含水率对消防服用织物热防护性能的影响

曹　娟，宋国文，2，张　慧，任海涛

（1.天津工业大学纺织学院，天津　300387；2.爱荷华州立大学人类科学学部，艾姆斯IA50011美国）



含水率对消防服用织物热防护性能的影响

曹娟1，宋国文1，2，张慧1，任海涛1

（1.天津工业大学纺织学院，天津300387；2.爱荷华州立大学人类科学学部，艾姆斯IA50011美国）

摘要：为研究消防服用织物在湿态下的热防护性能，选用3种常见的消防服多层结构面料，通过使用改进的TPP测试仪，将多层织物组合暴露在强度为15.4 kW/m2的热辐射下，利用皮肤模拟传感器记录温度变化，并通过皮肤烧伤模型预测二级烧伤时间，比较不同面料吸湿后热防护性能的变化.结果表明：隔热舒适层较厚的织物在含水率为45.9%时，二级烧伤时间达到了最小值，隔热舒适层相对较薄的两种织物在含水率分别为20.0%和24.2%时，二级烧伤时间也达到了最小值.随着织物含水率继续增大，二级烧伤时间呈上升趋势，而模拟皮肤吸收的热量出现了不同的波动.

关键词：消防服装；织物；热防护；含水率；二级烧伤时间

消防员无论在外围控制火势还是进入火场救援都常常会与水接触，消防服外层难免会被水润湿，其中一部分水分会通过服装表层传递到内层[1].同时，在救援过程中，消防员本身会产生大量的汗液，穿着消防服后人体会以1 200～1 800 g/h的速率出汗[2-3].出汗是为了调节人体的温度，能够保持在适应的范围内，避免人体过热，然而，在消防作业中，将近2/3的水分会留在服装层中[4].服装中水分的传热传质通过蒸发、凝结、解吸和吸附等作用进行，这是一个很复杂的过程[5].在火灾救援过程中，水分在高温下汽化成水蒸气，传递到皮肤表面，造成蒸汽烧伤，甚至没有接触火源的情况下就会使人体烧伤[6].因此，为了研究水分的蒸发和传导对皮肤的影响，需要了解水分在织物层中的分布，以及织物暴露在热源下时水分的温度和水蒸汽的含量[7].

织物中的水分对消防服的热防护性能有很大影响，同时还会影响多层织物的热传导性能，水分的存在增加了织物的导热系数和热容量[8]，很多学者研究了关于水分对多层织物系统的影响[9]，发现在不同条件下，水分会提高或降低织物的热防护性能.Lee和Barker[10]发现水分对织物热防护性能的影响跟热辐射强度有很大关系，在20 kW/m2的热源下，水分提高了热防护性能，然而在84 kW/m2的热源下，水分却对热防护性能产生了消极的影响.Barker等[11]研究发现，在6.3 kW/m2的低辐射下，水分降低了织物热防护性能，当添加水分为系统织物质量的15%～20%时，皮肤二级烧伤时间达到最小值.这些结果表明，消防服中有诸多因素会影响它的热传导性能，包括热传递性质（热对流、热辐射和传导）、水分含量与分布、水分吸收时间、材料种类、暴露时间以及热源强度等.本文以含水率为主要因素，将不同厚度的消防服面料暴露在热辐射下，探究多层织物系统在不同润湿状态下时热防护性能的变化.

1　实验部分

1.1实验材料

消防服通常是由3层（阻燃外层、防水透湿层、隔热舒适层）组成[12]，本实验选用一种消防服外层面料A，即芳纶IIIA织物，由93%芳纶1313、5%芳纶1414 和2%抗静电纤维组成；一种防水透湿层B，由100%的芳纶毡与PTFE膜复合构成；3种不同厚度的隔热舒适层面料C1、C2、C3，由100%的芳纶1313和起舒适作用的芳纶混纺底布复合而成.实验用织物的基本参数如表1所示，其组成的多层织物系统Z1、Z2、Z3如表2所示.

