賴 軍， 張夢瑩， 張 華， 李 俊,3

(1. 中央軍委后勤保障部軍需裝備研究所， 北京 100010； 2. 東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，上海 200051； 3. 東華大學(xué) 現(xiàn)代服裝設(shè)計與技術(shù)教育部重點實驗室， 上海 200051)

消防服衣下空氣層的作用與測定方法研究進(jìn)展

賴 軍1， 張夢瑩2， 張 華1， 李 俊2,3

(1. 中央軍委后勤保障部軍需裝備研究所， 北京 100010； 2. 東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，上海 200051； 3. 東華大學(xué) 現(xiàn)代服裝設(shè)計與技術(shù)教育部重點實驗室， 上海 200051)

為探究消防服衣下空氣層對消防服熱防護(hù)性能的影響，從衣下空氣層的厚度與位置、影響因素以及測量方法3個方面綜述了消防服衣下空氣層研究的發(fā)展過程及最新進(jìn)展，分析了現(xiàn)有研究中存在的問題。研究表明：衣下空氣層的厚度和位置影響衣下熱傳遞機(jī)制，從而影響消防服的熱防護(hù)性能；織物的硬挺度和懸垂性、服裝的合體度以及人體動作影響消防服衣下空氣層的分布；目前主要使用三維人體掃描技術(shù)獲取燃燒假人裸體及著裝狀態(tài)下的三維圖像，使用圖像處理軟件計算衣下空氣層厚度?；诋?dāng)前消防服衣下空氣層的研究現(xiàn)狀認(rèn)為，未來研究需深入分析衣下空氣層的作用機(jī)制，建立多層消防服衣下空氣層的測量方法，提高衣下空氣層的測量精度。

消防服； 衣下空氣層； 熱防護(hù)性能； 三維人體掃描

消防員在消防戰(zhàn)斗時經(jīng)常遭遇高熱災(zāi)害，如火焰、高溫氣體或熔融金屬等。消防服具有阻燃和隔熱的作用，能夠保護(hù)人體免受外界高熱侵襲，減少皮膚燒傷。對于長時間在火場附近工作的消防人員，消防服的隔熱作用十分重要。消防服的熱傳遞性能根據(jù)從外界環(huán)境經(jīng)過服裝和衣下空氣層傳遞到皮膚的總能量引起的皮膚燒傷情況進(jìn)行評價，因此服裝材料類型和衣下空氣層分布對消防服的熱防護(hù)性能具有重要影響。

對于服裝材料的熱傳遞性能測試，已經(jīng)形成較為完善的國際標(biāo)準(zhǔn)，如ASTM F2700—2008《測試阻燃織物在非穩(wěn)態(tài)熱暴露條件下的熱傳遞性能》、ASTM F1939—2015《測試阻燃服用織物在輻射熱暴露條件下的輻射熱阻》、ASTM F2731—2011《測試消防服裝熱傳遞及熱蓄積性能》等，但是上述標(biāo)準(zhǔn)及測試方法對于各層織物之間和織物與傳感器之間是否需要增加空氣層并沒有統(tǒng)一要求。由于衣下空氣層能夠阻礙服裝與皮膚之間的熱傳遞，影響服裝熱阻[1]，因此研究衣下空氣層的作用及其對消防服熱防護(hù)性能的影響，對于全面評價和提高消防服的熱防護(hù)性能具有重要意義。

本文首先從消防服衣下空氣層的位置和厚度2個方面分析了衣下空氣層對消防服熱防護(hù)性能的影響，然后從織物、服裝和人體3個方面討論衣下空氣層分布的影響因素，并總結(jié)衣下空氣層的測量方法的發(fā)展及現(xiàn)狀，最后根據(jù)消防服衣下空氣層的研究現(xiàn)狀，對未來的研究方向進(jìn)行了分析和預(yù)測。

1 衣下空氣層對熱防護(hù)性能的影響

消防服包括單層和多層服裝系統(tǒng)，單層消防服織物只包含防火層，衣下空氣層位于織物與人體皮膚之間；多層消防服織物系統(tǒng)包含防火外層、防水透氣層、隔熱層和舒適層(分別簡稱為外層、防水層、隔熱舒適層)，衣下空氣層位于各層織物之間以及最內(nèi)層織物與人體皮膚之間。空氣層中的熱傳遞方式包括傳導(dǎo)熱傳遞、對流熱傳遞和輻射熱傳遞3種，當(dāng)衣下空氣層的厚度不同時，空氣層中的熱傳遞方式發(fā)生改變。衣下空氣層厚度較小時，熱量主要通過傳導(dǎo)和輻射的方式傳遞；如果空氣層過大，則發(fā)生對流熱傳遞，服裝的隔熱性能降低[2]。

