增強層結構對消防服熱防護性及舒適性的影響

陳曉淵 鄢友娟

1.武警總部直屬保障大隊采購服務站，北京102613；2.武警研究院，北京 100071

消防服需具備超強的阻燃和隔熱性能，能有效阻止或減緩外界熱量傳遞到人體皮膚表面，從而滿足消防、鑄造及軍事等特殊領域的熱防護高標準要求[1]。近年來，消防服的熱防護性能有了很大的改進，但消防員仍面臨著被燒傷的巨大威脅[2]。

目前的消防服主要由具有防火隔熱性的外層、防水透氣性的中層及舒適的內層這三層基礎材料(簡稱“基層材料”)復合而成。為進一步增強消防服的熱防護性能，通常需在消防服的外層增加額外的防護層[3]，這種防護層又稱消防服的增強層。可用作消防服增強層的材料有熱內襯層、泡沫復合材料及皮革襯墊等。增強層的應用能為基層材料提供更多的空隙，從而提高消防服的熱防護性能，降低熱灼傷發生的可能性。但增強層也會限制人體皮膚與外界的熱交換，易使消防員產生疲勞感，嚴重時甚至會引發人體中暑和心血管疾病等不良事件[4]。

全套標準消防服包括外套、褲子、頭盔、手套、靴子和自給式呼吸(SCBA)系統，以及工作所需的其他額外工具，總質量約為20.00 kg。當需要攜帶熱成像相機、無線電和照明設備等裝備時，消防員的負載質量可達30.00 kg。若外套和褲子因滅火而浸濕，則消防員的整體負載質量將進一步增加。相關研究顯示，因熱壓而不幸犧牲的消防員人數占消防員總死亡人數的42%[5]。因此，相關研究人員在設計消防服時，除考慮增強其熱防護性能外，還需注意增強層的輕便性問題，合理調整消防服增強層的重量和“體積”，使消防服更輕便。

目前，服裝的熱舒適性主要采用歐洲和美國標準中的發汗熱板法進行測試和評價。本文首先對含有不同增強層結構的消防服的熱阻和熱散失量進行測試和計算，然后采用人體模型對穿著各消防服試樣的體表核心溫度進行預測，最后對消防服的熱防護性和舒適性進行評估。研究旨在為今后消防服增強層的設計提供參考。

1 試樣

以3種具有不同增強層結構的消防服為試樣，包括：標準消防服(A型)、含有單個增強層且質量較輕的輕質消防服(B型)、含有泡沫襯墊增強層的商用重型消防服(C型)。以符合NFPA-2013Standardonprotectiveclothingandequipmentforfirefighting規定的A型消防服作為試驗的對比樣。與A型消防服相比，B型輕質消防服的外層僅包含一層增強層，不含加固材料；C型消防服為市售重型消防套裝，其胸部、后背、肩膀和手臂部位均添加有較厚的泡沫材料增強層，并且包含一個較寬的衣領和一個特殊的三層帽兜。

1.1 基層材料

3種消防服試樣的基層材料相同，其外層、中層和內層所用材料及其基本性能如表1所示。3種消防服的總質量分別為3.86 kg (A型)、4.60 kg (B型)和4.98 kg (C型)。

表1 消防服試樣的基層材料及其基本性能

1.2 增強層

增強層大多設計在消防服的外層，為實現更好的熱防護效果，增強層的層數可達十幾層。本試驗涉及消防服試樣的外層均配有口袋、口袋蓋、皮墊、標簽、反射裝飾條等增強部件。增強部件的層數、厚度和面密度如表2所示。

表2 增強部件的層數、厚度和面密度

本試驗選用的A型、B型和C型3種消防服中，基層材料占整套消防服的質量比分別為50.1%、40.1%和35.4%。A型和B型消防服基層材料的面積約占整套消防服總面積的50.0%，而C型消防服的基層材料的面積僅占其總面積的22.0%。

2 熱防護性測試

消防服的熱防護性能主要包括隔熱性和蒸汽阻隔性，通常采用傳導熱阻、蒸發熱阻和熱散失量指標來表征。其中，傳導熱阻、蒸發熱阻越大，消防服的熱防護性越好。本文將對3種消防服試樣(包括口袋、加固材料、靴子、手套、兜帽和頭盔等)的傳導熱阻、蒸發熱阻和熱散失量進行測試和計算。

2.1 傳導熱阻

根據ASTM F 1291-2010Standardtestmethodformeasuringthethermalinsulationofclothingusingaheatedmanikin[6]，將測試環境的相對溫濕度分別調整為23 ℃和50%后，對3種消防服試樣的傳導熱阻進行測試。同一試樣重復測試3次。按照式(1)計算各試樣的傳導熱阻。

(1)

