光湿作用下消防服色彩与使用性能的关系*

马春杰 丁作伟 崔志英 于伟东

(1.东华大学服装·艺术设计学院，上海，200051;2.东华大学纺织学院，上海，201620)

消防服是保障消防员在灭火救援现场人身安全的重要防护装备之一，其在反复的服用过程中不可避免地会发生功能衰退，原因除人为因素(洗涤和储藏)外，主要是热、湿、光、应力等多种环境因素的作用。目前针对热、湿、光等单一作用条件下消防服的性能研究比较充分［1-5］，老化研究及耐久性预测方法也逐步完善［6-8］，而有关多种环境因素复合作用下消防服的研究相对较少，因为试验条件难模拟，且研究过程费财、费时、费力。本文以常用的消防服用织物为对象，研究光湿复合作用下织物的表观性能、力学性能及热防护性能，建立基于色彩变化的消防服使用性能预测模型，以达到采用非破坏性方法评价消防服及其织物生命周期的目的。

1 试验部分

1.1 试验材料与仪器

消防服通常由四层织物构成，由外到内分别为外层、透气层、隔热层及舒适层。本文选用外层面料分别为藏青色的NomexⅢA(记为A1)、土黄色的PBI金麒麟(记为A2)、橙红色的国产芳纶(记为A3)三种材料，透气层、隔热层及舒适层分别为PTFE(聚四氟乙烯)膜、隔热毡和阻燃黏胶。

依据太阳光基本理论及AATCC TM 16—2004 Colorfastness to Light、ISO 105 B02—1994《纺织品色牢度实验》等标准，采用功率为1 500 W的长弧氙灯作为模拟日光光源，滤光系统选用紫外延展滤光器，尺寸为350 mm×90 mm×5 mm，波长截止点为275 nm，其允许透过比地球表面太阳光的波长截止点290 nm更短的紫外线。采用DT-1300型照度计和JTR09型高温辐射热计标定辐照度，UV-340A型紫外辐照计标定辐照度控制点，保证在300～420 nm段控制范围的辐射量不小于42 W/m2。织物光老化仪示意图如图1所示。

1.2 试验方法

模拟光老化试验方法：光强度设为(21 200±300)lx(试样中心部分)，辐照强度值设为(5.40±0.27)kW/m2，辐照时间分别为 0、15、30、45、60 min。

图1 光老化仪示意图

织物水处理方法：根据 AATCC Test Method 70—2010标准，在恒温恒湿环境下，将外层面料完全浸润在温度为(20±2)℃的水中，试样A1、A2、A3分别浸润60、60、20 min接近饱和状态，此时三者中含水率最大为89%，最小为80%。因此将织物的润湿状态设定为含水率约40%和饱和润湿这两种状态，含水率计算公式如下：

式中：W——含水率(%);

m0——织物浸润前的质量(g);

m——织物浸润后的质量(g)。

试样浸润取出后，在试样的上下方加上吸水纸，并施加3.5 kPa的压强保持20 min。试样在状态调节后密封在塑料袋中，以便于进行其他试验。通过预试验发现光湿老化的顺序对试验结果无显著影响，故本文设计先光照后润湿的老化试验。

1.3 织物性能测试

CIELAB颜色空间是国际照明委员会CIE制定的一种均匀的颜色系统，对于任何一种颜色都能在CIELAB色空间中表示出来，其中L为光亮度，取值范围为0(黑色)～100(白色);a和b表示色坐标(其中a代表红绿轴，b代表黄蓝轴)，它们的取值范围为－128～127，获取Lab值的前提是测得样品的三刺激值(X、Y、Z)及色度坐标(x、y、z)［9］。

