基于暖体假人实验的防刺服热阻和湿阻研究

袁梦琦， 蒋锦辉， 杨杰， 钱新明

(1.北京理工大学 机电学院，北京 100081；2.清华大学 公共安全研究院，工程物理系，北京 100084)



基于暖体假人实验的防刺服热阻和湿阻研究

袁梦琦1， 蒋锦辉1， 杨杰2， 钱新明1

(1.北京理工大学 机电学院，北京 100081；2.清华大学 公共安全研究院，工程物理系，北京 100084)

为有效提高防护服装舒适性、降低人员体力消耗、加快人体防护装备研制与开发，开展了利用出汗暖体假人测量防刺服在不同环境下的热阻与湿阻特性的研究. 根据国际标准，假人只适用于常温环境下服装的热阻和湿阻测量. 对原有热阻模型进行修正，结合热电偶测量方法以及暖体假人测量技术，实现高温下防刺服热阻和湿阻测量. 在温、湿度可控制的气候室内，设置不同环境工况，获得两套防刺服的热阻和湿阻特性，比较了不同防刺基板材料对防刺服热阻和湿阻的影响，以及防刺服不同部位热阻和湿阻的差异. 实验结果表明，防刺服热阻随着温度升高而降低；而湿阻随着环境温度升高而增大，随着湿度增加而减少.

防刺服；防护服；暖体假人；热阻；湿阻

随着恐怖和暴力事件的频繁发生，个体防护装备的研制与开发越来越受到重视. 为保障人民群众与执法人员的人身安全，亟待研发安全实用的防刺服. 美国司法学会在《国家防刺服标准》中指出防刺服的设计理念应为“可穿性+适当防护=挽救生命”[1]， 防刺服在达到防护性能要求后，要求避免由于防刺服的穿着频率低下造成紧急情况下人员不能及时穿着而处于危险境地的状况.

目前市面上的防刺服分为硬质与软质两大类. 硬质防刺服核心部件是硬质基片，如不锈钢、铝合金等，硬质基板具有良好的防刺穿能力，但是限制了穿戴者的活动灵活性；软质防刺服基板多由单一品种的高性能纤维制成，不同形态纤维聚集和复配制成的复合型防刺材料尚在研究中.

一般情况下，人体核心温度需要在37 ℃左右以保持舒适[2]. 防刺服作为人与环境间热量交换的重要介质，参与建立了人体-服装和服装-环境两个热交换环境. 作为特殊防护装备，防刺服的隔热和传湿性能与一般服装有很大不同，多层基板往往会激发人体热应力，使警卫安保人员感到心理压力和生理疲惫[3]，从而带来危险. 因此研究防刺服的热湿传递性能有利于满足人体与环境间动态热平衡、实现人体-防刺服-环境系统的协调最优、预防因热量堆积导致体能速降和穿着不适带来造成的危险.

服装的热湿传递性能测试方法有主观评价法和客观测量法. 主观评价方法偶然性较强，不同个体接受-认知-反应的差别导致测试结果存在较大差异. 客观测量法通常通过测量服装热阻与湿阻，对其热湿传递性能进行评价. 服装热阻表征了服装层两面的温度差与垂直通过服装单位面积的热流量之比，反映了服装的隔热保暖能力；湿阻表征了服装层两面的水蒸汽压力差与垂直通过服装单位面的蒸发热流量之比，反映了服装的透湿能力[4].