其中：Rt——服裝的傳導熱阻，℃·m2/W；

A——人體模型的表面積，m2；

Ts——人體模型的表面溫度，℃；

Ta——流經服裝的氣流溫度，℃；

H——模擬加熱條件下人體模型獲得的熱量，W。

經計算得A型、B型和C型消防服試樣的傳導熱阻分別為36.4、32.1和43.6 ℃·m2/W。

2.2 蒸發熱阻

根據ASTM F 2370-2010Standardtestmethodformeasuringtheevaporativeresistanceofclothingusingasweatingmanikin[7]，采用出汗人體模型對不同消防服試樣的蒸汽阻隔性(蒸發熱阻)進行測試。通過式(2)計算各試樣的蒸發熱阻。

(2)

其中：Ret——服裝的蒸發熱阻，kPa·m2/W；

Ps——出汗人體模型表面的水蒸氣壓，kPa；

Pa——空氣流動壓，kPa；

A——出汗人體模型的表面積，m2；

He——測試出汗面積所需的熱量，W；

T′s——出汗人體模型的表面溫度，℃；

T′a——流動空氣的溫度，℃；

R′t——服裝整體和表面空氣層的熱阻，℃·m2/W。

經計算得A型、B型和C型消防服試樣的蒸發熱阻分別為28.5、26.4和34.7 kPa·m2/W。

2.3 熱散失量

依據ASTM F 2370-2010標準的測試方法，在靜止空氣條件下(風速為0.4 m/s)，采用出汗人體模型對3種消防服試樣的蒸發熱散失量和傳導熱散失量進行靜態測量，結果如表3所示。由表3可知，C型消防服試樣的蒸發熱散失量(為30.1 W/m2)和傳導熱散失量 (為22.4 W/m2) 均較低，A型與B型消防服試樣的蒸發和傳導熱散失量相當，表明標準消防服(A型消防服)與輕型消防服(B型消防服)在熱散失量統計學方面幾乎不具有差異，消防服增強層的添加有助于降低其表面的熱散失量。

表3 消防服試樣的熱散失量測試結果 單位：W/m2

2.4 總熱損

特定環境溫度和濕度條件下的服裝總熱損(即總熱散失量)可反映其散熱性。總熱損值越大，說明服裝的散熱性越好。根據傳導熱阻Rt和蒸發熱阻Ret的測試結果，可根據式(3)對總熱損進行預測。

(3)

其中：Qt——一定溫濕度條件下服裝的總熱損預測值，W/m2；

P′s——人體表面的水蒸氣壓，kPa；

P′a——局部環境的煅燒水蒸氣壓，kPa。

3 舒適性測試

為更好地評估含有不同增強層的消防服試樣的舒適性，采用人體建模試驗來預測消防服的穿著舒適性。因消防服的相關測試目前不允許進行真實人體穿戴試驗，因此，研究人員通常使用人體模型來模擬不同溫濕度環境下人體穿著消防服的生理反應。本文參照文獻[8]的方法，選用RadTherm傳熱分析軟件預測人體的瞬態傳熱行為，獲取輻射、傳導和對流的熱傳導率模擬結果。RadTherm傳熱分析軟件同時也是一個服裝數據庫，包含不同服裝和面料的熱阻和蒸氣阻隔性數據。該軟件結合了多種技術，可根據身高、體質量和種族來預測不同體型人體的體表核心溫度。本文建模使用的參數設置如表4所示。

表4 人體模型的參數設置

根據2.4節服裝總熱損的計算結果，預測穿著不同消防服試樣時出汗人體模型體表核心溫度隨時間的變化，用以反映含不同增強層的消防服的穿著舒適性。預測結果如圖1所示。

圖1 出汗人體模型體表核心溫度隨時間的變化

由圖1可知，消防服增強層的應用使出汗人體模型的體表核心溫度上升，意味著消防服的穿著舒適性下降。在測試結束(90 min)時，3種消防服試樣的預測體表核心溫度均超過40.0 ℃。其中，A型消防服和B型消防服的預測體表核心溫度約為40.1 ℃，C型消防服的預測體表核心溫度為40.7 ℃，這0.6 ℃的溫度差將給穿著舒適性帶來嚴重的負面影響。

各消防服試樣的預測體表核心溫度與總熱損之間的關系分析如圖2所示。由圖2可知，兩者之間存在較強的線性關系(R2=0.95)，預測體表核心溫度每上升0.6 ℃，消防服的總熱損減少9 W/m2。

圖2 體表核心溫度預測值與總熱損預測值間的關系

由3種消防服試樣的熱防護性和舒適性測試結果可知，消防服增強層的添加一方面可提高消防服的熱防護性能，另一方面會降低其穿著舒適性。

4 結論

本文以含有相同的基層材料和不同增強層結構的3種消防服為試樣，通過對熱阻、熱散失量和人體模型體表核心溫度的測試和預測，分析了不同消防服試樣的熱防護性能及其舒適性。研究結果表明，在消防服的設計中，增加增強層的層數可提高消防服的熱防護性能，但穿著增強型消防服后，人體的體表核心溫度升高，熱散失量減小，不利于消防人員的身心健康。未來消防服的設計需在熱防護性能和穿著舒適性方面做出合理的平衡。