水分对消防服用织物导热系数及热防护性能的影响

陈萌 朱方龙

摘 要：为了研究含水率对消防服用织物导热系数及热防护性能的影响，采用瞬态平面热源法对不同含水量的阻燃外层织物进行导热系数的测试，并将常用消防服各层面料进行配伍组合，润湿舒适层织物模拟消防员汗湿情况，润湿阻燃外层织物模拟消防用水润湿情况，在总热流量达到83kW/m2的情况下，采用热防护性能测试仪测试铜片热流计累计吸收的热量达到人体二级烧伤时需要的时间，以此判定面料组合的热防护性能。结果表明：a）消防服用织物的导热系数随着其含水率的增大而非线性地增大；b）面料组合的低程度润湿（含水率在32%以下）对面料组合的热防护性能有消极影响。面料组合的含水率为26%时，其热防护性能降到最低。

关键词：含水率；导热系数；消防；热防护

中图分类号：TS101

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2018）06-0056-06

Abstract：In order to study the influence of moisture content on thermal conductivity and the thermal protective performance of fabrics for fire-fighting suits， transient planar heat source technique was used to test the thermal conductivity of outer flame retardant fabric with different water content， and the commonly used fabric of each layer for fire-fighting suits was combined into fire-retardant multilayer fabric combinations. The comfort layer was moistened to simulate the situation that the fabric absorbs perspiration from a sweating firefighter， and the outer flame-retardant fabric was moistened to simulate the condition that the fabric is wetted by fire water. A thermal protective performance tester was employed to measure the required time of the heat cumulatively absorbed by copper heat flow meter leading to the second-degree burn when the total heat flow reached 83 kW/m2， which can be used to assess the thermal protective performance of the fire-retardant multilayer fabric combinations. The results showed that： a） the coefficient of thermal conductivity of fabrics for fire-fighting suits increases nonlinearly with the increase of their moisture regain； b） low-level moisturizing of fire-retardant multilayer fabric combinations （moisture content below 32%） has a negative impact on their thermal protective performance. And when their moisture content is up to 26%， the thermal protective performance reaches the minimum.

Key words：moisture content； thermal conductivity； fire-fighting； thermal protection

消防员在热湿环境中进行消防作业时会产生汗水，并且消防服外层织物难免会接触到消防用水，这些水分会通过蒸发、凝结、吸附、解吸等作用进行热湿传递进而对消防服的热防护性能产生重要的影响[1]。导热系数作为衡量消防服用织物热湿舒适性的一个重要指标，其受水分的影响也引起了研究者们的注意。杨晓琴等[2]通过对不同纤维原料和组织的织物在不同含水率下的热舒适性指标及导热系数的测试发现，随着含水率的增加，导热系数值增大，并且纤维吸湿性强的织物其导热系数的增强要快些。魏赛男等[3]比较了不同组织结构的织物在含湿状态下的热舒适性能，结果表明涤纶针织物和机织物的导热系数λ值随着含水率的增大呈逐渐升高趋势，这说明织物含水率的增大对其导热性能有积极影响。

一些研究者研究了水分对于织物热防护性能的积极作用。李红燕[4]测试了在82.21 kW/m2的强辐射和对流联合传热下单层织物在不同湿状态下的热防护值，结果表明，水分有助于提高织物的热防护性能，含水量越多，織物的热防护性能就越好。王云仪等[5]分析了水分对消防服外层织物热防护性能的影响，发现外层织物的热防护值随着润湿程度增大趋向增大；Perkins[6]在16.8 kW/m2的辐射热流量下，用热流传感器测试防护织物表面空气层间隔的温度分布情况，结果表明含湿织物的热防护性能比干燥织物好。

但是也有研究者发现消防服用织物的热防护性能与含水率之间并不是一个简单的单一线性关系。Barker等[7]研究表明，在低水平的辐射热暴露下，织物含水量在15%～20%这样一个相对较低的水平时，织物的热防护性能最差，当含水量超出这个水平时，预计达到二级烧伤的时间增加，逐步接近干燥的复合材料的测量值；Chen等[8]研究发现，在纯辐射热流条件下，含湿织物层下的模拟皮肤温度值比干燥织物层下的高，随着时间的延长出现相反的增长趋势；Fu等[9]设置不同的外部相对湿度和出汗率研究表明，在60%～90%这样较高的相对湿度下，较高的出汗程度得到的内部水分会很快通过凝结和吸收在防护服装内形成一个微气候，这种微气候会妨碍外界环境的热量进入防护服装内，对防护服装的热防护性能有积极影响。

本文在探究水分对消防服阻燃外层织物导热系数的影响基础上，选用常用消防服各层面料进行配伍得到4种面料组合，以热防护性能测试仪测得的二级烧伤时间作为依据，研究水分对消防服用织物热防护性能的影响，为更好地理解在有消防用水的环境下水分对消防服材料热防护性能的影响提供参考依据。

