服装热防护性能测评技术的发展过程及现状

翟丽娜，李 俊，3

(1.东华大学服装·艺术设计学院，上海 200051;2.东华大学功能防护服装研究中心，上海 200051;3.现代服装设计与技术教育部重点实验室(东华大学)，上海 200051)

自然界与社会环境中，存在多种热伤害安全隐患，如火焰、熔融金属溅射以及热气体等热伤害源。穿着合适的热防护服装可以保护人体，在突发条件下，为着装者提供宝贵的反应时间。

在热环境中，热防护服装作为人体与外界环境的媒介，可以通过2个途径对人体进行保护。一方面，热防护服装可以隔绝伤害源，避免人体皮肤与火焰、熔融喷溅等伤害源的直接接触;另一方面可以在一定程度上减缓外界热量向人体传递。热防护服装的这种防护性能即为热防护性能。

然而不同的热防护服装可能具有不同的纤维成分、织物结构、款式特征，如何对不同的热防护服装进行性能评价，一直是服装领域研究者关注的问题，热防护性能的测评方法也经历了从织物层面到服装整体层面，从平板实验到燃烧实验的发展过程。本文分别从服用织物及服装整体2个层面，对服装热防护性能的测评方法及评价指标进行了回顾与总结，并根据当前服装热防护性能测评的研究现状提出了未来该领域发展的方向。

1 服用织物的热防护性能测评

在服装整体热防护性能测试方法出现以前，服装的热防护性能多用服用织物的热防护性能来表征。

1.1 阻燃性能

通过后整理方法，天然纤维织物(如阻燃棉)得到了阻燃、隔热等热防护性能，传统的热阻等服装隔热性能表征方法已不能满足热防护服装的评价需求，因此热防护性能主要通过织物的阻燃性能来代表。常用的方法包括垂直燃烧法、45°倾斜法、极限氧指数法。

其中垂直燃烧方法中，将织物置于火焰的垂直上方，测试织物在规定的火焰条件和时间内的续燃时间、阴燃时间、损毁长度等指标;极限氧指数方法计算了能够支持织物燃烧的最低的氧气体积分数;45°倾斜法测试了织物燃烧时火焰向上燃烧至一定距离所需要的时间。

这些测试方法与评价指标虽然可以评价织物的阻燃能力，但是随着科技的发展，越来越多的阻燃织物具有优越的阻燃性能，因此在同等情况下，难以通过阻燃测试进行性能优劣的评价。

1.2 织物热传递性能

随着合成纤维等人造纤维技术水平的不断提高，多种阻燃的化学纤维，如芳纶1313(Nomex)、芳纶1414(Kevlar)、聚苯并咪唑(PBI)等，已实现了工业化生产，并投入到热防护服装的使用中。Behnke［1］指出早期用于阻燃整理织物质量控制的阻燃性能测试，并不足以评价织物的防护等级，并基于Stoll关于人体皮肤二级烧伤的烧伤准则［2－3］，提出使用热防护性能(thermal protective performance，TPP)测试装置测试织物的热传递性能。

随着TPP测试方法的应用［4］，ASTM及 ISO等机构形成了一系列织物热防护性能测试方法及评价标准。其中重要的测试方法见表1。

表中所示这些测试方法分为2种，一种将皮肤烧伤考虑在内，测试织物达到一定烧伤结果的防护时间(ASTM标准多使用此种方法);另一种则测试了织物达到一定温度时的能量传递率(ISO标准中多采用此种方法)。根据不同测试方法的特点，可以将织物的热传递性能评价指标分为不同类别。

1.2.1 考虑烧伤的测试方法

考虑烧伤的测试方法中使用了Stoll烧伤准则进行烧伤评价，即从人体生理的角度出发，衡量了织物的热防护性能。

其中，根据标定变量的不同又可以分为温度标定与能量标定2种方法。

温度标定方法:这种方法源于Behnke定义的TPP测试方法。Behnke认为将热暴露设定为已知水平时，即可以通过足以达到二级烧伤的热传递能量值来评价服用织物，因此，TPP值为热暴露时间与热流密度的乘积。

