形變狀態下熱防護織物的蓄放熱雙重特性

郭 靜， 周倩雯， 何佳臻,2

(1. 蘇州大學 紡織與服裝工程學院， 江蘇 蘇州 215006； 2. 蘇州大學 現代絲綢國家工程實驗室， 江蘇 蘇州 215021)

冶金工業、消防救援等特殊場合的作業人員常受到外界環境帶來的熱威脅，熱防護服的出現及發展很大程度上保障了高溫環境中作業人員的生命安全[1]。熱防護服作為特殊功能性服裝，需具備優良的隔熱性及阻燃性，當作業人員長時間暴露在熱災害環境中時，熱防護服的確可以阻隔熱量傳遞，為人體提供良好的保護，使其免受熱危害。為了評估織物的隔熱防護性能，國內外制定了相關測試方法，例如傳統的熱防護性能(thermal protective perfor-mance， TPP)測試以及輻射熱防護性能(radiant protective performance， RPP)測試,但是，在熱暴露過程中織物溫度的升高會導致大量的熱量蓄積在其內部[2]，當人體離開熱環境后，儲存熱量的織物本身卻變為被動熱源，通過自然放熱或強制放熱，將其蓄熱傳遞至皮膚，從而導致或者加劇皮膚燒傷[2-3]；因此，在實際使用中熱防護服具有雙重影響，其既可以在熱暴露階段通過阻隔熱傳遞而產生熱防護作用，還可以在冷卻階段通過蓄熱釋放對皮膚產生熱危害。傳統的TPP、RPP測試并未考慮冷卻階段織物的放熱危害，不能用于燒傷評估。為了更全面地評價防護織物的蓄放熱雙重特性對皮膚燒傷的影響，近年來美國制定了相應的測試標準，如ASTM F2703—2013《具有燒傷預測的服裝用阻燃材料的非穩態傳熱評估標準試驗方法》、ASTM F2702—2015《考慮皮膚燒傷下服用阻燃織物輻射熱性能標準測試方法》、ASTM F2731—2018《消防人員防護服系統熱量傳輸和儲存能量測量的標準試驗方法》，其分別對應織物的熱性能估計值(thermal performance estimate value， TPE)測試、熱輻射性能值(radiant heat performance value， RHP)測試以及熱蓄積測試(stored energy test， SET)。

利用這些方法，前期學者探究了織物層數、衣下空氣層、水分等因素對熱防護織物蓄放熱雙重特性的影響[4-5]。Song等[2]研究發現，相較單層織物而言，多層織物系統的蓄熱能力更好，但其冷卻階段可能對皮膚產生的熱危害也越大，而空氣層的存在為織物提供了良好的熱絕緣性，增大了熱暴露階段織物的蓄熱能力，同時在冷卻階段空氣層也阻隔了織物對皮膚的放熱，降低了釋放至人體的熱量[4]。He等[5]研究發現，織物系統的蓄熱能力隨著水分的增加而增大，但是當水分含量達到一定程度時，其蓄熱能力反而會降低。水分所處位置的不同會對織物的放熱性能產生不同影響，織物外層水分對其放熱性能無顯著性影響，織物內層水分會使其對皮膚的放熱量增大。

前期研究并未考慮人體運動時所導致的織物形態變化的影響。相關研究[6]表明，消防員的燒傷多存在于手臂、大腿、膝蓋等活動頻繁部位，與傳統熱防護性能測試所模擬的靜態條件相比，在真實人體運動過程中，織物會隨著人體運動狀態的變化發生形變，例如下蹲時大腿部位的拉伸形變，會進一步造成人體皮膚接觸性燒傷。拉伸形變后織物的物理性能會發生變化，這可能會影響其蓄放熱雙重特性，進而對其熱防護性能產生影響，但是拉伸形變狀態下織物的熱防護機制尚不明晰。Li等[7]研究發現拉伸形變會使織物透氣性顯著降低，并使其熱防護性能降低，但是此研究并未考慮形變后織物在冷卻階段的放熱危害。基于此，本文通過研制形變狀態下織物蓄放熱特性測試儀，對其拉伸形變狀態下的蓄放熱雙重特性進行量化研究，以探索織物形變程度對其蓄放熱特性的影響。本文研究結果將為完善織物熱防護性能測評方法、新型熱防護織物的研發提供參考。

