朱榮桂，趙曉明

(天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)部，天津 300387)

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消防織物熱防護性能的影響因素研究

朱榮桂，趙曉明

(天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)部，天津 300387)

消防織物的熱防護性能主要由外界因素(包含環(huán)境因素和人為因素)和消防服織物本身的性能所決定。論述了現(xiàn)階段不同因素對消防織物的熱防護性能影響研究的概況，并指出了未來消防織物將從單一到復(fù)合再到多種因素共同作用下熱防護性能研究的發(fā)展趨勢。

消防織物 熱防護性能 影響因素

消防服裝包含了消防戰(zhàn)斗服、消防隔熱服、避火服等，是消防隊員在進行滅火救災(zāi)時所穿著的防護服裝。在消防員進行作業(yè)時，火災(zāi)環(huán)境-消防織物-消防員構(gòu)成了一個系統(tǒng)[1]，火災(zāi)的現(xiàn)場環(huán)境是我們進行研究的前提，消防織物則是我們研究的媒介，消防員的人身安全則是我們研究的最終目的。

熱防護性能(TPP)是指透過織物引起人體二度燒傷的熱能值，單位為千瓦秒每平方米(kw﹒s/m2)，是消防服必須具備的一項重要的防護性能，是用來表征織物的熱防護性能的值，TPP值越大，其熱防護性能就越強?？椢锏臒岱雷o性能通常用TPP熱防護儀進行測量，通過計算達到二次燒傷的時間和規(guī)定的輻射/對流總熱量的乘積得到[2]。

TPP值 = T × q

近年來，人們已經(jīng)逐步綜合多種因素同消防織物的研究相結(jié)合來研究其熱防護性能，主要包括消防員所處的外界條件和一些消防服本身條件。外界因素包含了環(huán)境因素如水、熱、光、力等；人為因素如洗滌、摩擦、運動等。消防織物本身則是從耐火纖維、面料、織物組成、服裝結(jié)構(gòu)等方面進行研究。只有將外界因素以及消防織物本身對消防服的各種影響均考慮在內(nèi)時，我們設(shè)計出來的消防服才能夠具備更高的熱防護性能。

1 外界因素

消防服作為消防員與外界火源隔絕的屏障，能夠有效地阻止火焰對人體的傷害[3]，但是外界因素的多樣化會對消防服的熱防護性能產(chǎn)生影響。外界因素包含環(huán)境因素和人為因素，它們的存在均對消防織物的熱防護性能有影響。

1.1 環(huán)境因素

消防員在進行消防作業(yè)時，所處的實際環(huán)境中存在著熱輻射、水分、光照等多種因素，在研究消防服時，要將各種不同的影響因素考慮在內(nèi)，這樣才能針對不同的影響因素來設(shè)計和改進現(xiàn)有的消防織物的材料和結(jié)構(gòu)等，設(shè)計出熱防護性能更高的防護織物。

在消防員進行作業(yè)時，常常會遇到熱液飛濺的危險。Sumit Mandal, Guowen Song等人通過研究將面料浸泡于熱水和熱水飛濺兩種情況下的實驗，對比發(fā)現(xiàn)經(jīng)過熱水壓縮浸泡的消防服織物其物理性能發(fā)生了變化，導(dǎo)致其熱防護性能隨之降低[4]。

Zhi-ying Cui, Chunjie Ma等人通過對常用于消防服面料的x-fiper織物進行熱處理，研究其在經(jīng)過不同的熱強度和曝光時間后，對其機械性能和熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)熱強度對拉伸強度、撕裂強度、斷裂伸長率都有顯著的影響，在9.7kw/熱輻射強度下，面料的機械性能大大降低，但是其熱防護性能達到最大值[5]，但由于此時部分面料已被燒焦易碎，不易長時間使用。

