新型消防服隔热层织物热防护性及热湿舒适性研究

金艳苹，朱堂葵，姚 娜，王珍玉

(1.义乌工商职业技术学院 创意设计学院，浙江 义乌 322000；2.浙江理工大学 服装学院，浙江 杭州 310018)

近年来，火场环境日益复杂，火灾发生频率不断上升[1]。战斗在火灾现场的消防员随时会受到辐射热、对流热、火焰等因素的影响，从而造成烧伤甚至牺牲。消防服是消防员进行灭火战斗时穿着的个体防护装备，是消防员在火灾现场作业的保护屏障，其热防护性能对消防员的生命安全以及救援工作至关重要。研究表明[2-3]，隔热层为消防服提供隔热保护，对消防服的热防护性能(TPP)具有较为重要的影响。目前主要通过增加隔热层厚度来满足TPP要求[4]，但厚度增加不仅阻碍人体代谢热量的外散，还影响消防员的活动灵活性以及工作效率，使超负荷工作的消防员受到热应激效应的影响，进而威胁消防员生命健康[5]。因此，国内外研究学者对既能满足热防护要求又能减轻消防员负担的新型消防服用隔热材料进行更多关注，其中气凝胶、玄武岩纤维、预氧丝纤维等新型材料由于具有较好的隔热性能，被许多学者用于消防服用织物热防护性能的研究。

本文以气凝胶、玄武岩纤维、预氧丝纤维等为主要成分的新型隔热层织物作为研究对象，与消防服常用的外层织物、防水透气层织物以及舒适层织物形成消防服用多层织物，分别测试使用传统芳纶1414隔热毡，以及气凝胶纤维毡、玄武岩纤维毡、预氧丝纤维毡等新型隔热层织物时，消防服用多层织物的TPP值、热阻、湿阻和透气性等服用性能，分析并研究使用新型隔热层织物时消防服用多层织物的热防护性及热湿舒适性。为新型隔热材料更好地应用于消防服领域提供理论依据和实际应用价值，为开发新型轻薄高性能消防服提供借鉴与参考，使消防服在保障消防员人身安全的同时，增加舒适性，提高消防员的作业效率。

1 实验部分

1.1 织物试样

针对消防服用多层织物，外层选用芳纶1313和Nomex®ⅢA织物，分别记为A1、A2。Nomex纤维是美国杜邦公司于20世纪60年代末发明并工业化生产的间位芳香族聚酰胺纤维，具有优异的阻燃耐高温性、良好的尺寸稳定性、较好的力学性能等。Nomex®ⅢA织物以Nomex纤维为主要成分，具有较好的耐热防火性，已成为目前应用较为广泛的阻燃耐高温材料，在热防护服、抗辐射防护服、静电防护服等上普遍使用[6]。防水透气层选用聚四氟乙烯(PTFE)膜复合芳纶织物，记为B；隔热层选用气凝胶纤维毡、玄武岩纤维毡、预氧丝纤维毡3种新型隔热层织物以及传统的芳纶隔热毡织物，并针对芳纶隔热毡选取3种不同的厚度，依次记为C1、C2、C3、C4、C5、C6；舒适层选用消防服常用的阻燃棉织物，记为D。各试样的具体参数见表1。

表 1 单层织物试样结构参数

1.2 测试方法

1.2.1 热防护性能测试

将表1中各层织物进行组合，形成12种消防服用多层织物，其组合形式见表2。采用CSI-206 型TPP测试仪对各组合织物进行热防护性能测试。该仪器由热源、防护栅、试样支架及安装板、样品握持器、铜热量计等组成。热源提供热对流和热辐射2种传热形式，铜片热流计测量试样温度得到升温曲线，将其与Stoll标准曲线比较，可得到二级烧伤时间，从而得到TPP值。

表 2 消防服用多层织物的组合形式

1.2.2 织物热舒适性测试

通过测试选出热防护性能较优异的外层、防水透气层、舒适层织物，与6种隔热层织物形成6种消防服用多层织物。按照GB/T 12704.1—2009《纺织品 织物透湿性试验方法 第1部分：吸湿法》，采用YG606D型纺织品保暖测试法对消防服用多层织物的克罗值进行测试，进而推算出相应的热阻。采用YG(B)216-Ⅱ型织物透湿量仪测试其透湿性，并推算出相应的湿阻。其中，热阻(Rct)和克罗值(CLO)的计算[7]见式(1)(2)；湿阻(Ret)的计算[8]见式(3)(4)。

