溫循環液體箱、液體循環和傳送管道系統、液體噴頭、傳感器板和轉動裝置及數據采集系統?？梢詼蚀_控制液體傳送速度、溫度、壓強及噴濺角度，準確性、重復性和安全性高，易于操作。此外，傳感器支撐板上的3個T型熱電偶設計，可實時監測織物不同位置的溫度，更加全面地評價高溫液體噴濺下的熱防護性能。但該裝置僅模擬了高溫液體這一環境因素，對于輻射、火焰等火源因素并未考慮。

4?展?望

近年來，火災環境下消防服熱防護性能研究較多，但是對多種災害因素復合的火災環境下測評研究較少，相應的實驗裝備和測試標準并不完善，還需要進一步的研究探索。本文回顧了國內外學者的研究成果，從單一和多因素復合災害2個層面出發，提出了未來織物熱防護性能的發展趨勢：通過對多因素復合火災環境下織物熱防護性能研究，建立更加標準化的實驗測試方法和模擬測試裝置，全面的熱防護性能評價體系，同時模擬多種環境因素共存的火災環境，進一步優化消防服的熱防護性能，減少救援人員受到的傷害，保障生命安全，提高工作效率。

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