三刺激值计算公式如下：

色度坐标公式如下：

式(2)中，I(λ)为光源经物体反射进入人眼的光谱能量分布(λ)(λ)(λ)为CIEXYZ标准色度系统的光谱三刺激值，k为归化系数。三刺激值与色度坐标转化过程的计算比较复杂，本文采用的方法是：首先采用岛津UV-3600型分光光度计对样品进行光谱测量;然后通过 MATLAB软件编程［10-11］，利用load函数导入标准光源数据、样品的光谱功率分布数据(光反射率)及CIE标准D65光源的三刺激值，见图2;编写 wlen、interp和 ccolor三个功能函数，获取样品光谱功率的三刺激值和色度坐标;编写空间转换函数xyz2lab，计算样品的Lab值，见表1。

图2 D65光源下外层试样颜色的光谱曲线

表1 外层试样表面颜色信息

采用Instron 3365型万能材料试验机测试织物的断裂强力，采用美国Custom Scientific Instrument公司的CSI-206型热防护性能测试仪测试织物的热防护系数(TPP)值。

2 试验结果

2.1 织物色彩变化

图3是光老化过程中织物表面颜色的变化图，从图3中可直观地看出，织物颜色随着老化时间的增加而加深。光老化后润湿状态下，织物表面颜色比相应干态时略深。用Lab值表示光湿复合作用下织物的表面颜色，见表2。

图3 光老化后织物的外观形态

表2 光湿复合作用下织物颜色的Lab值

2.2 织物断裂强力与整体TPP值变化

图4是织物在光湿复合作用下断裂强力的变化曲线。从图4中可看出，随着光照时间的增加，织物经纬向断裂强力整体呈下降趋势;光老化后润湿状态下，经纬向断裂强力比对应干态时要低。利用SPSS［12］分析得，光老化时间对织物经纬向断裂强力影响显著(均为P＜0.01);润湿程度对经纬向断裂强力影响显著(P＜0.001)。图5反映的是光湿复合作用下服装整体热防护性能的变化，从图5中可看出TPP值随着润湿程度的增加而增大，经SPSS分析得，润湿程度与TPP值显著正相关(相关系数 R=0.857，P ＜0.001)，而光老化时间对 TPP值影响不显著。以上分析结合色彩变化的直观判断，可推测光湿复合作用下，织物表面颜色的加深对应着断裂强力的下降及整体TPP值的增加，即颜色分别与断裂强力、整体TPP值之间存在某种线性关系。

3 多元线性回归分析

3.1 色彩与断裂强力及TPP值间关系模型的建立

多元线性回归的数学模型为：

式中：y——因变量;

x1、x2、x3——自变量;

β0、β1、β2、β3——未知参数;

ε——不可测的随机误差［12］。

将 L、a、b 值分别设为自变量 x1、x2、x3，经向断裂强力、纬向断裂强力、TPP值分别设为因变量y1、y2、y3。利用SPSS对自变量与因变量进行回归分析，得到的回归方程的拟合优度检验由复相关系数R和决定系数R2实现，R和R2越接近1，说明拟合优度越好。回归方程的显著性检验一般采用F检验，当显著性概率P＜0.05时，说明回归方程的显著性高。回归系数的显著性检验采用T检验，当Sig.＜0.05 时，说明回归系数具有显著性［12-13］。

图4 光湿复合作用下织物的断裂强力变化

图5 光湿复合作用下服装整体的TPP值变化

采用逐步回归分析方法得到的回归方程如下：

(1)光老化后干态：

y1=1 069.700 －3.027x2

y2=843.171+1.824x1－3.431x2

y3=31.990 －0.045x2

(2)光老化后含水率约40%：

y1=971.092 －5.450x2+3.452x3

y2=768.883 －5.148x2+5.830x3

y3=34.512 －0.074x2+0.057x3

(3)光老化后饱和润湿：

y1=960.636 －6.610x2+4.347x3

y2=770.029 －5.739x2+6.363x3

y3=39.760 －0.111x2+0.084x3

表3为回归方程拟合度和显著性检验结果。数据表明，除了在含水率约40%及饱和润湿情况下方程 y3的拟合度较低(R2分别为0.759和0.587)外，其他情况下各方程的拟合度均比较高(R2范围为0.855～0.965)。回归方程显著性检验结果表明所有方程的显著性高，且各方程的T检验结果表明回归系数具有显著性。

