消防服用織物濕態熱防護性能的測試與分析

王 諾 高翼強 吳艷杰 吳紅艷

1.河北科技大學紡織服裝學院，河北 石家莊 050018;2.北京服裝學院材料設計與工程學院，北京 100029

滅火防護服是消防員在火災救援現場穿著以用來保護頭頸、腿部和手臂等軀干的專用服裝。國內消防服一般由4層織物組成，分別為外層、防水透氣層、隔熱層和舒適層[1]。防護服的外層和舒適層一般為機織物，外層與火焰直接接觸，舒適層接觸人體皮膚。公共安全行業標準GA10—2014《消防員滅火防護服》對防護服各組成部分的性能有強制和明確的要求，如外層和舒適層的阻燃性、穩定性和力學性能。火災救援現場，在高速水流的連續作用下，防護服的外層將不可避免地被水打濕，同時，高強度的救援活動和高溫環境易使防護服的內層被汗水浸濕。舒適層汗液的蒸發和外層水分的滲透使防護服處于含有水分的濕態。

水分對多層織物熱防護性能影響的研究表明，不同條件下，水分會提高或降低織物的熱防護性能。李紅燕[2]認為，在高強度和熱流量的短時間作用下，水分有助于提高防護服的熱防護性能。含水量越多，單層織物的熱防護性能越好。標準環境下，處于濕態的織物的熱防護性能優于干態織物。曹娟等[3]研究認為，隨著含水量的增加，織物的熱防護性能逐漸提高。在含水量相同的情況下，織物越厚，其熱防護性能越好。Barker等[4]研究發現，在6.3 kW/m2的低輻射下，水分能降低織物的熱防護性能。這些研究雖因測試條件及熱傳導性能的復雜性而尚未有統一結論，但都表明濕度是影響織物熱防護性能的一個重要因素。因此，對處于濕態的防護服的熱防護性進行研究具有重要意義。本文將以消防員滅火防護服常用的織物為研究對象，對不同含水率的單層和多層織物的熱防護性能進行研究。

1 試驗

1.1 材料

選擇常用于消防員滅火防護服的5種外層織物(A1～A5)、1種防水透氣層織物(B)、1種隔熱層的織物(C)和4種舒適層織物(D1～D4)用于本試驗, 其規格如表1所示。

表1 各層織物的種類和規格

1.1.1 單層織物

選擇外層(A1～A5)和舒適層(D1～D4)單層織物為試樣，研究含水率對其熱防護性能的影響。

1.1.2 多層織物

各層織物試樣的尺寸均為15 cm×15 cm。按外層、防水透氣層、隔熱層、舒適層依次疊加組合后，用線密度為21.9 tex×3的芳綸1414縫紉線縫合為4層結構的防護服織物試樣，即多層織物試樣，分別記為1#～12#(表2)。

表2 多層織物結構

1.2 熱防護性能測試

熱防護性能(Thermal Protective Performance)用透過織物引起人體二度燒傷的熱能值kTPP表征，其是目前評價服裝熱防護性能的通用指標。采用對流和輻射兩種傳熱方式能夠較為客觀地評估織物的實際熱防護效果。本測試在陜西元豐紡織技術研究有限公司生產的RFH-Ⅱ型熱防護性能測試儀上完成。測試中，熱通量(F，即熱輻射和熱對流綜合作用)為81.3 kW/m2，相當于1.9 cal/(cm2·s)。kTPP值可按下式計算:

kTPP=F×T

式中：F—熱通量，cal/(cm2·s)；

T—燒傷時間，s。

先將制備的單層和多層織物試樣依次放入烘箱，干燥10 min后稱取干態質量并記錄。按照織物的含水率(5%、10%、15%和25%)計算噴水量，然后將水均勻地噴灑在水平放置的織物試樣表面，分舒適層到外層、外層到舒適層、外層和舒適層同時這3種噴灑方式。織物試樣吸濕后置于塑料袋中密封1 h。最后取出各織物試樣，10 min內完成熱防護性能的測試。

2 結果與分析

2.1 含水率對單層織物熱防護性能的影響

含水率不同的外層和舒適層織物試樣的kTPP測試結果如表3。

表3 含水率不同的外層和舒適層的熱防護性能測試結果

由表3知，隨著外層和舒適層織物試樣含水率的增加，其kTPP值增加，面料的熱防護性能提高。其中，A3和D1織物試樣的熱防護性能表現較好。當含水率從0增加到25%時，外層A3的kTPP值增加了74%。舒適層D1的kTPP值增加了61%。在含水率增大的過程中，外層和舒適層織物試樣的kTPP值有一定差異。當含水率0增加到5%時，外層織物試樣的kTPP值增幅不足10%。與含水率為15%的織物試樣相比，含水率為25%的外層織物試樣的kTPP值增加了20%～50%。對于舒適層織物試樣，含水率為15%的織物試樣的kTPP值比含水率為5%的試樣增加了16%～35%。究其原因是測試時隨著含水率的增加，織物試樣含水分增多，一方面水分蒸發消耗部分熱量，另一方面水分抑制了火焰的蔓延，降低了織物的燃燒速度，延長了二級燒傷時間，因此，kTPP值增大。

