消防服用蓄熱調溫熱防護材料的研究

張 慧 劉獻飛 燕紅雁 周雪艷 姜嘉奕 李晴晴

1. 中原工學院 a.紡織學院,b. 能源與環境學院,c.國際教育學院, 河南 鄭州 450007;2. 山東省產品質量檢驗研究院 山東,濟南 250102

消防服是消防員在滅火戰斗過程中穿著的個體防護裝備,是消防員進行火災現場作業時的保護屏障,其熱防護性能關乎消防員的生命安全與救援工作實效,并且直接影響人民的生命、財產安全[1-2]。根據行業標準GA 10—2014《消防員滅火防護服》,傳統消防服由外層、防水透濕層、隔熱層和舒適層這4層結構組成[3-5],其主要通過增加織物面密度與厚度來滿足熱防護要求,但這會極大地影響消防員的熱濕舒適性,降低工作效率[6]。

相變材料(phase change material,PCM)的蓄熱調溫功能已成為消防服領域的研究熱點[7-8]。Rossi等[9]通過涂層法將相變溫度為50 ℃的PCM涂覆在多層織物上,并對其熱防護性能進行測試,研究結果表明,PCM能顯著提高多層織物的熱防護性能。崔志英等[10]采用干法涂層法將PCM與隔熱層復合,對添加PCM的多層織物的熱防護性能進行研究,結果表明,添加PCM的多層織物的熱防護性能提升。馬艷柳等[11]分別選取2種不同相變溫度的微膠囊相變材料(microencapsulated phase change material,MPCM)和阻燃基布材料,利用干法涂層工藝制備不同MPCM和阻燃基布組合的涂層織物,并測試其阻燃性能,結果顯示,經有機硅阻燃劑涂層的織物阻燃性能較好。Mccarthy等[12]將3種PCM縫制于隔熱層與舒適層面料之間,得出利用PCM的潛熱能夠有效降低織物內部溫度,同時減小消防裝備整體質量的結論。上述研究采用不同的方式將PCM與消防服用多層織物結合,再利用阻燃性能或熱防護性能測試結果定性表征材料熱防護性能。本文制備不同相變溫度、放置位置與MPCM用量的消防服用多層織物試樣,采用傳統熱防護性能/熱輻射防護性能(TPP/RPP)測試方法,通過皮膚模擬傳感器探討相變溫度、放置位置及MPCM用量對消防服用多層織物系統熱防護性能的影響,模擬熱輻射對人體皮膚的影響,以及皮膚接收的溫度和熱流量隨輻射時間的動態變化過程。研究結果可為開發兼具熱防護性能與蓄熱調溫功能的高性能熱防護材料提供理論依據。

1 試驗部分

1.1 原料及儀器

試驗原料:MPCM為市售TH-ME系列材料,購自湖北賽默新能源科技有限公司,相變溫度分別為37、43和49 ℃,對應的代號分別為MP37、MP43和MP49,其主要成分為SiO2和石蠟,密度為0.55 g/cm3,儲能密度為120～130 J/g,平均粒徑為40 μm。消防服用面料和阻燃紗線均購自上海圣歐同安防護用品開發有限公司,均為現役消防服常用材料,面料性能參數如表1所示。阻燃紗線為芳綸1313、芳綸1414和導電絲質量比為93∶5∶2的混紡紗線,紗線線密度為18.2 tex×2。

試驗儀器:千分厚度規;FA20004B型電子天平;縫制試驗用小型縫紉機。

表1 消防服用面料性能參數Tab.1 Performance parameters of fabrics for fire suit

1.2 試驗方案

為動態化研究高熱流環境下相變溫度、放置位置(位于隔熱層與防水透濕層之間或隔熱層與舒適層之間)及MPCM用量(分別為多層織物質量的30%、45%、60%、100%)對消防服用多層織物熱防護性能的影響,本文選取42 kW/m2的輻射強度,根據人體皮下組織溫度(37 ℃)及皮膚產生燒傷的溫度(44 ℃)[13],選擇3種不同相變溫度(37、43和49 ℃)的MPCM通過縫制法制備蓄熱調溫熱防護材料。采用面密度為30 g/m2的阻燃非織造布(FZ)與阻燃紗線縫制蓄熱調溫熱防護材料。為確保MPCM在由蓄熱調溫熱防護材料與消防服用多層織物結合形成的多層織物系統中分布均勻,經預試驗,將蓄熱調溫熱防護材料縫制成邊長為1.5 cm的小正方形格子,根據MPCM用量及方格數計算每一方格內需填充的MPCM量,再用天平稱量后,一行一行依次將MPCM填充、縫合在方格內,直至所有方格填充、縫合完畢。

