消防服性能研究现状及展望

刘津池,于 淼,程文杰，王 侠

(1.青岛大学 纺织服装学院，山东 青岛 266000；2.武汉警官学院，湖北 武汉 430000)

1 引言

穿着消防服的消防员长时间处于高温环境，身体会产生一系列不良反应，如体温上升、出汗量增多等。消防服在阻挡外部热量进入的同时，也会抑制穿着者体热向外散失，从而产生热积蓄，使得人体与消防服之间微气候温度过高，进一步加剧人体不良反应，甚至导致热晕厥[1-3]。

文章首先从最基本的阻燃功能、隔热功能两方面分析了消防服的热防护性能标准；其次从热湿舒适性能、服用性能等角度剖析了消防服的舒适性能要求；然后从热防护性能、热湿舒适性能、工效性能等方面诠释了消防服性能平衡交互评价；最后总结并从面料研发、结构优化、性能匹配等多个角度对消防服研发提供思路。

2 消防服热防护性能

热防护服是指高温条件下穿着的、能够隔绝热源、减缓热量传递与集聚、防止体表微环境温度过高、减少人体不良热反应、避免烧伤、灼伤等热伤害，保护穿着者作业安全的功能防护服装[4-7]。

消防服是一类特殊的热防护服，是消防员在火场实施救援行动的重要防护用具[8]。所以消防服需要具备阻燃性能、隔热性能、高温下保持完整、热蒸汽及喷溅热水流防护性能、防化学品腐蚀等性能，还有降温、结构优化、穿着舒适等服用性能。其中最重要的是热防护性能，即高温环境中保护人体免受热伤害的性能。而消防服热防护性能一般可细分为阻燃性能与隔热性能。

2.1 阻燃功能

火场中身体受到热伤害最严重的部位大都在直接接触燃烧物处，因此消防服需具有优良的阻燃性能。采用耐高温纺织材料[9]织造消防服是确保良好阻燃性能的重要方法。强化阻燃功能是消防服设计的重点，可以通过新型高性能阻燃面料研发、服装结构优化等手段实现。由于消防服外侧可能直接接触火焰，因此阻燃层织物还需有一定的防火焰烧透性能。

2.2 隔热功能

消防员实施救援作业的火场温度一般为600℃～1000℃，辐射热为115 kW/(m2·s)～200 kW/(m2·s)，所以消防服需有较好的隔热性能，在一定时间内尽可能减少穿着者所受的热伤害[10，11]。当消防服处于热源与受保护消防战斗员之间时，热量将通过热传导、对流、辐射三种方式的综合作用传到消防服内侧。由于织物表面的反射作用和织物的吸收作用，使其具备了一定的隔热性能[12]。

织物纤维的导热系数远大于空气导热系数[13]，所以热量从消防服外侧传递到内侧时，比直接在空气中传递相同距离、时间存在一定滞后。消防服织物层数、织物性质、消防员身体形态及穿着状态等均对空气层厚度有影响。较小的衣下空气层厚度对热能阻碍过小，极易造成皮肤二级烧伤；但过大的空气层厚度，会产生热对流效应，促进热量传递[14，15]。消防服的隔热性能与纤维原料导热性、消防服结构设计、面料及里料结构均有很大关系。消防服纤维选用上，选用导热性差的纺织纤维，使外部热源的热量难以向人体皮肤传导，从而提升消防服隔热性。在消防服结构设计中，尽可能减少开口、缝合外漏部位，选择紧密程度合适的消防服面料，进而减少环境中热量向内传导的直接通道，达到优化消防服隔热性能的目的；设置的空气层厚度越接近合理值，热量传输阻力越大，隔热性能越好。

3 消防服舒适性能

服装作为存在于人体和外界环境之间的一层介质，在“人体—服装—环境”这个微气候中起着重要的调节作用，其舒适性能直接受服装自身结构与外界环境影响[16，17]。

3.1 热湿舒适性能

在灭火作业过程中，外部热量从环境经过衣服到达皮肤，然后向人体内部传递，从而提升体核温度；而工作负荷则是通过新陈代谢直接引起体核温度升高，再将多余的热量传递到体表微环境，产生新的热量对流，这些热量在消防服内部大量聚积，可能会使消防员遭受烧伤和热应激反应等热危险[18]。

热和湿直接决定服装的舒适性能，而服装与人体微气候中粒子的传输、扩散与热和湿的联系非常紧密，所以服装舒适性研究也就是服装热湿耦合作用的相关研究[19]。穿着消防服从事救援作战活动的人体在高温环境下会以1200 g/h～1800 g/h的速率出汗，造成消防服内部水分蓄积，而水分会影响消防服热传导及热蓄积等热防护性能[20，21]，当含水率较低(相对于织物重15%～20%)的单层织物暴露于6.3 kW/m2的低热辐射强度，水分会降低其热防护性能[22]。

当环境温度高于人体皮肤温度时，人体只能靠汗液蒸发进行散热[23]。而消防服的阻燃和防水性会降低消防服透湿性，阻碍汗水蒸发和排出衣服外，限制潜热释放，导致消防员承受巨大热荷载，从而使舒适性大幅下降甚至会出现过热反应。因此，消防服装热湿舒适性能在消防服装研发设计中不容小觑[24]。由于外部热量和工作负荷对体核温度的影响方式存在一定差异，所以消防服设计需有针对性，以确保合理热防护性能基础上的最佳热湿舒适程度。

