热功能防护服的设计与研究

【摘要】2012年，國家安全监管总局发布的《防温降暑措施管理方法》中将高温作业引起的中暑纳入了工伤范围。人在高温环境中工作，往往会导致中暑等机体功能失调的热致疾患，所以从人文关怀的角度出发，热防护服的研究可谓非常迫切。所谓的热功能防护服是指能够保护在极端天气（高温或超高温）和特殊场所工作的人员，减少职业伤害的服装。主要用于消防、国防、建筑施工、野外勘探、冶金以及有明火、熔融金属和有易燃物质的场所。本文基于热功能防护服的一般设计模式，分析了在防护服设计中常用到的高温防护方法；遵从防护服设计原则，明确了“主动降温、被动隔热”的热功能防护服机理，希望可以为从事该研究的工作人员提供帮助。

【关键词】热功能防护服；研究现状；防护机理分析；设计研究

【中图分类号】TD727 【文献标识码】A

引言

热功能防护服主要适用于高温环境下的工作人员，能够促进身体快速散热，同时阻挡外界高温对人体的伤害，具有防中暑、防烧伤、防灼伤的功能。近年来，随着热防护技术的发展和人们对身体健康的愈发重视，社会对热功能防护服的要求也大大提高。因而，热功能防护服不仅要具备良好的防热功能，还要达到一般服装的舒适感、轻便感。在高温环境下作业的人们，有许多是死于热应激导致的心脏病，而并非是烧伤致死。这就警示了我们，在进行热功能防护服的设计时要充分应用“主动降温、被动隔热”的原理来进行服装设计。

一、高温工作对人体的影响

我们将可引起人体过热的环境称之为热环境。在工作中，我们将气温>32℃，炎热地区>35℃，或者说在气温>30℃而相对湿度大于80%的劳动环境列为高温工作的范畴[1]。正常情况下，人体体温调节中枢能使机体环境和外界环境保持相对平衡。但当外界温度过高时，会使体温调节中枢发生障碍，使人体体温调定点上移，导致人体大量产热而无法正常散热，进而出现中暑、热晕厥、脱水、酸碱平衡紊乱、皮疹、行为障碍等一系列症状，严重者可突发心脏病而死亡。因而，为了保护工作人员，提高工作效率，对于在没有空调等制冷设备的高温环境下作业的人员，热功能防护服具有非常重要的现实意义。

二、国内热功能防护服研究现状

我国最初的热功能防护服研制于19世纪60年代，是利用冷水循环进行除热的管式降温服。80年代末，我国航空医学研究院研制出管式液冷降温防暑背心，其防热效能远远优于管式降温服并且具有轻便、安全等特点，在一定程度上可降低人体热应激。90年代末，张吉州等人研制的恒温防护服已经基本接近目前防护服的外形，并且适用于高温、低温及有害气体的环境。其后几年内，电子调温服、抗高温多功能消防服、高温防护服、防护靴等相继问世，其应用领域也不断变广，效能和舒适度也大大提高。目前，热功能防护服可分为五种，分别是高温防护服（<200℃）、消防员灭火服（<200℃）、工业隔热服（<800℃）、消防隔热服（<800℃）以及消防避火服（>1000℃）[2]。这五种服装防热等级差距很大，意味着在设计生产中，在材料选择方面，各种防护服存在极大的差异，而生产热防护服主要运用的材料有热绝缘织物、阻燃织物和热辐射防护织物等，再采用纯纺法、混纺法等多种加工技术制成。

三、热功能防护服防护机理分析与设计研究

热功能防护服应用于各种高温环境，因而必须具有阻燃性、隔热性、防液体透过性、完整性和舒适性等性能。考虑到人体对外界温度的适应性，在进行热功能防护服设计时，研究者应当注重如何提升防护服隔绝外界温度内导和内部热量散失的能力。

（一）主动降温

热功能防护服通过外部冷源（气体、液体、固体等）与人体形成热量对流，在人体和防护服上形成热交换[3]。同时，吸湿快干、凉爽型面料可以最大程度上促进散热并拥有显著区别与其他面料的舒适感。以上方式都可以达到“主动降温”的目的，使人体皮肤热量和衣下空气层热量快速向外散失。