多層織物系統的組合方式及性能參數如表2所示。

表2 多層織物系統的組合方式及性能參數Tab.2 Combination methods and performance parameters of multilayer fabric systems

2 性能測試

2.1 透氣性能測試

采用YG641E-Ⅲ型全自動透氣量儀(寧波紡織儀器廠),根據GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》,在溫度(20±2) ℃,相對濕度(65±2)%的標準大氣環境及100 Pa的壓差下,手動測量一定時間內垂直通過面積為20 cm2的消防服用多層織物系統的氣流量,計算透氣率。每種樣品測10塊試樣,結果取平均值。

2.2 熱防護性能測試

目前的熱防護性能主要通過TPP/RPP值、二級燒傷時間、吸收熱量等指標來衡量。本文采用改進的熱防護性能測試儀[TPP-1型,莫帝斯燃燒技術(中國)有限公司]測試消防服用多層織物試樣的熱防護性能。熱防護性能測試儀的結構簡圖如圖1所示。參照ASTM F 1939-15Standardtestmethodforradiantheatresistanceofflameresistantclothingmaterialswithcontinuousheating,采用傳統TPP/RPP測試法,動態化評價消防服用多層織物系統的熱防護性能。TPP/RPP測試法僅考慮織物接觸熱源時所傳遞的熱能。測試條件:輻射強度42 kW/m2,輻射時間180 s。采用數據采集系統每隔0.10 s采集一次溫度數據,并將采集到的溫度和時間數據輸入Skin Burn Prediction軟件(基于Henriques 皮膚燒傷積分方程)中。按照式(1)計算其熱流量,動態化研究多層織物受熱源輻射后的溫度變化和熱流量變化,并通過軟件計算得到的模擬皮膚吸收的熱量與發生二級燒傷時間來預測燒傷情況。本文主要采用吸收熱量和二級燒傷時間來衡量多層織物系統的熱防護性能。模擬皮膚發生二級燒傷的時間越長或吸收的熱量越少,則多層織物系統的熱防護性能越好。每種樣品測3塊試樣,結果取平均值。測試前,將所有樣品放置在溫度(20±2)℃、相對濕度(65±2)%的標準大氣環境下預調濕24 h。

圖1 熱防護性能測試儀結構簡圖[14]Fig.1 Schematic of TPP tester[14]

(1)

式中:q″(t)為t時刻的熱流量,kW/m2;k為無機混合物的導熱系數,W/(m·℃);ρ為皮膚模擬傳感器的無機混合物的密度,kg/m3;Cρ為無機混合物的比熱容,J/(kg·℃);Ts(t)為t(s)時刻的溫度,℃;Ti為表面初始溫度,℃。

3 結果與討論

3.1 材料相變溫度對多層織物熱防護性能的影響

S-0織物系統與添加了阻燃非織造布的S-1織物系統的熱流量曲線如圖2所示。可以看出,隨著輻射時間的延長,織物系統的熱流量值呈動態上升趨勢;總體而言,S-1織物系統的熱流量值低于S-0的。根據熱流量值計算不同多層織物系統的二級燒傷時間可得,S-0和S-1織物系統分別在100.49 s和103.59 s發生二級燒傷,這是因為加入阻燃非織造布后,織物的整體厚度增加,透氣率下降(OS朝上比CL朝上測得的透氣率分別下降6.99%和8.80%,見表3),因而添加阻燃非織造布的S-1織物系統的熱防護性能更好,二級燒傷時間延長了3.08%。本文以添加阻燃非織造布的S-1織物系統作為后續測試的原樣進行對比分析,以確保測試結果的可比性。

