消防服衣下空气层的作用与测定方法研究进展

赖 军， 张梦莹， 张 华， 李 俊,3

(1. 中央军委后勤保障部军需装备研究所， 北京 100010； 2. 东华大学 服装与艺术设计学院，上海 200051； 3. 东华大学 现代服装设计与技术教育部重点实验室， 上海 200051)

消防服衣下空气层的作用与测定方法研究进展

赖 军1， 张梦莹2， 张 华1， 李 俊2,3

(1. 中央军委后勤保障部军需装备研究所， 北京 100010； 2. 东华大学 服装与艺术设计学院，上海 200051； 3. 东华大学 现代服装设计与技术教育部重点实验室， 上海 200051)

为探究消防服衣下空气层对消防服热防护性能的影响，从衣下空气层的厚度与位置、影响因素以及测量方法3个方面综述了消防服衣下空气层研究的发展过程及最新进展，分析了现有研究中存在的问题。研究表明：衣下空气层的厚度和位置影响衣下热传递机制，从而影响消防服的热防护性能；织物的硬挺度和悬垂性、服装的合体度以及人体动作影响消防服衣下空气层的分布；目前主要使用三维人体扫描技术获取燃烧假人裸体及着装状态下的三维图像，使用图像处理软件计算衣下空气层厚度。基于当前消防服衣下空气层的研究现状认为，未来研究需深入分析衣下空气层的作用机制，建立多层消防服衣下空气层的测量方法，提高衣下空气层的测量精度。

消防服； 衣下空气层； 热防护性能； 三维人体扫描

消防员在消防战斗时经常遭遇高热灾害，如火焰、高温气体或熔融金属等。消防服具有阻燃和隔热的作用，能够保护人体免受外界高热侵袭，减少皮肤烧伤。对于长时间在火场附近工作的消防人员，消防服的隔热作用十分重要。消防服的热传递性能根据从外界环境经过服装和衣下空气层传递到皮肤的总能量引起的皮肤烧伤情况进行评价，因此服装材料类型和衣下空气层分布对消防服的热防护性能具有重要影响。

对于服装材料的热传递性能测试，已经形成较为完善的国际标准，如ASTM F2700—2008《测试阻燃织物在非稳态热暴露条件下的热传递性能》、ASTM F1939—2015《测试阻燃服用织物在辐射热暴露条件下的辐射热阻》、ASTM F2731—2011《测试消防服装热传递及热蓄积性能》等，但是上述标准及测试方法对于各层织物之间和织物与传感器之间是否需要增加空气层并没有统一要求。由于衣下空气层能够阻碍服装与皮肤之间的热传递，影响服装热阻[1]，因此研究衣下空气层的作用及其对消防服热防护性能的影响，对于全面评价和提高消防服的热防护性能具有重要意义。

本文首先从消防服衣下空气层的位置和厚度2个方面分析了衣下空气层对消防服热防护性能的影响，然后从织物、服装和人体3个方面讨论衣下空气层分布的影响因素，并总结衣下空气层的测量方法的发展及现状，最后根据消防服衣下空气层的研究现状，对未来的研究方向进行了分析和预测。

1 衣下空气层对热防护性能的影响

消防服包括单层和多层服装系统，单层消防服织物只包含防火层，衣下空气层位于织物与人体皮肤之间；多层消防服织物系统包含防火外层、防水透气层、隔热层和舒适层(分别简称为外层、防水层、隔热舒适层)，衣下空气层位于各层织物之间以及最内层织物与人体皮肤之间。空气层中的热传递方式包括传导热传递、对流热传递和辐射热传递3种，当衣下空气层的厚度不同时，空气层中的热传递方式发生改变。衣下空气层厚度较小时，热量主要通过传导和辐射的方式传递；如果空气层过大，则发生对流热传递，服装的隔热性能降低[2]。

1.1 衣下空气层厚度与热防护性能

对于单层消防服，织物与皮肤间的空气层厚度影响织物与皮肤间的热传递方式。当织物与皮肤间的空气层厚度小于或等于6.4 mm时，热量通过传导和辐射的形式传递；当空气层厚度大于6.4 mm时，出现对流传热现象[3]，但是织物与皮肤之间是否存在最优空气层厚度仍存在争议。最优空气层厚度是指织物与皮肤间的空气层厚度低于此值时，不存在对流换热，随着空气层厚度的增大，织物的热防护性能提高；超过此值时，空气层中产生对流换热，织物的热防护性能不再增加或者增加幅度减小。Hoschke[4]和Benisek等[5]发现随着传感器与织物之间空气层的增大，织物的热防护性能有着不同程度的提高，但并不存在最优空气层厚度。而在另外一些学者的研究中，发现织物与传感器之间存在最优空气层厚度，相关研究结果总结如表1所示。由于实验装置、测试环境、被测织物等条件不同，最优空气层厚度值并不统一，因此对于空气层厚度与热防护性能之间的关系未来仍需进行系统性的研究。