目前，以TPP值为代表的热传递性能评价广泛应用于国际测试标准中。其中，ASTM D4108《明火法测试防护织物的热防护性能》，是应用TPP测试装置的经典测试方法，其热暴露的热流密度(84±2)kW/m2即(2±0.05)cal/(cm2·s)为之后的测试标准广泛使用。另外，热源为热辐射的测试条件被单独提出，形成了ASTM F1939-99a《防火服装材料的防辐射性能试验方法》，并定义辐射热防护性能(radiant protective performance，RPP)来评价织物的辐射防护性能。

ISO标准借鉴了ASTM标准中的测试方法，定义热临界指标(thermal threshold index，TTI)或热防护指标(thermal protection index，TPI)表征织物的热传递性能。TTI与TPP指标本质相同，只是表述方法不同，由于TPP指标提出较早且应用广泛，TTI指标的使用比较少见。

能量标定方法:早期的TPP、RPP、TTI测试方法中，均将Stoll烧伤准则中的皮肤表面吸收能量转化为热流计的温度上升值。而在ASTM F2700—2008《连续加热法评估服装用阻燃材料的非稳态传热的标准试验方法》及ASTM F1939—2008《用连续加热测定防火服装材料的防热辐射的标准试验方法》中，去掉了热流计温度转化这个步骤，而改为使用热流计的累积能量。然后利用纵坐标为能量值的Stoll曲线，判断达到二级烧伤的时间。

表1 织物热传性能的测评方法Tab.1 Test methods for heat transfer performance of fabrics

对热辐射及热对流耦合的热源，定义热传递性能(heat transfer performance，HTP)，对于仅有热辐射的热源，定义辐射热阻(radiant heat resistance，RHR)。2个指标的计算方法与TPP一致，仅在命名上有所不同。

1.2.2 未考虑烧伤的测试方法

ISO标准中，也使用了单纯的能量方法标定织物的热传递性能。

2个典型的指标为热传递指标(heat transfer index，HTI)、热 传 递 因 子 (heat transfer factor，HTF)。其中HTI定义为铜片传感器温度上升到12℃或24℃时，织物的总传递能量。HTF定义为经过面料传递后的热流量密度与入射热流量密度的比值。

与TPP测试中模拟皮肤达到二级烧伤的时间控制不同，在这2种测试方法中，人为规定了实验终止的节点，比如传感器温度上升到12℃或24℃，因此无需使用烧伤准则及烧伤模型进行判断，是一种单纯的能量标定的方法。但是由于没有考虑人体穿着防护服装后可能出现的烧伤危害，对于终端的用户来说，指标的实际指导意义并不明显，所以应用并不广泛。

无论是基于皮肤烧伤的测试方法，还是能量传递率的直接表征，其本质均为对面料热传递性能的标定。然而，对于织物热传递性能的测试仅仅考虑了织物在热暴露阶段的隔热性能，未将冷却阶段，服装可能释放热量的因素考虑在内，因此这些测试方法未能全面的反应织物的热防护性能。

1.3 织物的热防护性能评价

自1971年开始，消防服装的多层织物系统的蓄热性能引起了学者的重视［5］。学者指出，织物特别是具有多层织物的服用织物系统，在热暴露阶段会蓄积大量的热量，在热暴露结束之后，这些热量会发生持续的放热过程，这些热量传递到皮肤之后，会引起更大程度的烧伤［6］。

传统上，较高的TPP值被认为具有较好的热防护性能，然而TPP本质上测试的仅仅是服用织物的热传递性能，并没有将织物的热蓄积性能考虑在内，因此，2008年，ASTM 机构制定了 ASTM F2703—2008《评估阻燃服装材料的非稳态传热进行烧伤预测的标准试验方法》及ASTM F2702—2008《评估阻燃服装材料的辐射热性能进行烧伤预测的标准试验方法》(见表2)。这2个测试标准中考虑了热暴露结束之后，织物系统的热蓄积的因素，并重新定义了热性能评估(thermal performance estimate，TPE)，及辐射热性能(radiant heat performance，RHP)2个指标。