暖体假人研发应用已有70多年，是测量常温下服装热阻湿阻的理想工具之一. “Walter”与“Newton”是目前使用最为广泛的两种暖体假人. “Newton”由美国 Measurement Technology Northwest 公司采用导热铝填充碳纤维外壳制造，可以实现多分区的温度、排汗量单独控制. 暖体假人“Walter”由香港理工大学采用防水纤维制造，可以实现全躯干整体温度控制[5]. 王发明等[6]利用“Walter”出汗暖体假人在室温下测试了3组着装的热湿传递特性，分析在不同地域测试的实验结果的一致性及存在的差异；李菲菲[7]利用“Walter”出汗暖体假人研究了在寒冷环境下不同类型保暖服装的热阻湿阻；韩雪峰等[8]利用“Newton”出汗暖体假人开发了低温灾害模拟试验系统，模拟了人类生理活动. 暖体假人在室温与低温环境下模拟人体、服装与环境的热交换过程，评价客观、重复性好. 而高温下由于环境温度高于假人设置体温，导致假人体温无法维持恒定，因此发热量几乎为0，假人无法正常测定服装热阻和湿阻. 本文建立的高温下测定热阻和湿阻方法扩展了暖体假人的适用范围，为系统性研究环境参数对防刺服热阻和湿阻的影响提供了理论和实验依据.

1 实验方法

1.1 实验仪器与材料

本实验采用美国西北测试技术科技公司生产的出汗暖体假人“Newton”来测量热阻与湿阻. “Newton”有20分区，每个分区有独立加热控制与温度传感系统，可以实现区域皮肤的恒温控制功能和恒定功率加热功能. 发汗皮肤系统由20个区域单独控制提供水分，各区域分别含有独立控制器，通过水流控制阀、外部压力泵调节水流量. 计算机控制系统采用配套的ThermDAC软件，实现各个分区温度、加热量以及发汗速率的独立调节，以及实现实验过程中数据实时检测、控制、记录和传输.

实验测试在尺寸为6.0 m×5.0 m×2.7 m 的封闭环境舱内，可精确控制的温湿度范围为18 ℃±0.5 ℃～48 ℃±0.5 ℃和30%±5%～80%±5%. 环境舱位于楼内大房间中，减少了与外界的热量交换. 环境舱墙体由聚乙烯泡沫板与钢板构成. 空调风从天花板进风，从地板回风. 舱内分布10个WZP-PT100热电偶(±0.1 ℃)测量环境舱温度；AM-101湿度传感器(±3%)放置于房间中央. 暖体假人放置于环境舱的实验场景如图1所示.

实验材料为防刺服A(湖南中泰生产)与防刺服B(北京中天锋生产)各1件，均为可拆卸背心式，保护面积为0.3 m2，重量约3 kg；均符合公安部GA68-2008标准[9]. 防刺服A(型号FCF-F-ZT03)主要材料为超高分子模量聚乙烯，防刺服B(型号FCF-J-SD11)主要材料为合金钢片.

1.2 实验设计与计算方法1.2.1 热阻实验

实验在温度20，30，40 ℃与相对湿度55%的环境中进行. 20 ℃与30 ℃实验时，参照ISO 9920与ASTM F1291关于使用暖体假人测量服装热阻的要求，分别测量假人只穿纺织物与穿着防护服时的热阻. 假人采用恒温(35 ℃)、不出汗模式. 每次实验持续约1 h，保持假人发热量恒定约20 min后，使用控制软件ThermDAC记录各个区域加热量与温度. 实验重复3次取平均值. 实验选取躯干4个部位温度：胸部、胃部、肩部与背部，采取并联法与串联法计算热阻总值. 常温下各区域热阻计算公式为

(1)

式中：Rct，i为假人对应部位的热阻，m2·K/W；Tskin，i为假人对应部位的皮肤表面温度，K；Tamb为环境温度，K；Qi为假人对应部位的发热量，W/m2.

40 ℃实验时，环境温度远高于假人的设置温度，假人从环境吸收热量使之体温无法恒定在35 ℃，因此发热量几乎为0. 由于假人本身的技术缺陷，ISO 9920与ASTM F1291标准中测量热阻的方法无法用于高温环境中. 为测量高温环境服装的热阻，采用PT 100温度探头获取防护服内外表面温度，测量区域为胸部、胃部、肩部与背部的中心位置. 计算方法如下.