1 實驗設計

1.1 實驗材料

本文選取4種織物，其基本參數如表1所示。表中織物厚度、比熱容分別依據ASTM D1777—2019《紡織材料的厚度標準測試方法》、ASTM E1269—2011《用差示掃描量熱法測定比熱容的標準測試方法》進行測定，其中，比熱容為20 ℃時的數值。利用表1中的織物設計6種織物系統，包含單層和雙層織物系統，主要用于工業人員及軍事人員用工作服[8]。各織物系統的基本參數如表2所示。

表1 織物基本參數

表2 織物系統組合及其基本參數

1.2 實驗設備

本文自主研制了形變狀態下織物蓄放熱特性測評裝置，如圖1所示。此裝置包含織物拉伸形變模擬裝置、皮膚得熱量測量裝置、織物表面溫度測量系統、熱源、移動滑軌和數據采集系統等。熱源豎直放置，采用黑色陶瓷發熱板用以模擬低輻射熱源，其符合測試標準ASTM F2731—2018。皮膚得熱量測量裝置置于織物背面，主要用于測量模擬皮膚的熱流密度，其中心為水冷式熱電型傳感器，測量范圍為0～22.8 kW/m2。織物表面溫度測量傳感器采用直徑為0.127 mm的K型熱電偶[8-9]。移動滑軌由不銹鋼管制成，織物拉伸裝置可在滑軌上自由移動從而實現熱暴露與冷卻階段的連續控制。

圖1 形變狀態下織物蓄放熱特性測試儀俯視圖

為了模擬織物不同程度的拉伸形變，本文研制了織物拉伸形變模擬裝置，如圖2所示。此裝置主要由框架、壓桿、試樣卷軸、蝸輪蝸桿傳動機構、旋鈕組成，裝置工作原理是運用壓桿及試樣卷軸固定織物，并且利用蝸輪蝸桿傳動使織物發生拉伸形變，此傳動方式傳動比大且傳動平穩。本文采用NI-9213型(美國國家儀器)數據記錄儀進行數據采集，并通過LabVIEW編寫的數據采集程序對織物表面溫度數據及皮膚熱流數據進行記錄。

圖2 織物拉伸形變模擬裝置

1.3 實驗流程

由于斜紋織物在斜向拉伸時的形變程度更大，本文參考Li等[7]的研究，將織物預先進行45°斜向裁剪[10]用于模擬服裝斜向拉伸形變。試樣的裁剪尺寸為7 cm×30 cm，將裁剪后的試樣靜置在溫度為(20±2) ℃、相對濕度為(65±5)%的恒溫恒濕間至少24 h。實驗開始前，為了測量織物的溫度分布，將K型熱電偶分別縫制于各織物層中心位置，對于單層織物而言，在其正反面中心位置各固定1個K型熱電偶，對于雙層織物而言，在外層織物正反面及隔熱層反面中心位置各固定1個K型熱電偶[11]。根據ASTM F2731—2018，將熱源熱流密度校準至(8.5±0.5) kW/m2開始實驗。

實驗設置4個拉伸率水平，分別為0%、3%、6%、9%。先將織物一端固定在拉伸形變模擬裝置的壓桿下，再將織物另一端穿入試樣卷軸，并旋緊壓桿旋鈕進行固定，最后通過蝸輪蝸桿傳動機構對織物進行拉伸并旋動旋鈕進行固定。熱暴露時間設定為600 s，熱暴露結束后通過移動滑軌將織物移離熱源，使其在空氣中自然冷卻，冷卻時間設定為300 s。為減小實驗誤差，每種織物組合測試3塊試樣，取平均值。

1.4 織物蓄放熱特性評價指標

1.4.1 織物蓄熱防護性能的評價指標

1.4.1.1累計蓄熱量(Qst) 熱暴露階段的累計蓄熱量表示織物系統的儲存熱量，主要與織物層溫度、比熱容及面密度相關，其計算公式[8]為

(1)