1.1 衣下空氣層厚度與熱防護(hù)性能

對于單層消防服，織物與皮膚間的空氣層厚度影響織物與皮膚間的熱傳遞方式。當(dāng)織物與皮膚間的空氣層厚度小于或等于6.4 mm時，熱量通過傳導(dǎo)和輻射的形式傳遞；當(dāng)空氣層厚度大于6.4 mm時，出現(xiàn)對流傳熱現(xiàn)象[3]，但是織物與皮膚之間是否存在最優(yōu)空氣層厚度仍存在爭議。最優(yōu)空氣層厚度是指織物與皮膚間的空氣層厚度低于此值時，不存在對流換熱，隨著空氣層厚度的增大，織物的熱防護(hù)性能提高；超過此值時，空氣層中產(chǎn)生對流換熱，織物的熱防護(hù)性能不再增加或者增加幅度減小。Hoschke[4]和Benisek等[5]發(fā)現(xiàn)隨著傳感器與織物之間空氣層的增大，織物的熱防護(hù)性能有著不同程度的提高，但并不存在最優(yōu)空氣層厚度。而在另外一些學(xué)者的研究中，發(fā)現(xiàn)織物與傳感器之間存在最優(yōu)空氣層厚度，相關(guān)研究結(jié)果總結(jié)如表1所示。由于實驗裝置、測試環(huán)境、被測織物等條件不同，最優(yōu)空氣層厚度值并不統(tǒng)一，因此對于空氣層厚度與熱防護(hù)性能之間的關(guān)系未來仍需進(jìn)行系統(tǒng)性的研究。

表1 單層消防服中皮膚與織物之間的最優(yōu)空氣層厚度

對于多層消防服，外層-防水層、防水層-隔熱舒適層、隔熱舒適層-皮膚層之間均存在空氣層，因此需要考慮衣下空氣層厚度與位置的耦合作用對消防服熱防護(hù)性能的影響。

1.2 衣下空氣層厚度與位置的耦合作用

首先指出2點：消防服隔熱層與舒適層通常絎縫在一起，因此不考慮這兩層織物之間的空氣層；本文中的空氣層位置是指位于外層-防水層之間、防水層-隔熱舒適層之間、隔熱舒適層-人體皮膚之間這3個位置。

由于在小規(guī)模臺式測試和全尺度燃燒假人測試中，很難精確控制各層織物之間以及最內(nèi)層織物與皮膚之間空氣層的厚度，因此現(xiàn)階段對多層消防服衣下空氣層熱傳遞方面的研究主要使用數(shù)值模型的方法。

衣下空氣層位于隔熱舒適層與皮膚之間時，皮膚的二級燒傷時間隨著空氣層厚度的增大而增加?？諝鈱雍穸刃∮? mm時，隨著空氣層厚度減小，隔熱舒適層背面的溫度降低，而皮膚溫度升高，位于此處的衣下空氣層溫差減小[13-14]。主要原因是當(dāng)衣下空氣層較小時(小于6 mm)，空氣層內(nèi)部的傳熱模式主要為熱傳導(dǎo)，隨著空氣層厚度減小，由服裝釋放到皮膚的整體熱流量增加。

空氣層位于外層與防水層之間時，空氣層厚度小于7 mm，二級燒傷時間與空氣層厚度成正比；當(dāng)空氣層厚度為7～8 mm時，二級燒傷時間顯著延長，主要是由于空氣層增大后出現(xiàn)對流熱傳遞，增大了熱量損失[14]。

在衣下空氣層厚度相同的情況下，空氣層位于外層與防水層之間比空氣層位于舒適層與皮膚之間，更有利于提高織物系統(tǒng)的熱防護(hù)性能[14]。而與空氣層位于外層與防水層之間相比，空氣層位于防水層與隔熱層之間時對熱防護(hù)性能的影響更為顯著[15]。

現(xiàn)階段消防服衣下空氣層的研究對象集中于單層服裝，但是從以上分析可發(fā)現(xiàn)單層消防服衣下空氣層的研究結(jié)果并不適用于多層消防服，并且熱流量強(qiáng)度、織物系統(tǒng)的含水量等會影響空氣層的作用，因此對于多種因素作用下，多層消防服衣下空氣層厚度與位置對其熱防護(hù)性能的影響方面尚需進(jìn)行系統(tǒng)研究，以進(jìn)一步探究消防服衣下空氣層的作用機(jī)制，提出優(yōu)化消防服熱防護(hù)性能的最佳方法。

