热防护服用织物蜂窝夹芯结构的辐射热性能测评

张泓月， 李小辉,2

(1. 东华大学 服装与艺术设计学院， 上海 200051；2. 东华大学 现代服装设计与技术教育部重点实验室， 上海 200051)

火灾现场的热效应主要是由热辐射引起的，由热引起的电磁波辐射统称为热辐射[1]。一般火场作业人员会穿着热防护服来抵挡火场环境中热辐射等带来的伤害[2]。为保证其防护性能，热防护服一般由4层面料构成，由外向内依次是外层、防水透气层、隔热层和舒适层。但正是由于热防护服的多层结构，在提升其热防护性能的同时也会带来笨重、闷热等问题。这些问题不仅会降低作业人员的工作效率，还会对人体造成一定程度的伤害。

针对上述问题，相关领域的学者也做了许多研究：有学者提出改变外层织物来防止明火火焰对织物产生损伤，如使用连续玄武岩纤维织物和高硅氧玻璃纤维织物，前者具有优异的耐热性能和力学性能，后者的力学性能则较前者弱；或者是采用铝复合织物或者进行表面涂层来反射辐射热[3]。此外有其他学者针对隔热层提出改进措施,如采用质轻、热导率低的气凝胶材料[4-5]或结合热湿舒适性好的相变材料[6-7]来抑制热防护服内温度突变、减少热应力；以及通过具有特殊记忆功能的形状记忆材料产生空气隔热层来进行改善[8]。虽然这些研究在热防护性能方面取得了显著成果，然而在热防护服的实际应用过程中，如何能在确保辐射热防护性能的同时更好地改善其热湿舒适性能尚需进一步探索。

因此，本论文结合质轻、强度高、隔热性能好的蜂窝结构[9]，针对热防护服的隔热层进行结构设计。试验选取了当前典型的热防护用面料，采用正交试验设计制备蜂窝夹芯结构，并利用热防护性能测试仪进行测试，明确外层面料、蜂窝夹芯结构的芯厚、壁厚、边长等因素对辐射热防护性能的影响规律，获取蜂窝孔型结构的最优方案设计，从而使其应用在更多领域的热防护服中。

1 试验部分

1.1 试样选取

选取当前几种典型的防护服面料作为实验材料。外层选用PBI®matrix和Nomex®IIIA 2种面料，防水透气层选用I-70/PTFE，隔热层选取4种厚度的 Nomex®毡面料，舒适层采用蓝灰色阻燃粘胶。各层面料参数如表1所示。

表1 各层面料结构参数

1.2 实验方案设计

1.2.1 蜂窝夹芯孔型结构设计

由于正六边形蜂窝夹芯结构具有优异的稳定性与各向同性[9]，所以本文实验选取正六边形蜂窝结构进行实验。实验选取4种蜂窝边长，3种蜂窝壁厚以及4种芯厚，根据3因素混合水平正交表(如表2所示)设计出12种不同的蜂窝孔型，得到图1所示的12种蜂窝孔型方案设计(蜂窝芯厚h,边长l，壁厚t)。

表2 三因素混合水平正交表

图1 蜂窝孔型方案示意图

热防护服用织物的热防护性能研究结果表明，隔热层越厚，防护性能越好。同时考虑到服装的热防护性能、舒适性能等，蜂窝芯厚也不能无限增加[10-11]。试验方案如表3所示，其中设置4个实心结构的对照组E4、E8、E12、E16进行对比试验。

1.2.2 试验仪器

本文试验采用美国Thermetrics公司的辐射热防护性能(RPP)测试仪。

表3 试验方案设计

根据美国材料与试验协会(ASTM)的ASTM F1939《持续热暴露条件下阻燃服装材料抵抗辐射热标准测试方法》，设定辐射热源的辐射热流密度为(20.2±2.1)kW/m，将试样外层朝热源方向放置在夹持器的中心位置，当传感器温度从室温(20±5)℃达到引起皮肤二度烧伤温度时，热源屏蔽装置会自动放下，同时计算机软件会记录下所用的时间。RPP值的计算公式为

QRPP=q×t2

式中：q为试验设定的辐射热流量，kw·s/m2；t2为引起皮肤二度烧伤所需的时间，s。RPP值表示辐射热防护性能的好坏，其值越大表示辐射热防护性能越好，反之越差。

试验根据RPP测试仪的要求，将各层面料裁切成尺寸为10.5 cm×25.0 cm的矩形，并采用激光切割进行蜂窝夹芯孔型结构的制备。取2种外层(PBI®matrix 和Nomex®IIIA)、防水透气层、隔热层的所有组合，按照上述12个试验组以及4个对照组，共设计32种试验方案。设置第8、16、24、32组为实心对照组。为提高试验的准确性，减小误差，每种试样准备3份，进行3次RPP测试，结果取平均值，共进行96次RPP测试。

