火灾环境中消防服防护性能测评研究进展

翟胜男 王鸿博 柯莹

摘要： 为了全面测评火灾环境下消防服的防护性能，优化服装热防护性能评价体系，通过回顾国内外热防护领域的研究现状，从“人体-织物-环境”三个角度分析影响织物热防护性能的因素;并基于环境角度，从单一和复合灾害环境2个层面，归纳分析防护服性能的测评方法和模拟研究，预测未来探索复合火场环境综合热防护性能的研究方向，提出在后续研究中应建立更加标准化的火灾实验测试方法和测试装置、热防护性能的综合评价体系，准确评估复合灾害环境下消防服的热防护性能。

关键词： 消防服;热防护性能;影响因素;灾害环境;模拟测评

中图分类号： TS941.73

文献标志码： A

文章编号： 1001-7003（2020）11-0046-05

引用页码： 111108

Abstract： In order to comprehensively evaluate the protection performance of fire-fighting clothing under the fire environment and optimize the evaluation system of thermal protection performance of the clothing， this paper reviews the research status of thermal protection field at home and abroad， and analyzes the factors influencing thermal protection performance of fabrics from three perspectives of "human body， fabric and environment". Based on the environmental perspective， the evaluation method and simulation research of protective clothing performance are summarized and analyzed from two aspects of single and compound disaster environment， and the research direction of thermal protection performance of the clothing is proposed. This paper also puts forward that a more standardized fire experimental test method and test device as well as a comprehensive evaluation system of thermal protection performance should be established in the follow-up research， so as to accurately evaluate the thermal protection performance of fire-fighting clothing in a composite disaster environment.

Key words： fire-fighting clothing; thermal protection performance; influencing factors; disaster environment; simulation evaluation

火場环境错综复杂，不仅包括火焰、辐射等热源危害，还伴有如高温蒸汽、高温液体等次生衍生灾害或多种灾害并发的情况。有研究机构调查显示：高温蒸汽和高温液态水是导致消防员烧伤的主要因素，占比65%;由火焰产生的烧伤占比例20%;接触式烧伤占比15%[1]。由此可见，在面对复杂的火场环境时，对于消防服的要求不仅要包括对辐射、对流等火源的防护，还要包括对高温液体和高温蒸汽等湿态热源的防护，在未来对消防服防护性能要求需要更加全面、更加严格。

在各种热暴露环境中，能够正确评价消防服的热防护性能是保障消防员生命安全的重要途径[2]。目前，国内外学者对热防护领域的测评主要集中在辐射、对流等火源灾害的基础上开展的热防护性能影响因素的研究、皮肤烧伤模型的建立、新材料的应用等方面。对于复合高温蒸汽、高温液体等环境的研究测评较少，相应的评估体系和测试方法的探索研究也明显不够深入。本文主要通过回顾国内外热防护性能研究成果，总结热防护性能的影响因素，并分别从单一和复合灾害环境2个层面，归纳分析防护服性能测评方法和模拟研究现状，并提出在未来的发展方向。

1 热防护性能的影响因素

从“人体-织物-环境”三个角度出发，分析归纳影响织物热防护性能的关键因素。

1.1 织 物

国内外学者基于织物基本性能与热防护性能间的关系进行了大量研究，并发现消防服系统各层织物的基本参数对服装整体的热防护性能有重大影响，如织物的平方米质量、厚度、织物组合等[3-4]，一般织物越厚重，其热防护性能越好。此外，Song等[5-6]研究发现热防护性能还与织物蓄热量有关，热暴露阶段织物会储蓄大量热量并于冷却阶段迅速释放，导致或加重皮肤的烧伤，尤其是在加压或长时间热暴露条件下。

为了同时兼顾织物的舒适性能，一些学者尝试采用镀铝、相变材料、形状记忆材料和气凝胶等新型材料代替耐高温纤维制作新型消防服。冯倩倩等[7-8]通过实验验证了它们在消防服中应用的可行性，并发现在等热效果下新材料能明显减轻服装质量，减少消防员负担;同时增强了服装舒适性，更好地保护消防员安全。

1.2 人体运动

在救援过程中，人体处于不断运动状态，织物间隙不断变化、人体运动出汗等因素都会影响织物热传递方式和热防护性能。

1.2.1 空气层厚度

热量传递过程中，空气层能够减缓热量向人体的传递，增加面料热量蓄积，提高织物热防护性能。

在不同的火源热暴露条件下，空气层厚度对热防护性能影响各异。Ahmed Ghazy[9]在高强度的闪火和综合热源条件下，发现空气层厚度增加能够提高织物的热防护性能。Zhu等[10]发现在84 kW/m2的高强度辐射热下，空气层厚度增加，二级烧伤时间呈现先增加后减小的趋势;Ming Fu等[11]发现在2～10 kW/m2低强度辐射热下，空气层厚度增加，皮肤烧伤时间增加，且影响的程度与空气层位置相关。这是因为随空气层厚度增大，空气层的热阻增大，辐射传热减少，织物热防护性能增大;但当其厚度增加到一定程度时，空气层内产生自然对流，总传热量增加，使热防护性能下降。

