新型消防服隔熱層織物熱防護性及熱濕舒適性研究

金艷蘋，朱堂葵，姚 娜，王珍玉

(1.義烏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院 創(chuàng)意設(shè)計學(xué)院，浙江 義烏 322000；2.浙江理工大學(xué) 服裝學(xué)院，浙江 杭州 310018)

近年來，火場環(huán)境日益復(fù)雜，火災(zāi)發(fā)生頻率不斷上升[1]。戰(zhàn)斗在火災(zāi)現(xiàn)場的消防員隨時會受到輻射熱、對流熱、火焰等因素的影響，從而造成燒傷甚至犧牲。消防服是消防員進行滅火戰(zhàn)斗時穿著的個體防護裝備，是消防員在火災(zāi)現(xiàn)場作業(yè)的保護屏障，其熱防護性能對消防員的生命安全以及救援工作至關(guān)重要。研究表明[2-3]，隔熱層為消防服提供隔熱保護，對消防服的熱防護性能(TPP)具有較為重要的影響。目前主要通過增加隔熱層厚度來滿足TPP要求[4]，但厚度增加不僅阻礙人體代謝熱量的外散，還影響消防員的活動靈活性以及工作效率，使超負(fù)荷工作的消防員受到熱應(yīng)激效應(yīng)的影響，進而威脅消防員生命健康[5]。因此，國內(nèi)外研究學(xué)者對既能滿足熱防護要求又能減輕消防員負(fù)擔(dān)的新型消防服用隔熱材料進行更多關(guān)注，其中氣凝膠、玄武巖纖維、預(yù)氧絲纖維等新型材料由于具有較好的隔熱性能，被許多學(xué)者用于消防服用織物熱防護性能的研究。

本文以氣凝膠、玄武巖纖維、預(yù)氧絲纖維等為主要成分的新型隔熱層織物作為研究對象，與消防服常用的外層織物、防水透氣層織物以及舒適層織物形成消防服用多層織物，分別測試使用傳統(tǒng)芳綸1414隔熱氈，以及氣凝膠纖維氈、玄武巖纖維氈、預(yù)氧絲纖維氈等新型隔熱層織物時，消防服用多層織物的TPP值、熱阻、濕阻和透氣性等服用性能，分析并研究使用新型隔熱層織物時消防服用多層織物的熱防護性及熱濕舒適性。為新型隔熱材料更好地應(yīng)用于消防服領(lǐng)域提供理論依據(jù)和實際應(yīng)用價值，為開發(fā)新型輕薄高性能消防服提供借鑒與參考，使消防服在保障消防員人身安全的同時，增加舒適性，提高消防員的作業(yè)效率。

1 實驗部分

1.1 織物試樣

針對消防服用多層織物，外層選用芳綸1313和Nomex?ⅢA織物，分別記為A1、A2。Nomex纖維是美國杜邦公司于20世紀(jì)60年代末發(fā)明并工業(yè)化生產(chǎn)的間位芳香族聚酰胺纖維，具有優(yōu)異的阻燃耐高溫性、良好的尺寸穩(wěn)定性、較好的力學(xué)性能等。Nomex?ⅢA織物以Nomex纖維為主要成分，具有較好的耐熱防火性，已成為目前應(yīng)用較為廣泛的阻燃耐高溫材料，在熱防護服、抗輻射防護服、靜電防護服等上普遍使用[6]。防水透氣層選用聚四氟乙烯(PTFE)膜復(fù)合芳綸織物，記為B；隔熱層選用氣凝膠纖維氈、玄武巖纖維氈、預(yù)氧絲纖維氈3種新型隔熱層織物以及傳統(tǒng)的芳綸隔熱氈織物，并針對芳綸隔熱氈選取3種不同的厚度，依次記為C1、C2、C3、C4、C5、C6；舒適層選用消防服常用的阻燃棉織物，記為D。各試樣的具體參數(shù)見表1。

表 1 單層織物試樣結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 測試方法

1.2.1 熱防護性能測試

將表1中各層織物進行組合，形成12種消防服用多層織物，其組合形式見表2。采用CSI-206 型TPP測試儀對各組合織物進行熱防護性能測試。該儀器由熱源、防護柵、試樣支架及安裝板、樣品握持器、銅熱量計等組成。熱源提供熱對流和熱輻射2種傳熱形式，銅片熱流計測量試樣溫度得到升溫曲線，將其與Stoll標(biāo)準(zhǔn)曲線比較，可得到二級燒傷時間，從而得到TPP值。

表 2 消防服用多層織物的組合形式

1.2.2 織物熱舒適性測試

通過測試選出熱防護性能較優(yōu)異的外層、防水透氣層、舒適層織物，與6種隔熱層織物形成6種消防服用多層織物。按照GB/T 12704.1—2009《紡織品 織物透濕性試驗方法 第1部分：吸濕法》，采用YG606D型紡織品保暖測試法對消防服用多層織物的克羅值進行測試，進而推算出相應(yīng)的熱阻。采用YG(B)216-Ⅱ型織物透濕量儀測試其透濕性，并推算出相應(yīng)的濕阻。其中，熱阻(Rct)和克羅值(CLO)的計算[7]見式(1)(2)；濕阻(Ret)的計算[8]見式(3)(4)。

