高温接触条件下形状记忆合金阻燃面料的隔热性能

王丽君　卢业虎　王帅　尤禅懿

摘要： 热防护服对于保护消防员与应急救援人员的健康和人生安全起到至关重要的作用。文章在热防护服的防水透气层与隔热层之间设置若干对环境温度变化反应较为灵敏的感温驱动组件——形状记忆合金弹簧，研制具有动态结构的新型热防护服面料。通过高温接触实验，表征各层面料的温度变化，从而评价不同排列方式的形状记忆合金弹簧对面料隔热性能的影响。研究表明，形状记忆合金弹簧可以显著降低传递至人体的热量，弹簧的排列方式对其热传递也具有一定的影响。此研究结果为开发性能优越的形状记忆热防护服提供科学依据。

关键词： 热防护服；形状记忆合金；高温接触；排列方式；阻燃面料；热防护性能

中图分类号： TS101.923

文献标志码： A

文章编号： 10017003（2017）05001905

引用页码： 051104

Abstract： Thermal protective clothing plays an important role in protecting health and safety of firefighters and emergency rescuers. In this study， shape memory alloy （SMA） springs were set between moisture barrier layer and thermal liner layer of thermal protective clothing to develop novel thermal protective materials with dynamic structure. Hot surface contact experiment was done to characterize the changes in temperature at different layers to evaluate the influence of different arrangement modes of SMA springs on thermal insulation performance of the fabric. The results indicate that SMA spring could greatly decrease the heat transfer to human body， and the spring arrangement mode has certain influence on heat transfer. The research findings may be applied to design excellent thermal protective clothing with proper arrangement of SMA springs.

Key words： thermal protective clothing； shape memory alloy； hot surface contact； arrangement mode； fireproof fabric； thermal protective performance

消防員或应急救援人员工作中经常遭受很多危害，包括热量上的（火焰、辐射和对流热）、生物上的（血液传染和致病菌）、化学上的（皮肤接触）、物理上的（撞击、碎片和粗糙的表面）及环境中的（极端环境温度和高湿度）灾害[1]，需要穿着特定的热防护服，以保障他们的健康和人身安全。防护服的隔热性能和舒适性能直接影响了消防员的救援时间及消防作业的进行。

为了提高热防护服的隔热性能，一般通过研制新型阻燃隔热纤维材料或增加面料的厚度和层数等手段来实现[23]。然而，阻燃隔热纤维材料的发展已经相对成熟，其研发的难度也相对较大[3]。传统的热防护服则主要通过多层服装组合增加服装热阻，提高热防护性能[1，4]。因此，传统的防护服比较厚重，影响热量散失，易产生热应激[5]。为了解决传统热防护服厚重的问题，研究者们采用气凝胶或者相变材料增加面料的防护性能[2，67]。气凝胶嵌入防护服内部，在消防员不作业时显得臃肿使其行动不便，同时其透气性也较差，制成的服装也不具有动态调节能力[2，7]。而相变材料在循环过程中热物理性质易退化，且易从基体泄漏，产生的熔滴可能会损伤人体皮肤[6]。更进一步，研究者将形状记忆合金或形状记忆聚氨酯应用于防护服中[811]。将合金或聚氨酯制成弹簧状，在常温下收缩成扁平状，不影响服装正常穿着状态，遇热则弹起在服装中形成一定厚度的空气层作为隔热层，自动调节防护服的厚度[1012]。然而，以往的研究并没有系统地考虑形状记忆弹簧分布的影响，也沒有分析高温热接触环境下形状记忆合金的性能。

鉴于上述传统热防护服的缺陷，本研究在防护服的防水透气层与隔热层之间设置若干感温驱动组件——形状记忆合金弹簧[9，11]，构筑一种具有动态结构调节的新型热防护服面料。通过高温接触实验评价形状记忆合金弹簧及其排列方式对面料隔热性能的影响，获得热防护服性能最佳的新型智能热防护服。

1热防护服面料组合的设计

1.1形状记忆合金弹簧

为减小在常温下形状记忆合金弹簧对消防服层间空气层的影响，本研究将形状记忆合金弹簧设计为扁平状螺旋型，如图1（a）所示。形状记忆合金材料为铜基，外径为28mm，最小直径14mm，合金丝的直径为1.5mm，形变温度45℃左右。当温度超过形变温度时，弹簧会逐渐弹起，形成圆锥形状，如图1（b）所示，完全弹起后的高度为32mm左右。这种形状记忆合金弹簧本身质量较轻且对环境温度变化的感应较为灵敏，从而能较好地调节消防服的隔热性能，也能改善防护服的穿着舒适性且不影响穿着者肢体运动。