Su等[12-14]研究发现高温蒸汽等各种形式的水分也会影响空气层的热防护作用。一方面水分会降低空气层厚度对织物热防护性能的积极影响，延长对流传热出现的时间，提高织物热防护性能;另一方面，水分也削弱了空气层位置的影响。这是因为水分的存在改变了空气层的热物性能（如热容、导热系数等）和光学性能（如辐射吸收率、穿透率等），进而影响空气层的热量传递和热防护性能。由此可见，探究多种因素复合环境下空气层的热防护机制，不仅要考虑热源种类和强度的影响，还需要考虑各种形态水分的作用，以便选择最优的空气层厚度，最大程度优化织物热防护性能。

1.2.2 人體出汗

高负荷运动会导致人体体温急剧上升，皮肤大量出汗，这些汗液被织物吸收能够改变织物的热物性能和光学性能，同时水分在吸湿/解吸和相变过程中吸收或释放的大量热量，也会导致皮肤的烫伤。

面对不同灾害环境，人体出汗对织物热防护性能的影响各异，不仅与热源种类和强度有关，还与水分含量等因素相关。陈萌等[15-16]发现在83 kW/m2的闪火条件下，水分使织物热防护性能下降;而在83 kW/m2的综合热源下，含水率在32%以下时，对多层织物的热防护性能有消极影响，特别是当含水率为26%时，热防护性能降到最低。而在不同强度的辐射热暴露下，Lelia等[17-18]发现在10 kW/m2的强度下，水分使织物热防护性能提高;在20 kW/m2强度下，水分使织物热防护性能下降。

相较于上述单一的火源灾害环境，Su等[19]研究了辐射和高温蒸汽复合环境下人体出汗对织物热防护性能的影响，发现与低辐射环境相比，高温蒸汽能够明显加快皮肤的烧伤，改变不同出汗量会对织物热防护性能产生影响。但是，对于高热通量的辐射环境或者综合热源环境中，人体出汗与高温蒸汽对消防服热防护性能的影响并未作进一步研究，在未来，需要综合考虑各种火源灾害和水分复合的环境，研究人体出汗对消防服防护性能的影响。

1.3 外界因素

在救灾过程中，存在火焰、辐射和水分等多种环境因素，它们共同作用影响织物的热防护性能。

近年来，水分对织物热防护性能的影响引起了广泛关注。Lee等[16-18]研究发现在高强度综合热源或闪火下，水分提高了织物的热防护性能;在84 kW/m2的辐射热源下，含水70%～80%的单层织物，热防护性能降低35%;在10 kW/m2的辐射热源下，水分对热防护性能的影响则并不稳定。这些研究表明热源种类和强度对织物热防护性能有重要影响，相比于复杂的辐射热，对流传热可以加快织物内部水分蒸发，提高织物热防护性能。

火场环境温度较高，液态水分可以吸收热量变为高温液态水，甚至高温蒸汽形式，影响织物的热防护性能。卢业虎[20]研究高温液体环境下织物热防护性能，发现液体温度、种类、冲击角度等对热防护性能有重大影响;液体温度越高，冲击角度越大，在织物内的渗透量越大，使织物热防护性能下降。苏云[2]研究火灾高温蒸汽环境下织物的热防护性能发现，与辐射环境相比，高温蒸汽能显著增加热暴露阶段的热量传递，降低织物的热防护性能，削弱织物厚度对热防护性能的影响，提高了织物透气性的作用。这些研究表明火场环境复杂多变，消防服的防护要求不再是简单的阻燃和隔热防护，还要包括对高温蒸汽、高温液体等多种因素的防护，未来需要进一步将多种环境因素复合，研究织物的综合热防护性能。

2 单因素火灾环境热防护性测评

研究发现各种环境因素对织物的热防护性能影响重大。目前，织物热防护性能测评多采用TPP、RPP等仪器，模拟单一的火源条件，对于多种因素复合的火灾环境模拟研究较少，相应的测试装置和测评方法也并不完善。表1显示了现行的一些织物热防护性能测评方法及标准。

