防火服用蜂窝夹芯结构织物的热防护性能测评

杜菲菲， 李小辉，2，3， 张思严

(1. 东华大学 服装与艺术设计学院， 上海 200051； 2. 同济大学 上海国际设计创新研究院， 上海 200080；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)

防火服是一种特殊的功能性服装，其作用是保护作业人员在特殊的工作环境中免受高温伤害[1]。目前，防火服一般采用4层结构，由外向内依次为阻燃外层、防水透汽层、隔热层与舒适内层[2]，每层都有其各自的功能，这种多层复合结构极大地提高了防火服的热防护性能。然而，正是这种阻燃、高热阻和防水性会降低防火服的透湿性能，阻碍汗水的排出和蒸发，限制人体出汗所释放的潜热[3-4]。

为解决防火服功能防护与热湿舒适性的平衡关系，很多学者对热防护材料进行了研究。一些研究者提出利用相变材料来协调人体着装时的热平衡[5-6]，相变材料虽然可以减少热应力，提高热湿舒适度，增强热防护性能，但是相变材料本身的相变温度、时间等会受火场环境下的暴露热流量以及热暴露时间的影响，同时研发也需要耗费昂贵的成本[7]，应用范围相对比较局限。此外，还有一些学者提出将三维阻燃间隔织物应用于隔热层[8]，虽然三维阻燃间隔织物具有较好的透气性，但由于它是经编双层结构，容易在层隙之间形成热循环，而且压缩性也不是很好，做成的衣服较厚，用于防火服的优势并不明显。另外有研究者研究了气凝胶热防护材料，由于质轻、热导率低，其性能非常适合作为隔热材料[9]，其缺点是成本高、容易碎[10]，织物透气性问题没有得到解决，因此，目前尚不能满足防火服热湿舒适性能的要求。

事实上，上述热防护材料都是通过隔绝热传递的方式来实现热防护，这导致水气无法透过隔热层到达防水透气层，造成内部闷热的问题，因此，热防护服要充分发挥多层结构的复合功能，必然要克服实心夹层结构自身的弊端，其结构应该在确保阻燃隔热性能的同时更轻便、透气透湿性能更好。而蜂窝结构具有抗疲劳性能好、热稳定性佳、质量轻、隔热隔音性能优良等优异功能，在航空航天、汽车、船舶、建筑等领域[11-13]应用广泛。鉴于此，本文利用蜂窝结构的质轻、隔热耐高温等特性，提出用蜂窝夹芯中空结构来改善服装功能防护与人体热平衡之间的矛盾，实现热防护与热湿舒适性能的综合提升。

本文主要通过选取当前典型的热防护织物进行蜂窝夹芯结构的设计与制备，对织物组合热防护性能进行测评研究，进一步考察蜂窝边长、壁厚、芯厚等参数对其热防护性能的影响，以满足其在众多功能防护领域的应用需求。

1 实验部分

1.1 试样选取

本文选取了当前典型的各层面料作为实验材料：阻燃外层面料为A；防水透气层面料为B；不同厚度的隔热层面料分别为C1、C2、C3；舒适内层面料为D。各层面料所对应的参数见表1。

表1 面料试样及其基本性能Tab.1 Fabric samples and fundamental characteristics

1.2 蜂窝孔形结构设计

蜂窝结构的产生源于仿生学对于蜜蜂筑建的六角形蜂巢的研究，同时六边形蜂窝结构的制备简单，用料最少，效率也高。本文主要采用图1所示的六边形蜂窝结构，其中边长、壁厚、芯厚为六边形蜂窝结构的主要几何参数。

图1 芯子层蜂窝结构示意图Fig.1 Schematic diagram of sandwich layer honeycomb structure

对蜂窝孔形的设计主要包括边长设计和壁厚设计，文献[14]指出：随着蜂窝壁厚的增加，其热导率也逐渐增大；随着蜂窝边长的增加，其热导率开始逐渐减小。综合考虑热导率和面料性能，设计出6种不同蜂窝孔形结构和1种不对隔热层进行切割的对照组，如表2所示。