研究衣下空氣層厚度和位置對消防服熱防護(hù)性能的影響，對優(yōu)化消防服的設(shè)計具有指導(dǎo)意義。一方面可根據(jù)衣下空氣層最優(yōu)厚度值研究結(jié)果，通過服裝結(jié)構(gòu)設(shè)計或使用新型服裝材料(如記憶合金)，控制衣下空氣層厚度，提高消防服的熱防護(hù)性能。另一方面，根據(jù)衣下空氣層位置與熱防護(hù)性能關(guān)系的研究結(jié)果，優(yōu)先改進(jìn)防水層或外層織物，增大外層與防水層之間、防水層與隔熱舒適層的空氣層厚度，有效地提高消防服的熱防護(hù)性能。

2 衣下空氣層影響因素及測量方法

由于人體表面分布不均、織物的柔軟特性以及多層織物各層之間相互作用，造成衣下空氣層分布不均且難以直接測量，現(xiàn)階段主要是采用間接測量和計算的方法研究單層消防服衣下空氣層的影響因素及其分布特點，并且隨著科技的發(fā)展測量手段不斷完善和改進(jìn)，使得衣下空氣層測量的準(zhǔn)確性不斷提高。

2.1 衣下空氣層影響因素

穿著消防服時，通常肩部、上背部、胸部等位置的空氣層較小，腰部、大腿等位置的空氣層較大，這與服裝材料的性質(zhì)、服裝的合體度以及人體表面輪廓存在一定關(guān)系。

2.1.1 服裝材料物理性質(zhì)

服裝材料的懸垂度和硬挺度的不同，導(dǎo)致衣下空氣層分布不同[10]，衣下空氣層體積與面料物理性能之間的關(guān)系[16-17]為

Va=1.898x-1.496y+0.320z

(1)

式中：Va為衣下空氣層體積，mm3；x為織物的經(jīng)向密度，單位是根/10 cm；y為懸垂度測試中的波峰夾角均勻度，%；z為懸垂度測試中的波峰均勻度，%。

另外，消防服在高熱環(huán)境或閃火環(huán)境中會發(fā)生熱收縮和碳化，導(dǎo)致服裝表面形態(tài)和織物的物理性質(zhì)發(fā)生變化，進(jìn)而影響衣下空氣層的分布[18]。

2.1.2 服裝合體度

服裝的合體度受服裝的號型與款式影響，并影響衣下空氣層分布。對于連體款式消防服，隨著服裝號型的增大，后背和后腰部位的空氣層顯著增大，而手臂、胸部、肩部等與服裝比較貼合的部位衣下空氣層增加不明顯[10]。消防服局部款式設(shè)計的差異也會造成整體衣下空氣層分布狀態(tài)改變，如Mah等[19]研究發(fā)現(xiàn)消防服腰帶款式不同，會造成燃燒假人腰部、后背和后臀部的衣下空氣層分布發(fā)生改變。2.1.3 人體表面輪廓及動作

人體表面輪廓不同以及人體運動均會導(dǎo)致人體皮膚與服裝之間的空氣層體積和分布發(fā)生變化，且衣下空氣層隨著人體姿勢的變化而改變[20]。

消防服的衣下空氣層受多種因素影響，在消防員進(jìn)行滅火戰(zhàn)斗時，多種因素往往相互作用，同時影響衣下空氣層分布。為了對衣下空氣層與消防服熱防護(hù)性能的關(guān)系進(jìn)行定量研究，需要建立能夠準(zhǔn)確測量燃燒假人衣下空氣層的方法。

2.2 衣下空氣層的測量方法

早期研究人員通過真空服裝法獲得了人體與服裝之間整體的衣下空氣層體積，但不能確定人體不同部位的衣下空氣層體積或人體不同橫截面上的衣下空氣層厚度。后來有研究人員將人體簡化為多個區(qū)段的圓柱體模型，計算人體不同部位的衣下空氣層體積，這種方法雖然能夠快速簡便的得到人體各區(qū)段的衣下空氣層體積，但是精確度不夠。近年來，非接觸式三維掃描技術(shù)廣泛應(yīng)用于衣下空氣層的測量，能夠得到人體各部位衣下空氣層的厚度，但該方法目前只能用于測量人體穿著單層服裝時的衣下空氣層厚度。

2.2.1 真空服裝法

真空服裝法的原理是在被測服裝外覆蓋一件不透氣、單層、寬松的服裝，將領(lǐng)口、袖口和下擺處密封，利用衣下的管道系統(tǒng)對衣下空間進(jìn)行抽氣和充氣，當(dāng)服裝與皮膚之間壓力達(dá)到一定值時，測量抽出或沖入的氣體體積，得到衣下空氣層體積。