由表1可以看出，对织物热防护性能的测评可以分为小尺度的台式测试和全尺度的假人测试，检测织物小样和服装整体的热防护性能。相应的模拟测试环境分别为综合热、辐射热、闪火和高温液体等环境条件，对于其他的环境因素模拟测试较少。此外，根据织物的评价准则也可以将以上的测评方法划分为三大类：Stoll准则、Henriques皮肤烧伤积分模型及其他评价方法。Stoll[21]准则是根据大量动物实验测得的恒定热流条件下铜片热流计的净升值与二级烧伤时间的关系，从而得出评价热防护性能的经验关系式。大多数小规模的台式测试就是利用Stoll准则评价织物的热防护性能，包括NFPA 1971、ASTM F 2700等。实验操作方法简便，应用范围较广;但不适用于评价瞬态热流、三级烧伤及蒸汽烫伤等方面[2]。Henriques烧伤积分模型可以用来评价不同时间段、不同深度的皮肤烧伤，通过将Pennes皮肤传热方程和皮肤烧伤积分模型结合，计算皮肤二、三级烧伤。理论上该模型适用于所有的热暴露条件，但实际上对于模型参数的取值及皮肤传热的复杂计算都给实验带来了极大的限制。其他的评价指标如TF、HTI等，评价原理比较简单，适用于任何条件的热暴露情况。但却不能预测皮肤的烧伤，只能对织物间热防护性能进行对比。

综合上述测评方法可以发现，它们大多忽略了水分的作用。一方面，在根据传感器的能量守恒方程进行温度热流转换时，并未考虑水分冷凝、蒸发过程热量传递的影响。另一方面，标准中规定实验前需将织物在标准状态下进行预处理，平衡织物中的水分，也忽略了实验中水分的作用。因此，这些评价方法和指标仅适用于干态的测试评价，对需要考虑水分的含湿状态评价并不准确，还需要建立更加标准化的实验过程和方法、全新的评价测试体系，全面准确地评价织物各種状态下的热防护性能。

3 多因素复合火灾环境热防护性测评

以辐射、火焰、水分这三个环境因素为例，相互复合产生图1所示的火灾环境：综合热源、辐射与高温蒸汽或液体、火焰与高温蒸汽或液体、综合热源与高温蒸汽或液体等。

目前，对于火灾综合热源下织物热防护性能的研究较多，而涉及高温蒸汽或高温液体的研究则较少。最初，学者采用预湿处理的方法模拟水分在织物中的分布，如表2所示。可以将面料预湿处理的方法归纳为4种，分别模拟织物在外层润湿、人体出汗、不同环境温湿度下的水分分布状态。但考虑到真实的火场环境中存在环境压力、温度、水分施加速率等因素，同时也需要考虑在热暴露过程中不断施加水分的情形。因此，需要进一步建立更加全面的水分动态模拟施加装置，全面地测评火源与水分复合环境下消防服的热防护性能。

3.1 火灾高温蒸汽环境模拟

火场环境温度较高，水分会直接吸收热量变为高温蒸汽或高温液体，影响织物的热防护性能。目前，针对高温蒸汽环境的模拟大多集中于石油化工、天然气等行业，模拟蒸汽环境中蒸汽喷射压力、蒸汽温度、喷射距离、流动方向等因素，但对真实火场环境中火焰、辐射等高温火源的复合模拟研究较少。

为了模拟真实的火场环境，苏云等[22]研发了一款火灾高温蒸汽热防护性能测评装置，如图2所示，可以同时模拟低辐射热环境和高温蒸汽环境。该装置由蒸汽发生器、蒸汽输送管、热暴露模拟箱、样品输送装置和数据采集系统组成，能够同时模拟高温蒸汽和高温辐射环境。该装置可以模拟2.1～21 kW/m2的低辐射热通量、0.05～0.7 MPa的蒸汽压力及100～175 ℃的蒸汽温度，但是对于火焰、辐射综合热源等的高热通量火场环境的模拟还需进一步的研究设计。

3.2 高温液体环境模拟

由表1可知，标准ASTM F 2701使用的高温液体测试设备虽然可以评价服装高温液体防护性能，但存在无法控制水流速率、液体温度等缺陷，重复性差、实验准确性低。卢业虎等[23]在此基础上进行改进，研发了一款新型的高温液体防护性能测试仪，如图3所示。

装置设有温控装置、恒温循环液体箱、液体循环和传送管道系统、液体喷头、传感器板和转动装置及数据采集系统。可以准确控制液体传送速度、温度、压强及喷溅角度，准确性、重复性和安全性高，易于操作。此外，传感器支撑板上的3个T型热电偶设计，可实时监测织物不同位置的温度，更加全面地评价高温液体喷溅下的热防护性能。但该装置仅模拟了高温液体这一环境因素，对于辐射、火焰等火源因素并未考虑。

4 展 望

近年来，火灾环境下消防服热防护性能研究较多，但是对多种灾害因素复合的火灾环境下测评研究较少，相应的实验装备和测试标准并不完善，还需要进一步的研究探索。本文回顾了国内外学者的研究成果，从单一和多因素复合灾害2个层面出发，提出了未来织物热防护性能的发展趋势：通过对多因素复合火灾环境下织物热防护性能研究，建立更加标准化的实验测试方法和模拟测试装置，全面的热防护性能评价体系，同时模拟多种环境因素共存的火灾环境，进一步优化消防服的热防护性能，减少救援人员受到的伤害，保障生命安全，提高工作效率。

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