表2 蜂窝孔形结构参数Tab.2 Parameters of honeycomb structure

1.3 实验方案设计

实验模拟防火服真实结构的多层织物组合，由外向内依次为阻燃外层、防水透气层、隔热层(蜂窝芯子层)和舒适内层，如表3所示。分别对不同厚度的隔热层C1、C2、C3按照表2设计出的7种蜂窝孔形结构E1、E2、E3、E4、E5、E6、E7进行切割，共制备得到21种蜂窝芯子层，切割后的隔热层厚度用蜂窝芯厚表示，分别为0.81、1.28、1.65 mm。各层面料组合得到21组试样，其中第1组、第8组和第15组试样是实心结构。为提高实验的精确性，减小实验误差，拟对21组试样各做3次实验，取其平均值，共需63个实验组。

表3 实验方案设计Tab.3 Experimental scheme design

1.4 织物热防护性能测试

目前，针对防火服的热防护性能主要是采用织物热防护性能值测评和燃烧假人系统测评。本文采用织物的热防护性能(TPP)实验方法，其测试原理是小规模模拟火灾现场，测定透过织物表面导致人体皮肤二度烧伤所需的热量，从而来评价织物热防护的相对能力。本文实验采用的仪器为如图2所示的美国Custom Scientific Instrument公司的CSI-206型热防护性能测试仪。

图2 热防护性能测试仪示意图Fig.2 Schematic diagram of thermal protection performance tester

实验时将试样水平置于热源上面，在规定的125 mm距离内，接受热源为50%的热对流和50%的热辐射2种不同形式的传热，并达到标定值(84±4)kW/m2。通过计算机程序控制窗口监控传感器的温度，当其温度达到(32.5±0.2)℃时，开始实验，试样的暴露时间为25 s。置于试样背面的铜片热流计温度随热源作用时间而变化，从而计量出造成人体皮肤二度烧伤所需的时间，并计算此条件下的总热量TPP值：

TPP=t2×q

式中：q为规定距离内热源辐射或者对流的总热流量，其值为(84±4)kW/m2；t2为引起二度烧伤所需要的时间，s。TPP的大小代表织物热防护性能的好坏，其值越大，织物热防护性能越好；反之，织物热防护性能越差。

2 结果与讨论

蜂窝芯子层的面密度见表4。可看出：将不同厚度的隔热层按照E2，E3，E4，E5，E6，E7切割后的面密度都比按照E1未切割的面密度小，其中：按照E2切割后的面密度减小得最少(减小了18.1～37.7 g/m2)；按照E5切割后的面密度减小得最多(减小了46.4～96.9 g/m2)；并且按照E3，E4，E7切割后的芯子层面密度相等，在3种芯厚下其面密度分别是40.2、71.2、84.0 g/m2。蜂窝夹芯结构对织物TPP 值的影响将从蜂窝结构的边长、壁厚、芯厚这3个控制参数进行讨论。

表4 蜂窝芯子层面密度Tab.4 Areal density of honeycomb core layers g/m2

2.1 边长对织物热防护性能的影响

控制蜂窝结构的壁厚和芯厚2个参数不变，研究边长变化对织物热防护性能的影响规律。当蜂窝壁厚为2.6 mm时，织物组合的TPP值随着蜂窝边长的增加而减小。

图3示出蜂窝壁厚为5.2 mm时不同蜂窝芯厚下其边长变化对织物热防护性能的影响。可以看出：对于芯厚0.81和1.28 mm，蜂窝孔形结构E2的TPP值最高，E6的TPP值次之，E4的TPP值最低，其中E4和E6相差很小，不排除实验误差的影响；对于芯厚1.65 mm，蜂窝孔形结构E2的TPP值最高，E4的TPP值次之，E6的TPP值最低，与壁厚为2.6 mm时的变化规律一致。

