消防服的研究進展淺析

周 琦

九江學院 藝術學院(中國)

近年來火災頻繁，在不同程度上造成財物損失和人員傷亡。消防員在救援時隨時可能會面臨火焰、爆炸、高溫蒸汽等危險，嚴重時甚至生命安全受到威脅。消防服作為保護消防人員生命安全的重要裝備，應當具有較好的阻燃及隔熱等相關性能。目前，研究者對消防服的設計研究主要集中在材料研發、性能測評及結構優化等方面[1]，并取得一定的成果。本文淺析消防服的研究進展，旨在為設計制造性能更優的消防服提供參考，以減少火場環境對消防員的傷害，盡可能地保障消防員生命安全。

1 消防服的性能要求

1.1 熱防護性能

熱防護性能(thermal protective performance，TPP)測試值是評價消防服用織物綜合熱防護性能的主要指標。除此之外，對消防服用織物的熱防護性能的評價指標還有熱輻射防護性能和熱蓄積性能。熱輻射防護性能(radiant protective performance，RPP)測試值用以表征織物耐熱輻射性能。熱蓄積測試(stored energy test，SET)主要獲取織物達到二級燒傷的最小熱暴露時間，用以評價消防服用織物熱蓄積性能，可彌補低熱輻射環境下RPP測試對織物熱蓄積的考慮不足[2]。

由于消防服自身結構及動態使用過程中存在空氣層等原因，消防服組合織物的各方面性能與單一織物的性能存在差異。因此，僅織物性能不能全面評估消防服整體性能，還需要測評消防服整體的熱防護性能，這主要借助燃燒假人和輻射熱假人進行測試[3-4]。

1.2 熱濕舒適性能

目前消防服由多層結構組成，其結構相對封閉，透濕透氣性能較差，易對穿著人員造成的體核溫度升高，引起熱應激，給穿著人員帶來的生理壓力不亞于外界熱環境的威脅。故有必要對消防服熱濕舒適性進行準確客觀的評價，以避免使用熱濕舒適性差的消防服，這對保障穿著人員的熱濕舒適性及生命安全具有重要意義。著裝人體試驗和暖體假人試驗可測試消防服熱濕舒適性。

1.3 工效學性能

消防服的結構設計應充分考慮人體工效學原理，提高消防服的穿脫靈活性，擴大消防服的可活動范圍，從而提高消防員的工作效率，并保障消防員的安全。通常以真人為對象，采用主觀、客觀及數字模擬等方法，測試人體可活動范圍和操作靈活性[5]，進而評價消防服的工效學性能。

2 消防服用高性能材料

2.1 芳綸、芳砜綸

芳綸即芳香族聚酰胺纖維，具有高強度、高模量、耐高溫、低密度、高阻燃、抗靜電等性能，是較理想的消防服外層織物材料。芳綸既可單獨使用，也可與其他材料復合使用。由于其高溫尺寸穩定性一般，為使消防服受熱時保持布面平整狀態，目前消防服外層面料織物多為芳綸與其他低收縮性纖維的混紡織物。芳綸主要有間位芳綸(聚間苯二甲酰胺纖維)和對位芳綸(聚對苯二甲酰胺纖維)。間位芳綸商品主要有美國杜邦公司的Nomex等。由Nomex纖維制成的阻燃織物具有阻燃或不燃、耐高溫和防穿刺等性能[6]。對位芳綸商品主要有杜邦公司的Kevlar等。間位芳綸的阻燃性能和耐熱性能優于對位芳綸，更適用于消防服。

芳砜綸為聚苯砜對苯二甲酰胺纖維，具有優異的耐熱性、耐酸性、熱穩定性和電絕緣性等，同時具有良好的染色性，其后整理成本較低，適用于消防服領域。芳砜綸的耐熱性、熱穩定性、高溫尺寸穩定性及阻燃性遠優于間位芳綸。采用芳砜綸制作的消防服，不僅具有阻燃、隔熱、防水功能，還具有較好的熱濕舒適性和較輕的質量，穿著柔軟、貼身，提高了消防員的安全系數[7]。