圖3為不同相變溫度下,S-2、S-4、S-6和S-8織物系統的熱流量曲線。可以看出,相同條件下,含MP43的多層織物系統的熱流量值較小且上升較緩慢,其織物吸收的熱量值始終低于含MP37和MP49的多層織物系統。由圖3a)可以看出,添加質量分數為30%的MPCM,3種相變溫度的多層織物系統的熱流量曲線較接近,這是因為添加的MPCM含量較少,蓄熱能力小,傳遞路徑短,熱量易傳遞至模擬皮膚從而導致其燒傷,熱防護效果不明顯。而由圖3d)可以看出,添加質量分數為100%的MPCM的S-8織物系統,其熱流量值最小,其中含MP43與MP49的多層織物系統的熱流量上升速度非常緩慢,且含MP43的多層織物系統的熱流量值最小。這是因為人體的二級燒傷發生在約44 ℃,相變溫度越高,多層織物系統內部蓄積的熱量也越多,其作為熱源,會繼續向皮膚傳遞熱量,還未發生相變就已造成皮膚二級燒傷,因而未能實現防護效果;而相變溫度越低,織物內部蓄積的熱量越能快速達到相變溫度并發生相變,熱防護時間越短[15]。因此,蓄熱調溫熱防護材料的相變溫度為43 ℃時,多層織物系統內部蓄積的熱量溫度越高,熱防護性能越好。

圖2 S-0與S-1織物系統的熱流量曲線Fig.2 Heat flux curves of S-0 and S-1 fabric systems

表3 不同織物系統的透氣率Tab.3 Air permeability of different fabric systems

圖3 不同相變溫度多層織物系統的熱流量曲線Fig.3 Heat flux curves of multilayer fabric systems with different phase-change temperature

3.2 蓄熱調溫熱防護材料放置位置對多層織物熱防護性能的影響

為探究蓄熱調溫熱防護材料放置位置對多層織物熱防護性能的影響,在其他參數相同的條件下,改變蓄熱調溫熱防護材料放置位置(分別放置于隔熱層與舒適層之間和防水透濕層與隔熱層之間),根據熱流量值計算不同多層織物系統的二級燒傷時間,結果如圖4～圖6所示。圖4中,含MP37的S-8和S-9織物系統的二級燒傷時間分別為241.22 s和232.10 s,表明將蓄熱調溫熱防護材料放置在隔熱層與舒適層之間相比放置在防水透濕層與隔熱層之間,所得多層織物系統的二級燒傷時間延長了3.92%,明顯優于其他多層織物系統。圖5中,含MP43的S-6織物系統的二級燒傷時間(225.36 s)相比S-4織物系統的(257.13 s)縮短了12.35%,S-8織物系統的二級燒傷時間(297.08 s)相比S-9織物系統的(264.98 s)延長了12.11%,放置在隔熱層與舒適層之間的S-2、S-4、S-6和S-8織物系統的二級燒傷時間長于放置在防水透濕層與隔熱層之間的多層織物系統(S-3、S-5、S-7和S-9),前種熱防護性能更好。圖6中,織物系統二級燒傷時間的變化規律與相變溫度為43 ℃時的類似,但含MP49的S-8織物系統的二級燒傷時間(244.33 s)相比S-9織物系統的(242.69 s)僅提高了0.68%,兩者的二級燒傷時間較為接近。

圖4 MP37放置位置與二級燒傷時間之間的關系Fig.4 Correlations between the placement location of MP37 and second-degree burn time

圖5 MP43放置位置與二級燒傷時間之間的關系Fig.5 Correlations between the placement location of MP43 and second-degree burn time

圖6 MP49放置位置與二級燒傷時間之間的關系Fig.6 Correlations between the placement location of MP49 and second-degree burn time

從圖4～圖6可知,蓄熱調溫熱防護材料放置在隔熱層與舒適層之間的織物系統相比放置在防水透濕層與隔熱層之間的織物系統,前者二級燒傷時間得以延長。這是因為織物接收到熱輻射后,溫度逐層向模擬皮膚傳遞并呈遞減趨勢[16];當將蓄熱調溫熱防護材料放置在隔熱層與舒適層之間時,較低溫度的隔熱層將熱量傳遞給蓄熱調溫熱防護材料,用于相變。而相同熱輻射強度下,相同MPCM用量的蓄熱調溫熱防護材料用于相變所需的熱量為定值,蓄熱調溫時間延長,其所在多層織物系統整體的熱量傳遞速度將低于蓄熱調溫熱防護材料放置在防水透濕層與隔熱層之間的織物系統的熱量傳遞速度,延長了MPCM蓄熱調溫的整個過程。因此,MPCM的引入可對吸收的熱量起緩沖媒介作用,從而延長皮膚產生二級燒傷的時間,降低熱輻射對人體皮膚的傷害,使消防服用多層織物系統的熱防護性能提高[17]。

