相變材料用于可拆卸護臂熱防護服的實驗研究

常 敏 王 瑜 張 穎 陳宗琪 黃 樂

(南京工業大學城市建設學院 南京 211816)

根據美團發布的《2019年度企業社會責任報告》[1]可知，該年度通過美團獲得收入的騎手人數高達399萬人，同比增長23.3%，全社會將外賣騎手視為主要工作的人數已突破三百萬大關。相變防護服的投入使用能夠緩解他們在夏季高溫戶外騎行的不適感，為快遞外賣員提供更多人文關懷[2]。相變防護服屬于被動式降溫[3],通常將相變材料置于服裝內,通過材料相態的變化吸收人體的熱量。相變冷卻服因具有成本低、結構簡單、可循環使用、穿戴方便、制冷效果好等優點，成為國內外學者研究的熱點。

國外普遍在20世紀50年代開始研制液冷服。1962年，伯頓和科利爾為英國皇家空軍設計和開發了第一套液體冷卻服裝[4]，以消除飛行員引起的代謝熱量，并提高其作業能力。20世紀70年代的美國[5],以CO2為相變材料發生氣-固相變為人體保溫。20世紀80年代以后,研究人員嘗試將CaCl2·6H2O、SrCl2·6H2O、聚乙二醇等應用于服裝中，研究表明其具有一定的調溫效果[6]。

目前國內防護服發展較為迅速，熱防護服可以和其他功能防護服搭配使用,通常穿著于其他功能性防護服內側，如宇航服、消防服、醫療防護服等。熱防護服的款式與功能多種多樣，結合其他新技術、新材料等形成了耐火防護服、相變恒溫服、電子調溫服、智能降溫頭盔等。在相變防護服的研究過程中，C.S.Gao等[7-9]在降溫袋填充不同的相變材料，并制作成熱防護服測試。在高溫環境下，測試防護服穿戴者穿著前后熱防護服的內外側溫度、人體皮膚表面溫度等。實驗結果顯示，熱防護服穿戴者反映降溫效果良好，穿上熱防護服能夠顯著降低人體皮膚表面溫度。B.L.Bennett等[10-11]研究降溫袋的數量對降溫效果與人體感受的影響，結果表明防護服內降溫袋數量越多，降溫效果越好。但隨著降溫袋數量增多，質量也會增加，給人帶來負重感，不利于人員正常的活動。為提高防護服的綜合性能,平衡功能性需求和舒適性要求之間的關系,近年已經出現結合密度小、導熱率低的氣凝膠材料的熱防護服[12]，可以在爆炸和突發火災等高溫環境下有效抵擋熱輻射，減少物理、化學等外界因素對人體造成的熱損傷，降低人體的儲存熱，緩解熱應激癥狀。

目前研究仍存在如下不足：1)傳統的電力降溫防護服，氣體、液體降溫防護服，蓄冷式被動熱防護服[13]存在安全性低、能源消耗大、填充材料易分層、使用復雜等問題。2)目前市場上的高級熱防護服主要應用于高溫作業領域，但批發價格最高可達3 000元，尚不能投入到商業化當中；本防護服填補了室外環境和工作平臺缺少簡單可靠防護服的空白，具有較大的市場空間。3)高溫戶外工作人員還沒有普遍采取對自身的熱防護，僅使用普通防曬外衣或防曬配飾如墨鏡、帽子等來抵擋太陽輻射[14]。

本文基于相變換熱的原理，采用相變恒溫材料作為熱防護服的填充材料，利用其在高溫時發生相變、吸熱性好、可循環利用等特點[15-17]，吸收人體散發的熱量，降低熱負荷，從而保證人員的正常工作狀態。為了驗證設計的熱防護服性能，首先利用熱水模擬人體發熱量進行靜態實驗；靜態實驗確定防護服熱容量滿足需求后，真人在37.1、41、45、60 ℃的高溫環境下持續運動3 h，完成真人實驗。兩類實驗相互驗證確保防護服的降溫效果和持續時間。本文設計的防護服在后續推廣應用上將結合新型材料技術，如將相變材料與納米材料、碳纖維等相結合可以提高其降溫性能,根據快遞員、外賣員、高溫車間作業員等職業人群的需求，進行個性化定制；以及逐漸拓展到特殊高溫環境如坦克、裝甲車輛中，保證作戰士兵的良好狀態。