(1)

Rct=0.155·CLO

(2)

(3)

(4)

式中：CLO為織物的克羅值，clo；U2為熱傳系數(shù)，W/(m2·℃),WVT為透濕率，g/(m2·h)；Δm為試樣組合2次稱量質(zhì)量之差，g；A為試樣試驗面積，m2；t為試驗時間，h；Ret為織物的濕阻，(m2·Pa)/W；ΔP為試樣兩側(cè)的水蒸氣壓差，Pa；α為水的蒸發(fā)散熱系數(shù)，(W·h)/g。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 織物熱防護性能測試結(jié)果及分析

將各層織物進行配伍形成12種消防服用多層織物，其TPP值測試結(jié)果見表3。

由表3可知，新型隔熱層織物下消防服用多層織物達(dá)到二級燒傷的時間均在20 s以上，同時各組合織物的TPP值均遠(yuǎn)高于GA 10—2014《消防員滅火防護服》標(biāo)準(zhǔn)中所要求的28 cal/m2，即0.118(kW·s)/m2,可為消防員在火場環(huán)境中提供較多作業(yè)時間。其中6#、12#試驗中，所測得的TPP值顯示為N/A，此種組合形式下，織物熱防護性能較好，未達(dá)到皮膚二級燒傷程度，測試結(jié)果未顯示。

2.1.1 隔熱層織物基本物理參數(shù)對熱防護性能的影響

隔熱層的厚度、面密度等基本物理參數(shù)對多層組合織物的熱防護性能會有一定的影響。利用SPSS對隔熱層織物厚度、面密度以及組合織物的TPP值進行相關(guān)性分析，分析結(jié)果見表4。

由表4可知，隔熱層厚度、面密度均與多層組合織物的TPP值有顯著的相關(guān)性。隔熱層厚度與多層組合織物的TPP值顯著正相關(guān)，顯著性水平為0.05，相關(guān)系數(shù)P=0.881；隔熱層織物面密度與多層組合織物的TPP值顯著正相關(guān)，顯著性水平為0.01，相關(guān)系數(shù)P=0.959,即隔熱層織物面密度越大，厚度越厚，多層組合織物的TPP值也越高，組合織物的熱防護性能更優(yōu)。這是由于隔熱氈纖維自身具有優(yōu)異的熱防護性能，隔熱纖維數(shù)量隨織物厚度的增加而增加，因此提高了熱防護性能。

2.1.2 新型隔熱層織物對熱防護性能的影響

由表3可知，新型隔熱層織物中含有預(yù)氧絲纖維氈的多層組合織物的TPP值明顯大于其他隔熱氈，這是由于預(yù)氧絲纖維本身是一種新型耐熱耐焰材料，熱防護性能較好[9]，同時其厚度在這4種隔熱層試樣中也為最厚。其余3種隔熱層織物下多層組合織物的TPP值雖相差不大，但考慮隔熱層厚度(C1氣凝膠纖維氈玄武巖纖維氈>芳綸1414氈，這是由于氣凝膠纖維熱導(dǎo)率低[10]，隔熱性能優(yōu)異，因此其組合的熱防護性能較好。由此可得，新型隔熱層織物能夠提高消防服用多層織物組合的熱防護性能，且影響程度為：預(yù)氧絲纖維氈>氣凝膠纖維氈>玄武巖纖維氈>芳綸1414氈。

2.2 織物熱濕舒適性測試結(jié)果及分析

利用極差分析各層織物對織物組合熱防護性能的影響，得到熱防護性能較優(yōu)異的外層為：Nomex?ⅢA織物，即編號為7#～12#的6種消防服用多層織物，各織物總熱量散失及透氣率見表5所示。

表5 織物熱濕舒適性測試結(jié)果

由表5可知，消防服用多層織物總熱量散失排序為：10#>11#>12#>9#>7#>8#。可見不同隔熱層下消防服用多層織物總熱量散失排序為：芳綸1414氈>預(yù)氧絲纖維氈>氣凝膠纖維氈>玄武巖纖維氈。由于芳綸纖維隔熱性能差，熱阻較小且透濕性較好，因此其消防服用多層織物總熱量散失較大。氣凝膠、玄武巖纖維均因本身具有優(yōu)異的隔熱性能，故其消防服用多層織物熱阻較大，總熱量散失較小。但氣凝膠纖維透濕性好，因而其消防服用多層織物總熱量散失比含玄武巖纖維氈的消防服用多層織物總熱量散失大。由此可見，傳統(tǒng)隔熱層織物下，消防服用多層織物熱濕舒適性優(yōu)于新型隔熱層織物下消防服用多層織物的熱濕舒適性。其中含預(yù)氧絲纖維氈的消防服用多層織物熱濕舒適性最好，含氣凝膠纖維氈次之，含玄武巖纖維氈的消防服用多層織物熱濕舒適性最差。