表1 单层消防服中皮肤与织物之间的最优空气层厚度

对于多层消防服，外层-防水层、防水层-隔热舒适层、隔热舒适层-皮肤层之间均存在空气层，因此需要考虑衣下空气层厚度与位置的耦合作用对消防服热防护性能的影响。

1.2 衣下空气层厚度与位置的耦合作用

首先指出2点：消防服隔热层与舒适层通常绗缝在一起，因此不考虑这两层织物之间的空气层；本文中的空气层位置是指位于外层-防水层之间、防水层-隔热舒适层之间、隔热舒适层-人体皮肤之间这3个位置。

由于在小规模台式测试和全尺度燃烧假人测试中，很难精确控制各层织物之间以及最内层织物与皮肤之间空气层的厚度，因此现阶段对多层消防服衣下空气层热传递方面的研究主要使用数值模型的方法。

衣下空气层位于隔热舒适层与皮肤之间时，皮肤的二级烧伤时间随着空气层厚度的增大而增加。空气层厚度小于6 mm时，随着空气层厚度减小，隔热舒适层背面的温度降低，而皮肤温度升高，位于此处的衣下空气层温差减小[13-14]。主要原因是当衣下空气层较小时(小于6 mm)，空气层内部的传热模式主要为热传导，随着空气层厚度减小，由服装释放到皮肤的整体热流量增加。

空气层位于外层与防水层之间时，空气层厚度小于7 mm，二级烧伤时间与空气层厚度成正比；当空气层厚度为7～8 mm时，二级烧伤时间显著延长，主要是由于空气层增大后出现对流热传递，增大了热量损失[14]。

在衣下空气层厚度相同的情况下，空气层位于外层与防水层之间比空气层位于舒适层与皮肤之间，更有利于提高织物系统的热防护性能[14]。而与空气层位于外层与防水层之间相比，空气层位于防水层与隔热层之间时对热防护性能的影响更为显著[15]。

现阶段消防服衣下空气层的研究对象集中于单层服装，但是从以上分析可发现单层消防服衣下空气层的研究结果并不适用于多层消防服，并且热流量强度、织物系统的含水量等会影响空气层的作用，因此对于多种因素作用下，多层消防服衣下空气层厚度与位置对其热防护性能的影响方面尚需进行系统研究，以进一步探究消防服衣下空气层的作用机制，提出优化消防服热防护性能的最佳方法。

研究衣下空气层厚度和位置对消防服热防护性能的影响，对优化消防服的设计具有指导意义。一方面可根据衣下空气层最优厚度值研究结果，通过服装结构设计或使用新型服装材料(如记忆合金)，控制衣下空气层厚度，提高消防服的热防护性能。另一方面，根据衣下空气层位置与热防护性能关系的研究结果，优先改进防水层或外层织物，增大外层与防水层之间、防水层与隔热舒适层的空气层厚度，有效地提高消防服的热防护性能。

2 衣下空气层影响因素及测量方法

由于人体表面分布不均、织物的柔软特性以及多层织物各层之间相互作用，造成衣下空气层分布不均且难以直接测量，现阶段主要是采用间接测量和计算的方法研究单层消防服衣下空气层的影响因素及其分布特点，并且随着科技的发展测量手段不断完善和改进，使得衣下空气层测量的准确性不断提高。

2.1 衣下空气层影响因素

穿着消防服时，通常肩部、上背部、胸部等位置的空气层较小，腰部、大腿等位置的空气层较大，这与服装材料的性质、服装的合体度以及人体表面轮廓存在一定关系。

2.1.1 服装材料物理性质

服装材料的悬垂度和硬挺度的不同，导致衣下空气层分布不同[10]，衣下空气层体积与面料物理性能之间的关系[16-17]为

Va=1.898x-1.496y+0.320z

(1)

式中：Va为衣下空气层体积，mm3；x为织物的经向密度，单位是根/10 cm；y为悬垂度测试中的波峰夹角均匀度，%；z为悬垂度测试中的波峰均匀度，%。

另外，消防服在高热环境或闪火环境中会发生热收缩和碳化，导致服装表面形态和织物的物理性质发生变化，进而影响衣下空气层的分布[18]。

2.1.2 服装合体度

服装的合体度受服装的号型与款式影响，并影响衣下空气层分布。对于连体款式消防服，随着服装号型的增大，后背和后腰部位的空气层显著增大，而手臂、胸部、肩部等与服装比较贴合的部位衣下空气层增加不明显[10]。消防服局部款式设计的差异也会造成整体衣下空气层分布状态改变，如Mah等[19]研究发现消防服腰带款式不同，会造成燃烧假人腰部、后背和后臀部的衣下空气层分布发生改变。2.1.3 人体表面轮廓及动作

