翟勝男 王鴻博 柯瑩
摘要: 為了全面測(cè)評(píng)火災(zāi)環(huán)境下消防服的防護(hù)性能,優(yōu)化服裝熱防護(hù)性能評(píng)價(jià)體系,通過(guò)回顧國(guó)內(nèi)外熱防護(hù)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀,從“人體-織物-環(huán)境”三個(gè)角度分析影響織物熱防護(hù)性能的因素;并基于環(huán)境角度,從單一和復(fù)合災(zāi)害環(huán)境2個(gè)層面,歸納分析防護(hù)服性能的測(cè)評(píng)方法和模擬研究,預(yù)測(cè)未來(lái)探索復(fù)合火場(chǎng)環(huán)境綜合熱防護(hù)性能的研究方向,提出在后續(xù)研究中應(yīng)建立更加標(biāo)準(zhǔn)化的火災(zāi)實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法和測(cè)試裝置、熱防護(hù)性能的綜合評(píng)價(jià)體系,準(zhǔn)確評(píng)估復(fù)合災(zāi)害環(huán)境下消防服的熱防護(hù)性能。
關(guān)鍵詞: 消防服;熱防護(hù)性能;影響因素;災(zāi)害環(huán)境;模擬測(cè)評(píng)
中圖分類(lèi)號(hào): TS941.73
文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A
文章編號(hào): 1001-7003(2020)11-0046-05
引用頁(yè)碼: 111108
Abstract: In order to comprehensively evaluate the protection performance of fire-fighting clothing under the fire environment and optimize the evaluation system of thermal protection performance of the clothing, this paper reviews the research status of thermal protection field at home and abroad, and analyzes the factors influencing thermal protection performance of fabrics from three perspectives of "human body, fabric and environment". Based on the environmental perspective, the evaluation method and simulation research of protective clothing performance are summarized and analyzed from two aspects of single and compound disaster environment, and the research direction of thermal protection performance of the clothing is proposed. This paper also puts forward that a more standardized fire experimental test method and test device as well as a comprehensive evaluation system of thermal protection performance should be established in the follow-up research, so as to accurately evaluate the thermal protection performance of fire-fighting clothing in a composite disaster environment.
Key words: fire-fighting clothing; thermal protection performance; influencing factors; disaster environment; simulation evaluation