1 防護服設計

1.1 相變材料選擇

相變材料的傳熱性能對比[18]如表1所示，在選取的19個相變材料中，對比各相變材料的質量潛熱發現，除Na2HPO4·12H2O外，Na2SO4·10H2O的質量潛熱最高，為241.0 kJ/kg，相變溫度為32.4 ℃，且符合人體體感溫度要求。綜合考慮相變材料的相變溫度、來源獲取、制備工序與成本、腐蝕性、阻熱性等，選用Na2SO4·10H2O作為填充材料最為合適。

表1 19種無機水合鹽相變材料的熱物性[18]Tab.1 Thermal properties of 19 inorganic hydrate phase change materials[18]

1.2 材料制備

選用相變恒溫材料冰沙作為主要材料，總質量為2.18 kg，成分為Na2SO4·10H2O，同時混合Na2B4O7·10H2O、硼砂(質量分數3%)、增稠劑聚丙烯酰胺(CH2CHCONH2)r、晶型改變劑六偏磷酸鈉(NaPO3)6、懸浮劑二氧化硅SiO2、表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)和水[18-19]；冰沙接觸到高溫物體后溫度升高，到熔點時發生物理相變，吸收熱量。

1.3 防護服設計

防護服內部以熱復合PVC 包裝的相變恒溫材料填充；外部面料采用麻纖維，透氣性好，顏色選淺色系，盡可能減少太陽熱輻射；防護服的腰部下側為開口設計，減緩了人體體表溫度的升高，同時減少汗液的蓄積。護臂設計為可拆卸式，滿足了穿戴者在不同工作環境下的需求；在兩護臂手腕處分別連接松緊帶，通過自由放縮來減少環境的熱量進入到護臂內部。防護服正視圖如圖1所示，三維圖如圖2所示。

1～8第一～第八相變材料；9第一拉鏈；10第二拉鏈；11第一松緊帶；12第二松緊帶；13第一護臂；14第二護臂；15第一束腰；16第二束腰；17防護服；18第三拉鏈。圖1 防護服正視圖Fig.1 Front view of the protective clothing

圖2 防護服三維圖Fig.2 Three-dimensional figure of the protective clothing

相變材料采用分區處理的方法，分成小塊均勻分布在人體的前胸、后背及手臂上；分區處理方法不僅讓相變材料分布均勻，不至于某一部位過重，使得穿著者具備良好的工作舒適性；而且還擴展了相變材料與皮膚的接觸面積，充分發揮了相變材料的降溫性能，避免沉淀；外表利用熱復合PVC面料經高壓融合而成的雙層壓邊分塊網格密閉封裝，相鄰相變材料包之間的間隙為6 mm。防護服實物圖如圖3所示。

圖3 防護服實物圖Fig.3 Physical image of the protective clothing

2 實驗方案

2.1 實驗儀器

熱水模擬和真人實驗所需實驗儀器、測量儀器量程及其相對誤差如表2和圖4所示。

表2 熱水模擬實驗儀器參數Tab.2 Parameters of test instruments for the hot water simulation

圖4 主要實驗儀器Fig.4 Main test instruments

2.2 模擬實驗

2.2.1 實驗原理

通過使用定量的熱水模擬人體勞動時的發熱量，確定此時防護服的降溫效果，可以排除因實驗人員的心理、生理因素對實驗結果造成的影響，確保后續真人實驗的準確性。根據錢揚義等[20]研究的熱水降溫曲線公式以及比熱容計算釋放熱量公式，如式(1)和式(2)所示，計算得出在高溫工況重度勞動強度人體上半身所散發的熱量，定量計算出用初始溫度為100 ℃熱水降溫釋放相等熱量時所需的熱水質量約為2 kg，如表3所示。

表3 熱水模擬所需的水量和時長Tab.3 Water amount and lasting time for the hot water simulation

熱水降溫曲線：

(1)

式中：T為熱水的實時溫度，℃；T0為環境的溫度，℃；A為熱水和環境的最大溫差，℃；t為時間，s；V為熱水的體積，mL。

釋放熱量計算式：

Q=cmΔt

(2)

式中：Q為熱量，J；c為比熱容，J/(kg·K)；m為物質的質量，kg；Δt為物體的變化溫度，K。

2.2.2 實驗步驟

1)準備好所需實驗器材，在熱防護服的前胸、腹部、側腹和后背表面位置用記號筆框選4個待測點；由于衣服的溫度變化趨勢和平均皮膚溫度的變化趨勢一致，防護服的初始溫度低于人體體表溫度，隨著溫度升高，相變材料達到相變點，吸收熱量，延遲人體、衣服溫度升高。由于皮膚表面平均溫度波動范圍小，例如女性上半身平均溫差最大處為腰部的2.7 ℃[21-22]，選擇測量防護服的外表面測點溫度變化。