2.2 芳香族雜環纖維

聚對苯撐苯并雙噁唑(PBO)纖維和聚苯并咪唑(PBI)纖維為芳香族雜環類纖維。PBO纖維具有高強度、高模量、低收縮及優異的耐熱性和難燃性等適用于消防服的性能，但其初始模量較高，紡紗性較差，實現工業化生產存在困難。1998年日本東洋紡公司和陶氏化學公司實現了PBO纖維的工業化生產[8]。PBI纖維具有良好的可紡性、阻燃性能和吸濕性。PBI纖維最大的特點是耐高溫性，可耐850 ℃的高溫，適用于消防服織物。PBI纖維混紡織物，如PBI/Kevlar(40/60)混紡織物，在消防服市場備受歡迎。

2.3 聚苯梳醚纖維

聚苯硫醚(PPS)纖維具有優異的熱穩定性、耐化學穩定性、阻燃性及加工性能，是優良的消防服用纖維。PPS纖維是難燃纖維，具有較低的延燃性和煙密度。在不添加任何阻燃劑情況下，PPS材料阻燃等級可達到UL94V—0級標準，其極限氧指數高達34%～35%，著火溫度高達590 ℃。PPS纖維在250 ℃以上高溫下放置在四氯化碳、氯仿等試劑中7 d，仍能保持原有的抗拉強度[9-10]。

2.4 新型阻燃黏膠纖維

新型阻燃黏膠纖維是在黏膠纖維原液中加入阻燃劑制得的。奧地利蘭精公司開發的阻燃黏膠纖維的阻燃性能不受洗滌次數影響，燃燒時也不產生熔滴。該纖維與其他合成纖維相比，具有更高的吸濕性能，其阻燃性能及穿著舒適性能良好。該纖維可與高性能纖維，如Nomex、Kermel、PBI纖維等混紡，含有50%以上該阻燃黏膠纖維的織物能滿足EN 469等消防員防護服標準，可應用于消防服的舒適層。

2.5 形狀記憶材料

形狀記憶材料是具有形狀記憶功能的智能材料，在某些情況下，如熱塑性變形后，通過控制外部條件可使其完全恢復到原狀。形狀記憶材料在航空航天、自動控制系統和智能紡織品等領域廣泛使用。在消防服的現有研究中，王帥等[11]在消防服防水透氣層和隔熱層添加形狀記憶合金彈簧，利用其產生的空氣層改善了消防服的隔熱性能。

2.6 相變材料

相變材料指可在一定狹窄的明確溫度(相變溫度)范圍內改變物理狀態并能提供潛熱的材料。合理地將相變材料運用到消防服上，可研發具有溫度調節功能的智能消防服。這種消防服能根據外界環境溫度的變化適當調節消防服內部溫度。以固-液相變材料為例，當外界環境溫度升高時，相變材料吸熱，變為液體，儲存熱量[12]；當外界溫度下降時，相變材料放熱，變為固體。相變材料隨外界環境溫度上升或下降而吸收或釋放潛熱，從而保持消防服內的溫度不變。研究表明，含相變材料層的消防服在高溫環境下具有較好的防護性能。

2.7 氣凝膠

氣凝膠是一種具有超高孔隙率的三維納米多孔材料，它具有低密度、低導熱系數、高比表面積、優異的熱絕緣性和隔熱性等獨特的性能[13]，其導熱系數可低至0.004～0.03 W/(m·K)。氣凝膠已應用于建筑、航空航天和國防等許多領域，也逐漸被用于消防服裝。張興娟等[14]分析了SiO2氣凝膠應用于消防服的可行性，發現將氣凝膠引入消防服隔熱層所得消防服，比傳統消防服的質量降低70%以上。任乾乾等[15]研究了消防服組合面料，發現SiO2氣凝膠組合織物的綜合熱防護性能優于現役消防服標準，組合織物在450 ℃高溫下灼燒50 s，冷面溫度不超過40 ℃。

3 消防服的材料設計與性能評價

3.1 消防服的材料設計

中國、美國等國家或組織己制訂了消防服相關測試方法和標準，用以評價消防服性能。如中國的GA 10—2014《消防員滅火防護服標準》、GA 634—2006《消防員隔熱防護服標準》和GB 8965.1—2009《防護服裝 阻燃防護 第1部分:阻燃服》，美國的NFPA 1971:2007Standardonprotectiveensemblesforstructuralfirefightingandproximityfirefighting，歐盟的EN 469: 2005Protectiveclothingforfirefighters-performancerequirementsforprotectiveclothingforfirefighting等。這些標準對消防服主要有整體熱防護性能、阻燃性能及熱穩定性能等防護性能的要求。