1.2热防护服面料组合设计

选择典型的防护外层、防水透气层和隔热层组成三层面料系统，15cm×15cm，各层面料的基本性能如表1所示。将形状记忆弹簧放置在防水透气层和隔热层之间，采用五组不同的排列方式，如表2所示，即一个弹簧中心排列（One）、两个弹簧对角（Two_diag）及并列（Two_para）排列、三个弹簧对角线（Three_diag）及等边三角形（Three_tria）排列，加上对比组（CON）没有放置任何弹簧共计六种实验条件。为了防止弹簧形变过程中面料相对位置发生滑移，同时模拟实际穿着过程中面料之间的相互作用，将面料未放置弹簧的两个对角固定。

2实验

消防员和应急救援人员在救援过程中易接触到灼热的高温物体，本研究采用热平板仪模拟高温热接触，如图2所示。高温热平板仪温度设置为400℃，热接触时间为20s。对六种不同条件的面料组合进行高温热接触实验，采用NI数据记录仪（NI 9231，美国）实时记录实验过程中的防水透气层与外表面间温度T1、隔热层与防水透气层间温度T2、隔热层内层温度T3（T1、T2、T3均为面料中心温度）。测量T1的传感器固定在防水透气层外表面上，测量T2的传感器固定在隔热层的外表面上，测量T3的传感器固定在隔热层的内表面上。NI数据记录仪包括热电偶测试模块和32 gauge T型热电偶。每组排列方式至少测试三次，取平均值。

3结果与分析

3.1防护外层与防水透气层间温度T1

图3描述了不同形状记忆弹簧排列方式的试样防火外层和防水透气层之间的温度T1变化曲线。从整体来看，在试样外表面与温度400℃高温接触的情况下，防水透气层与外表面之间温度T1在0～2s内迅速增加到100℃左右，之后缓慢增加，在3s后继续稳定快速增加。到20s时，层间温度T1最终达到210～270℃。所有试样均表现出类似的规律。Two_diag与Three_tria两种排列方式下試样的温度T1在2～5s内增加较为缓慢，最终温度也相对较低。没有安装形状记忆合金弹簧的试样（CON）的T1最终温度也与两个形状记忆合金弹簧对角排列（Two_diag）试样的相近，而其他三种情况下T1的最终温度均高于CON。

形状记忆弹簧一个中心排列（One）与三个对角排列（Three_diag）的T1温度偏高可能由于传感器缝制在试样中心，正对着防水透气层内部中心的形状记忆弹簧。弹簧受热弹起，压缩了中心点防水透气层与外表面间的间隙，以及增加了防火外层与热板的接触。两个并排排列（Two_para）试样T1温度偏高可能由于两个弹簧间的距离较近，对中心点防水透气层与外表面间间隙层的压缩也较明显，导致温度传导的速度较快。

3.2防水透氣层与隔热层之间温度T2

图4描述了不同形状记忆弹簧排列方式的试样隔热层外表面的温度T2变化曲线。从整体来看，在同样实验条件下，防水透气层与隔热层之间的温度T2在0～4s内快速增长至65℃左右，随后略有下降后保持相对稳定，之后T2继续迅速增长。在20s时，试样的最高温度可达76～115℃，并且呈明显增长的趋势。所有试样均呈现出类似的变化规律，但变化区间不同。

如表3所示，试样初始接触热源，试样与热源温度差较大，热传导的速率较大，所以在0～2.5s温度快速增长。随着弹簧弹起，空气层逐渐变厚，减慢了热量传递，当空气层进一步增加，层间发生空气对流，散热略大于吸热致使温度在短时间内降低。当形状记忆弹簧达到最大高度，空气层厚度稳定，散热效果也基本稳定，此时吸热大于散热，热量继续传递，温度再次升高。而没有安装（CON）弹簧的试样由于层间隙较薄，在4～10s散热与吸热达到平衡，温度稳定不变，随后在持续受热的情况下较薄的层间隙导致温度升高的速度也较快。较之CON，设置形状记忆弹簧试样的T2温度显著降低，其不同的排列方式对隔热效果的影响也不同。其中Three_tria排列方式的试样较没有设置形状记忆弹簧（CON）试样的T2温度在20s时低39℃，高温环境下这种排列方式能在织物间形成较稳定的空气层，且其厚度也较为平均，温度增加速率也较低（3.0℃/s），故最终达到的温度也较低。相比较而言，Two_para排列方式的最终温度略高于其他几种排列方式，可能与传感器测量位置的空气层厚度偏低有关系。

