孫振云 錢曉明 劉永勝 錢 幺 朵永超

（天津工業(yè)大學(xué)，天津，300387）

消防員是一項(xiàng)危險(xiǎn)的職業(yè)，肩負(fù)著保護(hù)財(cái)產(chǎn)和營(yíng)救被困人員的職責(zé)，因此常常與火場(chǎng)保持密切的距離或進(jìn)入火場(chǎng)［1］。在消防救援過程中，皮膚燒傷和熱應(yīng)激反應(yīng)比較常見。2016年，在美國(guó)因熱應(yīng)力或燒傷就造成2 500名消防員受傷。皮膚燒傷最常發(fā)生在頭部、手臂、肩部和腿部［2］。因此，滅火消防服的熱防護(hù)性能對(duì)消防員有著重要作用，研究滅火消防服熱防護(hù)性能對(duì)有效保護(hù)消防員的人身安全具有重要意義。

1 滅火消防服結(jié)構(gòu)及防護(hù)原理

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前滅火消防服的結(jié)構(gòu)大致分為上下一體式和上下分體式。由于上下一體式滅火消防服散熱性差、質(zhì)量重、行動(dòng)不方便等原因，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上主要使用的是上下分體式滅火消防服。

為了提高滅火消防服的熱防護(hù)性能與舒適性，目前滅火消防服主要采用四層結(jié)構(gòu)，即外層、防水透氣層、隔熱層和舒適層。

滅火消防服的外層直面火場(chǎng)，需要具有優(yōu)異的耐熱、阻燃及熱穩(wěn)定性，對(duì)滅火消防服的熱防護(hù)性能起著重要作用。目前采用對(duì)織物進(jìn)行阻燃改性或者直接采用阻燃纖維織造的方法，以達(dá)到該性能要求。國(guó)外滅火消防服最外層采用高性能纖維制成，主要有PBI纖維、芳綸1414、芳綸1313等，其中又以美國(guó)杜邦公司采用芳綸1313制成的商品名為 Nomex的纖維使用最為廣泛［3］。國(guó)內(nèi)開發(fā)出的芳砜綸纖維，能夠承受250℃高溫，經(jīng)研究其熱防護(hù)性能優(yōu)于Nomex纖維［4］。

防水透濕層需要有防水透濕的功能，它不僅要防止液態(tài)水滲入衣服內(nèi)部，還要允許穿著者產(chǎn)生的氣態(tài)水通過，其防水透濕的效果是影響消防服內(nèi)水分蓄熱量的主要因素，通常是非織造材料和防水透氣膜的復(fù)合材料［5］。防水透氣膜通常采用多微孔膜如聚四氟乙烯PTFE、PU或者聚偏氟乙烯PVDF等，其中Gore?Tex的PTFE性能穩(wěn)定，應(yīng)用最為廣泛。我國(guó)對(duì)于PTFE的大力開發(fā)始于“非典”期間，目前國(guó)產(chǎn)的PTFE膜的穩(wěn)定性與國(guó)外相比仍有一定的差距。

隔熱層常采用針刺或者三維網(wǎng)眼針織物，通過添加空氣層以減少熱量進(jìn)入來提供更好的保護(hù)，對(duì)消防服的熱防護(hù)性能起著主要作用［6］。目前常用的材料有阻燃棉纖維、芳綸1313、芳綸1414以及聚酰胺纖維等。

舒適層［7］，也稱為內(nèi)襯，由阻燃材料和高彈性舒適阻燃纖維材料制成，綜合了阻燃性能與舒適性能。

2 滅火消防服熱防護(hù)性能影響因素

滅火消防服熱防護(hù)性能受諸多參數(shù)的影響。這些參數(shù)可以根據(jù)使用的織物、服裝中水分以及織物與皮膚之間存在的氣隙進(jìn)行分類。這些參數(shù)中有許多是相互關(guān)聯(lián)的，并且這些參數(shù)對(duì)于熱防護(hù)性能的影響是復(fù)雜的。例如，織物的熱和光學(xué)性能取決于熱源溫度、織物的熱解和織物中存在的水分等。

2.1 織物的影響

織物的傳熱是一個(gè)多模態(tài)的傳熱問題。它包括紗線與紗線間空隙的傳導(dǎo)傳熱、紗線間空隙的對(duì)流傳熱、紗線間空隙的輻射和紗線間空隙的傳導(dǎo)傳熱，直接影響著織物的機(jī)械性能及熱物理性能。

2.1.1 織物的物理性質(zhì)