表1　实验织物基本参数Tab.1 Parameters of fabric samples

1.2实验仪器

实验仪器采用MEASUREMENT TECHNOLOGY NORTHWEST公司生产的403-08型热防护性能测试仪.该测试仪中所配备的传感器为铜片热流计，数据通过采集系统进入基于Stoll烧伤模型的分析软件经分析后得出二级烧伤时间.本实验是在传统TPP测试仪的基础上，对其进行改进，使用表面热电偶传感器代替TPP中原有的铜片传感器，如图1所示，将热电偶置于壳体表面，称为皮肤模拟传感器.它的壳体由无机混合物构成，其材料的热性能和物理性能与人体皮肤相似.数据接收系统是基于Labview2010软件开发的温度测试仪器.由美国National Instruments（简称NI）开发的虚拟温度测试仪（NI仪器），主要由数据采集、数据处理和控制、数据显示记录3部分组成，其中数据采集部分由硬件完成，数据处理和控制部分由软件完成[13].

表2　多层织物组合试样Tab.2 Multi-layer fabric composite samples

?图1皮肤模拟传感器Fig.1 Skin simulant sensor

1.3实验方法

本实验用基于Henriques烧伤积分方程的分析软件Skin Burn Prediction代替TPP测试仪中基于Stoll二级烧伤准则的分析软件来评价织物的热防护性能. Skin Burn Prediction软件将收集到的时间和温度数据经过处理得到皮肤的二级烧伤时间.Henriques皮肤烧伤积分方程如式（1）：

式中：Ω为皮肤烧伤程度的量化值，无量纲；为皮肤组织频率因子（s-1）；为皮肤表面80 μm处的温度（℃）；为皮肤受热时间（s）；为理想气体常数（8.31 J/（mol·℃））；为人体皮肤活化能（J/mol）.

通过计算值确定皮肤烧伤的程度，皮肤温度> 44℃且Ω= 0.53时，皮肤为一级烧伤；皮肤温度> 44℃且Ω= 1.0时，皮肤为二级烧伤.

利用改进的TPP测试仪，根据标准ASTM F1939，将试样暴露在强度为15.4 kW/m2的热辐射下，皮肤模拟传感器安装在可加工的陶瓷砖中，正好接触样品的隔热舒适层.经过前期预实验测试，在80 s内试样均会出现二级烧伤时间，因此暴露时间确定为80 s.实验步骤为：①在计算机上设置热源强度，并通过铜片热流计进行校正达到所需强度.②将规格为150 mm×150 mm的试样组合水平放置在特定的热源上面，在规定的距离内，热源以热辐射的形式出现.③通过皮肤模拟传感器记录温度随时间的变化，NI仪器每0.1 s接收一个温度，试样暴露80 s后离开热源，并停止接收数据.④提取温度和时间数据，放入Skin Burn Prediction软件中，对数据进行分析.⑤根据Duhamel准则，计算热流量曲线，再通过微积分得到皮肤模拟传感器吸收的热量，基于皮肤烧伤预测模型，估计皮肤达到二级烧伤的时间.

试样的预处理方案：将大小为150 mm×150 mm的多层织物系统进行称重，按照总质量的百分数，将不同含量的水分喷洒在隔热舒适层的表面来增加整个系统的质量（隔热舒适层、防水透湿层、外层），从而达到预期的质量[11].本文选取3种不同厚度的隔热舒适层，为了统一变量，更好地研究水分对防护性能的影响，选取一种组合质量最大的Z1组合（14 g）作为喷洒水分的最大质量.将其分为4种润湿水平：第1种是干态，不加水；第2种是组合质量的15%，即加入2.1 g的水分；第3种是组合质量的50%，即加入7 g的水；第4种是组合质量的100%，即加入14 g的水.为了使织物润湿表面均匀稳定，将润湿的隔热舒适层放置在密封袋中调湿12 h，测试前将其从密封袋中取出，并进行称量，计算织物的含水率，如式（2）：

2　实验结果与分析

2.1二级烧伤时间分析

将Z1、Z2、Z3试样组合暴露在15.4 kW/m2热辐射下，隔热舒适层加入不同含量的水分后，皮肤二级烧伤时间会发生变化，结果如表3所示.

从表3可以看出，在3种不同厚度的隔热舒适层上，喷洒等量的水分后，织物厚度越薄其含水率越大，且实际含水率均小于理论含水率，将织物喷水并调湿12 h后，此时有一部分水分蒸发，一部分水未被织物吸收，因此，实际含水率均小于理论含水率.