1974年，Crockford等[21]首先提出使用真空法測量衣下空氣層體積，測試過程包括排氣階段和充氣階段，如圖1所示。首先在被測服裝外增加一層密閉的聚乙烯服裝(階段1)，開始排出衣下氣體，當(dāng)服裝與皮膚之間的壓力達(dá)到-5.88 kPa時認(rèn)為衣下氣體全部排出，停止排氣(階段4)；之后開始向衣內(nèi)充氣使衣下體積膨脹，當(dāng)衣下壓力達(dá)到穩(wěn)定值時，停止充氣(階段4-階段3)，通過計算充入氣體的體積得到衣下空氣層的體積。

圖1 真空服裝法測試過程Fig.1 Test process of vacuum clothing method

后來，有學(xué)者將以上方法進(jìn)行簡化，省略了充氣階段，即根據(jù)抽氣階段服裝與皮膚之間的壓力值即可確定衣下空氣層體積[22]。衣下空氣層體積為衣下壓力從-0.09 kPa到-2.94 kPa時，只穿外層不透氣服裝時的衣下空氣層體積與同時穿著內(nèi)層被測服裝與外層不透氣服裝時的衣下空氣層體積之差。

實際上，增加外層不透氣服裝會影響被測服裝的原始形態(tài)分布，導(dǎo)致測量結(jié)果與實際情況產(chǎn)生差異。但是這種方法能夠快速得出衣下空氣層的體積，在建立多層服裝衣下空氣層測量方法方面具有一定的借鑒價值。

2.2.2 圓柱模型法

圓柱模型法是將人體簡化為多個節(jié)段的圓柱體，測量各節(jié)段裸體及著裝狀態(tài)下的圍度，并取其差值，計算得到衣下空氣層體積[23-24]。例如，Lotens[24]將人體分為13個節(jié)段，包括頭部前側(cè)和右側(cè)、頸部、肩部、胸部、腰部、上臂、小臂、手部、大腿、小腿上側(cè)和下側(cè)以及腳部，并計算相應(yīng)部位的半徑及各部位占全身面積的百分比，得到的圓柱模型用于粗略地計算衣下空氣層厚度及體積。

圓柱模型法操作和計算比較簡單，能夠得到不同部位衣下空氣層的體積，但是沒有考慮實際人體的凹凸曲率，與真實人體差距較大，計算結(jié)果精確度較低。

2.2.3 三維人體掃描方法

三維人體掃描方法通過掃描儀或照相機(jī)以及數(shù)字轉(zhuǎn)換器獲取物體圖像并轉(zhuǎn)換為等高線圖，由軟件將線圖轉(zhuǎn)換為空間點云數(shù)據(jù)，模型以虛擬點云數(shù)據(jù)的形式進(jìn)行顯示。Lee等[25-26]首先將相移莫爾條紋圖(phase-shifting moiré topography)作為三維掃描工具獲取服裝的三維圖像，但是由于腋窩部位比較隱蔽，難以掃描其準(zhǔn)確的形態(tài)。之后有學(xué)者將服裝三維掃描技術(shù)應(yīng)用于服裝的合體性分析[27]。

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，一些學(xué)者將三維人體掃描技術(shù)與圖像處理軟件相結(jié)合，提高了衣下空氣層的計算精度。Mah等[19]使用Bersoft圖像處理軟件在人體截面自動生成以截面中心點為圓心的360°量角器，通過測量燃燒假人皮膚外表面與服裝外表面之間的距離，獲得衣下空氣層厚度。王云儀等[28]利用逆向工程軟件Geomagic Qualify對三維掃描得到的裸體和著裝燃燒假人三維點云數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化并對齊后，利用軟件中的三維比較功能計算裸體假人與著裝假人之間的偏差，獲得燃燒假人不同部位衣下空氣層的厚度。

真空服裝法耗時且容易產(chǎn)生較大誤差，圓柱模型法測量方法簡單，但是需要增加測量次數(shù)以減小誤差，三維人體掃描方法是目前重復(fù)性最高且最準(zhǔn)確的方法[29]。計算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用使衣下空氣層的測量結(jié)果更加精確可靠，為定量分析衣下空氣層的分布提供了有效手段，但是在三維人體掃描技術(shù)中普遍存在的問題是，對于人體腋下和襠部形態(tài)很難進(jìn)行精確的測量，通常需要利用相關(guān)軟件進(jìn)行后期處理。另外，三維掃描儀掃描速度較慢，在真實人體的三維掃描過程中，由于人的呼吸或控制平衡等狀態(tài)導(dǎo)致身體輪廓變化，容易降低測量的精度。