1 实 验

1.1 实验材料

消防服通常由4层组成：阻燃外层，防水透气层，隔热层和舒适层。本实验选用4种消防服常用外层织物（编号为1#，2#，3#，4#）为实验对象，研究织物内水分对其导热系数的影响，另选用2种不同的阻燃外层（A1、A2），一种防水透气层（B），一种隔热层（C）和两种舒适层（D1、D2）进行面料配伍，组合成4种不同的面料系统探讨水分对热防护性能的影响。实验材料的基本参数如表1所示。

1.2 实验仪器

TPS 2500S型导热系数测试仪（瑞典Hot Disk公司）；TPP-1型TPP热防护性能测定仪（莫帝斯燃燒技术（中国）有限公司）；GZX-9140-MBE型烘箱（上海博讯实业有限公司医疗设备厂）；JA2003型电子天平（上海恒平科学仪器有限公司）。

1.3 实验方法

水分含量不同的样品的制备：将1#，2#，3#，4#试样裁剪为直径15 cm的圆形，将A1，A2，B，C，D1，D2试样裁剪为15 cm×15 cm的矩形；为比较不同含水率对消防服用织物导热系数和热防护性能的影响，先预设不同的含水量梯度，然后测量织物样品的干重Md，依据式（1）和式（2）计算在设定含水率φ下所对应的湿重Mw及加水量Mj；再用喷壶将所需加水量均匀地喷到织物上，直至测得试样质量为所需含水率对应的湿重，即得到了预设定含水率对应的样品。但实际加水量与理论加水量Mj有出入，4种阻燃外层织物（1#，2#，3#，4#）的实际含水率如表2所示，4种不同面料组合的实际含水率如表3所示。

1.3.1 导热系数测试

导热系数测试采用瞬态平面热源法，在测试过程中需要用两片待测试样将探头紧紧夹持住，形成“三明治”一样的夹层结构。Hot disk探头以恒定的功率加热试样，它既被用作加热热源又被用作温度传感器，测试与探头相接触的试样表面平均温度分布。由于温度升高，探头两端电压会产生变化，探头的电阻值会产生变化，将电阻温度系数可转化为探头表面的温升。探头表面的温度响应由待测试样的热输运性质决定，即试样的热导率信息可以通过记录探头表面平均温升随时间的变化情况得到[10]。

探头表面在测量过程中平均温升的精确测量可以通过测量镍金属丝的电阻变化实现。金属丝阻值与温升二者的关系如式（3）所示。

式（4）即为瞬态平面热源探头的理想温升模型，热导率k通过斜率P0π3/2ak计算得到。

导热系数测试实验在恒温恒湿室进行，温度20 ℃，相对湿度65%。根据预先测量的样品厚度选择合适的测量探头，调整加热功率及加热时间使得温升、特征时间、平均偏差4个参数在规定范围内。每个样品进行3次测量取平均值。

1.3.2 TPP性能测试

据GB 8965.1—2009《防护服装阻燃防护第1部分：阻燃服》标准，该实验的测试原理为待测试样在83 kW/m2的辐射热源下，采用铜片热流计来测试并模拟人体皮肤在防护服保护下的温度升高程度，从而计算铜片热流计累计吸收的能量达到人体烧伤等级需要的时间来确认阻燃材料的防护等级。燃气采用标准丙烷，供给流量不小于10 L/min，燃气压力不低于56 kPa。

2 结果与分析

2.1 含水率对导热系数的影响

不同含水率的4种阻燃外层织物的导热系数测试结果如图1所示。

由图1可以看出，4种阻燃外层织物的导热系数随含水率的增大而非线性增大，即总体上讲，含水率越大，导热系数越大。织物的导热系数实际上是纤维、空气、水分三者的混合物的导热系数[11]。随着织物含水率的增加，固相纤维的导热系数不变，而水分占据了纱线及纤维之间的孔隙，空气部分对织物导热系数的贡献减小，水分部分对织物导热系数的贡献增大，故织物的导热系数增大。

在15%左右的低含水率下，4种织物的导热系数随着含水率的增大程度接近，而含水率在此基础上进一步增加后，4种织物的导热系数不同程度地进一步增大；在含水率达到25%左右继续增大时，4种织物的导热系数呈现不同趋势的变化，有增有降。这是由于织物导热系数还受到本身的组成、结构、密度、温度、湿度、空气的压力等因素的影响，织物含水率的增大还导致其密度发生变化，所以4种阻燃外层织物的导热系数随着含水率的变化产生了不同程度的变化。