火場(chǎng)環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜,不僅包括火焰、輻射等熱源危害,還伴有如高溫蒸汽、高溫液體等次生衍生災(zāi)害或多種災(zāi)害并發(fā)的情況。有研究機(jī)構(gòu)調(diào)查顯示:高溫蒸汽和高溫液態(tài)水是導(dǎo)致消防員燒傷的主要因素,占比65%;由火焰產(chǎn)生的燒傷占比例20%;接觸式燒傷占比15%[1]。由此可見(jiàn),在面對(duì)復(fù)雜的火場(chǎng)環(huán)境時(shí),對(duì)于消防服的要求不僅要包括對(duì)輻射、對(duì)流等火源的防護(hù),還要包括對(duì)高溫液體和高溫蒸汽等濕態(tài)熱源的防護(hù),在未來(lái)對(duì)消防服防護(hù)性能要求需要更加全面、更加嚴(yán)格。
在各種熱暴露環(huán)境中,能夠正確評(píng)價(jià)消防服的熱防護(hù)性能是保障消防員生命安全的重要途徑[2]。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)熱防護(hù)領(lǐng)域的測(cè)評(píng)主要集中在輻射、對(duì)流等火源災(zāi)害的基礎(chǔ)上開(kāi)展的熱防護(hù)性能影響因素的研究、皮膚燒傷模型的建立、新材料的應(yīng)用等方面。對(duì)于復(fù)合高溫蒸汽、高溫液體等環(huán)境的研究測(cè)評(píng)較少,相應(yīng)的評(píng)估體系和測(cè)試方法的探索研究也明顯不夠深入。本文主要通過(guò)回顧國(guó)內(nèi)外熱防護(hù)性能研究成果,總結(jié)熱防護(hù)性能的影響因素,并分別從單一和復(fù)合災(zāi)害環(huán)境2個(gè)層面,歸納分析防護(hù)服性能測(cè)評(píng)方法和模擬研究現(xiàn)狀,并提出在未來(lái)的發(fā)展方向。
1?熱防護(hù)性能的影響因素
從“人體-織物-環(huán)境”三個(gè)角度出發(fā),分析歸納影響織物熱防護(hù)性能的關(guān)鍵因素。
1.1?織?物
國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于織物基本性能與熱防護(hù)性能間的關(guān)系進(jìn)行了大量研究,并發(fā)現(xiàn)消防服系統(tǒng)各層織物的基本參數(shù)對(duì)服裝整體的熱防護(hù)性能有重大影響,如織物的平方米質(zhì)量、厚度、織物組合等[3-4],一般織物越厚重,其熱防護(hù)性能越好。此外,Song等[5-6]研究發(fā)現(xiàn)熱防護(hù)性能還與織物蓄熱量有關(guān),熱暴露階段織物會(huì)儲(chǔ)蓄大量熱量并于冷卻階段迅速釋放,導(dǎo)致或加重皮膚的燒傷,尤其是在加壓或長(zhǎng)時(shí)間熱暴露條件下。
為了同時(shí)兼顧織物的舒適性能,一些學(xué)者嘗試采用鍍鋁、相變材料、形狀記憶材料和氣凝膠等新型材料代替耐高溫纖維制作新型消防服。馮倩倩等[7-8]通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了它們?cè)谙婪袘?yīng)用的可行性,并發(fā)現(xiàn)在等熱效果下新材料能明顯減輕服裝質(zhì)量,減少消防員負(fù)擔(dān);同時(shí)增強(qiáng)了服裝舒適性,更好地保護(hù)消防員安全。
1.2?人體運(yùn)動(dòng)
在救援過(guò)程中,人體處于不斷運(yùn)動(dòng)狀態(tài),織物間隙不斷變化、人體運(yùn)動(dòng)出汗等因素都會(huì)影響織物熱傳遞方式和熱防護(hù)性能。
1.2.1?空氣層厚度
熱量傳遞過(guò)程中,空氣層能夠減緩熱量向人體的傳遞,增加面料熱量蓄積,提高織物熱防護(hù)性能。
在不同的火源熱暴露條件下,空氣層厚度對(duì)熱防護(hù)性能影響各異。Ahmed Ghazy[9]在高強(qiáng)度的閃火和綜合熱源條件下,發(fā)現(xiàn)空氣層厚度增加能夠提高織物的熱防護(hù)性能。Zhu等[10]發(fā)現(xiàn)在84 kW/m2的高強(qiáng)度輻射熱下,空氣層厚度增加,二級(jí)燒傷時(shí)間呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì);Ming Fu等[11]發(fā)現(xiàn)在2~10 kW/m2低強(qiáng)度輻射熱下,空氣層厚度增加,皮膚燒傷時(shí)間增加,且影響的程度與空氣層位置相關(guān)。這是因?yàn)殡S空氣層厚度增大,空氣層的熱阻增大,輻射傳熱減少,織物熱防護(hù)性能增大;但當(dāng)其厚度增加到一定程度時(shí),空氣層內(nèi)產(chǎn)生自然對(duì)流,總傳熱量增加,使熱防護(hù)性能下降。
