化学防护服中热湿传递研究

严晓龙，毛军超，刘小锋(浙江省消防救援总队，浙江 杭州 310000)

0 引言

化学防护服主要是由消防员、特种操作人员等人群的基础防护装备，因为在进入环境时会接触到危险化学药品或有毒有害气体，所以化学防护服的性能优劣直接关乎生命安全。化学防护服最早在1990年美国消防协会与美国材料实验协会提出标准，随着时代的发展，防护的附加标准也不断提高，而且人们对于化学防护服的要求也越来越高。

化学防护服不仅仅起到防护的作用，服装制作的面料也应该朝着舒适、美观的方向发展，同时还要在保证绝对安全的情况下拓展领域研发。防护服在防护气体、液体、气溶胶和固体有害物质起到防护作用的同时，结合消防员从静态到动态的工作特点，势必会牺牲美观性而注重实用性，进而实现防护服的安全性与舒适性。本研究基于对赛飞普诺四种化学防护服装进行总结，主要围绕湿热环境下防护服的湿热传递性能进行分析。

1 化学防护服热湿传递理论

化学防护服为全封闭隔绝式，面料分别为阻燃布双面涂覆PVC，阻燃布双面涂覆氯丁胶、绸布双面涂覆丁基胶和绸布单面涂覆PVC四种。人体皮肤也被分为三层：表皮、真皮和皮下组织。人体与服装及环境三者形成一个复杂的系统，服装在人体的体肤与外界环境之间既起到导热导湿的作用，同时还起到隔离外界的热量与水分的作用。化学防护服有且仅有超压排气阀，减少了人体与环境之间的热损失交换，原因一方面在于减少人体皮肤与外界的接触而产生热损失，另一方面减少了人体身体产生的汗液蒸发而导致的热损失。因此服装作为夹在人体与环境之间的保护层，其湿热传递的过程是收到多种因素干扰，如：服装材质面料、外界环境影响等除开人体自身的外因。但随着时代的发展与科技的进步，防护服的设计应符合人体工程学，在既保证生命安全的情况下又能保证最大的舒适性，方便消防员救援的开展。

1.1 水分传递研究

因化学防护服的制作面料缘故，故水分无法通过防护服表面进行水分传递。防护服的设计过程中按照《化学防护服通用技术要求》中化学物质对面料的标准透过时间测试结果最小值分级标识，渗透性能不低于3级(60 min)，面料的耐压穿透性能不低于1级(3.5 kPa)。服装的防水透湿层紧贴外表层织物，主要作用在于防止有蒸汽与有害化学物质进透入人体表皮，如RHF-ⅡSFPNA消防员化学防护服装，在处理低温液体及进入有限空间时能更好的发挥灵活性与穿着舒适性。

1.2 热量传递研究

人的身体机制能让身体通过产热与散热的过程进行维持体温的动态平衡。防护服是由PVC材质面料以及服装内部的空气组成，服装内部通往外部环境的热量传递通过超压排气阀实现。运动时化学防护服中全封闭隔绝式的环境导致衣内空气减少，热量难散发开来，形成密闭的微型环境，无法实现服装内外的热量交换。研究热防护服的热传导问题对防护服的设计、人体极限工作时间的确定具有十分重要的意义[1]。

2 化学防护服湿热传递模型

2.1 皮肤热损伤评估模型

无论是化学品产生反应产生急性爆炸，还是化学品中毒，化学防护服都能很好的起到保护人体的作用，都是为了隔绝危险环境下所面临的化学污染。假定化学品反应发生爆炸，运用皮肤传热模型及皮肤烧伤评估模型，计算烧伤时间，下面将对不同的皮肤热损伤评估模型进行比对。

2.1.1 皮肤传热模型

Pennes模型作为绝大部分血液与皮肤组织温度的预测模型基础，其模型公式如式(1)所示：

式中：ρsk为皮肤组织密度 (kg/m3)；csk为比热 (J/(kg·K))；λsk为导热系数 (W/(m·K))；ρb为人体血液密度 (kg/m3)；cb为比热(J/(kg·K))；ωb为血流灌注率 (mL血/(mL组织·s))；qm为新陈代谢产热 (W/m3)；qr为外界辐射热 (W/m3)；Ta为人体动脉温度 (℃)；T为皮肤组织温度(℃)。该模型函数呈线性关系，组织的热属性与人体血液温度参数基本都是保持恒定不变的。但是人类皮肤在建立动态平衡的过程中需要做出反应时间，在短时间强热流的影响下，Pennes模型难以明确表述热流非稳态热传递过程[2]。

该模型从生物学角度上来说，因充分考虑到皮肤对强热流的松弛时间，更能反映生物传热的本质，但是此模型同样存在弊病：虽然考虑到热松弛行为，遵循热动力学第二定律，但是在微尺度作用下并没有考虑周全，招来了质疑。比如该模型仅仅从时间角度来考虑，但却忽略了空间因素。