人体表面轮廓不同以及人体运动均会导致人体皮肤与服装之间的空气层体积和分布发生变化，且衣下空气层随着人体姿势的变化而改变[20]。

消防服的衣下空气层受多种因素影响，在消防员进行灭火战斗时，多种因素往往相互作用，同时影响衣下空气层分布。为了对衣下空气层与消防服热防护性能的关系进行定量研究，需要建立能够准确测量燃烧假人衣下空气层的方法。

2.2 衣下空气层的测量方法

早期研究人员通过真空服装法获得了人体与服装之间整体的衣下空气层体积，但不能确定人体不同部位的衣下空气层体积或人体不同横截面上的衣下空气层厚度。后来有研究人员将人体简化为多个区段的圆柱体模型，计算人体不同部位的衣下空气层体积，这种方法虽然能够快速简便的得到人体各区段的衣下空气层体积，但是精确度不够。近年来，非接触式三维扫描技术广泛应用于衣下空气层的测量，能够得到人体各部位衣下空气层的厚度，但该方法目前只能用于测量人体穿着单层服装时的衣下空气层厚度。

2.2.1 真空服装法

真空服装法的原理是在被测服装外覆盖一件不透气、单层、宽松的服装，将领口、袖口和下摆处密封，利用衣下的管道系统对衣下空间进行抽气和充气，当服装与皮肤之间压力达到一定值时，测量抽出或冲入的气体体积，得到衣下空气层体积。

1974年，Crockford等[21]首先提出使用真空法测量衣下空气层体积，测试过程包括排气阶段和充气阶段，如图1所示。首先在被测服装外增加一层密闭的聚乙烯服装(阶段1)，开始排出衣下气体，当服装与皮肤之间的压力达到-5.88 kPa时认为衣下气体全部排出，停止排气(阶段4)；之后开始向衣内充气使衣下体积膨胀，当衣下压力达到稳定值时，停止充气(阶段4-阶段3)，通过计算充入气体的体积得到衣下空气层的体积。

图1 真空服装法测试过程Fig.1 Test process of vacuum clothing method

后来，有学者将以上方法进行简化，省略了充气阶段，即根据抽气阶段服装与皮肤之间的压力值即可确定衣下空气层体积[22]。衣下空气层体积为衣下压力从-0.09 kPa到-2.94 kPa时，只穿外层不透气服装时的衣下空气层体积与同时穿着内层被测服装与外层不透气服装时的衣下空气层体积之差。

实际上，增加外层不透气服装会影响被测服装的原始形态分布，导致测量结果与实际情况产生差异。但是这种方法能够快速得出衣下空气层的体积，在建立多层服装衣下空气层测量方法方面具有一定的借鉴价值。

2.2.2 圆柱模型法

圆柱模型法是将人体简化为多个节段的圆柱体，测量各节段裸体及着装状态下的围度，并取其差值，计算得到衣下空气层体积[23-24]。例如，Lotens[24]将人体分为13个节段，包括头部前侧和右侧、颈部、肩部、胸部、腰部、上臂、小臂、手部、大腿、小腿上侧和下侧以及脚部，并计算相应部位的半径及各部位占全身面积的百分比，得到的圆柱模型用于粗略地计算衣下空气层厚度及体积。

圆柱模型法操作和计算比较简单，能够得到不同部位衣下空气层的体积，但是没有考虑实际人体的凹凸曲率，与真实人体差距较大，计算结果精确度较低。

2.2.3 三维人体扫描方法

三维人体扫描方法通过扫描仪或照相机以及数字转换器获取物体图像并转换为等高线图，由软件将线图转换为空间点云数据，模型以虚拟点云数据的形式进行显示。Lee等[25-26]首先将相移莫尔条纹图(phase-shifting moiré topography)作为三维扫描工具获取服装的三维图像，但是由于腋窝部位比较隐蔽，难以扫描其准确的形态。之后有学者将服装三维扫描技术应用于服装的合体性分析[27]。

随着计算机技术的发展，一些学者将三维人体扫描技术与图像处理软件相结合，提高了衣下空气层的计算精度。Mah等[19]使用Bersoft图像处理软件在人体截面自动生成以截面中心点为圆心的360°量角器，通过测量燃烧假人皮肤外表面与服装外表面之间的距离，获得衣下空气层厚度。王云仪等[28]利用逆向工程软件Geomagic Qualify对三维扫描得到的裸体和着装燃烧假人三维点云数据进行优化并对齐后，利用软件中的三维比较功能计算裸体假人与着装假人之间的偏差，获得燃烧假人不同部位衣下空气层的厚度。