相對于其他原料，棉纖維的回潮率較高，纖維吸收水分能力強，吸收速度較快。水分子進入棉纖維后，與親水基團的親和力較大，溫度升高時，分子振動對水分子與纖維分子結合力的影響相對較小。因此，含棉織物的kTPP值增幅較大。

從織物結構看，面密度越大的織物，其kTPP值的增幅較明顯。面密度大的織物，其結構緊密厚實，當噴灑相同的水分時，織物含水率偏低，水分導熱作用不明顯，熱源穿過織物傳遞到皮膚的熱量較少，二級燒傷時間長，故kTPP值較大。

2.2 含水率對多層織物熱防護性能的影響

2.2.1 外層向舒適層滲透

以4層結構的多層織物試樣1#～5#(表2)為測試樣，按照所計算的含水率將水均勻地噴灑在水平放置的各試樣的外層，使水分從外層向舒適層滲透，測試不同濕態條件(不同含水率)下各多層織物試樣的kTPP值(圖1)。

圖1 不同含水率的多層織物試樣的kTPP值

由圖1知，隨著含水率的增大，4層結構織物的kTPP值增加。與單層織物試樣的kTPP值增幅(外層的40%～75%和舒適層的35%～61%)相比，多層織物試樣的kTPP值增幅(33%～52%)有所減小。當4層織物試樣的含水為5%～15%時，kTPP值的增幅為15%～26%；含水率為15%～25%時，kTPP值的增幅不足10%。由面密度較大的外層織物構成的多層試樣，kTPP的增幅均高于40%。

多層織物kTPP值增幅小于單層織物，可能是試樣在浸濕過程中，隔熱層和防水透氣層吸收了部分水分，導致停留在外層和舒適層的水分減小。因此，含水率對多層織物試樣的熱防護性的影響小于單層織物。而面密度較大的外層織物，其結構更為緊密，浸透到隔熱層和防水透氣層的水分子數量少，停留在表層的水分子數量多，因而，水分對其kTPP值的影響較為明顯。

2.2.2 舒適層向外層滲透

以4層結構的多層織物1#～6#試樣(表2)為測試樣，按照所計算的含水率在水平放置的各試樣的舒適層表面均勻噴水，使水從舒適層向外層滲透。測試不同濕態條件下各多層織物試樣的kTPP值(圖2)。

圖2 不同含水率的多層織物試樣的kTPP值

由圖2知，4層結構織物的kTPP值隨含水率的增大而增加，kTPP值均大于28.00。5#試樣在含水為15%～25%時，kTPP值高達45.00以上。當織物含水率從0增加到25%時，4層結構織物的kTPP值的總體增長幅度為5%～33%。與從外層噴水相比，從舒適層噴水的試樣kTPP值增幅較為緩慢，甚至出現了負增長。在相同含水率條件下，舒適層單層織物的kTPP值增幅為35%～60%。舒適層選用全棉阻燃織物時，在織物含水率從0增加到25%的過程中，4層結構試樣的kTPP值增幅大于20%。

從舒適層方向加濕，水分被舒適層織物吸收的較多，滲透到外層織物的水分減少。因kTPP測試時，外層織物首先與熱源直接接觸，所以kTPP值的增長較為緩慢。在相同含水率下，與單層織物相比，多層織物的舒適層吸收的水分較少，熱防護性能的增長幅度放緩。因此，水分對kTPP值的影響較為明顯。

2.2.3 雙向滲透

按照所計算的含水率同時從各多層織物試樣的外層和舒適層噴水(雙向)，測試濕態下各試樣的熱防護性能(表4)。

表4 不同含水率的多層織物試樣在雙向噴水條件下的熱防護性能測試結果

表4說明，含水率的增大有助于提高多層結構織物的kTPP值。5#試樣在含水率為25%時，其kTPP值達到了51.87 cal/cm2。當織物含水率從0增加到25%且雙向加濕時，4層結構織物的kTPP值的總體增長幅度為20%～48%，增加幅度比僅從舒適層加濕時為大，但略低于僅從外層加濕時的增幅。

雙向加濕時，外層水分的含量介于單向的從舒適層加濕和從外層加濕之間，因此，水分對織物熱防護性能的影響介于從舒適層和外層單向加濕的狀態。

3 結論

隨著含水率的增加，不管是單層織物還是多層織物，kTPP值都增加，織物的熱防護性能提高，說明濕度對織物熱防護性能有一定影響。在含水率相同的條件下，濕度對單層織物的熱防護性能的影響大于對多層織物；從外層加濕時，多層織物的熱防護性能優于從舒適層加濕的多層織物。