楊海燕等也對消防織物國產(chǎn)芳綸在熱輻射條件下進行研究，發(fā)現(xiàn)在9.7kw/試樣的熱防護性能達到最大值，主要是由于熱收縮使得織物表面碳化形成一道保護屏障[6]。但由于碳化的服裝機械性能降低，可穿著性能也隨之降低，因此在研究消防服面料的防護性能時，不能只看它的熱防護性能，機械性能對消防服的穿著也是相當(dāng)重要的。

R. L. Barker等人通過研究水分對低水平輻射熱下的消防服的熱防護性能，發(fā)現(xiàn)含水量在15%到20%之間時，濕度增加，其熱防護性能也隨之變好；超過20%含水量以后，其熱防護性能隨著濕度的增加而降低[7]。因此濕度控制在消防服面料中也是相當(dāng)關(guān)鍵的，合適的濕度能夠提高熱防護性能，延長消防服的保護時間。但R. L. Barker等人只是研究了水分在低水平輻射熱下對消防服面料的影響，沒有考慮到高水平，火焰或者面料選取的不同情況下對其造成的影響，在未來的消防服研究中將逐步深化。

孟瑾通過研究日曬對消防服的熱防護性能的影響，發(fā)現(xiàn)日曬后消防織物的熱防護性能增加，但隨著輻射強度的增大和時間的積累，熱防護性能將會呈現(xiàn)降低趨勢[8]。

1.2 人為因素

服裝穿著通常都要經(jīng)過洗滌，張靜靜通過對單層或者多層消防織物經(jīng)過洗滌后的熱防護性能進行研究，發(fā)現(xiàn)消防織物的熱防護性能在洗滌之后出現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象，但是均大于洗滌之前的熱防護性能，即經(jīng)過洗滌后的消防織物的熱防護性能增大[9]。

消防員在進行作業(yè)時，一直處于運動狀態(tài)，李俊，李曉輝等人通過對測試熱防護測試儀進行修改，模擬了三種消防員運動模式，并對不同模式下的熱防護性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)在運動時，織物之間產(chǎn)生不斷變化著的氣隙，比沒有運動零氣隙狀態(tài)下的熱防護性能明顯提高，但均近似于靜態(tài)氣隙為6.4mm時消防織物的熱防護性能[10]。不斷運動的情況下，摩擦因素也是不容忽視的。韓倫通過對多層消防織物的外層進行不同次數(shù)的摩擦后的熱防護性能進行研究，發(fā)現(xiàn)摩擦后的消防織物的厚度不斷變薄從而導(dǎo)致其熱防護性能的降低[11]。

1.3 總結(jié)

消防織物在多重外界因素作用下，其熱防護性能也隨之發(fā)生了變化。消防員作業(yè)時長時間處于熱輻射的條件下，消防織物會逐漸發(fā)生硬化收縮，隨著時間的增加消防織物的熱防護性能也在逐漸減退；消防作業(yè)時，還常常伴隨有各種飛濺的液體危險，經(jīng)過高溫的液體，會使消防織物發(fā)生收縮，降低其熱防護性能給消防員的生命安全帶來威脅等等，各種外界因素均會對消防織物的熱防護性能造成影響，只有綜合全面的影響因素進行研究，得到的消防織物才是最優(yōu)的。

2 消防織物

在火災(zāi)環(huán)境-消防織物-消防員這個系統(tǒng)中，消防織物對人體的保護起著相當(dāng)重要的作用。消防織物是典型的多層織物結(jié)構(gòu)，包含外層、防水透氣層、隔熱層和舒適層。消防織物本身對其熱防護性能的影響主要取決于消防織物的面料的組成、織物的厚度、織物的層間配置等等。

2.1 面料因素

消防織物的面料主要是由耐高溫纖維混紡而成[12]，或者通過后整理得到具有更好的熱防護性能織物。目前主要的高性能纖維主要是芳綸1313纖維(聚間苯二甲酰間苯二胺)、芳綸1414纖維(聚對苯二甲酰對苯二胺)、PBI纖維(聚苯并咪唑纖維)、Kermel纖維、芳砜綸纖維、PBO纖維等[13]一些耐高溫性能強的纖維。