中國公安部發布的強制性行業標準GA 10—2014《消防員滅火防護服》規定消防服由4層構成，從外到內，依次為外層、防水透氣層、隔熱層和舒適層。

目前市面上消防服外層織物材料主要為Nomex纖維、Kevlar纖維、PBI纖維、Kermel纖維和PBO纖維等。防水透氣層通常是在織物上覆合一層防水透氣膜，可使穿著者排出的水汽通過，同時阻擋外界液態水，具有一定的隔熱作用。隔熱層由立體網眼針織布或能儲存空氣的非織造布制成。舒適層為耐熱、阻燃且透氣透濕的舒適性材料。

3.2 消防服的性能評價

3.2.1 客觀試驗

客觀試驗包括消防服材料的性能評價和服裝的性能評價。

消防服材料性能評價包括：材料的基本物理性能、熱防護性能及熱濕性能。

材料的熱防護性能：按照GA 10-2014《消防服滅火防護服》標準，采用TPP熱防護性能測試儀，對織物進行TPP值的測試，分析并確定織物系統的熱耐受性和防護性能。

材料的熱濕性能：參照GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》，用織物透氣儀測定試樣透氣率；依據GB/T 12704.1—2009《紡織品 織物透濕性試驗方法 第1部分：吸濕法》，用織物透濕儀，測定并計算織物的透濕性能。

消防服性能評價主要涉及熱防護性和熱濕舒適性和工效學性能3方面。

服裝熱防護性能評價：燃燒假人系統測試方法，可提供更全面和綜合的服裝熱防護性能等信息，還能預測人體皮膚燒傷程度。

服裝熱濕舒適性：利用暖體出汗假人評價服裝的熱濕性能[16]。

服裝工效學性能：通過對假人設備的測試數據，對消防服的工效學性能進行評價并進行優化。

3.2.2 穿著試驗

消防服熱濕舒適性的評價是以“人-服裝-高溫環境”之間的生物熱力學綜合平衡的實現程度為標準的，是溫度、濕度、人體活動狀態和消防服熱濕傳遞性能綜合作用的結果。服裝熱濕舒適性能和工效學性能除了采用上述客觀試驗進行性能測試外，常常結合人體穿著主觀評價試驗，綜合測評服裝穿著熱濕舒適性及肢體靈活性。

3.2.3 其他

隨著科技的發展，數字人體模型等也可對消防服的工效學性能進行評價。三維動作捕捉儀可捕捉受試者肢體運動時關節的活動角度和運動距離，全面科學地評價服裝工效學性能。

4 消防服的不足與發展趨勢

4.1 現有消防服的不足

目前消防服主要存在下述問題。

——缺少國際先進的原材料如傳感面料、智能面料等，未能解決消防員在消防作業中的傷亡隱患。

——舒適性能較差。近年來消防服熱防護性能與舒適性能之間的矛盾已有所改善，但其熱防護性能被視為評價服裝性能優劣的首要因素，仍然存在人體熱聚集導致舒適性能較差的問題。

4.2 消防服的發展趨勢

4.2.1 提高舒適性

隨著科技的發展及人們對防護用品要求的提高，人們對消防服的要求已從看重熱防護性向兼顧舒適性發展。消防服的舒適性主要與材料的基本物理性能、透氣、透濕和親膚性能等因素有關，研究者需要綜合考慮材料選擇、結構設計、性能測試等，使消防服向輕量化、智能化、更舒適、更有利于人體健康的方向發展。

4.2.2 材料多樣化

長期以來，各種高性能材料因其耐熱性和阻燃性能良好，常用于制造消防服，但在消防作業中消防員被燒傷的事故仍頻發，為了減少消防員的傷亡，諸如傳感面料、智能面料等材料成為消防服研究的熱點。另外，隔熱性能良好的氣凝膠材料將成為消防領域的研究重點。

4.2.3 測試全面化

消防服的性能在穿著過程中受諸多因素影響，若對消防服性能的研究僅停留在面料等局部，則無法全面獲知消防服整體性能。消防服性能測試全面化，尤其是高危環境下的消防服整體性能的測評，將成為未來的發展趨勢。

5 結語

目前關于消防服的研究多在材料研發、結構優化及性能測試等方面，減輕消防服質量、提升消防服舒適性的研究有待加強。為了減小試驗環境與真實使用環境之間的差異，提高對消防服整體性能的測試和準確判斷，應進一步發展消防服防護性能的預測模型研究。此外，為保證消防人員安全有效地進行消防工作，消防服的相關標準需不斷完善。