表2 织物热防护性能的测评方法Tab.2 Test methods for thermal protective performance of fabrics

TPE与RHP的计算方法与TPP的原理基本相同，不同之处在于TPE与RHP的计算中，实验时间分为2部分，一部分为热暴露时间，另一部分为30 s冷却时间。由于测试前不能预测恰好达到二级烧伤的实验时间，因此测试需要经过不断尝试进行。

这2种测试方法不仅考虑了织物的阻燃性能、热传递性能，还考虑了后期的蓄热性能，因此可以比较全面地反映织物整体的热防护性能。但是，由于这种测试方法近年才开始提出，且测试过程需要不断尝试，因此还未得到广泛理解和接受。

2 服装整体热防护性能的测评

与织物热防护性能测评方法相比，服装整体热防护性能测评的手段较少。曾有学者使用圆筒测试仪进行服装热防护性能测试［7］，然而认可度较高，接受较广泛的测试方法为燃烧假人测试方法［8］。

2.1 燃烧假人测评系统的发展历程

20世纪60年代，美国空军研究所进行了有关燃烧假人研制的项目，用来研究空难人员逃离飞机坠毁火场时的服装防护及人员受伤情况。Stoll基于其早期关于烧伤实验的研究，根据温度判断不同部位的烧伤情况［9］。

1973年，Elkins等［10］尝试使用一种精确简单的计算机代码来实现皮肤不同深度及程度的组织烧伤预测及服装性能评价。此时，假人系统不仅配备了完善的数据采集系统，还首次使用了Henriques烧伤模型进行皮肤烧伤预测评价。

1979年，Trent等［11］提出对温度超过44 ℃后的所有时间进行烧伤积分计算，这个评估不仅包括了热暴露阶段，同时考虑了冷却阶段;另外，使用可视化的人体烧伤分布图，来评价服装在不同部位的热防护效果。

20世纪80年代，燃烧假人系统陆续在多个研究机构建立，如美国的明尼苏达大学［12－13］、加拿大的阿尔伯特大学［14－15］、美国的北卡州立大学［16］。在这个时期，燃烧假人系统逐步完善，出现了完整的燃烧实验室系统。另外，烧伤预测的方法从简单的经典导热微分方程发展到考虑了生物组织特点的Pennes模型［17］;配合 Henriques烧伤模型，系统可以输出完整的热防护性能报告［18］。

近年来，美国的 WPI［19］、瑞士的 EMPA［20－21］，南斯拉夫JSI［22］等研究机构对假人测试系统进行了研究开发。另外，东华大学也开展了利用其燃烧假人“东华火人”对动态人体模拟条件下的整体热防护性能测评工作［2］。

随着燃烧假人测试方法的不断完善，逐步形成了燃烧假人系统测评方法的相关标准。

2.2 服装整体热防护性能测评方法

2000年至2008年，ASTM和ISO机构先后制定了ASTM F1930—2000《用装有测量仪器的人体模型评价防护服装耐模拟暴燃火焰的标准试验方法》及ISO 13506—2008《防热和防火防护服 完整服装的试验方法 用装备仪器的假人对燃烧伤害的预测》，对使用燃烧假人的测试方法进行了统一规范。其中ASTM F1930标准至今已发展至13版本，在不同年代的版本中，测试评价方法基本一致，但是在皮肤烧伤预测方面对于皮肤厚度、热物理性能等变量，给出了不同的参数值。而ISO标准基本参照了ASTM F1930—2000标准中的实验方法及参数。

在测试评价方面，ASTM标准中规定使用烧伤预测百分比及烧伤预测分布图的方法，而ISO标准同时推荐使用总传递能量值的方法，因此，目前，燃烧假人测试系统的评价包括烧伤预测百分比、烧伤预测分布图及总传递能量3种方法。

2.2.1 烧伤预测百分比

对于皮肤烧伤患者来说，身体烧伤面积是影响生还率的关键因素。早在1961年，Stoll［9］已使用烧伤预测比例来预测着装者的皮肤烧伤程度，之后这种方法一直被学者沿用。目前，ISO标准及ASTM标准中均要求系统计算不同烧伤程度的区域预测比例。包括二级烧伤、三级烧伤、总烧伤(二级烧伤和三级烧伤的总和)区域分别占燃烧假人总体区域的比例，不同烧伤程度占服装覆盖区域的比例。其中总烧伤区域的比例常用来评价热防护服装整体的热防护性能。