2.3 消防服用多層織物熱防護性和熱濕舒適性綜合評價

消防服的熱防護性和熱濕舒適性并非完全對立，這為尋求二者性能表現(xiàn)皆優(yōu)的織物組合提供了可能性。本文采用分層評價模式，綜合評價消防服用多層織物組合熱防護性和熱濕舒適性，尋求二者性能的最優(yōu)化組合。

2.3.1 綜合評價方法

綜合評價方法是指對多屬性體系結(jié)構(gòu)對象系統(tǒng)做出全局性、整體性的評價，采用一定的方法給每個評價對象賦予一個評價值，再據(jù)此擇優(yōu)或排序[12]。

本文采用分層評價模式，將編號為7#～12#的消防服用多層織物根據(jù)TPP值、總熱量散失以及透氣性，分別建立安全指數(shù)(Si)、服用指數(shù)(Di)以及舒適指數(shù)(Ci)3個評價分指數(shù)，計算消防服用多層織物組合的質(zhì)量評價綜合指數(shù)(Qi),進而得到綜合性能最優(yōu)的織物組合。質(zhì)量評價綜合指數(shù)(Qi)由3個分指數(shù)計算結(jié)果加權(quán)得到，值越大，綜合性能越好。計算方法見式(5)。

Qi=μ1×Di+μ2×Si+μ3×Ci

(5)

式中：μ1、μ2、μ3這3個權(quán)重值由實驗室專業(yè)人員根據(jù)專業(yè)賦值[11]，其中μ1=0.30，μ2=0.55，μ3=0.15。

2.3.2 綜合評價結(jié)果

利用上述分層評價模式計算得到各消防服用多層織物的評價綜合指數(shù)Qi，具體結(jié)果見表6。

由表6可見，編號為12#的綜合指數(shù)最大，即外層為Nomex?ⅢA織物、防水透氣層為PTFE膜復(fù)合芳綸織物、隔熱層為3.10 mm厚度的芳綸1414氈以及舒適層為阻燃棉織物的消防服用多層織物熱防護性能和熱濕舒適性能最佳。由于編號為7#、8#、9#、10#的試樣隔熱層厚度相近，對其進行分析可知：含新型隔熱層的消防服用多層織物綜合性能優(yōu)于含傳統(tǒng)隔熱層的消防服用多層織物。其中隔熱層為玄武巖纖維氈的消防服用多層織物綜合性能最好，預(yù)氧絲纖維氈次之，含氣凝膠氈的消防服用多層織物綜合性能最差。這是由于含玄武巖纖維氈的消防服用多層織物具有較好的透氣性，故其綜合性能優(yōu)于含氣凝膠纖維氈的消防服用多層織物；含預(yù)氧絲纖維氈的消防服用多層織物雖具有較好的熱防護性能及較大的總熱量散失，但其透氣性較差，導(dǎo)致其綜合性能小于含玄武巖纖維氈的消防服用多層織物。而含傳統(tǒng)芳綸1414氈的消防服用多層織物則因熱防護性能相對較差，使其綜合性能不及含新型隔熱層的消防服用多層織物。

表6 消防服用多層織物綜合指數(shù)計算結(jié)果

3 結(jié) 論

本文通過對10種消防服用多層織物的4層織物結(jié)構(gòu)進行配伍，從新型隔熱層織物的選擇出發(fā)，對使用新型隔熱層織物時消防服用多層織物的熱防護性能進行研究、總熱量損失進行研究，結(jié)果表明含新型隔熱層的消防服用多層織物綜合性能優(yōu)于含傳統(tǒng)隔熱層的消防服用多層織物。

①新型隔熱層織物可提高消防服用多層織物的熱防護性能。隔熱層厚度越厚、面密度越大，消防服用多層織物組合的熱防護性能越好。

②傳統(tǒng)隔熱層織物下消防服用多層織物的熱濕舒適性優(yōu)于新型隔熱層織物下消防服用多層織物的熱濕舒適性；隔熱層厚度對消防服用多層織物組合熱濕舒適性具有重要影響，隔熱層厚度越厚，消防服用多層織物組合的熱濕舒適性越差。

③隔熱層厚度相同時，聚酰胺纖維Nomex?ⅢA織物(外層)、聚四氟乙烯PTFE膜復(fù)合芳綸織物(防水透氣層)、玄武巖纖維氈(隔熱層)以及阻燃棉織物(舒適層)的消防服用多層織物綜合性能最優(yōu)。新型隔熱層織物下消防服用多層織物的綜合性能優(yōu)于傳統(tǒng)隔熱層織物下的消防服用多層織物，將新型隔熱層織物運用于消防服可提高其熱防護性和熱濕舒適性。