C.Bisja發(fā)現(xiàn)了一種將高嶺土同纖維基體相結(jié)合形成的TencelR100纖維，在燃燒時會形成一層穩(wěn)定的隔熱層[14]，由其制成的織物熱防護性能提高。魏亮,劉介正等人通過在芳綸面料上涂鋁層鋁膠，并進行熱防護性能和垂直燃燒實驗，發(fā)現(xiàn)涂鋁膠后的芳綸面料的熱防護性能大于未涂層的，得到了一種外層鍍鋁的新型消防服面料[15]。趙南,李昂等人通過將鋁箔材料和玻璃纖維面料復(fù)合得到一種新的，阻燃、隔熱及熱防護性能均提高的森林消防服面料[16]。

Fanglong Zhu,QianQian Feng等人把粉末狀的相變材料分別納入隔熱層和舒適層，發(fā)現(xiàn)含有相變材料的復(fù)合面料比原始面料的熱防護性能好且相變材料納入舒適層時的熱防護性能更好[17]。Akram Hassan Mohammed Ali, Weidong Yu通過使用鋁層、無紡玄武巖布、無紡纖維和棉制成一個典型的消防服四層結(jié)構(gòu)織物，并將相變材料均勻的噴涂在無紡氈織物上制的相變吸熱復(fù)合層，測試制備好的復(fù)合織物的TPP值，發(fā)現(xiàn)有相變材料的復(fù)合織物比無相變材料織物的TPP值明顯增大且其熱絕緣性能有明顯的提高[18]。

2.2 間隙因素

消防織物是多層織物組織而成，其熱防護性能不僅跟消防織物的纖維和面料有關(guān)，跟消防織物的層間配置方式及其功能設(shè)計也相關(guān)。間隙因素給消防織物帶來積極的影響，間隙變大其織物的熱防護性能變高，間隙變小熱防護性能也隨之降低。

Elena Onofrei，Stojanka Petrusic等人通過實驗和數(shù)值模擬對在低級別熱輻射時熱通量在多層防護服內(nèi)的傳遞的研究，發(fā)現(xiàn)隨著空氣間隙的增加，熱傳遞到皮膚的時間就變長了，熱防護性能也就隨之提高[19]。Ming Fu, Wenguo Weng等人通過對不同低級別的熱輻射下不同位置的不同空氣間隙的消防織物進行研究，并通過測量每層織物的外表面和內(nèi)表面的溫度來探索織物系統(tǒng)內(nèi)的溫度分布，發(fā)現(xiàn)隨著輻射流量的增加多層織物的熱防護性能隨著氣隙的減小而降低[20]。

消防員在作業(yè)時，火場的高溫環(huán)境會引起消防織物發(fā)生收縮，從而帶來消防織物的層間間隙的變化。李曉輝，盧葉虎等人通過對火災(zāi)環(huán)境下消防服整體熱縮情況的研究發(fā)現(xiàn)，熱收縮最嚴重的部位是胳膊和腿，而且由于熱收縮使得織物與人體之間的空氣間隙變小，熱防護性能降低[21]。王民，李曉輝等通過運用面料進行的模型試驗和面料制成的服裝進行人體假人實驗研究發(fā)現(xiàn)兩者在TPP值和人體燃燒的百分比沒有顯著關(guān)系，有間隙的面料實驗熱防護性能比沒有間隙時的熱防護性能要好，但是在進行服裝穿著的人體假人的實驗時，隨著燃燒時間的變化，服裝表面發(fā)生收縮，減小了皮膚與服裝之間的間隙，服裝的防護性能也在逐漸減小[22]。