3.3 MPCM用量對多層織物熱防護性能的影響

基于3.1和3.2節探究試驗的研究結果,探討MPCM用量對多層織物熱防護性能的影響。在相同熱輻射強度和輻射時間下,選取相變溫度為43 ℃和49 ℃的材料,分別將蓄熱調溫熱防護材料放置在隔熱層與舒適層之間,所得織物系統的熱流量曲線分別如圖7和圖8所示。可以看出,當相變溫度為43 ℃(圖7)時,各織物系統的熱流量曲線變化趨勢類似,其吸收熱量(熱流量曲線與時間形成的面積)依次為435.22、333.07、371.04和232.88 kW/m2,其中,S-6織物系統的吸收熱量相比S-4織物系統的提高了11.40%,S-8織物系統的吸收熱量相比S-4織物系統的降低了30.08%。這是因為相變溫度為43 ℃時,S-6織物系統內部的MPCM用量較多,蓄積在織物內部的熱量多,離開熱源后持續向皮膚傳遞熱量,使得模擬皮膚吸收的熱量增多;而S-8系統內MPCM用量最多,織物最厚,熱傳遞路徑長,在180 s的輻射時間范圍內,未達到其蓄積熱量的最大容量,模擬皮膚最后吸收的熱量降低;而S-4織物系統內部的MPCM用量剛好滿足蓄熱調溫作用,使得熱防護綜合效果最佳。當相變溫度為49 ℃(圖8)時,各織物系統的吸收熱量依次為425.32、373.91、371.40和259.98 kW/m2,其中,S-6織物系統的吸收熱量相比S-4織物系統的僅降低了0.67%。MPCM用量為100%的多層織物體系在整個熱輻射過程中吸收的熱量最少,且在試驗研究的輻射強度和輻射時間下未發生二級燒傷,表明隨著MPCM用量的增加,模擬皮膚在該輻射時間內所接收的熱流量值減小,熱防護性能提升。這是因為隨著MPCM用量的增加,蓄熱調溫熱防護材料厚度增大(表2),熱量由織物內部逐漸傳遞到皮膚的整個傳遞路徑變長,熱量在傳遞過程中逐漸衰減,皮膚接收的熱流量值減少,進而可延長消防服的防護時間,為消防員提供更好的安全防護。

然而,在真實的火場救援中,不能極端追求消防服的熱防護性能,一味增加相變材料用量,還需考慮服裝的舒適性和制作成本,且需符合人體工學。此外,消防服的整體質量也不宜過大,否則會影響消防員的救援效率和穿著熱濕舒適性,增加熱應激。基于此,綜合本文的研究可知,相變溫度為43 ℃、MPCM用量為織物質量45%的多層織物系統(S-4-MP43)的綜合性能相對較好。與對比樣S-1織物系統相比,S-4-MP43的熱防護性能提高了148.22%,既能夠提高消防服的熱防護性能,保障消防員的生命安全,又不過度增加其負荷。

圖7 相變溫度為43 ℃的多層織物系統的熱流量曲線Fig.7 Heat flux curves of multilayer fabric systems with phase-change temperature of 43 ℃

圖8 相變溫度為49 ℃的多層織物系統的熱流量曲線Fig.8 Heat flux curves of multilayer fabric systems with phase-change temperature of 49 ℃

4 結 論

本文采用縫制小正方形格子并填充MPCM的方式制作蓄熱調溫熱防護材料,再將其與傳統消防服用多層織物縫合,制備消防服用多層織物系統,探究了相變溫度、蓄熱調溫熱防護材料放置位置及MPCM用量等因素對消防服用多層織物系統熱防護性能的影響,得到如下結論:

(1)其他參數相同的條件下,相變溫度為43 ℃的含MPCM的多層織物系統接收的熱流量值較小,熱防護性能較好。

(2)其他參數相同的條件下,蓄熱調溫熱防護材料放置在隔熱層與舒適層之間,其織物系統的二級燒傷時間較蓄熱調溫熱防護材料放置在防水透濕層與隔熱層之間的織物系統延長,熱防護性能提高,熱輻射對人體的傷害降低。

(3)隨著MPCM用量的增加,多層織物內部蓄積的熱量主要集中在蓄熱調溫熱防護材料內,傳遞到模擬皮膚后,模擬皮膚接收的熱量越小,熱防護性能越好;結合成本及服裝的熱濕舒適性等因素,在本文所選4種MPCM用量中,相變溫度為43 ℃、MPCM用量為織物質量45%的多層織物系統(S-4-MP43)的綜合性能相對較好,其二級燒傷時間可達257.13 s,比未添加蓄熱調溫熱防護材料的多層織物(S-1)的熱防護性能提高了148.22%。