2)通過醫用紅外測溫槍記錄熱防護服4個待測點的初始溫度。

3)用電熱水壺將2 kg水燒開，用探針式測溫計測量記錄熱水的溫度，并將熱水快速倒入熱水袋中，密封熱水袋，包裹在熱防護服中，放置在電取暖器表面。

4)開始實驗，每隔10 min記錄一次實驗數據，待測點溫度穩定達到預期的人體適宜溫度，直至實驗結束，由于高溫戶外工作人員工作時間一般為09∶00—12∶00，14∶00—17∶00，這兩段時間內太陽輻射最為強烈，因此實驗時長預計3 h；熱水模擬實驗分別在30、41、45 ℃的高溫環境下進行，處理分析3組實驗數據。

2.3 真人實驗

真人穿戴上熱防護服后，實驗期間內保持劇烈運動狀態，如圖5所示。

圖5 真人實驗過程Fig.5 Real human testing process

1)準備好所需的實驗器材，在熱防護服的前胸和后背位置用記號筆框選4個待測點，用鋁箔包裹熱電偶貼附在熱防護服表面。

2)接入電源，啟動智能溫度多路巡檢儀，根據溫濕度監測計記錄當前的環境溫度、濕度，用手持式醫用紅外測溫槍測量人體初始體溫。

3)開始實驗，人體保持不同程度運動，每隔10 min記錄一次實驗數據，分別記錄熱防護服測點溫度、人體溫度，待熱防護服測點溫度穩定達到預期的人體適宜溫度，直到實驗結束；真人實驗分別在37.1、39、41、60 ℃的高溫環境下進行，處理分析4組實驗數據。

3 實驗結果與分析

3.1 熱水模擬實驗

第1、2、3次模擬熱源實驗，實驗分別在30、41、45 ℃的高溫環境下進行180 min，將2 kg的100 ℃熱水用塑料熱水袋包裹好放入熱防護服中，再將熱防護服豎直懸掛在高溫的小房間中。隨著時間的推移，熱水的熱量逐漸擴散至熱防護服中。實驗記錄3種工況下4個測點溫度數據變化，如圖6所示。

圖6 不同環境溫度下100 ℃熱水模擬實驗180 min內測點溫度變化Fig.6 Temperature change of measuring points within 180 min in 100 ℃ hot water simulation test at different ambient temperatures

圖6(a)所示為30 ℃環境下100.0 ℃熱水實驗時的防護服表面溫度變化。在0～40 min內，熱防護服測點溫度曲線近似直線狀態迅速升高；40～60 min內熱防護服測點溫度曲線逐漸變緩，實驗進行至60 min時溫度升至頂峰約41 ℃；隨著熱防護服開始發生相變吸熱，在60～120 min時溫度曲線降低速率較大；在120 min至實驗結束期間，由于凝膠的高傳熱性，以及防護服包裹的水的溫度不斷降低，溫度曲線降低速率變緩，表面溫度維持在約26 ℃。

圖6(b)所示為41 ℃環境下100.0 ℃熱水實驗時的防護服表面溫度變化。在0～40 min內變化趨勢與圖6(a)一致，在實驗進行至60 min時溫度升至頂峰約43 ℃；隨著熱防護服開始發生相變吸熱，變化趨勢與圖6(a)一致。

表4所示為模擬實驗中各測點的最高溫度和平均溫度，由表4可知：

表4 模擬實驗馬甲測溫點參數分析Tab.4 Analysis of temperature measurement point parameters of the designed clothing in simulation test

1)隨著環境溫度不斷升高，防護服表面平均溫度也逐漸升高，防護服在30 ℃工況下表面溫度最低，性能最優。

2)在整個180 min實驗期間，防護服各測點平均溫度低于34 ℃，驗證了熱防護服可以在高溫環境下吸收巨大的熱量，降低人體皮膚表面的升溫速率。

3)在30 ℃工況下，防護服側腹的降溫幅度最大，為15 ℃；在41、45 ℃工況下，防護服前胸的降溫幅度最大分別為16.7、17.9 ℃。因此在30、41、45 ℃工況的模擬熱源實驗中，防護服降溫效果最好的部位分別為側腹、前胸。