織物的厚度、結(jié)構(gòu)及織造方法等物理性質(zhì)都是影響熱防護(hù)性能的重要因素。一般情況下織物厚度越大，織物的熱防護(hù)性能越好，隨著織物厚度的增加，熱阻增大，二級(jí)燒傷的時(shí)間增加，在低輻射下織物厚度是影響織物熱防護(hù)性能的主要因素。MAJUMDAR等比較了三種織物結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)平紋針織物的熱阻最小，透氣性最高，其次是羅紋針織物和棉毛針織物［8］。即使對(duì)于相同紗線線密度或捻系數(shù)的織物結(jié)構(gòu)，熱阻隨著折皺增加也會(huì)變大，而水蒸氣滲透性則會(huì)增加。機(jī)織物一般用作滅火消防服的外層，斜紋組織織物的耐熱性和透氣性均高于平紋織物。

為預(yù)測(cè)二級(jí)燒傷時(shí)間和服裝內(nèi)溫度變化，TORVI在只考慮織物物理性能影響的情況下，利用比爾定律建立了一種一維數(shù)學(xué)模型［9］，在忽略水分的情況下，該模型能準(zhǔn)確地計(jì)算出傳感器所在位置的表面溫度。

2.1.2 織物收縮和熱解的影響

在高溫下，紗線的變化會(huì)導(dǎo)致織物出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，收縮程度與溫度和時(shí)間呈正相關(guān)。橫向收縮會(huì)導(dǎo)致織物厚度的變化。起初，由于織物的橫向收縮，織物的厚度增加；后來，由于熱解導(dǎo)致材料的損失，織物的厚度減少。收縮不僅減小了服裝與皮膚之間的氣隙，而且影響了織物的熱物理性能［10］。LI等對(duì)火焰人體模型進(jìn)行研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)暴露時(shí)間、人體姿態(tài)、織物性能和服裝尺寸對(duì)熱收縮都有顯著的影響［11?12］。

此外，在熱解溫度下，織物發(fā)生不可逆的化學(xué)變化，導(dǎo)致炭質(zhì)物質(zhì)與可燃/不可燃?xì)怏w共存［13］。從文獻(xiàn)中可以明顯看出，很少有人通過織物的熱收縮、熱裂解和熱降解過程進(jìn)行研究，以考察這些因素如何影響防護(hù)服裝的熱濕傳遞，因此在這一領(lǐng)域的研究有很大的前景。

2.2 水分的影響

當(dāng)纖維與水分接觸時(shí)，織物中纖維吸收的水分，通常稱為結(jié)合水。如果越來越多的水分與織物接觸，當(dāng)達(dá)到飽和回潮率時(shí)，水分會(huì)在固體纖維周圍形成一層水膜，固體纖維不能吸收更多的水分，因此，剩余的水分占據(jù)了纖維之間的空隙，稱為自由水。同樣，在存在水分的情況下，織物的傳熱包括固體纖維和水的傳熱［14］。水比空氣具有更優(yōu)秀的導(dǎo)熱能力。因此，隨著回潮率的增加，織物的有效導(dǎo)熱系數(shù)增加［15］。這意味著隨著織物回潮率的增加，織物的傳熱增加，織物的熱防護(hù)性能降低。然而，一些研究表明，對(duì)于火焰暴露和亞閃絡(luò)輻射暴露［16］，情況正好相反。實(shí)際上，水分對(duì)防護(hù)性能的影響是非常復(fù)雜的，濕織物與干織物相比，通過濕織物進(jìn)行的傳熱可能增加或減少，這取決于使用的織物、暴露的性質(zhì)和強(qiáng)度［17］以及織物與皮膚之間的氣隙［18］。

2019年JIA等人提出一種三維服裝熱濕傳遞模型［19］，將熱輻射集中到模型中，基于質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律，考慮氣體中的對(duì)流換熱、液體和氣體中的導(dǎo)濕換熱、相變引起的換熱以及熱輻射，而后采用有限體積法求解耦合傳熱傳濕方程，可準(zhǔn)確理解傳熱傳濕過程，提高服裝的熱防護(hù)性能。

熱防護(hù)服內(nèi)水分的傳熱非常復(fù)雜，影響著從周圍環(huán)境到人體皮膚的溫度和熱流密度。也是國(guó)內(nèi)外學(xué)者在該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2.3 空氣層的影響

