基于計算機仿真的聚酰亞胺消防服的研發

萬賢福,張小云,杜世儀，李俊玲，汪 軍

(1.東華大學 紡織學院，上海 201620；2.中國紡織科學研究院 江南分院，浙江 紹興 312071)

聚酰亞胺(polyimide, PI)具有優良的耐腐蝕、耐高低溫、耐磨損等性能，被廣泛應用于航空航天等高科技領域[1-3]。聚酰亞胺纖維是近年來纖維高分子材料領域應用廣泛且發展迅速的一類高性能纖維，有望在電磁屏蔽、雷達紅外隱身、建筑材料及防護用品等領域或惡劣的環境中得到廣泛應用[1-3]。在消防服領域，目前世界上的功能性消防服市場廣泛采用杜邦公司生產的芳綸纖維，即Nomex和Kevlar纖維[4]。聚酰亞胺纖維在消防服上的應用仍處于探索階段[4-5]。

筆者課題組基于聚酰亞胺纖維，進行了滅火防護服外層面料的設計與開發。 在設計和開發過程中，需要對面料和服裝的防護效果進行預測。 除了對面料進行熱防護性能測試之外， 在服裝層面的測試涉及消防假人，使用成本過于昂貴。 因此，采用計算機仿真技術來預測面料防護效果，從而為聚酰亞胺防護織物和服裝的設計和開發提供依據。

1 計算機仿真模型

由于消防服涉及生命安全，多年來，科研工作者對于消防服計算機模型開展了大量的研究。 其中，絕大部分工作主要關注消防服本身的防護機理，而忽略人體與消防服的動態熱濕交互作用對防護效果的影響。 然而，防護過程是環境、消防服和人體3個系統動態熱濕交互的結果；除了消防服的防護性能外，防護效果還受到消防服與人體的動態熱濕交互作用的影響；人體熱生理調節作用也具有一定的影響。這需要將人體動態熱生理模型與消防服模型結合起來，建立起消防服-人體-環境的一體化模型。

基于文獻[6]建立的消防服-人體-環境的一體化模型[6]，進行聚酰亞胺消防服的研發。 為了方便讀者閱讀，下面對此模型進行簡要闡述，具體細節參閱文獻[6]。

該模型主要包括如下幾個部分：人體熱生理系統、消防服和皮膚燒傷模型以及各系統間的交互行為的建模。通過將這些數學模型結合起來，在交界面上互為邊界條件，一起求解就得到了一體化模型。

(1) 人體熱生理系統模型[7]。人體熱生理系統模型把人體簡化為多段(頭、軀干、手臂、手、腿和腳等)，其中，除了頭簡化為球體之外，其他都看作圓柱體，每一段又分為4層，即內核、肌肉、脂肪和皮膚。血液循環系統簡化為一個中心血池，與之前每個節點(各段的各層)通過對流的方式進行熱交換，層與層之間通過導熱方式進行熱交換，針對每一個節點建立熱平衡方程。

此外，模型以人體中性狀態溫度為基準，根據中樞及皮膚處的溫度與基準的差確定熱暖信號，產生出汗、打顫、血管收縮或擴張等4種反應量。 根據這些反應量，調節相應節點的新陳代謝率、血流量以及出汗量，從而實現體溫調節。

(2) 消防服模型。消防服分3層組成，包括阻燃層、防水層和隔熱層。通過一定的簡化，基于熱傳遞機理，建立多層消防服面料的熱傳遞方程[8]，如式(1)所示。

(1)

式中：T為溫度；C為材料的比熱容；ρ為各層材料的密度；k為熱導率；γ為熱輻射衰減系數；qr(x=0)各層材料外表面的輻射熱通量；x方向垂直于織物表面，從織物的外表面指向內表面。

(3) 皮膚燒傷模型。皮膚燒傷采用Henriques模型[9]，計算出皮膚燒傷指數(Ω)為燒傷預測的指標。當T(皮膚角質層與真皮層之間的界面溫度)到達44 ℃之后，Ω>0.53時, 指示皮膚發生Ⅰ度燒傷，而當Ω=1.00時，則指示皮膚發生Ⅱ度燒傷。

2 聚酰亞胺消防服的仿真

為了將計算機仿真模型應用于聚酰亞胺消防服的研發，首先需要獲得消防服各材料的物性參數。筆者課題組開發了一種聚酰亞胺消防服外層面料，其物性參數見表1。 為了便于分析，仿真中提供對照試樣。對照試樣是一件Nomex消防服[8]，其物性參數列見表1。表1中的防水層和隔熱層也同樣參照文獻[8]。

表1 計算機仿真中各層材料的物性參數Table 1 Physical characteristics of fabric layers in the computer simulation

仿真的救災過程如下：消防員進入火場后所處的危險環境即輻射熱通量為1.5 kW/m2，對流熱通量為2.0 kW/m2。救災過程中，消防員做中等負荷(新陳代謝率為180 W/m2)的工作，15 min后撤離至安全區域。

將消防服物性參數和消防員救災過程參數配置在仿真程序中，運行獲得仿真結果。

3 結果與分析

3.1 燒傷情況動態預測

皮膚燒傷指數預測如圖1所示。由圖1可知：對照試樣于13 min達到燒傷指數0.53，發生Ⅰ度燒傷，并于16 min到達燒傷指數1.00，發生Ⅱ度燒傷；而聚酰亞胺消防服則在19 min才到達Ⅱ度燒傷。 顯然聚酰亞胺消防服的性能優于對照的消防服。