图1显示，4种阻燃外层织物在干燥状态以及含水率为25%左右时的导热系数由大到小的顺序依次是4#>3#>2#>1#，而在4种织物的含水率达到25%左右继续增大后，其导热系数的大小顺序有所改变，在45%左右及55%左右的含水率下，可观察到4种织物的导热系数由大到小的顺序依次是4#>1#>2#>3#。这说明不同消防服外层织物在超过25%含水率的较大程度润湿下，其导热系数的大小顺序可能会发生变化，这在水灭火的消防环境下消防服的阻燃外层织物的选择有指导意义，如选择组成成分不含亲水性纤维或由亲水性较差的纤维组成的外层阻燃织物。

以导热系数为因变量，含水率为回归自变量，采用Sigmaplot软件进行线性回归分析，建立一元线性回归方程，并获得含水率对织物的导热系数影响的线性回归图，如图2所示，其回归方程y=y0+ax也列如图中。

上述回归式中，仅试样3#线性回归方程中的相关系数R较小，其值为0.677 2，其相关性较小，另三种试样的含水率与其导热系数成显著的线性正相关关系。上式中所用的样本量较少，因此取（6）式进行统计验证，回归方程的显著性检验：F=72.586 2，对应的概率P=0.001，接近为0值。

试样3#的相关系数R值较小说明试样3#的导热系数受水分的影响程度最小。由于水分对织物导热系数的影响主要是由于水分取代空氣占据了纤维及纱线之间的孔隙，推测导致这一现象的原因是试样3#的孔隙率较小。故采用全自动压汞仪测试了4种阻燃外层织物的孔隙率，结果显示1#，2#，3#和4#的孔隙率分别是54.8%，55.9%，46.1%，53.2%，可见试样3#的孔隙率最小，故其导热系数受到含水率的影响最小，即试样3#线性回归方程中的相关系数R较小。

2.2 含水率对热防护性能的影响

表4给出不同含水率的4种织物组合在83 kW/m2的热流暴露下的二级烧伤时间与TPP值测试结果。图3给出4种织物的含水率与热防护性能TPP值的关系曲线。

由图3可以看出，4种面料组合的TPP值随着含水率的增加而大幅下降，这是由于水分的吸收使得4种面料系统的导热系数增大；在含水率为26%左右时4种织物组合的TPP值均降到最低，并且随着含水率的增加开始上升，这是因为水分的吸入使得4种面料组合的比热及蒸发吸热量大大增加，那么面料组合的温度上升变慢，二级烧伤时间增大，TPP值增大。总体上讲，4种面料组合的TPP较初值均有所下降，可见消防服织物系统的低程度润湿（32%含水率以下）对其热防护性能有消极影响。

3 结 论

a） 4种阻燃外层织物的导热系数随含水率的增大而非线性增大，这说明水分对织物的隔热性能有消极影响。消防用水的吸入会改不同种阻燃外层织物导热系数大小的顺序，这对于在水灭火的消防环境中消防服阻燃外层织物的选择有指导意义。

b） 在低含水率下（32%以下）4种消防服面料组合的热防护性能下降。4种面料组合的TPP值随着含水率的增大先减小后增大，但均小于初值。这说明消防服阻燃外层和舒适层的润湿对其热防护性能有消极影响。消防服阻燃外层和舒适层织物的润湿程度使得面料组合的含水率为26%时，面料组合的热防护性能降到最低。

参考文献：

[1] 曹娟，宋国文，张慧，等.含水率对消防服用织物热防护性能的影响[J].天津工业大学学报，2016，35（1）：33-37.

[2] 杨晓琴，孙玉钗，裴彦峰.含湿量对织物热舒适性的影响[J].纺织科技进展，2008（1）：61-63.

[3] 魏赛男，刘超颖，李瑞洲，等.含湿状态下组织结构对织物热舒适性的影响[J].纺织学报，2008，29（8）：42-44.

[4] 李红燕.单层织物湿态热防护性能测试与分析[J].纺织学报，2009，30（12）：95-98.

[5] 王云仪，宗艺晶，李俊.消防服用国产新型织物的热防护性能研究[J].纺织导报，2008（8）：98-100.

[6] PERKINS R M. Insulative values of single-layer fabrics for thermal protective clothing.[J]. Textile Research Journal， 1979，49（4）：202-212.

[7] BARKER R L， GUERTH-SCHACHER C， GRIMES R V， et al. Effects of moisture on the thermal protective performance of firefighter protective clothing in low-level radiant heat exposures[J]. Textile Research Journal， 2006，76（1）：27-31.

[8] CHEN N Y. Transient heat and moisture transfer to skin through thermally-irradiated cloth[J]. Massachusetts Institute of Technology， 1959.

[9] FU M， WENG W， HAN X. Effects of moisture transfer and condensation in protective clothing based on thermal manikin experiment in fire environment [J]. Procedia Engineering， 2012（62）：760-768.

[10] 王强，戴景民，何小瓦.时间延迟对瞬态平面热源法测量热导率的影响[J].吉林大学学报（工学版），2011，41（3）：711-715.

[11] 赵自立，张秉笃，黄翔，等.织物导热系数的试验研究[J].纺织学报，1989，10（10）：17-20.