(1)

Rct=0.155·CLO

(2)

(3)

(4)

式中：CLO为织物的克罗值，clo；U2为热传系数，W/(m2·℃),WVT为透湿率，g/(m2·h)；Δm为试样组合2次称量质量之差，g；A为试样试验面积，m2；t为试验时间，h；Ret为织物的湿阻，(m2·Pa)/W；ΔP为试样两侧的水蒸气压差，Pa；α为水的蒸发散热系数，(W·h)/g。

2 实验结果与分析

2.1 织物热防护性能测试结果及分析

将各层织物进行配伍形成12种消防服用多层织物，其TPP值测试结果见表3。

由表3可知，新型隔热层织物下消防服用多层织物达到二级烧伤的时间均在20 s以上，同时各组合织物的TPP值均远高于GA 10—2014《消防员灭火防护服》标准中所要求的28 cal/m2，即0.118(kW·s)/m2,可为消防员在火场环境中提供较多作业时间。其中6#、12#试验中，所测得的TPP值显示为N/A，此种组合形式下，织物热防护性能较好，未达到皮肤二级烧伤程度，测试结果未显示。

2.1.1 隔热层织物基本物理参数对热防护性能的影响

隔热层的厚度、面密度等基本物理参数对多层组合织物的热防护性能会有一定的影响。利用SPSS对隔热层织物厚度、面密度以及组合织物的TPP值进行相关性分析，分析结果见表4。

由表4可知，隔热层厚度、面密度均与多层组合织物的TPP值有显著的相关性。隔热层厚度与多层组合织物的TPP值显著正相关，显著性水平为0.05，相关系数P=0.881；隔热层织物面密度与多层组合织物的TPP值显著正相关，显著性水平为0.01，相关系数P=0.959,即隔热层织物面密度越大，厚度越厚，多层组合织物的TPP值也越高，组合织物的热防护性能更优。这是由于隔热毡纤维自身具有优异的热防护性能，隔热纤维数量随织物厚度的增加而增加，因此提高了热防护性能。

2.1.2 新型隔热层织物对热防护性能的影响

由表3可知，新型隔热层织物中含有预氧丝纤维毡的多层组合织物的TPP值明显大于其他隔热毡，这是由于预氧丝纤维本身是一种新型耐热耐焰材料，热防护性能较好[9]，同时其厚度在这4种隔热层试样中也为最厚。其余3种隔热层织物下多层组合织物的TPP值虽相差不大，但考虑隔热层厚度(C1气凝胶纤维毡玄武岩纤维毡>芳纶1414毡，这是由于气凝胶纤维热导率低[10]，隔热性能优异，因此其组合的热防护性能较好。由此可得，新型隔热层织物能够提高消防服用多层织物组合的热防护性能，且影响程度为：预氧丝纤维毡>气凝胶纤维毡>玄武岩纤维毡>芳纶1414毡。

2.2 织物热湿舒适性测试结果及分析

利用极差分析各层织物对织物组合热防护性能的影响，得到热防护性能较优异的外层为：Nomex®ⅢA织物，即编号为7#～12#的6种消防服用多层织物，各织物总热量散失及透气率见表5所示。

表5 织物热湿舒适性测试结果

由表5可知，消防服用多层织物总热量散失排序为：10#>11#>12#>9#>7#>8#。可见不同隔热层下消防服用多层织物总热量散失排序为：芳纶1414毡>预氧丝纤维毡>气凝胶纤维毡>玄武岩纤维毡。由于芳纶纤维隔热性能差，热阻较小且透湿性较好，因此其消防服用多层织物总热量散失较大。气凝胶、玄武岩纤维均因本身具有优异的隔热性能，故其消防服用多层织物热阻较大，总热量散失较小。但气凝胶纤维透湿性好，因而其消防服用多层织物总热量散失比含玄武岩纤维毡的消防服用多层织物总热量散失大。由此可见，传统隔热层织物下，消防服用多层织物热湿舒适性优于新型隔热层织物下消防服用多层织物的热湿舒适性。其中含预氧丝纤维毡的消防服用多层织物热湿舒适性最好，含气凝胶纤维毡次之，含玄武岩纤维毡的消防服用多层织物热湿舒适性最差。