圖1 兩種消防服的皮膚燒傷指數預測對比Fig.1 Comparison of skin burn index prediction of two firefighting clothing

身體各部位燒傷指數預測如圖2所示。由圖2可知，呈現燒傷的先后順序為小腿、手臂、大腿和胸，兩種消防服所呈現的燒傷分布是一致的，盡管程度不同。 這或許與模型的假設有一定的關系，仿真模型假設環境的輻射熱通量和對流熱通量都均勻作用于各部位表面。 這與現實情況有一定的出入。

圖2 兩種消防服的身體各部位皮膚燒傷指數的預測Fig.2 Prediction of skin burn index in body parts for two firefighting clothing

3.2 消防員的熱生理指標的動態變化

消防員的體核溫度變化如圖3所示。由圖3可知，消防員的體核溫度在4 min后呈現快速上升的趨勢，但兩種消防服的上升速率并不相同。 對照試樣的增速快于聚酰亞胺消防服， 兩者最后都進入了危險區域，其中，對照試樣達到41 ℃，而聚酰亞胺則是40.5 ℃。

圖3 消防員體核溫度對比Fig.3 Comparison of the core temperature of firefighters

消防員皮膚平均溫度隨時間的變化如圖4所示。

圖4 消防員皮膚平均溫度隨時間的變化Fig.4 Comparison of the average skin temperature of firefighter over time

由圖4可知，消防員皮膚平均溫度在前4 min上升很快，到達41～42 ℃，后續則增速變緩，超過44 ℃，進入燒傷區域,聚酰亞胺比對照試樣的皮膚平均溫度低約1.5 ℃。

3.3 消防服的動態溫度變化

以胸部位置為例，兩種消防服的各層溫度隨時間的變化如圖5所示。由圖5可知：消防服的各層溫度上升極為迅速，2 min左右就接近平衡；后續的增長相對緩慢。 溫度分布從外到里遞減， 聚酰亞胺比對照試樣溫度低10 ℃左右。

圖5 兩種消防服各層溫度分布預測(胸部位置)Fig.5 Prediction of temperature distribution in two firefighting clothing (chest position)

3.4 理論分析

聚酰亞胺消防服的防護效果顯著優于對照試樣，造成的差異性原因值得探究。兩種消防服的胸部皮膚顯熱傳入量和輻射熱通量對比如圖6所示。由圖6(a)可知，與對照試樣相比，聚酰亞胺消防服傳入胸部皮膚的顯熱通量約小30 W/m2。 這個差異性是造成兩者防護效果不同的原因，但這只是中間過程中的因素，并非根本的決定性因素。

由圖6(b)可知，聚酰亞胺消防服和對照試樣輻射熱通量的差異僅為3.5 W/m2左右。因此，兩種消防服防護效果的顯著差異主要是皮膚處的導熱和對流引起的，而不是輻射熱的差異造成的。有趣的是，與對照試樣相比，聚酰亞胺熱導率小一些，但是材料更薄，這些因素無法造成皮膚處兩者的導熱與對流傳熱量的較大差異性。但兩者的輻射衰減系數差異很大，而皮膚處輻射熱通量卻差異不大。

圖6 兩種消防服的胸部皮膚顯熱傳入量和輻射熱通量對比Fig.6 Comparison of sensible and radiant heat flux on chest skin for two firefighting clothing

圖5中兩種消防服各層材料的溫度差異給出了啟示。熱輻射在材料內傳遞的過程中不斷地轉化成材料的內能，衰減系數大的材料可阻擋住更多的熱輻射，因此轉化為內能的熱輻射較少，從而材料溫度更低。這部分內能接著又以導熱和對流的形式傳入皮膚。這是造成兩種消防服的防護效果差異的根本原因。輻射熱不是直接以輻射形式傷害人體，而是轉化成內能間接作用于人體。

以上對比和分析為改善聚酰亞胺消防服的防護效果給出了方向，即通過改變面料的輻射衰減系數來提升防護效果。聚酰亞胺消防服外層面料的輻射衰減系數對皮膚燒傷的影響預測如圖7所示。由圖7可知：當輻射衰減系數小于12 000 m-1，隨輻射衰減系數的增大，防護效果顯著提高；當輻射衰減系數大于12 000 m-1時，防護效果幾乎沒有改善。在此基礎上綜合考慮其他多方面因素和成本，可以實現消防服面料防護效果優化的設計和開發。

圖7 聚酰亞胺消防服外層面料的輻射衰減系數對皮膚燒傷的影響預測Fig.7 Prediction of the influence of thermal radiation extinction coefficient of the outer fabric in the polyimide firefighting clothing on skin burns

4 結 語

本文采用計算機仿真技術，比較了聚酰亞胺消防服外層面料和對照樣Nomex面料的防護效果。結果顯示，與Nomex消防服相比，聚酰亞胺消防服防護效果更好。通過深入分析差異性的機理，找到了材料防護效果的差異源于輻射衰減性能的不同，為優化消防服面料防護效果提供方法和依據。