Su等[12-14]研究發(fā)現(xiàn)高溫蒸汽等各種形式的水分也會(huì)影響空氣層的熱防護(hù)作用。一方面水分會(huì)降低空氣層厚度對(duì)織物熱防護(hù)性能的積極影響,延長(zhǎng)對(duì)流傳熱出現(xiàn)的時(shí)間,提高織物熱防護(hù)性能;另一方面,水分也削弱了空氣層位置的影響。這是因?yàn)樗值拇嬖诟淖兞丝諝鈱拥臒嵛镄阅埽ㄈ鐭崛?、?dǎo)熱系數(shù)等)和光學(xué)性能(如輻射吸收率、穿透率等),進(jìn)而影響空氣層的熱量傳遞和熱防護(hù)性能。由此可見(jiàn),探究多種因素復(fù)合環(huán)境下空氣層的熱防護(hù)機(jī)制,不僅要考慮熱源種類(lèi)和強(qiáng)度的影響,還需要考慮各種形態(tài)水分的作用,以便選擇最優(yōu)的空氣層厚度,最大程度優(yōu)化織物熱防護(hù)性能。
1.2.2?人體出汗
高負(fù)荷運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致人體體溫急劇上升,皮膚大量出汗,這些汗液被織物吸收能夠改變織物的熱物性能和光學(xué)性能,同時(shí)水分在吸濕/解吸和相變過(guò)程中吸收或釋放的大量熱量,也會(huì)導(dǎo)致皮膚的燙傷。
面對(duì)不同災(zāi)害環(huán)境,人體出汗對(duì)織物熱防護(hù)性能的影響各異,不僅與熱源種類(lèi)和強(qiáng)度有關(guān),還與水分含量等因素相關(guān)。陳萌等[15-16]發(fā)現(xiàn)在83 kW/m2的閃火條件下,水分使織物熱防護(hù)性能下降;而在83 kW/m2的綜合熱源下,含水率在32%以下時(shí),對(duì)多層織物的熱防護(hù)性能有消極影響,特別是當(dāng)含水率為26%時(shí),熱防護(hù)性能降到最低。而在不同強(qiáng)度的輻射熱暴露下,Lelia等[17-18]發(fā)現(xiàn)在10 kW/m2的強(qiáng)度下,水分使織物熱防護(hù)性能提高;在20 kW/m2強(qiáng)度下,水分使織物熱防護(hù)性能下降。
相較于上述單一的火源災(zāi)害環(huán)境,Su等[19]研究了輻射和高溫蒸汽復(fù)合環(huán)境下人體出汗對(duì)織物熱防護(hù)性能的影響,發(fā)現(xiàn)與低輻射環(huán)境相比,高溫蒸汽能夠明顯加快皮膚的燒傷,改變不同出汗量會(huì)對(duì)織物熱防護(hù)性能產(chǎn)生影響。但是,對(duì)于高熱通量的輻射環(huán)境或者綜合熱源環(huán)境中,人體出汗與高溫蒸汽對(duì)消防服熱防護(hù)性能的影響并未作進(jìn)一步研究,在未來(lái),需要綜合考慮各種火源災(zāi)害和水分復(fù)合的環(huán)境,研究人體出汗對(duì)消防服防護(hù)性能的影響。
1.3?外界因素
在救災(zāi)過(guò)程中,存在火焰、輻射和水分等多種環(huán)境因素,它們共同作用影響織物的熱防護(hù)性能。
近年來(lái),水分對(duì)織物熱防護(hù)性能的影響引起了廣泛關(guān)注。Lee等[16-18]研究發(fā)現(xiàn)在高強(qiáng)度綜合熱源或閃火下,水分提高了織物的熱防護(hù)性能;在84 kW/m2的輻射熱源下,含水70%~80%的單層織物,熱防護(hù)性能降低35%;在10 kW/m2的輻射熱源下,水分對(duì)熱防護(hù)性能的影響則并不穩(wěn)定。這些研究表明熱源種類(lèi)和強(qiáng)度對(duì)織物熱防護(hù)性能有重要影響,相比于復(fù)雜的輻射熱,對(duì)流傳熱可以加快織物內(nèi)部水分蒸發(fā),提高織物熱防護(hù)性能。
火場(chǎng)環(huán)境溫度較高,液態(tài)水分可以吸收熱量變?yōu)楦邷匾簯B(tài)水,甚至高溫蒸汽形式,影響織物的熱防護(hù)性能。盧業(yè)虎[20]研究高溫液體環(huán)境下織物熱防護(hù)性能,發(fā)現(xiàn)液體溫度、種類(lèi)、沖擊角度等對(duì)熱防護(hù)性能有重大影響;液體溫度越高,沖擊角度越大,在織物內(nèi)的滲透量越大,使織物熱防護(hù)性能下降。蘇云[2]研究火災(zāi)高溫蒸汽環(huán)境下織物的熱防護(hù)性能發(fā)現(xiàn),與輻射環(huán)境相比,高溫蒸汽能顯著增加熱暴露階段的熱量傳遞,降低織物的熱防護(hù)性能,削弱織物厚度對(duì)熱防護(hù)性能的影響,提高了織物透氣性的作用。這些研究表明火場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜多變,消防服的防護(hù)要求不再是簡(jiǎn)單的阻燃和隔熱防護(hù),還要包括對(duì)高溫蒸汽、高溫液體等多種因素的防護(hù),未來(lái)需要進(jìn)一步將多種環(huán)境因素復(fù)合,研究織物的綜合熱防護(hù)性能。
2?單因素火災(zāi)環(huán)境熱防護(hù)性測(cè)評(píng)