空氣層是熱防護(hù)服分析中最為關(guān)鍵的部分之一，因?yàn)闊岱雷o(hù)服的性能在很大程度上取決于空氣層的寬度。很明顯，織物與皮膚之間的空氣層寬度取決于人體的位置、衣服的合身程度以及穿著者的動(dòng)作/姿勢(shì)［20］。在賴軍的綜述中可以了解到，空氣層的厚度直接影響著熱量在服裝內(nèi)的傳遞方式是熱傳導(dǎo)還是熱對(duì)流，不同的測(cè)試環(huán)境發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生熱對(duì)流的空氣層厚度不同［21］。在充分模擬火場(chǎng)情況下，滅火消防服中空氣層厚度在7 mm以內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生熱對(duì)流。

近年來，TALUKDAR在充分考慮了垂直與水平兩個(gè)氣隙方向?qū)醾鲗?dǎo)的影響，計(jì)算了不同方向的傳熱情況［22］。結(jié)果表明，垂直氣隙方向比水平氣隙方向具有更高的燃燒時(shí)間和熱防護(hù)性能?？椢锱c人體皮膚之間存在的空氣層對(duì)保暖服裝的防護(hù)起著重要作用。不同傳熱方式的氣隙傳熱取決于氣隙的大小（氣隙寬度）、氣隙的結(jié)構(gòu)或方向以及機(jī)體運(yùn)動(dòng)引起的氣隙的動(dòng)態(tài)變化。

3 新材料的開發(fā)

近年來國(guó)內(nèi)外對(duì)于滅火消防服熱防護(hù)性能的研究主要集中在新材料的開發(fā)（如相變材料、形狀記憶材料、氣凝膠）以及加入人體自冷裝置來展開，以減輕滅火消防服的質(zhì)量、提高熱防護(hù)性能和控制二級(jí)燒傷的時(shí)間。

3.1 相變材料

大量研究表明，在滅火消防服結(jié)構(gòu)中添加相變材料（以下簡(jiǎn)稱PCM）能有效減輕出現(xiàn)燒傷的情況［23］。PCM是一種潛在的蓄熱材料，在相變過程中能夠儲(chǔ)存或釋放熱量。在滅火消防服中，PCM最初是固態(tài)的，當(dāng)暴露在加熱條件下后，開始發(fā)生融化，這一過程需要PCM吸收能量［24］。由于它吸收熱量，減緩熱量通過滅火消防服傳遞到皮膚外部的速率，延長(zhǎng)了二級(jí)燒傷的時(shí)間。PCM應(yīng)用到外層與防水透濕層之間能夠發(fā)揮最好的防護(hù)性能［25］。在滅火消防服中使用PCM時(shí)，在不考慮皮膚傳熱的條件下有研究發(fā)現(xiàn)，在有PCM層的滅火消防服中，當(dāng)暴露在低輻射（2.5 k W）下時(shí)，其最內(nèi)層的溫度比沒有PCM層的滅火消防服低7℃。試驗(yàn)表明，添加PCM材料的樣品達(dá)到44℃的時(shí)間較不添加PCM樣品增加32%［26］。

3.2 形狀記憶材料

形狀記憶材料（以下簡(jiǎn)稱SMM）是一種結(jié)合檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)的智能材料，它具有形狀記憶效應(yīng)，也就是說在某些情況下，在某種熱塑性變形后，它可以通過外部條件完全恢復(fù)到原狀［27］。廣泛用于功能性紡織品設(shè)計(jì)的SMM包括形狀記憶合金（以下簡(jiǎn)稱SMA）和形狀記憶聚合物（以下簡(jiǎn)稱SMP）。SMA的形狀記憶效應(yīng)可由溫度觸發(fā)，SMP記憶效應(yīng)可以通過熱、光、電、化學(xué)感應(yīng)和其他條件來觸發(fā)。作為一種新材料，SMM普遍用于航空航天、自動(dòng)控制系統(tǒng)、醫(yī)藥、能源和智能紡織品［28］。

國(guó)內(nèi)關(guān)于SMM的熱防護(hù)研究起步較晚。在現(xiàn)有熱防護(hù)服的研究中，都只用隔熱層反面的熱度去預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)面料或服裝體系的防護(hù)性能，而沒有關(guān)聯(lián)熱流量指標(biāo)，也缺乏對(duì)整個(gè)面料體系表面溫度的概括性表征。