当隔热舒适层为干态时，皮肤二级烧伤时间依次为Z1 > Z2 > Z3，相同材料情况下，织物的厚度越大，它的隔热性能越好.当隔热舒适层被不同程度润湿后，试样的热防护性能均有一定程度的降低，这是因为水分增加了织物的导热系数，使其温度上升速率加快[5].隔热舒适层最厚的Z1试样含水率为45.9%时，二级烧伤时间达到最小值，隔热舒适层较薄的Z2、Z3试样含水率分别为20.0%和24.2%时，二级烧伤时间达到最小值.这是因为织物较厚时，热源穿过织物传递至皮肤的热量较少，二级烧伤时间长，在此期间，当织物含水率较小时，水分增大导热系数为主要影响因素，模拟皮肤温度上升速率加快，但是随着时间的延长水分逐渐蒸发，并带走部分热量，剩余的水分不足以使温度上升速率继续加快；而隔热舒适层较薄的织物，传递到皮肤的热量多，达到二级烧伤的时间短，在短时间内，织物中的水分从吸热到放热，在到达二级烧伤时间前，织物中的含水率仍然保持在一定范围内，使得温度持续快速上升，因此，Z1试样达到二级烧伤时间最小值需要加入更多的水分.随着水分的继续增加，织物的二级烧伤时间趋于升高，这是由于含水率增大后，织物热容量增大，在初始阶段，织物中的水分吸热，水分越多，吸热的时间越长，延缓了二级烧伤时间.此外，试样被不同程度润湿后，隔热舒适层越薄，其实际含水率越大，二级烧伤时间降低幅度越小.

2.2模拟皮肤温度变化分析

图2—图4分别为Z1、Z2和Z3试样在不同湿润状态下，模拟皮肤的温度变化.在干态下，织物受到热辐射后，温度迅速上升，当隔热舒适层加入不同含量的水分后，温度曲线发生了改变，对于所有组合试样都包含前2个阶段[14].

表3　不同含水率下试样的二级烧伤时间Tab.3 Second-degree burn time under different moisture content percent

图2　Z1组合试样温度曲线变化Fig.2 Temperature curve of Z1 combination sample

图3　Z2组合试样温度曲线变化Fig.3 Temperature curve of Z2 combination sample

图4　Z3组合试样温度曲线变化Fig.4 Temperature curve of Z3 combination sample

第1阶段：最开始几秒曲线变化平缓，模拟皮肤温度升高较慢，且随着加水量的增加，这一过程持续时间增大，此时，试样刚开始接受热辐射，织物中的水分吸收了较多的热量，水分的存在增大了织物的蓄热能力.在常温下，水的比热容为4.18 J/（g·℃），大约是一般干纤维的2～3倍[15]，因此，隔热舒适层润湿后，与干态相比，模拟皮肤温度上升的速率变慢.

第2阶段：曲线变陡.织物吸收了足够的热量后，织物也作为热源向模拟皮肤传递热量，而且，润湿状态下，温度变化曲线与干态相比，更加陡峭，这是由于水分吸收了大量的热，水的导热系数为0.697 W/ （m·℃），芳香聚酰胺纤维的导热系数为0.244～0.337 W/（m·℃），含水织物的导热系数大大高于干态织物，因此，隔热舒适层润湿后热量传递速率加快，温度上升也变快.

对于Z1试样，当加水量（2.1 mL）较少时，温度曲线变化出现第3、第4阶段.由于实验仅记录了在80 s中模拟皮肤温度的变化，因此，Z2、Z3试样温度变化曲线也仅发生到第2阶段，如果继续辐射织物，模拟皮肤温度将会出现下一阶段变化.

第3阶段：曲线变化又趋平缓.由于织物内部含有水分，当织物温度较高时，织物内的水分开始蒸发，带走了部分辐射热量，同时使织物本身温度升高变缓，从而使模拟皮肤温度在这一阶段变化缓慢.

第4阶段：温度曲线又变陡，模拟皮肤温度上升速率加快.在此阶段，随着热辐射时间的进一步增加，织物内水分已蒸发，织物本身的温度升高，辐射热源的热量传递到内层，因此，模拟皮肤温度升高.

2.3模拟皮肤吸收热量分析

将多层织物试样暴露在热源下时，隔热舒适层被不同程度润湿，在80 s内，模拟皮肤吸收的热量会发生变化，如图5所示.