真空服装法耗时且容易产生较大误差，圆柱模型法测量方法简单，但是需要增加测量次数以减小误差，三维人体扫描方法是目前重复性最高且最准确的方法[29]。计算机技术的应用使衣下空气层的测量结果更加精确可靠，为定量分析衣下空气层的分布提供了有效手段，但是在三维人体扫描技术中普遍存在的问题是，对于人体腋下和裆部形态很难进行精确的测量，通常需要利用相关软件进行后期处理。另外，三维扫描仪扫描速度较慢，在真实人体的三维扫描过程中，由于人的呼吸或控制平衡等状态导致身体轮廓变化，容易降低测量的精度。

3 研究难点与趋势

现阶段主要利用小规模台式测试、数值模拟和全尺度燃烧假人测试研究空气层对服装热防护性能的影响。对于全尺度燃烧假人测试，主要使用三维人体扫描技术与图形处理软件相结合的手段，测量服装整体与人体之间的空气层的分布，分析衣下空气层的传热机制。

衣下空气层对服装-空气层-人体皮肤系统的热传递具有重要影响，未来的研究需主要从2方面出发：一是更加深入的探究衣下空气层的传热机制，二是更加精确地测量衣下空气层的分布。具体包括以下3个研究方向。

1)建立衣下空气层厚度动态变化时的传热模型。在真实火场环境中，消防员处于运动状态，这将导致衣下空气层不断变化，因此，仍需更加真实地模拟衣下空气层的动态变化，建立传热模型，进一步探究空气层动态变化对消防服热防护性能的影响。

2)建立多层消防服衣下空气层测量方法。现阶段对于消防服衣下空气层分布特点的研究主要集中于单层消防服，但是多层服装在各层面料之间也存在空气层，并且我国的一些消防服是外层与内胆脱离的结构，导致外层与内胆之间的空气层较大，因此，需要建立多层消防服衣下空气层分布的测量方法，以多层消防服整体为研究对象，分析衣下空气层的作用机制，探究影响消防服热防护性能的关键因素。

3)提高三维人体扫描仪测量精度。在扫描过程中，由于人体呼吸或者极微小的动作均会导致扫描结果精度降低，如三维CaMega DCS扫描时间需要3～5 s、TC2NX-16非接触式三维人体扫描仪扫描时间需要8 s，这就导致人体动作会产生一定的影响。未来研究需要对三维人体扫描仪的光学成像系统进行优化，将扫描速度提高至1 s内，降低人体动作对扫描精度的影响。

过去的研究主要关注消防服材料的阻燃隔热性能，而长时间进行消防战斗时，消防服衣下空气层对其隔热性能具有重要影响，因此研究衣下空气层对消防服热防护性能的影响，有利于全面评价和提高消防服的热防护性能，保障消防员生命安全。

FZXB

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Research progress on air gap entrapped in firefighters′ protective clothing and its measurement methods

LAI Jun1， ZHANG Mengying2， ZHANG Hua1， LI Jun2，3

(1.TheQuartermasterEquipmentResearchInstituteofLogisticsSupportDepartment,Beijing100010,China； 2.CollegeofFashionandDesign,DonghuaUniversity,Shanghai200051,China； 3.KeyLaboratoryofClothingDesign&Technology,MinistryofEducation,DonghuaUniversity,Shanghai200051,China)

In order to study the influence of the air gap in firefighters′ protective clothing on thermal protective performance, the development progress, the latest developments and the existing problems of the research were reviewed from three aspects, including the thickness and location, the influence factors and the measurement methods of air gap in firefighters′ clothing. The future trends in this area were predicted based on current research status.The thermal protective performance of firefighters′ protective clothing are influenced by the thickness and position of air gap entrapped in firefighter clothing, which is mainly influenced by fabric mechanical properties, clothing fitness and body motion. Currently, the three-dimensional body scanning technology is widely used for measuring the distribution of air gap in firefighters′ protective clothing. Future research should pay more attention to the mechanism analysis and the development of measurement methods of air gap in firefighters′ clothing.

firefighters′ protective clothing； air gap in clothing； thermal protective performance； three-dimensional body scanning technology

10.13475/j.fzxb.20160500106

2016-05-03

2017-02-20

国家自然科学基金面上项目(51576038)；军需装备研究所项目(10715296);中央高校基本科研业务费专项基金(17D110714)；上海市自然科学基金项目(17ZR1400500)

赖军(1962—)，男，教授级高级工程师，硕士。主要研究方向为军人特殊环境和岗位专用防护被装。E-mail: jxslj302@sina.cn。

TS 941.73

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