4)防護服各測點的峰值溫度均低于人體灼痛感臨界溫度45 ℃[23]，預計基本可以滿足人的體表舒適溫度要求。

3.2 真人馬甲實驗

4次真人實驗，分別在37.1、39、41、60 ℃的高溫環境下進行180 min，每次實驗記錄4個測點溫度數據，如圖7～圖8所示。其中60 ℃的高溫測試能夠更好地驗證防護服在極端熱環境下的降溫性能，為后續在高溫作業特種環境的應用提供數據基礎。實驗由兩名實驗者在汗蒸房環境下交替進行，每人運動30 min后即將衣服交換給下一人，不會造成人體的熱失調。熱防護服初始溫度保持在約22 ℃，實驗者穿好熱防護服后，在整個實驗過程中不斷進行劇烈運動。

如圖7(a)所示，環境溫度為37.1 ℃時，在0～110 min內，隨著人體的發熱量持續增加，熱防護服內的熱量的不斷累積，4個測點的溫度不斷升高。由于熱水在前期散發熱量較快，后期熱量即散發完畢，而人體散發熱量是持續的過程，故真人實驗時防護服表面溫度最高點相對于熱水實驗出現的較晚。在實驗進行至110 min時，測點溫度接近Na2SO4·10H2O的相變點32.4 ℃，相變材料開始發生相變吸熱，從而加強了防護服吸收人體散發熱量的速率。在110～180 min，測點溫度開始緩慢下降。由于人體散熱不均勻，導致實驗過程中出現防護服部分區域的相變材料已液化，但部分區域相變材料尚未完全融化，相變材料處于過冷狀態；且實驗者處于運動狀態，與周圍空氣存在相對速度帶來的對流換熱，進一步降低了相變材料溫度，因此混合物的相變區間不會對防護服的最終溫度產生大的影響，防護服4個測點最終平均溫度維持在約26 ℃。

如圖7(b)和圖7(c)所示，環境溫度分別為39、41 ℃，各測點在180 min內變化趨勢與圖7(a)一致。

圖7 不同環境溫度下真人實驗180 min內測點溫度變化Fig.7 Temperature change of measuring points within 180 min in the real human test at different ambient temperatures

60 ℃環境溫度下的測點溫度變化如圖8所示，在0～60 min內，隨著人體的發熱量持續增加，熱防護服內的熱量的不斷累積，4個測點的溫度不斷升高，最高溫度達到40 ℃。在實驗進行至60 min時，測點溫度接近相變點32.4 ℃，相變材料開始發生相變，大幅加強了吸收人體散發熱量的速率，因此在60～180 min，測點溫度開始緩緩下降，平均溫度曲線降低變緩，維持在約31 ℃。

圖8 60 ℃環境溫度下真人實驗180 min內測點溫度變化Fig.8 Temperature change of measuring points within 180 min in the real human test at the ambient temperature of 60 ℃

表5所示為真人實驗中各測點的最高溫度和平均溫度，由表5可知：

表5 真人實驗馬甲測溫點參數分析Tab.5 Analysis of temperature measurement point parameters of the designed clothing in real human test

1)在夏季室外正常溫度為37.1、39、41 ℃條件下，防護服前胸、后背、側腹、腹部的平均溫度保持在約28 ℃，整個3 h內最高溫度出現在120 min，最高溫度約為32 ℃，在180 min時溫度穩定在約26 ℃，整體變化趨勢和持續時間與熱水模擬實驗結果一致。

2)在極端溫度60 ℃條件下，防護服前胸平均溫度為35.24 ℃，側腹平均溫度為31.72 ℃，后背的平均溫度為33 ℃，腹部的平均溫度為33.26 ℃，整個3 h內最高溫度在60 min，約為37.6 ℃，在180 min溫度穩定在約31 ℃。

3)在37.1、39 ℃工況下，防護服側腹部的降溫幅度最大均為7.1 ℃；在41 ℃工況下，防護服后背的降溫幅度最大為6.9 ℃；在60 ℃工況下，防護服在腹部的降溫幅度最大為9.8 ℃。在不同部位的降溫效果的差異主要與人體熱敏感度和產熱量有關[24]，所以對于本實驗運動人員，在37.1、39、41、60 ℃工況下，防護服降溫效果最好的分別是側腹、后背、腹部。