图5　织物含水率与吸收热量的关系Fig.5 Relationship between fabric′s moisture content percent and absorbed energy

由图5可见，在干态下，模拟皮肤吸收热量依次为Z3 > Z2 > Z1，当阻燃层和防水透湿层相同时，试样隔热舒适层越厚其隔热性能越好，可以有效地阻碍热量的传递.试样被不同程度润湿后，与干态相比，模拟皮肤吸收热量均增大，这是由于水分增加了织物的导热系数，使得热量传递速率加快.随着含水率的增大，Z1、Z2和Z3试样的吸收热量出现了不同程度的变化，由于隔热舒适层厚度不同，含水率不同，导致各阶段持续时间和变化速率均不同，这些阶段共同作用，决定了模拟皮肤吸收热量的多少，因此，在80 s内，随着织物含水率增大，模拟皮肤吸收的热量变化各异.

3　结论

本文采用改进的TPP测试仪，在15.4 kW/m2辐射强度下进行测试，分析了不同湿状态下二级烧伤时间、模拟皮肤温度和吸收热量的变化，探讨了隔热舒适层水分对多层织物热防护性能的影响.通过以上分析可以得到：

（1）在干态下，二级烧伤时间依次为Z1 > Z2 > Z3，模拟皮肤吸收热量依次为Z3 > Z2 > Z1，当外层和防水透湿层相同的条件下，试样隔热舒适层越厚，阻碍热传导的能力越强，其热防护性能越好.

（2）当隔热舒适层被不同程度润湿后，与干态相比，试样的二级烧伤时间均降低.隔热舒适层最厚的Z1试样实际含水率为45.9%时，二级烧伤时间达到最低，下降了31%，隔热舒适层较薄的Z2、Z3试样实际含水率分别为20.0%和24.2%时，二级烧伤时间达到最低，分别下降了16.9%和8.7%，随着水分含量的继续增加，织物的热防护性能逐渐提高，在加水量相同的情况下，织物越厚，对热防护性能的影响越大.

（3）试样被润湿后，在80 s内模拟皮肤吸收的热量均高于干态，水分增加了织物的热容量和导热系数，随着织物含水率的增大，模拟皮肤吸收热量发生了不同变化，这与织物中水分的变化阶段有密切关系. Z1试样随着含水率的增大，模拟皮肤吸收的热量一直增大，而隔热舒适层较薄的Z2和Z3试样，吸收热量的变化趋势各异，由此可见，发生二级烧伤后，继续辐射织物，水分对织物的热防护性能的影响会发生变化，以后可以进一步探究.

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Effects of moisture content percent on thermal protective performance of firefighter-clothing fabrics

CAO Juan1，SONG Guo-wen1，2，ZHANG Hui1，REN Hai-tao1
（1. School of Textiles，Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387，China；2. College of Human Sciences，Iowa State University，Ames IA 50011，USA）

Abstract：In order to study the effects of absorbed moisture on the thermal protective performance of firefighter-clothing materials，three kinds of fire-retardant multilayer fabrics commonly used for firefighter were selected, and the thermal protective performance in term of the time required to second-degree burn was obtained from these fabrics through improved TPP experiment. The turnout system materials were exposed to the radiation heat with intensity of 15.4 kW/m2. The skin simulant sensor was used to measure temperature changes, and the second-degree burn time was predicted using a skin burn injury model. The thermal protective performance for these different layer fabrics with absorbed moisture was compared. The results show that the thicker thermal liners with moisture content percent of 45.9%can achieve minimum second-degree burn time and the thinner thermal liners with moisture content percent 20.0%and 24.2%can also achive minimum second-degree burn time. The results also suggest that with the increased moisture content percent，the predicted second -degree burn time gradually increase，however，the absorbed energy of simulant skin appears different fluctuations.

Key words：firefighter-clothing；fabric；thermal protective；moisture content percent；second-degree burn time

通信作者：宋国文（1965—），男，博士后，教授，博士生导师，研究方向为热防护服装工程. E-mail: gwsongsgs@gmail.com

基金项目：国家自然科学基金项目（51206122）；天津科委青年基金项目（13JCQNJC03000）.

收稿日期：2015-11-03

DOI：10.3969/j.issn.1671-024x.2016.01.007

中图分类号：TS941.731

文献标志码：A

文章编号：1671－024X（2016）01－0033－05

第一作者：曹娟（1990—）女，硕士研究生.