研究發(fā)現(xiàn)各種環(huán)境因素對(duì)織物的熱防護(hù)性能影響重大。目前,織物熱防護(hù)性能測(cè)評(píng)多采用TPP、RPP等儀器,模擬單一的火源條件,對(duì)于多種因素復(fù)合的火災(zāi)環(huán)境模擬研究較少,相應(yīng)的測(cè)試裝置和測(cè)評(píng)方法也并不完善。表1顯示了現(xiàn)行的一些織物熱防護(hù)性能測(cè)評(píng)方法及標(biāo)準(zhǔn)。
由表1可以看出,對(duì)織物熱防護(hù)性能的測(cè)評(píng)可以分為小尺度的臺(tái)式測(cè)試和全尺度的假人測(cè)試,檢測(cè)織物小樣和服裝整體的熱防護(hù)性能。相應(yīng)的模擬測(cè)試環(huán)境分別為綜合熱、輻射熱、閃火和高溫液體等環(huán)境條件,對(duì)于其他的環(huán)境因素模擬測(cè)試較少。此外,根據(jù)織物的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則也可以將以上的測(cè)評(píng)方法劃分為三大類(lèi):Stoll準(zhǔn)則、Henriques皮膚燒傷積分模型及其他評(píng)價(jià)方法。Stoll[21]準(zhǔn)則是根據(jù)大量動(dòng)物實(shí)驗(yàn)測(cè)得的恒定熱流條件下銅片熱流計(jì)的凈升值與二級(jí)燒傷時(shí)間的關(guān)系,從而得出評(píng)價(jià)熱防護(hù)性能的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。大多數(shù)小規(guī)模的臺(tái)式測(cè)試就是利用Stoll準(zhǔn)則評(píng)價(jià)織物的熱防護(hù)性能,包括NFPA 1971、ASTM F 2700等。實(shí)驗(yàn)操作方法簡(jiǎn)便,應(yīng)用范圍較廣;但不適用于評(píng)價(jià)瞬態(tài)熱流、三級(jí)燒傷及蒸汽燙傷等方面[2]。Henriques燒傷積分模型可以用來(lái)評(píng)價(jià)不同時(shí)間段、不同深度的皮膚燒傷,通過(guò)將Pennes皮膚傳熱方程和皮膚燒傷積分模型結(jié)合,計(jì)算皮膚二、三級(jí)燒傷。理論上該模型適用于所有的熱暴露條件,但實(shí)際上對(duì)于模型參數(shù)的取值及皮膚傳熱的復(fù)雜計(jì)算都給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)了極大的限制。其他的評(píng)價(jià)指標(biāo)如TF、HTI等,評(píng)價(jià)原理比較簡(jiǎn)單,適用于任何條件的熱暴露情況。但卻不能預(yù)測(cè)皮膚的燒傷,只能對(duì)織物間熱防護(hù)性能進(jìn)行對(duì)比。
綜合上述測(cè)評(píng)方法可以發(fā)現(xiàn),它們大多忽略了水分的作用。一方面,在根據(jù)傳感器的能量守恒方程進(jìn)行溫度熱流轉(zhuǎn)換時(shí),并未考慮水分冷凝、蒸發(fā)過(guò)程熱量傳遞的影響。另一方面,標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定實(shí)驗(yàn)前需將織物在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下進(jìn)行預(yù)處理,平衡織物中的水分,也忽略了實(shí)驗(yàn)中水分的作用。因此,這些評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)僅適用于干態(tài)的測(cè)試評(píng)價(jià),對(duì)需要考慮水分的含濕狀態(tài)評(píng)價(jià)并不準(zhǔn)確,還需要建立更加標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)驗(yàn)過(guò)程和方法、全新的評(píng)價(jià)測(cè)試體系,全面準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)織物各種狀態(tài)下的熱防護(hù)性能。
3?多因素復(fù)合火災(zāi)環(huán)境熱防護(hù)性測(cè)評(píng)
以輻射、火焰、水分這三個(gè)環(huán)境因素為例,相互復(fù)合產(chǎn)生圖1所示的火災(zāi)環(huán)境:綜合熱源、輻射與高溫蒸汽或液體、火焰與高溫蒸汽或液體、綜合熱源與高溫蒸汽或液體等。