式中:Qst(t)為t時間內織物系統累計蓄熱量，kJ/m2；N為不同蓄熱材料層的數量,個；Li為第i層織物的厚度，m；ρi為第i層織物的密度，kg/m3；ci為第i層織物的比熱容，kJ/(kg·℃)；ΔT1i(t)為t時間內第i層織物內表面的溫度波動，℃；ΔT2i(t)為t時間內第i層織物外表面的溫度波動，℃。

1.4.1.2蓄熱速率(qst) 蓄熱速率表示織物系統蓄熱的快慢程度，計算式為

(2)

式中：qst(t)為t時刻織物系統蓄熱速率，kW/m2；Δt為采樣時間間隔，設置為0.1 s。

根據Zhu等[12]和Torvi等[13]的研究可知，式(1)、(2)中織物的比熱與溫度有關，可將比熱近似為溫度的線性函數，計算式為

c(T)=c0+k(T-T0)

(3)

式中：c(T)為溫度T時織物的比熱容，kJ/(kg·℃)；c0為恒溫20 ℃時織物的比熱容，kJ/(kg·℃)；k為系數。

織物發生拉伸形變后，將對織物的密度及厚度產生影響，二者乘積即為織物面密度，因此為了量化形變后的織物蓄熱量，需先對拉伸后織物的面密度進行量化。因織物需置于拉伸裝置上進行形變模擬，無法直接對其質量稱量，因此本文使用拍照法并結合質量守恒定律對拉伸形變后織物的面密度進行量化。為了避免夾持部位對織物拉伸形變的影響，參照GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能 第1部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測定(條樣法)》，將織物剪成梯形再進行拍照。拍照法操作步驟如下，對不同拉伸率下的織物分別進行拍照，利用圖片處理軟件對不同拉伸率下的織物實際面積進行計算。根據質量守恒定律，織物拉伸形變后的面密度可由式(4)進行計算。

(4)

式中：W1為拉伸后織物面密度，g/m2；W0為拉伸前織物面密度，g/m2；S0為拉伸前織物面積，m2；S1為拉伸后織物面積，m2。

1.4.1.3皮膚得熱量(Q) 熱暴露階段輻射熱源發射的熱量部分傳遞至周圍環境，部分傳遞至織物，其中傳遞至織物的熱量通過輻射、對流和傳導的方式再將熱量傳遞至皮膚，因此熱暴露階段皮膚的得熱量本質上體現了熱暴露階段織物對皮膚熱防護作用。本文采用水冷式傳感器采集到達皮膚的熱流量，并依據此數據來評價織物的熱防護性能，計算方法如式(5)所示。

(5)

式中：Q(t)為熱暴露t時間內皮膚得熱總量，kJ/m2；q(t)為t時刻水冷傳感器的熱流密度，kW/m2；texp為熱暴露時間，s。

1.4.2 織物放熱危害性能評價指標

1.4.2.1累計蓄熱回放量(Qrls) 熱暴露結束后，織物中的部分蓄熱會釋放至人體皮膚，其余部分則釋放至周圍環境。從熱危害的角度而言，只有釋放至皮膚的蓄熱才有可能導致燒傷，因此在討論熱防護織物放熱危害特性時，僅關注釋放至皮膚的熱量部分[2,14]。采用累計蓄熱回放量表征冷卻階段織物系統釋放至皮膚的熱量，計算方法如式(6)所示。

(6)

式中:Qrls(t)為冷卻t時刻內織物系統的累計蓄熱回放量，kJ/m2；texp為熱暴露時間，s；tco為冷卻時間，s；qsens(t)為t時刻的傳感器熱流密度，kW/m2。

1.4.2.2蓄熱回放效率(γ) 蓄熱回放效率表示累計蓄熱回放量占累計蓄熱量的百分比，從此指標可以看出織物對皮膚的放熱量分配，計算方法如式(7)所示。

(7)

式中：γ為織物蓄熱回放效率，%；Qrls為冷卻階段的累計蓄熱回放量，kJ/m2；Qst為熱暴露階段的累計蓄熱量，kJ/m2。

1.5 數據分析方法

本文研究采用SPSS 20.0數據統計分析軟件對拉伸率的影響進行單因素方差分析(ANOVA)，同時，利用多重比較分析(LSD)探究不同拉伸率水平間的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 形變狀態下織物的蓄放熱過程