2.1.2 皮肤烧伤度评估模型

皮肤烧伤的评价标准一般为：当人体皮肤表面下80 μm处的基面温度达到44 ℃以上时，皮肤开始烧伤破坏，破坏程度随温度上升且二者呈对数关系。防护服的热传递性能以人体皮肤达到二级烧伤的时间为衡量标准，当前检测的方法主要有两种。

一是Henriques皮肤烧伤积分模型。该方程目前应用较为广泛，将皮肤温度带入阿伦尼乌斯( Arrhenius)方程：

控制变量为皮肤活化能E与频率破坏因子P，该方程通过计算Ω的值来确定皮肤达到烧伤的程度，当T＞44 ℃且Ω=1.0时，皮肤则为二级烧伤。此模型适用于长时间低热流环境下的皮肤烧伤评价，对于高热流环境尚不明确。

二是Stoll烧伤准则，是在大量的动物实验数据基础上得到的模型，具体方法为利用铜片对动物皮肤二级烧伤时间所吸收的热量值进行测量。模型中因变量为温度变化量T与时间变化量，测试时用防护服面料进行测量得到的数据通过铜片上升温度转化成曲线函数，与Stoll曲线向重合，得到的交点即为皮肤到达二级烧伤的时间。该模型数据基数大且简单高效，但是容易受其余因素干扰，故不适用于短时间强热流情况下防护服内皮肤烧伤情况的评价。

2.2 防护服的热湿传递模型

化学防护服作为个体防护的防护用品，除了防止有害的化学物质及气体渗入损害人体之外，还能在一定程度上保护相关人员免受液态化学品渗透伤害人体皮肤，总体上来说是对已知危险及未知危险的预测与预防。当下对化学防护服的研究主要针对面料或服装的热湿传递模型，除了能数字化模拟单层面料之外，还可以模拟多层面料的热湿传递过程。

2.2.1 单层面料或服装一维的热湿传递模型

首先是多相热湿传递模型，它是在比较并总结了已有的各种热视传递型模型后建立的。后续在基于多孔介质的热湿传递理论上，该模型考虑了所有相的传导，包括液相、气相的对流以及相互之间的转化，建立了以防护服纺织材料作为吸湿介质的热视传递模型，唯独没有考虑到辐射热的影响。值得注意的是，化学防护服不能按消防战斗服来使用，但是提供阻燃性能，因此遇到明火应迅速撤离。但是辐射热作为热传递的主要途径之一是不可忽略的因素，后续的研究可以在模型上加以优化，对辐射传热作用这一方面加以完善。

其次是面料-空气层-传感器模型。最初情况建立了有关防护服面料的一维热传递模型，用以预测防护服中的温度场分布，但是并没有对面料背面的传感器与人体皮肤测量的温度进行差异比较。而后来随着计算机技术的高速发展，利用有限元方法建立了热传递模型，通过实验得到防护服面料中的热平衡方程：

模型中的参数建立在前人的研究基础上，并没有考虑到实际情况中面料的变化，以及忽略了水分子、湿气在热湿传递中与面料发生的分解反应。不仅如此，人体的变化也是动态的，随着外界环境的变化下人体都会做出相对的反应，面料厚度与空气层厚度也是需要考虑的因素之一。尽管后来对此模型进行了改进，但是没能考虑到水蒸汽湿传递对防护服性能所产生的影响[3]。

2.2.2 多层服装系统一维热传递模型

利用有限差法建立的多层服装传热模型并评价皮肤烧伤，与前面所述的模型相似，同样的所用参数也是建立在前人的基础上，而且也同样没有考虑到水分的蒸发与热分解反应，面料处于干态。同样的该方法也存在缺陷：一是在研究过程中假设服装不存在自由形态的液态水；二是在随后的模型修改中，尽管能够预测在防护服面料在加热与制冷阶段温度与时间的关系，但是在制冷阶段传递的方程并无发生改变；三是从防护服面料层面来说，热物理参数、对流传热系数、面料导热系数均设为常量，并没有考虑到服装受热产生反应所带来的影响，事实上，防化服装提供阻燃性能，只为穿戴者在有限的时间脱离而设计。

3 结论

化学防护服作为保护免受工作伤害以及化学药品污染的影响而穿着的服装，迄今为止研究进程已有几十年了，它的存在为化学品安全提供了最后一道防线，而防护服的热湿传递研究也从单层面料热传递模型到如今的多层面料热湿传递模型，技术层面取得了不俗的成就。全文先是从热传递与湿传递分别进行了阐述，再对防护服中的热视传递模型分类进行了比较分析，而当下对化学防护服热湿传递模型的研究也日渐成熟。

相信随着科学技术的不断发展，基于热湿传递模型设计的化学防护服也将对面料及设计工艺进行不断改进，今后为能够为工业生产、消费救援中提供更加优良的装备。化学防护服的热湿传递性能也将会是未来研究的重点方向，防护服的性能与功能将会更加精细化，穿戴舒适度将不断提升，对人体的安全性考虑将更加全面。