(2)

式中Ci，Ri分别为假人对应部位环境空气与防护服表面的对流换热速率和辐射换热速率，W/m2.Ci和Ri分别为[11]

(3)

(4)

式中：hc，i为假人各部位的对流换热速率系数[10]，W/(m2·K)；Tout，i为假人对应部位防护服外表面温度，K；ε为服装外表面材料的发射率(取0.9)；δ为Stefan-Boltzmann常数.

防护服总热阻串联与并联算法为

(5)

(6)

式中：N为假人测试部位总数量；ai为假人对应部位表面积占总测量面积的比值.

1.2.2 湿阻实验

实验分别在环境舱温度20，30，40 ℃与相对湿度40%，55%，70%的环境中进行. 实验参照ASTM 2370关于使用暖体假人测量服装湿阻的要求，分别测量假人只穿纺织物皮肤层(裸体)与穿着防护服时的湿阻. 假人采用恒温出汗模式，出汗速率在200～300 mL/(hm2). 实验选取胸部、胃部、肩部与背部温度. 各区域湿阻计算公式为

(7)

式中：Ret，i为假人对应部位湿阻，kPa·m2/W；psat，pamb分别为环境舱环境与假人皮肤表面的饱和蒸汽压，kPa；HR为环境舱相对湿度，

(8)

(9)

2 结果与讨论

2.1 热阻的结果与讨论

热阻测量实验中，环境舱温度分别设置为20，30，40 ℃，相对湿度保持为55%. 按照式(1)～(6)，对防刺服总热阻对比分析，如图2所示.

如图2所示，在相同实验条件下，串联法得到的总阻值比并联法的结果大，这与热防护服的总热阻的分析结果[8]保持一致. 同一实验的实验结果误差较小，主要来源于实验操作误差与仪器系统误差. 20 ℃和30 ℃条件下防刺服总热阻范围为0.15～0.28 m2·K/W，而高温下40 ℃条件下总热阻减小到0.10 m2·K/W左右. 此外，30 ℃时防刺服总热阻比20 ℃时总热阻高20%左右，原因可能是30 ℃时环境温度与假人皮肤温度(35 ℃)差别较小，导致服装外表面与环境之间热传递减少. 40 ℃条件下，服装材料的导热系数随温度升高[11]；同时热空气层与服装之间换热加剧，对流换热系数增加，使高温下总热交换量增加，因此防刺服总热阻值变小. 20 ℃和30 ℃条件下，防刺服A的总热阻小于防刺服B的总热阻，主要是由于防护基板导热性的差异：防刺服A采用自生产的超高模量聚乙烯纤维材料，其导热性能是钢板的2倍[12].

相同实验条件下，同一件防护服的不同部位热交换也不相同. 图3给出了20，30和40 ℃实验条件下防刺服胸部、肩部、胃部与背部的局部热阻. 相同温湿度条件下，胃部热阻值较大，肩部热阻值较小，这可能与防刺服的设计有关. 背心式防刺服的设计导致胃部与背部遮盖较严密，胸部次之. 包覆式防护使得假人皮肤层与防刺服之间空气层稀薄，降低了假人皮肤层与外界空气热交换，因此热阻值较大.

2.2 湿阻的结果与讨论

湿阻测量实验中，环境舱实验环境分别设定为：环境舱温度20 ℃，相对湿度55%与70%；环境舱温度30 ℃，相对湿度40%，55%与70%；环境温度40 ℃，相对湿度55%. 按照湿阻的计算公式(9)，对不同材质防刺服的总湿阻进行对比分析，如图4所示.

在相同实验条件环境舱下，串联法得到的防刺服总湿阻高于并联法得到的结果如图4所示. 常温时实验结果误差较小，主要来源于实验操作误差与仪器系统误差；高温时实验误差较大，主要原因是黏贴于防刺服内外侧的电热偶遇水气后测量精确性降低. 当环境舱相对湿度恒定在55%时，防刺服总湿阻随着环境舱温度升高而增加. 当环境舱温度恒定时，防刺服总湿阻随着环境舱相对湿度升高而减少. 其中，防刺服A的总湿阻小于防刺服B.