1.功能性面料的设计与选择

面料的选择在服装设计中是非常重要的一个步骤，这不仅关乎到服装穿着的舒适度，还关乎它在工作环境中所能起到的作用。在高温环境中，人体的能量消耗非常大，如果不能很好地隔热，很有可能使人体感到不适，而大量出汗不仅会导致人体脱水，还会降低防护服热阻以及紫外线的防护功能，增加皮肤黏着度，使隔热效果下降。因此，功能性面料的选择显得尤为重要。针对大量出汗这一现象，我们通常采用吸湿快干、凉爽型的面料，这样，防护服就可以起到热交换的作用。同时，出于人性化设计的原则，我们可以依照现实情况进行不同面料的优化配置，例如，面部这种皮肤较薄的部位通常易于晒伤，因而选用紫外线防护性能较好的面料，而像前胸、后背以及腋下这种汗腺发达的部位则可以选用透气性能好、吸湿快干的优质面料。例如，研究者可以选择相变材料（PCM），相变材料是一种能够依靠自身可逆相变从环境中吸收或释放能量的物质，它的这一特点使它成为防护服研究领域的材料明星[4]，这样就可以满足人体的生理需要。

2.外部冷源降温设计

目前，常见的降温服装形式是降温背心，它将冷源（气体、液体、固体等，制作成微小系统内置于防护服中，通过热交换的形式来达到降温的目的。我们将空气通风系统运用到防护服的设计中，在高温环境下进行降温背心性能试验。实验数据表明，在穿着降温背心时，受试者每公里的跑步时长明显低于没有穿降温背心的受试者，并且人体温度也相对正常，但没做防护措施的受试者则出现散热功能障碍。由此我们可以明确外部冷源设计确实可以起到热防护功能。

3.通风结构设计

研究者可以将物理原理充分运用到防护服的设计中，例如，我们可以利用“鼓风效应”和“烟囱效应”来调节人体体表温度。所谓“烟囱效应”即在服装设计中利用上下开口促进自然对流，以达到散热效果。同时，防护服的设计通常采用宽松型而不是紧致型，这样的设计可以增加衣下空气层，促进内外空气循环。最后，我们的防护服需要局部开口设计，以供着装者呼吸等生理功能的完成。

（二）被动隔热

所谓“被动隔热”便是避免或者减少外界热量向内部传导。在高温环境下，太阳辐射、空气温度等因素可导致热晕厥等病理现象。因此，“被动隔热”的研究在热防护领域是十分必要的。

1.选用反射率高的服装材料

我们将反射率高的反辐射背心与冬季棉袄进行对比测试，发现，由于冬季棉袄的热阻大，因而拥有较好的隔热功能，但却无法进行散热。而反辐射背心却能够很好地隔绝外热，同时拥有良好的体内散热效果。

2.增加服装覆盖面积

增加服装对人体体表的覆盖面积也是隔绝外热的有效手段。目前，我们所设计的防护服基本都运用了这一原理，达到了全身覆盖的目的。防护衣、防护帽、防护裤、防护靴在高温工作时缺一不可。考虑到活动性、灵活性，研究者应当在服装的细微细节上多加揣摩，以实现着装方式的多样化，例如，衣领的翻领和立领设计，裤腿的长短变换等。

3.预防紫外线

面料的结构、类型、颜色等因素均会影响到防护服对紫外线的阻挡能力。在夏季户外作业时，紫外线防护是必须重视的一个点。因而，在防护服的设计上尤其重视面料的选择。前文所提到的相变材料（PCM）并不具备紫外线防护能力，所以，在研究设计中，我们不能单一地运用某种面料，而要灵活变通，将各种材料的优点相整合。

四、结束语

我国的石油、冶金行业还处在高速发展阶段，而社会危险因素（火灾等）一直存在，人们也越来越追求付出极小的损失得到最大的挽回，尤其是消防人员在执行任务时由于热应激而死亡的事例，更是极大地推动着热防护服行业的发展。研究者应当致力于研制具有良好隔热效果，又具备一定热湿传递能力的热功能防护服。但是我們必须正视的问题是，目前，国内在热防护服的发展与研究中存在一对相互矛盾的因素，即减少机体代谢热负荷和增加防护服防热性能这两点，有待研究者在未来热功能防护服的设计中能更加深入地研究。

参考文献：

[1]李红彦，孙成勋，朱宝余，苏云.夏季高温环境户外作业服的热功能设计方法[J].西南师范大学学报（自然科学版），2016，41（6）：146-151.

[2]卢业虎.高温液体环境下热防护服装热湿传递与皮肤烧伤预测[D].东华大学，2013.

[3]王来力.高性能防护服的发展现状与展望[J].中国个体防护装备，2013（3）：20-22.

[4]沈兰萍，李一玲，潘海蓉，范立红.双层阻燃、防热防护服织物的研制[J].北京纺织，2014（1）：46-47.

作者简介：马菡婧（1989-），女，汉，江苏连云港，硕士，助教，研究方向：服装设计。