3.3 氣凝膠

氣凝膠是一種具有連續(xù)三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的多孔納米高分散材料，其組成中99%為氣體［29］。氣凝膠的制備通常分為三個(gè)步驟:凝膠的制備，凝膠的老化和干燥。與氧化鋁、碳、二氧化鈦、氧化鋯等氣凝膠相比，硅基氣凝膠的研究最為廣泛，且相對(duì)容易制備。隨著溶膠?凝膠研究的深入以及超臨界干燥技術(shù)的逐步完善，氣凝膠制備技術(shù)得到了較大的發(fā)展。氣凝膠的高孔隙率、低密度和特殊的三維納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使其成為目前世界上導(dǎo)熱率最低的固體材料。在常溫常壓條件下，其導(dǎo)熱系數(shù)相當(dāng)于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，僅為0.02 W/（m·K），而室 溫 真 空 導(dǎo) 熱 系 數(shù) 可 達(dá)0.001 W/（m·K）［30］，在建筑隔熱、蓄熱蓄冷設(shè)備、航天飛行器、宇航服、傳感器、太陽能窗、聲學(xué)、超聲波設(shè)備等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［31］。

3.4 人體冷卻裝置

盡管熱防護(hù)服領(lǐng)域發(fā)展迅速，但在高熱流暴露下，僅提供幾秒鐘以上的短時(shí)間保護(hù)是不夠的。這就需要尋找一些額外的方法，國(guó)內(nèi)外提出了各種方法來實(shí)現(xiàn)熱防護(hù)服裝的冷卻。熱防護(hù)服裝的冷卻方法有蒸發(fā)冷卻法、液體冷卻法、冰包法和PCM冷卻法。在液體冷卻服裝（以下簡(jiǎn)稱LCS）中，在微泵的幫助下，冷液體在管道中通過服裝與皮膚接觸循環(huán)；液體受熱后變熱，在裝滿冰袋的液體儲(chǔ)存器的幫助下，這種熱液體被冷卻回來。經(jīng)過一定的時(shí)間后，冰會(huì)融化，將不再具備冷卻效果［32］。充冰量、環(huán)境溫度和管內(nèi)液體流量是決定LCS總持續(xù)時(shí)間的主要參數(shù)［33］。LCS的生命周期可以通過增加冰包的數(shù)量來增加，但這會(huì)增加服裝系統(tǒng)的質(zhì)量。這些參數(shù)應(yīng)優(yōu)化為一個(gè)有效和輕量的LCS。

此外，直到目前為止，這些系統(tǒng)還沒有經(jīng)過測(cè)試，需要在實(shí)際條件下進(jìn)行進(jìn)一步的開發(fā)和測(cè)試，以檢查這些熱防護(hù)服冷卻系統(tǒng)的可靠性。

4 發(fā)展趨勢(shì)

消防員在滅火過程中要面臨各種各樣復(fù)雜的情況，這就要求滅火消防服在具有阻燃和耐熱性能的同時(shí)還允許消防員行動(dòng)自如。未來滅火消防服的發(fā)展趨勢(shì)如下。

（1）新型材料的開發(fā)及多種材料的組合應(yīng)用。如相變材料、形狀記憶材料、氣凝膠等材料在滅火消防服中應(yīng)用的開發(fā)，并以最優(yōu)的方式組合應(yīng)用到滅火消防服中，達(dá)到最優(yōu)的熱防護(hù)性能。

（2）智能服裝的開發(fā)。在滅火消防服中嵌入智能設(shè)備，可全面評(píng)估火場(chǎng)情況，實(shí)時(shí)監(jiān)控制定救援方案，提高定位精度達(dá)到更好的救援效果。在提高熱防護(hù)性能的同時(shí)，提高救援效率。

（3）滅火消防服結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。滅火消防服的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減輕質(zhì)量、符合人體工學(xué)的要求，以使消防員在復(fù)雜的火場(chǎng)環(huán)境中行動(dòng)自如，達(dá)到更高的工作效率。

5 總結(jié)

滅火消防服作為滅火過程中保護(hù)消防員、防止皮膚燒傷的重要屏障，其熱防護(hù)性能已經(jīng)得到了全球的認(rèn)可。歐美國(guó)家及我國(guó)都對(duì)滅火消防服制定了各自的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其熱防護(hù)性能、材料強(qiáng)度、洗滌次數(shù)及舒適性都提出了相應(yīng)的要求。隨著技術(shù)的革新和對(duì)滅火消防服熱防護(hù)性能重視程度的提高，對(duì)于影響滅火消防服防護(hù)性能的因素，如面料的結(jié)構(gòu)與制造方法、織物的熱收縮和分解、水分都有了具體的研究成果，并且在加入了相變材料、形狀記憶材料、氣凝膠及人體自冷設(shè)備之后，滅火消防服的熱防護(hù)性能有了跳躍式提高?？椢锏臒嵛锢硇院蜔彷椛湫阅艿墓罍y(cè)、計(jì)量以及上述因素對(duì)性能的影響是目前迫切需要關(guān)注的領(lǐng)域。