图3 蜂窝边长对TPP的影响Fig.3 Influence of honeycomb side length on TPP value

从图3还可看出，蜂窝结构边长从3 mm依次增加到9 mm时，其每个阶段TPP值变化范围也不一样。当边长从3 mm增加到6 mm时，其TPP值变化范围为1.2～1.5，变化比较大；当边长从6 mm增加到9 mm时，其TPP值变化范围为0.2～0.9，变化相对较小。这也说明了边长在不同的范围内变化时，对织物组合热防护性能的影响程度也是不同的。综上所述，蜂窝边长影响着织物组合的热防护性能，整体变化趋势是随着蜂窝边长的增大，织物组合的TPP值变小，其热防护性能减弱。

2.2 壁厚对织物热防护性能的影响

在芯厚和边长相同的情况下，其壁厚变化对织物热防护性能的影响规律都是一样的。图4示出蜂窝边长分别为3、6、9 mm时壁厚对热防护性能的影响。其中：图4(a)表示蜂窝孔形结构为E2(边长3 mm，壁厚5.2 mm)，E3(边长3 mm，壁厚2.6 mm)的TPP值；图4(b)表示蜂窝孔形结构为E4(边长6 mm，壁厚5.2 mm)，E5(边长6 mm，壁厚2.6 mm)的TPP值；图4(c)表示蜂窝孔形结构为E6(边长9 mm，壁厚5.2 mm)，E7(边长9 mm，壁厚7.8 mm)的TPP值。

图4 蜂窝壁厚对TPP值的影响Fig.4 Influence of honeycomb wall thickness on TPP value. (a) Side length of honeycomb of 3 mm; (b) Side length of honeycomb of 6 mm; (c) Side length of honeycomb of 9 mm

从图4看出，蜂窝壁厚越大，TPP值越大，即热防护性能越好。另外，从图中也可观察到：当芯厚为0.81、1.28 mm时，TPP的变化范围很小，在0.2～0.8之间；当芯厚为1.65 mm时，TPP的变化范围较大，在0.8～1.1之间。因此，壁厚在芯厚较小时对织物组合的热防护性能影响很小，在芯厚较大时对织物组合热防护性能的影响较为显著。

2.3 芯厚对织物热防护性能的影响

图5示出当外层面料为Nomex®时蜂窝芯厚对织物热防护性能的影响。可以看出：当芯厚为1.65 mm时，此时对应的种蜂窝孔形结构的TPP值最大；当芯厚为0.81 mm时，此时对应的7种蜂窝孔形结构的TPP最小。此规律与一些文献的研究结果一致，例如，有学者通过实验发现，影响消防员防护服装热防护性能的主要因素是隔热层的厚度，并证明TPP值随着厚度的增加而增加[15]。这也说明了增加芯厚可以提高织物的热防护性能。

图5 蜂窝芯厚对TPP值的影响Fig.5 Influence of honeycomb core thickness on TPP value

此外，在图5显示的7种蜂窝孔形结构中，实心结构E1的TPP值最大，其次是蜂窝孔形结构E2(边长3 mm，壁厚5.2 mm)，而边长为6 mm、壁厚为2.6 mm的蜂窝孔形结构E5的TPP值最小，TPP值整体呈现先减小后增大的趋势。结果表明：当蜂窝边长在0～6 mm的范围内变化时，边长对TPP值的影响较大；然而之后随着边长继续增加，边长的影响逐渐变小，此时壁厚对TPP值的影响变得较为显著。

3 结 论

1)蜂窝夹芯结构可减小多层织物组合的面密度，改善防护服存在的笨重问题。其中隔热层蜂窝结构切割的边长越大，面密度越小；切割的壁厚越小，面密度越小；且切割的边长与壁厚按相同比例变化，切割后的面密度相等。

2)多层织物组合的闪火热防护性能受蜂窝结构的边长、壁厚、芯厚3个控制参数的影响，其中芯厚的影响最大。

3)增大蜂窝结构的芯厚和壁厚，减小蜂窝边长有利于增大织物组合的热防护性能。

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