表3 回归方程拟合优度及显著性检验

3.2 回归模型的验证

验证试验选用的外层面料为暗橙色的NomexⅢA，记为B，其他三层选材不变。试验条件及方法不变，辐照强度值为(5.3 ±0.27)kW/m2，辐照时间分别为 0、15、30、45、60 min，光老化后的润湿状态为三种：干态、含水率约40%、饱和润湿。光湿复合作用下，试样B的表面颜色Lab值如表4所示。

表4 试样B表面颜色的Lab值

用预测误差表征回归模型的预测效果，其表达式为：

平均误差为各个误差的平均值。表5、表6及表7分别是验证试验后试样B经向断裂强力、纬向断裂强力及整体TPP值的预测值误差。从表5中可看出，不同润湿状态下经向断裂强力的预测值平均误差最大为2.53%，说明预测结果很接近实际情况;表6中平均误差最大为10.50%，说明预测结果较为可靠;表7中平均误差最大为14.55%，说明整体TPP值在含水率约40%状态下的预测值有一定偏离。

表5 试样B经向断裂强力的预测值误差

表6 试样B纬向断裂强力的预测值误差

表7 试样B为外层的整体TPP值的预测值误差

4 结语

本文对消防服常用外层织物进行了光湿复合老化试验，采用分光光度仪和MATLAB语言编程计算得到织物色彩的Lab值，利用SPSS软件分析并建立色彩分别与断裂强力、热防护性能之间的多元线性回归关系，得到相应的回归方程。

采用不同颜色的外层织物进行验证试验，预测结果为：光老化后，干态、含水率约40%及饱和润湿状态下，经向断裂强力的预测平均误差分别为2.53%、2.40% 和 2.53%;纬向断裂强力的预测平均误差分别为 4.90%、8.99% 和 10.50%;整体TPP值的预测平均误差分别为4.10%、14.55%和10.41%。说明回归模型的拟合度总体来说较好，用其进行预测可以接受，对用非破坏性试验方法来预测消防服的报废时机具有一定的指导意义。

［1］PERKINS R.Insulative values of single-layer fabrics for thermal protective clothing［J］.Textile Res J，1979，49(4)：202-207.

［2］崔志英.消防服用织物热防护性能与服用性能的研究［D］.上海：东华大学，2009：79-90.

［3］SONG G，PASKALUK S，SATI R，et al.Thermal protective performance of protective clothing used for low radiant heat protection［J］.Textile Res J，2011，81(3)：311-323.

［4］张静静.洗涤和热辐射对消防服用织物热防护性能的影响［D］.上海：东华大学，2011.

［5］孟瑾.日晒对消防服织物性能的影响［D］.上海：东华大学，2012.

［6］ARRIETA C，DAVID E，DOLEZ P，et al.X-ray diffraction，Raman，and differential thermal analyses of the thermal aging of a Kevlar{extregistered}-PBI blend fabric［J］.Polymer Composites，2011(6)：363-367.

［7］刘君杰.几种高性能纤维热松弛及光热老化机制与性能表征［D］.上海：东华大学，2011：148-170.

［8］张楚旋，冯艳丽，王宝生，等.湿热老化对杂环芳纶拉伸性能影响研究［J］.高科技纤维与应用，2013，38(4)：25-28.

［9］色彩学编写组.色彩学［M］.北京：科学出版社，2001：4-97.

［10］于艳.基于数码图像处理的彩色样品质量评价方法研究［D］.重庆：重庆大学，2012.

［11］胡晓冬，董辰辉.MATLAB从入门到精通［M］.北京：人民邮电出版社，2010.

［12］邓维斌，唐兴艳，胡大权，等.SPSS19统计分析实用教程［M］.北京：电子工业出版社，2012.

［13］张威，刘智，李龙.基于多元回归分析的纬平织物热湿舒适性能［J］.纺织学报，2011，32(7)：55-59.