本文研究以雙層織物系統D1為例，對形變狀態下織物的蓄放熱過程進行分析。此織物系統在4個拉伸率水平下的累計蓄熱量及蓄熱速率如圖3所示。可看出,無論織物的拉伸水平如何，織物的蓄熱過程類似，均可分為3個階段：增長期、平穩期和下降期。

圖3 不同拉伸形變狀態下織物系統D1的蓄放熱過程

增長期：在熱暴露初始階段的100 s左右，織物系統內的累計蓄熱量持續上升且蓄熱速率為正值。熱暴露開始時織物與環境間的溫差較大，其蓄熱速率也較大，隨著織物系統累計蓄熱量的增加，其與環境間的溫差降低使其蓄熱速率也逐漸降低。需注意由于織物系統內水分蒸發時需吸收熱量，因此蓄熱速率產生了一定的波動。

平穩期：熱暴露持續一段時間后，織物系統內的傳熱達到穩定狀態，此時織物系統既不吸熱也不放熱，蓄熱速率接近為0 kW/m2。該階段的持續時間與熱暴露時間相關，熱暴露時間越長，則此階段持續時間越長。由此階段可看出，拉伸形變狀態下織物在固定熱暴露強度下的蓄熱能力有限。這與He等[8]對未拉伸狀態下織物蓄熱能力研究結論一致。

下降期：熱暴露結束后即進入冷卻階段，在冷卻初始的50 s內織物系統快速放熱，其累計蓄熱量迅速下降，蓄熱速率為負值，隨后放熱趨于平緩，直至蓄熱完全釋放。

2.2 形變狀態下織物的蓄熱防護性能分析

2.2.1 拉伸形變對織物蓄熱特性的影響

由2.1節可知形變狀態下織物的蓄熱平穩期持續時間較長，且該期間的累計蓄熱量為蓄熱過程中的最大值，該值反映了織物的最終蓄熱程度。因此本文將熱暴露結束時的累計蓄熱量作為織物系統蓄熱能力的最終表征值，討論拉伸形變對其產生的影響。

表3示出熱暴露結束時各織物系統在不同拉伸率下的累計蓄熱量。可看出，拉伸率對6種織物系統的累計蓄熱量均有極顯著性影響(P<0.01)，除了織物系統S2、D1、D2、D3在拉伸率3%與0%時的累計蓄熱量無顯著性差異(P>0.05)外，其余織物系統的累計蓄熱量在各拉伸率水平下均與未拉伸時有顯著性差異(P<0.05)。其中，拉伸形變狀態下雙層織物的累計蓄熱量遠遠大于單層織物，例如雙層織物系統D4在拉伸率為9%時的累計蓄熱量是單層織物系統S1的4.08倍，此外，多數織物系統在拉伸率差異較小時其累計蓄熱量無顯著性差異，拉伸率差異上升至6%以上時累計蓄熱量有顯著性差異，例如織物系統D3在拉伸率為3%與6%時累計蓄熱量無顯著性差異(P>0.05)，在拉伸率為3%與9%時累計蓄熱量有顯著性差異(P<0.05)。

表3 熱暴露結束時織物系統的累計蓄熱量

總體而言，各織物系統累計蓄熱量均隨著拉伸率的增加而逐漸減小。6種織物系統在拉伸率為9%時，其累計蓄熱量相較未拉伸時下降了13.55%～30.96%。這是由于拉伸形變后紗線狀態由收縮變為拉伸，紗線織點發生滑移使得織物組織更加緊密[7]，從而導致紗線內與紗線間的空氣含量減少。空氣作為一種優良的絕緣體，其導熱率僅為纖維的1/6[15]，可以很好地阻隔熱量的傳遞，空氣含量的降低使織物隔熱性能顯著下降進而使織物的溫度降低[7]，其累計蓄熱量降低。需要注意的是，式(1)顯示織物的累計蓄熱量與織物的升溫及其面密度成正比，而根據1.4.1節的拍照法得知，織物面密度將隨著拉伸率的增加而增加，這說明織物拉伸后其升溫的降低程度大于其面密度的增加程度。例如S1在拉伸率為9%時其面密度相較未拉伸時增加了12.29%，此時織物外層溫度為118.56 ℃，相較于未拉伸時的溫度166.88 ℃降低了28.95%。

