阻燃防护服热防护性能测试方法存在的问题

张婷婷，任志博，徐兰军，董炳艳，张 焕

(1.新兴际华集团有限公司，北京 100020； 2.中国纺织信息中心，北京 100025)

在火灾事故中，服装燃烧给人体带来的伤害远大于环境中明火给人体造成的伤害，因此在火灾救援及容易引起火灾的危险作业环境中穿着阻燃防护服对人身安全至关重要[1]。热防护性能是阻燃防护领域引入国际标准的重要指标之一，它能客观地反应阻燃防护服对火灾中强烈的对流热和辐射热的防护性能[2]。

目前国内防护服热防护性能测试标准GB 8965.1—2009《防护服装 阻燃防护 第1 部分:阻燃服》、GA 12014 《消防员灭火防护服》均未涉及服装的蓄热性能[3]。国外相关标准ASTM F 2700—2008 《阻燃服材料在持续加热状态下动态的传热性评估的标准测试方法》、ISO 17492—2003《防火隔热服-暴露于火焰和辐射热时的热传递测定》、NFPA 2112—2007《消防员灭火防护服》和ASTM F 2703—2008 《阻燃服材料在预计烧伤率状态下动态的传热性评估的标准测试方法》[4]中, 除ASTM F 2703—2008外其余标准都是在测试热防护材料过程中，通过测得该材料在累计时间上的传感器响应曲线与Stoll曲线(人体二度烧伤曲线)的交点来确定累积能量，测试结果称为热防护性能值，简称TPP。而ASTM F 2703—2008是在测试热防护材料过程中，通过测得的该材料在一定时间上的传热反应曲线与Stoll曲线的相切(或近似相切)来确定的总累积能量测试结果，称为热防护性能评估值，简称TPE。国内服装研究和实验室检测基本都集中在面料或服装在高强度热流下，即TPP测试，有较高TPP值的服装被认为具有较好的热防护性能，而忽略了热蓄积时的性能研究和测试，导致TPP的数值无法表征防护服真实的防护水平，也不能与燃烧假人的数据呈现相关性[5]。数十年的建筑火灾报告数据显示，消防员遭受的大多数皮肤烧伤都发生在低强度热环境中，其中常见的热危险强度是 5～ 20 kW/m2的低热辐射，这类热暴露通常持续数分钟，不会造成服装形变，但同样会导致皮肤二度烧伤[6]。在实际火灾现场的应用中，现场环境非常恶劣，穿着者可能未及时脱掉经热暴露后的防护服，此时，服装中蓄积的热能会继续传递给穿着者，很可能造成快速烧伤中[7]。因此，低辐射传热条件在阻燃防护服性能研究十分重要。在选购服装面料时，面料的TPE值也应该作为重要的参考指标之一。

1 试验部分

本文选用一种阻燃防护服常用面料，测试样品囊括了单层、多层等不同组合。按照GB 8965.1—2009附录A和ASTM F 2703—2008分别对其TPP值和TPE值进行测试并对结果进行分析比较。测试仪器采用701-D-163-1型整体热防护性能测试仪(美国精密仪器公司)。

1.1 TPP试验

试样选用杜邦(中国)研发管理有限公司生产的Nomex®IIIA藏青色斜纹面料，线密度为26.3 tex×2。试样分为3组，每组10个样品，第1组试样为单层面料，第2组为双层面料，第3组为4层面料。织物规格参数如表1所示。

表1 织物规格参数

为了减少温湿度对试验结果的影响，测试前将试样置于标准大气条件下调湿24 h，从调湿区域移出后在30 min内完成测试。测试热源的对流热和辐射热各占50%。测试前对热源总热量进行校准，使总热通量达到(84±2) kW/m2，记录总热通量数据，并对试样进行测试。试验均采用直接接触法，即模拟面料与人体皮肤直接接触时阻燃防护服的热防护性能。当传感器响应曲线与Stoll曲线相交时，记录下暴露时间。热防护性能值(TPP)就是暴露时间与校准总热通量的乘积[2]。即

TPP=t交点×F

(1)

式中：TPP为热防护性能值，kW·s/m2；t交点为测试的累积能量与Stoll曲线相交的时间，s；F为校准总热通量，kW/m2。

TPP测试结果如表2所示。试验后的试样状态如图1所示。

表2 TPP测试结果

图1 TPP试验后试样

从表2可以看出，面料层数越多，TPP值越高，防护服的热防护性能越好。首先，多层织物形成了间隔层，从而保留了静止空气，而空气的热传导率是纤维材料的1/10，因此，降低了热量的传播速度，从而提供了更好的隔热效果；其次，多层面料作为整体进行测试，使得热量在织物内部的纤维、纱线界面间发生多次耗能湍流从而减少了到达皮肤的热量[9]。