4)防護服的降溫性能在環境溫度為41 ℃以下范圍內較好，60 ℃的工況下各個測點平均溫度存在大幅升高，但4個測點溫度的峰值均低于人體灼痛感臨界溫度45 ℃，預計基本可以滿足人的體表舒適溫度要求。

3.3 真人護臂實驗

本防護服主要面向戶外高溫的工作者，但僅依靠馬甲的防曬降溫只能滿足部分工種的需求。在快遞、外賣等行業，工作者在騎行過程中大部分時間胳膊暴露在太陽輻射下，長時間的太陽輻射會導致皮膚紫外線曬傷。本節為防護服添加了護臂，可以在防曬的基礎上附加降溫的功能，緩解騎行時胳膊的不適感。且本護臂為可拆卸護臂，與防護服互相獨立工作，不使用時可以脫下，不會增加人員負擔。

圖9所示為60 ℃環境溫度下真人實驗兩護臂180 min內測點溫度變化。由圖9可知，60 ℃工況下，防護服的初始溫度保持在約16 ℃，實驗者穿著防護服，在整個實驗過程中不斷運動。

圖9 60 ℃環境溫度下真人實驗兩護臂180 min內測點溫度變化Fig.9 Temperature change of measuring points within 180 min of two arms in the real human test at the ambient temperature of 60 ℃

隨著實驗者不斷運動，人體散發的熱量逐漸增多，熱防護服內的熱量的不斷累積，4個測點的溫度不斷升高。在實驗40 min時接近Na2SO4·10H20的相變溫度32.4 ℃，相變材料開始發生相變，大幅加強了吸收人體散發熱量的速率。在60～180 min，測點溫度開始緩緩下降，平均溫度曲線降低變緩，維持在約30 ℃。

表6所示為60 ℃環境溫度下護臂實驗中各測點的最高溫度和平均溫度，由表6可知：

表6 60 ℃環境溫度下真人實驗兩護臂測溫點參數分析Tab.6 Analysis of temperature measuring point parameters of the two arms in real human test at the ambient temperature of 60 ℃

1)在60 ℃工況下，防護服上下護臂外側最高溫度和平均溫度均高于內側溫度，這是因為人穿著護臂時手臂外側與外界高溫環境的接觸面積大，外側比內側所受的輻射熱量多。

2)上臂測點的最高溫度和平均溫度均高于下臂測點溫度，這是由于根據均勻環境下皮膚溫度分布，人體胳膊上側的溫度普遍高于下側[25]。

3)在60 ℃工況下，防護服的左右護臂的最高溫度均發生在100 min，最高溫度均低于40 ℃；防護服護臂內外側平均溫度均最終能降至約32 ℃。

4 結論

根據Na2SO4·10H20相變吸熱的原理，本文設計了面向快遞外賣員的結合可拆卸護臂的無源熱防護服，利用熱水模擬人體發熱量進行了模擬實驗；在模擬實驗的基礎上完成了高溫下的真人實驗驗證，得到結論如下：

1)根據模擬實驗可知，防護服在30、41、45 ℃的工況下，在60 min升至最高溫度，在后120 min平均溫度降至約26 ℃，驗證了熱防護服的降溫性能良好，其中在30 ℃工況下，防護服降溫性能較好,在45 ℃工況下性能較差。

2)根據4次真人實驗，驗證了防護服在37.1、39、41 ℃工況下，在60 min內平均溫度可降至約26 ℃；在60 ℃工況下，60 min內平均溫度可降至約31 ℃；其中防護服在37.1 ℃時降溫效果最優，在60 ℃時降溫效果較差，但由于60 ℃屬于高溫極限工況，所以最終溫度會高于人體舒適溫度，且此時防護服表面溫度低于人體灼痛感臨界溫度45 ℃。

3)在60 ℃高溫工況下，防護服護臂平均溫度均能降至約30 ℃，3 h內護臂表面溫度同樣低于人體灼痛感臨界溫度45 ℃。

綜上所述，本防護服可以實現在夏季高溫環境下給人體降溫的設計目標，在41 ℃以下滿足人體的熱舒適性要求，在60 ℃以下滿足人體熱防護需求。除夏季高溫作業人群人體降溫外，本防護服后續可以用于坦克、裝甲車等特種防護領域。

本文受2019年中國建設教育協會教改一般立項項目(2019138)資助。(The project was supported by the General Educational Reform Project of China Construction Education Association (No.2019138).)