织物的液态水传递性能可能对人体运动中的生理反应有广泛而深层次的影响[25]。吸湿性较强的织物两侧相对湿度相差较大时，热蒸汽冲击能会被显著缓冲[26]，即消防服面料有较强吸湿性能时，高温喷溅热水流和高温蒸汽的冲击力可以被有效削减，从而减轻对消防员的伤害。

3.2 其他服用舒适性能

较高的耐久度、质量轻、方便穿着、宽松结构等良好的服用舒适性，对消防员在火场救援作业时的大幅度动作不会产生限制，有利于消防员散失余热、蒸发汗液、降低生理负荷，能够兼顾协调性和舒适性，有利于提高救援工作效率。

GA 10—2014标准规定消防服为四层层间结构，每层都要有一定的阻燃、防水性能。穿着厚重、多层、透气性较差的消防服进入火场进行长时间、高强度的救援工作时，大量出汗带来较大的热应力，同时由于消防服散热量不足，会导致消防员身体热平衡失调，威胁生命安全[3]。所以实现消防服轻质化，对改善消防服防护性能，便利消防员实施消防救援时的活动，提高其消防救援工作效率有重要作用。消防服装轻质化，可以从开发利用轻质纺织材料、减少不必要的结构部件等方面着手。

4 消防服性能交互平衡评价

消防服常见评价标准有三类：突出热防护性能、防液体渗透性、物理机械性能的NFPA 1971；增加辐射处理后织物拉伸性能测试项目，水洗缩率要求更高，由RPP、TPP等热防护性能测试组成的BS EN 469；规定了消防服为四层结构及每一层的性能要求，总体质量不大于3.5 kg，颜色为藏蓝色，整体TPP值≥28.0，标准高于BS EN 469，略低于NFPA 1971的GA 10—2014。这些标准测评指标大体可以分为消防服热防护性能、热湿舒适性能、工效性能三大类。

4.1 热防护性能评价

消防服的热防护性能是根据皮肤二、三级烧伤比例来评价的，当热流密度达到5.02×104 J/(m2·s)，即人体温度达到72℃时，皮肤起泡，出现二级烧伤。评价织物热防护性能的模型指标有Stoll烧伤准则和Henriques烧伤积分模型[27，28]。热防护性能是消防服作为功能防护服装最重要、最基本的功能。

4.2 热湿舒适性能评价

消防服热湿舒适性的评价是以“消防员—消防服—高温环境”之间的生物热力学综合平衡的实现程度为标准的，这一平衡是温度、湿度、人体活动状态和消防服热湿传递性能综合作用的结果[29]。消防服面料热舒适性能评价主要有物理指标评价法、微气候参数评价法、暖体假人法、生理学评价法、心理学评价法、综合评价法等在内的主观评价和客观评价两大类的方法[30]。

4.3 工效性能评价

消防服工效性能是指消防服允许人体自由活动、减少束缚的性能[31]，轻重量、穿脱方便的消防服才能够减轻人体负荷，提高消防员的工作效率[32]。工效性能是消防服装整体性能的体现，消防服在设计过程中，受到衣下间隙、开口、面料层次、缝合方法等影响，整体性能会发生变化[33]，在这一性能考量中要尽可能实现细节工效1+1>2。工效性能与热湿舒适性能密切相关，良好的工效性能有利于消防员着衣操作，同等工作强度下降低热代谢，即有助于提升其热湿舒适性能。

消防服热防护性能、热湿舒适性能、工效性能三者之间相互独立，又存在着相互促进、相互制约的关系[34]。在消防服设计研究中，提升热防护性能也意味着更加厚重、密闭，其热湿舒适性能更低、人体热负荷更高，消防员遭受热伤害的风险更大[35]，也会一定程度上降低消防员救援效率。但优化消防服热湿舒适性能会在一定程度上降低消防服系统的热防护性能，因此需在确保热防护性能的基础上，提高热湿舒适性能可以提高消防员在火场中的工作效率；提高工效性能可以有效减轻人体热负荷、提高热防护能力。

总而言之，在消防服整体性能设计中，热防护性能、热湿舒适性能、工效性能需要找到一个性能综合考校的平衡点，在确保消防员生命安全的基础上，尽可能提升穿着舒适度和救援工作效率等。

5 结语

消防服是消防员抵御热伤害的功能服装，其热防护性能与面料阻燃性能、隔热性能密切相关。但消防服系统的整体性能不单由面料性能决定，还与面料层间结构、消防服结构开口、款式设计等密切相关。完善的消防服结构设计应该在确保必要的热防护性能基础上，遵循运动工程学、人体工效学理念，实现消防服的轻便、灵活，提高消防员工作效率。

消防服的开发研究应该由单一的提升热防护性能向多角度、全方位提升消防服整体性能转变。消防服设计纤维层面上开发同时具备优良热防护性能、轻量、无毒等多种优势的高性能纺织纤维；面料层面上，一方面设计合理的面料编织方法抑制热量由高温环境向内部传导，另一方面通过设置合理的衣下空气层厚度、面料层数设计等实现面料组合形式和消防服层间结构的最优化。总体来说是在确保热防护性能的基础上，尽可能在服装结构层面实现轻量化，从而便利消防员的救援作战行动。

由于火场情况的复杂性和多变性，消防防护服装性能设计还需要与火灾场景、火灾类型等相匹配，选择相配伍的消防服可以在确保消防员生命安全的基础上尽可能提高作战效率。