2 结果与讨论

2.1 外层对蜂窝结构辐射热防护性能影响

由于防护服的外层直接接触火场环境，所以其热防护性能就显得至关重要[12]。试验研究了2种外层织物(PBI®matrix 和Nomex®IIIA)条件下试样E1～E16的RPP值，如图2所示。结合其隔热层的厚度可以看出试样的RPP值随着蜂窝芯厚的增大而增加。

图2 不同外层条件下蜂窝夹芯结构的RPP值

当外层织物为A1时，E1的RPP值最小，E13最大，分别为 21.08、34.54 kw·s/m2；当外层织物为A2时RPP值最小的是E2，最大的是E13，分别为15.55、26.11 kw·s/m2。

试验表明，外层织物对蜂窝夹芯结构的辐射热性能存在影响，且试验结果中E13的RPP值最高，表明其辐射热防护性能较好；同时试验也说明 PBI®matrix 作外层织物时辐射热性能比 Nomex®IIIA作外层织物时要好，从而说明外层会对试样整体的辐射热防护性能产生影响。

2.2 芯厚对蜂窝结构辐射热防护性能影响

上一组试验可以看出，蜂窝芯厚对织物的RPP值存在影响。为研究不同芯厚条件下蜂窝夹芯结构的RPP值，本组试验在2种外层条件下选取4种芯厚(1.04、1.43、2.04、2.84 mm)对织物组合进行RPP值测试。结果表明，2种外层条件下，具有蜂窝夹芯结构的试样其RPP值均随芯厚的增加而增大。当外层为A1时，极差R1为7.63 kw·s/m2；外层为A2时，极差R2为7.10 kw·s/m2。

外层织物为A1或A2时，4个水平指标中RPP值最大的都是当芯厚h为2.84 mm时的情况。结合表3可以得知，试验组E13～E15具有较好的辐射热防护性能，即芯厚为2.84 mm时的试样；此外，计算比较2个极差R1与R2的值均大于7，可知芯厚对辐射热防护性能的影响较大，且芯厚越大，蜂窝夹芯层的辐射热防护性能越好。

2.3 边长对蜂窝结构辐射热防护性能影响

蜂窝的边长和壁厚是蜂窝孔型的2个设计变量。本组试验选取4种边长(2、4、6、8 mm)进行蜂窝夹芯结构的织物组合的RPP仪测试。结果表明，外层为A1时，极差R3为1.90 kw·s/m2；外层为A2时，极差R4为0.73 kw·s/m2。

当外层织物为A1时，边长l为2 mm的试样具有最大的RPP值；而外层织物为A2时试样的RPP值并不具备显著变化，但此时边长l为6 mm的试样具有最大的RPP值。即外层为PBI®matrix时，蜂窝边长为2 mm的蜂窝夹芯结构具有较好的辐射热防护性能；外层为Nomex®IIIA、蜂窝边长为6 mm的蜂窝夹芯结构具有较好的辐射热防护性能。

结合之前的试验结果可以得到，外层材料选用PBI®matrix时的织物组合具有更好的辐射热防护性能。又有极差R3、R4的值均比R1、R2小得多，可知蜂窝边长对辐射热防护性能的影响小于芯厚的影响；此外边长越小，蜂窝夹芯层的辐射热防护性越好。

2.4 壁厚对蜂窝结构辐射热防护性能影响

不同壁厚条件下，相同蜂窝夹芯结构织物组合的RPP值也会有所不同，本次试验选取3种蜂窝芯厚水平(2.6、5.2、7.8 mm)对织物组合进行RPP仪测试。结果表明，在2种外层试验条件下，测得试样的RPP值随壁厚的增加而减小。当外层为A1时，极差R5为5.03 kw·s/m2；外层为A2时，极差R6为1.99 kw·s/m2。即外层织物为A1或A2时，织物组合试样的RPP值均随蜂窝壁厚的增大而增加。其中壁厚为7.8 mm(E3、E7、E9)试样的RPP值最大。可以推测是因为隔热层的蜂窝壁厚越大，面密度越大，辐射热防护性能越好。

从上述结果可以看出，在3种不同蜂窝壁厚的蜂窝夹芯结构中，蜂窝壁厚为7.8 mm的蜂窝夹芯结构具有相对好的辐射热防护性能；又极差R5、R6的值均大于R3、R4但小于R1、R2，所以蜂窝壁厚对辐射热防护性能的影响大于蜂窝边长的影响，但小于芯厚对辐射热防护性能的影响。

3 结 论

1)蜂窝夹芯结构可显著减少多层织物组合的克重，改善防护服的笨重问题。

2)其他因素不变，外层织物的改变会对蜂窝夹芯结构的辐射热防护性能产生影响。

3)芯厚对蜂窝夹芯结构的辐射热防护性能影响最大，其次是蜂窝壁厚，最后是蜂窝边长；且芯厚越大，壁厚越大，边长越小，蜂窝夹芯结构的辐射热防护性能越好。试验结果表明：防水透气层与舒适层面料不变的条件下，外层为PBI®matrix、蜂窝夹芯结构为芯厚2.84 mm、边长2 mm、壁厚7.8 mm的织物组合具有较好的辐射热防护性能。