2.3 消防服用多层织物热防护性和热湿舒适性综合评价

消防服的热防护性和热湿舒适性并非完全对立，这为寻求二者性能表现皆优的织物组合提供了可能性。本文采用分层评价模式，综合评价消防服用多层织物组合热防护性和热湿舒适性，寻求二者性能的最优化组合。

2.3.1 综合评价方法

综合评价方法是指对多属性体系结构对象系统做出全局性、整体性的评价，采用一定的方法给每个评价对象赋予一个评价值，再据此择优或排序[12]。

本文采用分层评价模式，将编号为7#～12#的消防服用多层织物根据TPP值、总热量散失以及透气性，分别建立安全指数(Si)、服用指数(Di)以及舒适指数(Ci)3个评价分指数，计算消防服用多层织物组合的质量评价综合指数(Qi),进而得到综合性能最优的织物组合。质量评价综合指数(Qi)由3个分指数计算结果加权得到，值越大，综合性能越好。计算方法见式(5)。

Qi=μ1×Di+μ2×Si+μ3×Ci

(5)

式中：μ1、μ2、μ3这3个权重值由实验室专业人员根据专业赋值[11]，其中μ1=0.30，μ2=0.55，μ3=0.15。

2.3.2 综合评价结果

利用上述分层评价模式计算得到各消防服用多层织物的评价综合指数Qi，具体结果见表6。

由表6可见，编号为12#的综合指数最大，即外层为Nomex®ⅢA织物、防水透气层为PTFE膜复合芳纶织物、隔热层为3.10 mm厚度的芳纶1414毡以及舒适层为阻燃棉织物的消防服用多层织物热防护性能和热湿舒适性能最佳。由于编号为7#、8#、9#、10#的试样隔热层厚度相近，对其进行分析可知：含新型隔热层的消防服用多层织物综合性能优于含传统隔热层的消防服用多层织物。其中隔热层为玄武岩纤维毡的消防服用多层织物综合性能最好，预氧丝纤维毡次之，含气凝胶毡的消防服用多层织物综合性能最差。这是由于含玄武岩纤维毡的消防服用多层织物具有较好的透气性，故其综合性能优于含气凝胶纤维毡的消防服用多层织物；含预氧丝纤维毡的消防服用多层织物虽具有较好的热防护性能及较大的总热量散失，但其透气性较差，导致其综合性能小于含玄武岩纤维毡的消防服用多层织物。而含传统芳纶1414毡的消防服用多层织物则因热防护性能相对较差，使其综合性能不及含新型隔热层的消防服用多层织物。

表6 消防服用多层织物综合指数计算结果

3 结 论

本文通过对10种消防服用多层织物的4层织物结构进行配伍，从新型隔热层织物的选择出发，对使用新型隔热层织物时消防服用多层织物的热防护性能进行研究、总热量损失进行研究，结果表明含新型隔热层的消防服用多层织物综合性能优于含传统隔热层的消防服用多层织物。

①新型隔热层织物可提高消防服用多层织物的热防护性能。隔热层厚度越厚、面密度越大，消防服用多层织物组合的热防护性能越好。

②传统隔热层织物下消防服用多层织物的热湿舒适性优于新型隔热层织物下消防服用多层织物的热湿舒适性；隔热层厚度对消防服用多层织物组合热湿舒适性具有重要影响，隔热层厚度越厚，消防服用多层织物组合的热湿舒适性越差。

③隔热层厚度相同时，聚酰胺纤维Nomex®ⅢA织物(外层)、聚四氟乙烯PTFE膜复合芳纶织物(防水透气层)、玄武岩纤维毡(隔热层)以及阻燃棉织物(舒适层)的消防服用多层织物综合性能最优。新型隔热层织物下消防服用多层织物的综合性能优于传统隔热层织物下的消防服用多层织物，将新型隔热层织物运用于消防服可提高其热防护性和热湿舒适性。