織物系統的蓄熱能力由系統內織物層的基本性能決定，因此有必要對織物層的累計蓄熱量分布進行討論。圖4示出不同拉伸率下織物系統內的累計蓄熱量分布。可看出，相同織物層在不同織物系統中的累計蓄熱量不同，且在單層織物系統中的累計蓄熱量低于其在雙層織物系統中的量。例如織物系統S1、D1均采用了相同的外層織物OS1，但是其在單層織物系統S1中的累計蓄熱量(36.27～47.36 kJ/m2)僅為雙層織物系統D1中的累計蓄熱量(65.73～72.70 kJ/m2)的53.91%～65.14%。這主要是因為較單層織物而言，雙層織物系統增加了隔熱層，其所提供的隔熱性能降低了熱量從外層織物向皮膚方向的傳遞，從而使更多的熱量蓄積在了外層織物內。對于雙層織物系統而言，在不同拉伸狀態下外層較隔熱層的累計蓄熱量更多，例如D1在不同拉伸水平下外層蓄積了53.20%～58.22%的熱量，這是由于織物系統外層直接面向熱源，其織物溫度較高，其溫度在不同拉伸水平下較隔熱層織物高41.40%～61.17%，故蓄積的熱量更多。隨著拉伸率的增加，雙層織物系統中外層織物的累計蓄熱量變化較小，而織物系統累計蓄熱量整體降低主要源于隔熱層的蓄熱量下降，其可能與隔熱層的織物結構及拉伸后的織物基本物理性能相關。根據式(1)可知，織物面密度、比熱容、溫度共同作用對織物累計蓄熱量產生影響。隨著拉伸率的增加，隔熱層面密度、比熱容及溫度均發生了相應變化。例如D1在拉伸率為9%較無拉伸時，其隔熱層織物的面密度增加了12.9%、溫度及比熱容(與溫度有關)分別降低了26.30%、12.84%，綜合其影響，使得織物系統累計蓄熱量下降。同時，隔熱層為較為松散的水刺氈結構，其在拉伸時纖維間的空氣排出更多，可能引起拉伸后隔熱性能下降，從而使得蓄熱能力降低程度更為明顯。

圖4 不同拉伸形變狀態下織物系統內的累計蓄熱量分布

2.2.2 拉伸形變對熱暴露階段皮膚得熱量影響

皮膚得熱量直接表征了通過織物傳遞至皮膚的熱量，以此可對熱暴露階段織物的熱防護性能進行評價。本文以雙層織物系統D1為例，對不同拉伸率水平下的皮膚得熱的變化過程進行分析，如圖5所示。與圖3中織物系統的蓄熱過程相比較可看出，在蓄熱增長期(即熱暴露初始100 s內)，皮膚得熱速率也持續上升，這是由于此階段織物系統與模擬皮膚模擬傳感器間的溫差較大，二者之間較大的換熱速率使得皮膚模擬傳感器吸熱速率較大；而在蓄熱平穩期(100～600 s)，皮膚得熱速率也趨于穩定，此時系統內的傳熱達到了平衡狀態，但由于織物系統的蓄熱不再增加，因此皮膚得熱量表現為隨著熱暴露時間的增加呈線性遞增。

圖5 不同拉伸形變狀態下織物系統D1的皮膚得熱變化

不同拉伸狀態下的皮膚總得熱量如圖6所示。可看出，各織物系統的皮膚得熱量變化趨勢基本一致，均隨著拉伸率的增加皮膚得熱量持續上升。這與熱暴露階段織物系統的蓄熱能力相關，由2.2.1節可知織物的累計蓄熱量隨著拉伸率的增加而減小，因此傳遞至皮膚的熱量將增加，織物的熱防護性能變差。例如，織物系統D1在拉伸率為9%時皮膚得熱量為2 550.13 kJ/m2，較拉伸率為0%時的皮膚得熱量1 866.67 kJ/m2高出36.61%。此外，在相同拉伸率水平下，織物厚度越大其皮膚得熱量越小。