3.3隔热层内表面温度T3

图5描述了不同形状记忆弹簧排列方式的试样T3变化曲线。由图5可知，没有安装形状记忆合金弹簧试样的内表面温度在0～1s增长缓慢，1～6s迅速增长，随后缓慢增长至最高温度58℃后逐渐下降后维持在54℃左右。排列方式Two_diag的试样温度T3变化趋势与CON类似，最高温度为57℃，最终达到52℃。排列方式Two_para的试样温度T3变化趋势与CON和Two_diag一致，最高温度53℃，最终温度为47℃。排列方式Three_tria的试样温度T3在0～2s缓慢增长，之后快速增长至53℃，随后缓慢下降至48℃。与上述四种情况不同，排列方式One的试样温度T3在0～20s持续缓慢增长，最终达到45℃。Three_diag排列方式试样的T3温度在0～1s缓慢增长，随后以一定的速度增长至45℃。

所有的试样在最初的2s内，T3缓慢增加是因为面料组合的隔热作用，热量传递至隔热层内表面需要一定的时间。随后CON、Two_diag、Two_para、Three_tria排列方式试样温度增加较快可能由于中心点无弹簧，且随着弹簧距中心点位置越远，空气层厚度增长越慢，温度增长越快。随着空气层变厚，接触外部空气向外的散热大于热源向内的导热，温度呈下降趋势。持续加热，散热与吸热趋于平衡，温度趋于稳定。对于Three_tria排列方式试样的T1与T2温度都较低，而T3温度较高可能由于试样在实验时为防止织物间位置滑移及仿真服装穿着时面料之间的相互作用，将其对角位置固定，受内部空间限制，空气层厚度虽稳定但弹簧较多导致没有弹起到最大高度。

排列方式为One、Three_diag的试样内表面温度一直稳定增长，最终达到45℃，相对于没有安装形状记忆弹簧的试样（CON），内表面温度降低了近10℃，是CON试样温度的18.5%。由于中心缝制有形状记忆弹簧，空气层增长速度较快，并形成最大空气层，从而这两种排列方式的温度较低，能有效地减慢温度的增长速度，降低内表面温度，达到较好的隔热效果。

鉴于人体皮肤温度超过44℃时（温升为12℃）开始出现损伤，而当皮肤温度超过56℃（温升为24℃）可能出现二级烧伤。如表4所示，以T3温度达到44℃和56℃分析六组试样的隔热效果。较之其他四种情形，排列方式为One、Three_diag的试样隔热性能最好，Three_tria的效果也优于两个弹簧的排列方式。以皮肤温度达到44℃出现损伤为界定，两种排列方式制成的智能热防护服能有效增长消防员救援时间至17s，比传统防护服救援时间提高了389%，以皮肤温度达到56℃出现烧伤为界定，可增长时间至20s以上，最少比传统服装提高了263%。应用形状记忆合金弹簧，在高温环境中能起到瞬时隔热的效果，增加救援时间，这与陈艳[9]、Yoo S[10]、Congaltion[12]的研究结果一致。由此可见，与传统消防服相比，智能防护服更具有动态特征，能够根据环境的变化自动调节防护服的厚度，使热防护性能在遇到强热灾害环境时显著提高，从而提高抢救效果，减少损失。

4结论

1）6种排列方式下温度T1和T2变化规律类似，其中Three_tria排列方式试样温度较低。

2）设置形状记忆合金弹簧可以显著降低传递至人体的热量，隔热层内表面层温度T3除One、Three_diag排列方式试样的内表面温度在0～20s内呈缓慢增长趋势，其余排列方式总体先快速增长后缓慢下降。One、Three_diag排列方式试样最终达到的温度在45℃左右，比其他排列方式的最高温度低8～14℃，有较理想的隔热效果。形状记忆弹簧的排列方式对防水透气层与隔热层间的空气层平均厚度有直接的影响，从而影响其隔热作用。

3）One、Three_diag排列方式的智能热防护服在不导致皮肤损伤的条件下，能有效增长消防员救援时间至17s，比传统防护服救援时间提高了389%。在不导致皮肤烧伤的条件下，可延长至20s以上，是传统防护服的近三倍。

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