3 研究難點與趨勢

現(xiàn)階段主要利用小規(guī)模臺式測試、數(shù)值模擬和全尺度燃燒假人測試研究空氣層對服裝熱防護(hù)性能的影響。對于全尺度燃燒假人測試，主要使用三維人體掃描技術(shù)與圖形處理軟件相結(jié)合的手段，測量服裝整體與人體之間的空氣層的分布，分析衣下空氣層的傳熱機(jī)制。

衣下空氣層對服裝-空氣層-人體皮膚系統(tǒng)的熱傳遞具有重要影響，未來的研究需主要從2方面出發(fā)：一是更加深入的探究衣下空氣層的傳熱機(jī)制，二是更加精確地測量衣下空氣層的分布。具體包括以下3個研究方向。

1)建立衣下空氣層厚度動態(tài)變化時的傳熱模型。在真實火場環(huán)境中，消防員處于運動狀態(tài)，這將導(dǎo)致衣下空氣層不斷變化，因此，仍需更加真實地模擬衣下空氣層的動態(tài)變化，建立傳熱模型，進(jìn)一步探究空氣層動態(tài)變化對消防服熱防護(hù)性能的影響。

2)建立多層消防服衣下空氣層測量方法?，F(xiàn)階段對于消防服衣下空氣層分布特點的研究主要集中于單層消防服，但是多層服裝在各層面料之間也存在空氣層，并且我國的一些消防服是外層與內(nèi)膽脫離的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致外層與內(nèi)膽之間的空氣層較大，因此，需要建立多層消防服衣下空氣層分布的測量方法，以多層消防服整體為研究對象，分析衣下空氣層的作用機(jī)制，探究影響消防服熱防護(hù)性能的關(guān)鍵因素。

3)提高三維人體掃描儀測量精度。在掃描過程中，由于人體呼吸或者極微小的動作均會導(dǎo)致掃描結(jié)果精度降低，如三維CaMega DCS掃描時間需要3～5 s、TC2NX-16非接觸式三維人體掃描儀掃描時間需要8 s，這就導(dǎo)致人體動作會產(chǎn)生一定的影響。未來研究需要對三維人體掃描儀的光學(xué)成像系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，將掃描速度提高至1 s內(nèi)，降低人體動作對掃描精度的影響。

過去的研究主要關(guān)注消防服材料的阻燃隔熱性能，而長時間進(jìn)行消防戰(zhàn)斗時，消防服衣下空氣層對其隔熱性能具有重要影響，因此研究衣下空氣層對消防服熱防護(hù)性能的影響，有利于全面評價和提高消防服的熱防護(hù)性能，保障消防員生命安全。

FZXB

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Research progress on air gap entrapped in firefighters′ protective clothing and its measurement methods

LAI Jun1， ZHANG Mengying2， ZHANG Hua1， LI Jun2，3

(1.TheQuartermasterEquipmentResearchInstituteofLogisticsSupportDepartment,Beijing100010,China； 2.CollegeofFashionandDesign,DonghuaUniversity,Shanghai200051,China； 3.KeyLaboratoryofClothingDesign&Technology,MinistryofEducation,DonghuaUniversity,Shanghai200051,China)

In order to study the influence of the air gap in firefighters′ protective clothing on thermal protective performance, the development progress, the latest developments and the existing problems of the research were reviewed from three aspects, including the thickness and location, the influence factors and the measurement methods of air gap in firefighters′ clothing. The future trends in this area were predicted based on current research status.The thermal protective performance of firefighters′ protective clothing are influenced by the thickness and position of air gap entrapped in firefighter clothing, which is mainly influenced by fabric mechanical properties, clothing fitness and body motion. Currently, the three-dimensional body scanning technology is widely used for measuring the distribution of air gap in firefighters′ protective clothing. Future research should pay more attention to the mechanism analysis and the development of measurement methods of air gap in firefighters′ clothing.

firefighters′ protective clothing； air gap in clothing； thermal protective performance； three-dimensional body scanning technology

10.13475/j.fzxb.20160500106

2016-05-03

2017-02-20

國家自然科學(xué)基金面上項目(51576038)；軍需裝備研究所項目(10715296);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項基金(17D110714)；上海市自然科學(xué)基金項目(17ZR1400500)

賴軍(1962—)，男，教授級高級工程師，碩士。主要研究方向為軍人特殊環(huán)境和崗位專用防護(hù)被裝。E-mail: jxslj302@sina.cn。

TS 941.73

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