图4的总湿阻实验结果可能与防刺服内外两面的水蒸汽压差变化有关. 相对湿度表示空气中绝对湿度与最高湿度的比值. 相对湿度保持一定时，环境温度升高，其对应的最高湿度值增大，因此空气中绝对湿度增加，导致假人皮肤层的发汗水分蒸发速率减慢、单位面积的蒸发热流量减少，所以湿阻增加. 当测试环境温度保持一定时，由于假人皮肤表面的蒸汽压为饱和蒸汽压，环境舱相对湿度增加表明环境舱蒸汽压越接近饱和蒸汽压，防刺服两面的水蒸汽压差减少，因此湿阻减小. 此外，防刺服A的防刺基板由超高模量聚乙烯纤维叠加黏合制成，材料之间空隙大于防刺服B的防刺合金钢板，加速了发汗水蒸气的蒸发，因此湿阻较小.

相同实验条件下，同一件防护服不同部位的局部湿阻也不相同. 图5为相对湿度55%时，防刺服胸部、肩部、胃部与背部的湿阻实验结果. 在相同的相对湿度下，胃部的湿阻较大，肩部的湿阻较小. 背心式的防刺设计导致胸部与肩部裸露较多，发汗产生的水分从边界裸露区域蒸发传递到空气中，因此单位面积蒸发热流量较大，湿阻值减少.

3 结 论

通过控制环境舱温度和湿度，采用暖体假人对两套防刺服热阻与湿阻进行了实验研究，分析了环境温湿度对防刺服热湿传递性能的影响、不同防刺材料对热阻和湿阻的影响以及防刺服不同部位热阻和湿阻的差异性. 实验研究表明：

① 并联法得到的防刺服总热阻比串联法减少约20%；30 ℃时防刺服总热阻比20 ℃时高出约0.05 m2·K/W，40°C高温下防刺服总热阻比20 ℃和30 ℃大幅减小；暖体假人身着防刺服时胃部热阻较大，肩部热阻较小；软质防刺服的热阻比硬质防刺服的热阻小.

② 并联法得到的防刺服总湿阻比串联法得到的总阻值减少10%～30%；防刺服湿阻随环境温度升高而增加，随环境湿度升高而降低；暖体假人身着防刺服时胃部湿阻较大，肩部湿阻较小；软质防刺服湿阻比硬质防刺服湿阻小.

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(责任编辑：刘雨)

Investigation on Thermal Insulation and Vapor Resistances of Stab-Resistance Body Armor Using Thermal Manikin Method

YUAN Meng-qi1， JIANG Jin-hui1， YANG Jie2， QIAN Xin-ming1

(1.School of Mechatronical Engineering， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China; 2.Department of Engineering Physics， Institute of Public Safety Research， Tsinghua University， Beijing 100084， China)

To improve the wearing comfort of body armor and decreasing human energy consumption, a thermal manikin was used to investigate the thermal insulations and vapor resistances of two stab-resistance body armors in a temperature and humidity individually controlled climate chamber. Thermal manikin was generally applied to evaluate the thermal insulation and vapor resistance in room temperatures based on the international standards. In this paper, the general thermal insulation model was revised by combining the thermocouple detection method and thermal manikin measurement method. The effects of air temperature and relative humidity of the climate chamber, and stab-resistance material on the thermal insulation and vapor resistance were studied. The results show that the thermal insulation increases with the air temperature decreasing; the vapor resistance increases with the air temperature increasing, and decreases with the chamber relative humidity increasing.

stab-resistance; body armor; thermal manikin; thermal insulation; vapor resistance

2014-11-01

2014北京理工大学学术启动计划项目(3020012261407)；爆炸科学与技术国家重点实验室自主研究资助项目(YBKT16-13)

袁梦琦(1989—)，女，博士，讲师，E-mail：myuan@bit.edu.cn.

X 968

A

1001-0645(2016)06-0569-05

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.06.004