由图1可以看出：面料接触火焰时间越长损伤越严重，燃烧后第3组试样出现了热收缩现象。

1.2 TPE试验

TPE试验是在TPP试验的基础上进行。TPP试验中得到了试样的最大暴露时间tmax，即表2中的TPP时间平均值，通过tmax除以2确定TPE测试的暴露时间ttrial，本文试验分别设置为2、4和9 s(精确至秒)。待暴露结束后持续采集数据至30 s 以上。此时曲线可能出现3种情况：①传感器响应曲线和Stoll曲线未相交，说明需要增加ttrial的数值继续测试，那么下次试验测试暴露时间为ttrial1=(tmax/2+ttrial)÷2，即为3、6、13 s，重新输入暴露时间后继续进行测试。②传感器响应曲线和Stoll曲线刚好相交并相切，那么此时的ttrial就是TPE时间。③传感器响应曲线和Stoll曲线相交并有2个交点，说明需要减少ttrial的数值继续测试，那么下次试验测试暴露时间ttrial1=ttrial/4，即为2、3、7 s，重新输入暴露时间后继续进行测试。按照上述方法，直到2次暴露时间差接近0.5 s时，停止试验。最后再用2块试样对评估时间进行验证。取平均值最为最终结果。

按照上述方法进行测试，TPE测试结果如表3所示。测试后试样如图2所示。

表3 TPE测试结果

图2 TPE测试后试样

从表3可以看出，面料的层数越多热防护性能评估时间和评估值越高，试验过程中没有发生燃烧反应。通过表2和表3的比较可以看出，同一组试样的TPE值比TPP值分别降低了7.7%、13.3%和27.9%，说明织物在热暴露阶段除了发生热传递外还会蓄积大量的热量，而且随着面料层数的增加面料整体的蓄热能力也有所增加。这是因为面料的层数越多，达到二度烧伤所需的热暴露时间也越长，从而面料蓄积的热量也越高。目前阻燃防护服一般由外层、防水透气层、隔热层和内层舒适层4层结构组成，因此在阻燃防护服接触火源之后其散发出的热量对人体造成伤害的不容小觑[10]。

从图2可以看出，面料经TPE试验后损伤程度比TPP试验后有所减轻，因为面料直接接触火焰的时间有所减少。

1.3 测试过程中的其他问题

根据日常测试试验及实验室之间的比对试验发现，热防护性能测试中还存在以下问题：

①传感器热量损失。传感器是基于温度设计的热性能，影响因素包括铜片的质量、吸收率、面积等。目前实验室普遍采用的热容性传感器，在测试过程中热量有所损耗。它的散热主要有铜片本身反射的辐射热，采用间接接触法测试时隔热板表面的辐射热吸收，以及铜片与隔热板之间热量的损失。

②辐射热的光谱影响。使用石英管灯和梅克尔燃烧灯的光谱与实际火灾光谱不同，影响测试真实模拟的精确性。

③数据采集系统误差。热电偶从输出电压信号转换成温度，二者间没有线性关系，存在一定误差。

④ Stoll曲线问题。Stoll曲线适用于均匀(矩阵)分布的热源，任何小的波动变化都会使Stoll曲线失效。试验过程中，恒定的热流量经过一层或多层织物后会衰减，衰减后入射到人体皮肤的热流量值波动较大，不符合应用Stoll曲线的边界条件。

2 结 论

①国内标准未涉及服装蓄热性能，TPE的测试方法弥补了TPP测试的不足，它使所测得二度烧伤时间明显缩短，这种结果对于阻燃防护服实际性能评估有积极的作用，可以更真实地反映所测服装性能指数，避免因评估偏差导致消防队员在火场环境中受到伤害。因此，国内相关标准应考虑将TPE测试方法编入其中。在选购阻燃防护服面料时不仅要考虑织物的阻燃性能、热传递性能，还应考虑后期的蓄热性能。

②国内外测试方法中均存在传感器热量损失、辐射热的光谱影响、数据采集系统误差、Stoll曲线失效等问题，影响结果的真实性。相关国家标准在制订、修订的过程中应充分考虑实际应用中存在的问题。