2.3 厚度因素

消防織物一般為外層-防水透氣層-隔熱層-舒適層四層織物結(jié)構(gòu)，織物的厚度對其熱防護性能具有積極影響。2008年李紅燕等人通過對13種不同的外層織物的熱防護性能進行研究，發(fā)現(xiàn)織物厚度越大，其測得的TPP值越高[23]。2008年李俊，王云儀等人通過正交實驗研究發(fā)現(xiàn)，多層織物組合的TPP值與其厚度密切相關(guān)，厚度越大，TPP值越大[24]。2009年宗藝晶，張向輝等人通過對適用于消防織物外層的四種不同種類的消防織物進行熱防護性能研究，發(fā)現(xiàn)隨著織物的面密度和厚度的增大，其熱防護性能也變大[25]。

2.4 復(fù)合因素

馬春杰通過對光濕復(fù)合老化和光熱復(fù)合老化對消防織物的影響進行研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過處理后的消防織物的外層織物及組合層的TPP值均增加，即織物的熱防護性能變好[1]。

相變材料是一種新型的智能調(diào)溫材料，能夠在特定溫度下發(fā)生可逆相態(tài)轉(zhuǎn)變的材料(如固-液轉(zhuǎn)變)，在相變過程中可從周圍吸收或者放出大量的熱，來保持自身溫度的恒定。崔志英，袁曉云等人將相變材料同消防隔熱層織物進行復(fù)合研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合相變材料后的消防織物的整體散熱量減小，其熱防護性能增加[26]。

Hannah Phelps, Harvinder等人將相變材料通過微膠囊包裝置于消防多層織物的不同位置，并配以一定的空氣間隙同只有一定空氣間隙的消防織物進行比較，研究發(fā)現(xiàn)額外的空氣間隙不但沒有增加消防織物的重量而且還增加了熱防護性能和額外添加相變材料的比沒有添加相變材料的，其熱防護性能明顯提高[27]。

2012年黃冬梅等通過對消防織物的層間空隙的熱傳導(dǎo)機理研究，發(fā)現(xiàn)消防織物的舒適層與皮膚之間的間隙在7mm～8mm時最佳，其熱防護性能也是最佳狀態(tài)[28]。2014年黃冬梅等人繼續(xù)研究不同空氣層位置通過實驗與模擬相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)在厚度一定時，在外層與防水透氣層之間存在空氣間隙使其隔熱效果最好[29]。

2.4 總結(jié)

在實際設(shè)計消防服裝時，應(yīng)該選用耐高溫的阻燃纖維及面料，結(jié)合以一定的空氣間隙，在消防隊員容易燒傷的部位適當(dāng)增加織物的厚度，通過改變織物的本身的組成、配置等來增加對消防隊員生命安全的保護。

3 展望

通過對不同因素作用下的消防織物熱防護性能的變化進行了分析，發(fā)現(xiàn)各種不同因素作用下，其熱防護性能也不相同，有的因素增加其熱防護性能，有的因素則會降低其熱防護性能。在消防織物的設(shè)計和制作中應(yīng)該盡量避免不利因素，積極利用有利因素來增加消防織物的熱防護性能，更好地保護消防員的人身安全[29-33]。

消防織物的熱防護性能受到多種因素的制約，未來對消防織物熱防護性能的研究將從多種不同因素、不同角度和不同層次出發(fā)，綜合分析多種因素共同作用下的變化[34-37]。未來對消防織物的影響因素分析，將越來越貼近火災(zāi)的現(xiàn)場環(huán)境，模擬多種因素作用下的火災(zāi)現(xiàn)場，來測試其熱防護性能，這樣得到的消防織物更有利于保護消防員的安全。

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2016-03-10

國家自然科學(xué)基金項目(51206122)

朱榮桂(1991-)，女，碩士研究生，研究方向：消防服用織物熱防護性能。

趙曉明(1963-)，男，博士，天津市特聘教授，博士生導(dǎo)師。

TS101

A

1008-5580(2016)04-0206-05