圖6 不同拉伸形變狀態下的皮膚總得熱量

2.3 形變狀態下織物的放熱危害性能分析

2.3.1 拉伸形變對織物蓄熱回放量的影響

不同織物系統在各拉伸率水平下的累計蓄熱回放量如圖7所示。可知，拉伸率對織物系統S1、S2、D1、D2的累計蓄熱回放量有顯著性影響(P<0.05)；S1、S2、D3、D4 4種織物系統在拉伸率為3%時的累計蓄熱回放量與其未拉伸時無顯著性差異(P>0.05)，其余拉伸率水平均與未拉伸時有顯著性差異(P<0.05)。整體而言，隨著拉伸率增大，織物系統的累計蓄熱回放量逐漸降低，這是因為拉伸率的增加會導致織物系統的累計蓄熱量降低，從而造成冷卻階段其對皮膚的累計蓄熱回放量減少。

圖7 不同拉伸形變狀態下織物系統的累計蓄熱回放量

無論拉伸率如何，單層織物系統的累計蓄熱回放量遠小于雙層織物系統，這與其累計蓄熱量較少有關。對于具有相同外層織物的雙層織物系統D1和D3而言，除了拉伸率為0%的條件之外，織物系統D3在其余拉伸率水平下的累計蓄熱回放量均顯著大于織物系統D1(P<0.05)。He等[9]的研究表明，多層織物系統對皮膚的蓄熱回放量主要來源于靠近皮膚的隔熱層，而織物系統D3具有較厚的隔熱層，其在熱暴露階段蓄積了更多的熱量(見圖4)，從而導致了冷卻階段隔熱層對皮膚的放熱也顯著增加。

2.3.2 拉伸形變對織物蓄熱回放效率的影響

蓄熱回放效率本質上表征了累計蓄熱回放量與累計蓄熱量間的關系，各拉伸水平下二者間的擬合曲線如圖8所示。可看出在拉伸形變狀態下，織物累計蓄熱回放量與其累計蓄熱量間的線性回歸方程為y=0.41x+15.71,決定系數R2=0.979，表明擬合結果好，因此織物系統冷卻階段的累計蓄熱回放量隨著其熱暴露階段的累計蓄熱量的增加而呈線性增大。

圖8 累計蓄熱量與累計蓄熱回放量的關系

表4示出各織物系統在不同拉伸率水平下的蓄熱回放效率。可知，隨著織物拉伸率的增加其蓄熱回放效率逐漸增大，此時有更多的熱量到達人體皮膚，因此當織物發生拉伸形變時其放熱危害性能更應引起重視。盡管前文指出單層織物在形變狀態下的累計蓄熱回放量遠低于雙層織物，但是其蓄熱回放效率卻顯著高于雙層織物，因為皮膚燒傷不僅與蓄熱回放量有關，與蓄熱回放效率也有很大的關系[16]。

表4 織物系統的蓄熱回放效率

3 結 論

本文通過自研的形變狀態下織物蓄放熱特性測試儀，研究了不同拉伸形變狀態下織物的蓄熱防護和放熱危害雙重特性,得到如下結論。

1)織物發生形變時，其蓄熱過程包括增長期、平穩期和下降期3個階段，其中，平穩期的出現表明在特定強度的熱源條件下形變織物的蓄熱能力有限。

2)拉伸形變對各織物系統在熱暴露階段的累計蓄熱量均有顯著性影響，且隨著拉伸率的增加，其熱暴露階段的累計蓄熱量逐漸降低。當織物發生拉伸形變時，單層織物系統的累計蓄熱量低于雙層織物系統。在雙層織物系統中，外層織物較隔熱層織物所蓄積的熱量更多，且隨著拉伸率的增加，雙層織物系統中外層織物的累計蓄熱量變化較小，而織物系統累計蓄熱量的降低主要源于隔熱層的蓄熱量下降。此外，隨著拉伸率的增加皮膚得熱量持續上升，表現為熱防護性能下降。

3)隨著拉伸率的增加，織物系統在冷卻階段的累計蓄熱回放量逐漸減小，而蓄熱回放效率逐漸增大，因此當織物發生拉伸形變時其放熱危害性能更應引起重視。形變狀態下織物的累計蓄熱回放量與其累計蓄熱量間呈正線性關系。