2.2.2 烧伤预测分布图

1979 年，Trent［11］等将人体不同区域的预测烧伤情况使用二维图像的方法表征，是当今使用的烧伤预测分布图的雏形。目前，通常将未烧伤、一级烧伤、二级烧伤、三级烧伤4个烧伤水平使用不同颜色表示，从而表达对应部位的烧伤程度。

根据烧伤预测分布图，可以清晰地评估热防护服装不同部位的防护效果;为热防护服装不同部位的设计提供了依据。

2.2.3 总传递能量

在整个数据采集阶段，假人体表每个传感器接收到的累积能量的总和即为总传递能量值。一些研究中直接使用这个能量值进行服装热防护性能的评估［23－24］。最近，Rossi等［25］提出使用能量传递因子的方法进行防护性能的评估，因此这种评价方法仍有待完善。

3 热防护性能测评的发展方向

由于研究对象的危险性与复杂性，服装热防护性能的测评方法发展缓慢，在织物测试及服装整体测试层面仍然存在一定进步空间。

织物热湿耦合状态下测评方法的建立。织物热防护性能测评方法经历了从阻燃性能、热传递性能、考虑热蓄积的热防护性能的不断发展与完善。但是现有研究多局限于干热条件下的热传递过程模拟，在长时间热暴露过程中，特别是低热辐射状态条件下，人体的出汗等生理反应仍需考虑在测试中。关于热湿耦合作用的测试方法，一些学者进行了探索［26］，然而在对面料的加湿步骤等方面仍然需要建立标准化规范。

服装整体热防护性能测评方法的细分。假人系统最早被用来研究空难人员逃离飞机坠毁火场时的服装防护及人员受伤情况。然而，有学者［27］认为例如消防服等的热防护服装的使用状态为低热流密度长时间热暴露，与燃烧假人测试中使用的高热流短时间热暴露条件并不相同。在织物层面的测试中，已经单独将热辐射条件与热对流热辐射耦合的闪火条件进行区别，并形成了一些测试标准［5，12］。但是在服装的整体热辐射防护性能评价方面，仍有待形成一定测试规范与评价方法。

烧伤预测评价方法的完善。目前，皮肤烧伤预测百分比及皮肤烧伤预测分布图成为整体热防护性能评价的主要指标。然而近年来，不断有研究者发现，由于皮肤厚度等参数的不同、皮肤传热模型及烧伤模型的差异，导致不同燃烧假人测试结果不尽相同［28］。另外，有学者提出了 Stoll烧伤准则及Henriques烧伤模型的适用性问题［29］，因此，未来仍需要挖掘皮肤性能以及烧伤机理的研究成果，充分考虑皮肤内部热传递过程的内在规律，进一步讨论皮肤烧伤预测方法的准确性及合理性等问题。

服装热防护性能客观评价方法的完善。服装的烧伤防护性能只是服装热防护性能的一个重要部分，然而服装自身的性能变化是也是热防护性能的组成成分。在ASTM及ISO测试标准中，均使用主观观察的方法来记录燃烧过程中服装发生的收缩、炭化、熔融，破损等服装的性能变化，而缺乏客观的评价指标。在此方面，通过利用三维扫面技术［30］，对服装各部位进行记号标定［31］等手段，记录燃烧前后服装本身的性状改变，将为服装性能的客观表征指标的建立奠定基础。

4 结语

服装的热防护性能测评经历了从织物测试到服装整体的测试评价方法的发展过程，各种测试方法在硬件方面不断完善，然而在评价理论方面，仍存在较多问题。未来，仍需充分考虑热防护服装的使用环境的实际条件，利用当前医学及工程热物理学方面先进的理论成果及技术手段，提高烧伤预测方法的合理性与准确度，实现火场环境中对人体烧伤更为准确的预测估计，建立完善的热防护服装的热防护性能评价体系。

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