目前,對(duì)于火災(zāi)綜合熱源下織物熱防護(hù)性能的研究較多,而涉及高溫蒸汽或高溫液體的研究則較少。最初,學(xué)者采用預(yù)濕處理的方法模擬水分在織物中的分布,如表2所示??梢詫⒚媪项A(yù)濕處理的方法歸納為4種,分別模擬織物在外層潤(rùn)濕、人體出汗、不同環(huán)境溫濕度下的水分分布狀態(tài)。但考慮到真實(shí)的火場(chǎng)環(huán)境中存在環(huán)境壓力、溫度、水分施加速率等因素,同時(shí)也需要考慮在熱暴露過(guò)程中不斷施加水分的情形。因此,需要進(jìn)一步建立更加全面的水分動(dòng)態(tài)模擬施加裝置,全面地測(cè)評(píng)火源與水分復(fù)合環(huán)境下消防服的熱防護(hù)性能。
3.1?火災(zāi)高溫蒸汽環(huán)境模擬
火場(chǎng)環(huán)境溫度較高,水分會(huì)直接吸收熱量變?yōu)楦邷卣羝蚋邷匾后w,影響織物的熱防護(hù)性能。目前,針對(duì)高溫蒸汽環(huán)境的模擬大多集中于石油化工、天然氣等行業(yè),模擬蒸汽環(huán)境中蒸汽噴射壓力、蒸汽溫度、噴射距離、流動(dòng)方向等因素,但對(duì)真實(shí)火場(chǎng)環(huán)境中火焰、輻射等高溫火源的復(fù)合模擬研究較少。
為了模擬真實(shí)的火場(chǎng)環(huán)境,蘇云等[22]研發(fā)了一款火災(zāi)高溫蒸汽熱防護(hù)性能測(cè)評(píng)裝置,如圖2所示,可以同時(shí)模擬低輻射熱環(huán)境和高溫蒸汽環(huán)境。該裝置由蒸汽發(fā)生器、蒸汽輸送管、熱暴露模擬箱、樣品輸送裝置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成,能夠同時(shí)模擬高溫蒸汽和高溫輻射環(huán)境。該裝置可以模擬2.1~21 kW/m2的低輻射熱通量、0.05~0.7 MPa的蒸汽壓力及100~175 ℃的蒸汽溫度,但是對(duì)于火焰、輻射綜合熱源等的高熱通量火場(chǎng)環(huán)境的模擬還需進(jìn)一步的研究設(shè)計(jì)。
3.2?高溫液體環(huán)境模擬
由表1可知,標(biāo)準(zhǔn)ASTM F 2701使用的高溫液體測(cè)試設(shè)備雖然可以評(píng)價(jià)服裝高溫液體防護(hù)性能,但存在無(wú)法控制水流速率、液體溫度等缺陷,重復(fù)性差、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性低。盧業(yè)虎等[23]在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),研發(fā)了一款新型的高溫液體防護(hù)性能測(cè)試儀,如圖3所示。
裝置設(shè)有溫控裝置、恒溫循環(huán)液體箱、液體循環(huán)和傳送管道系統(tǒng)、液體噴頭、傳感器板和轉(zhuǎn)動(dòng)裝置及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)??梢詼?zhǔn)確控制液體傳送速度、溫度、壓強(qiáng)及噴濺角度,準(zhǔn)確性、重復(fù)性和安全性高,易于操作。此外,傳感器支撐板上的3個(gè)T型熱電偶設(shè)計(jì),可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)織物不同位置的溫度,更加全面地評(píng)價(jià)高溫液體噴濺下的熱防護(hù)性能。但該裝置僅模擬了高溫液體這一環(huán)境因素,對(duì)于輻射、火焰等火源因素并未考慮。
4?展?望
近年來(lái),火災(zāi)環(huán)境下消防服熱防護(hù)性能研究較多,但是對(duì)多種災(zāi)害因素復(fù)合的火災(zāi)環(huán)境下測(cè)評(píng)研究較少,相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝備和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)并不完善,還需要進(jìn)一步的研究探索。本文回顧了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究成果,從單一和多因素復(fù)合災(zāi)害2個(gè)層面出發(fā),提出了未來(lái)織物熱防護(hù)性能的發(fā)展趨勢(shì):通過(guò)對(duì)多因素復(fù)合火災(zāi)環(huán)境下織物熱防護(hù)性能研究,建立更加標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法和模擬測(cè)試裝置,全面的熱防護(hù)性能評(píng)價(jià)體系,同時(shí)模擬多種環(huán)境因素共存的火災(zāi)環(huán)境,進(jìn)一步優(yōu)化消防服的熱防護(hù)性能,減少救援人員受到的傷害,保障生命安全,提高工作效率。
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