热防护服蓄热防护与放热危害双重特性的研究进展

朱晓荣，何佳臻,，向攸慧，王 敏

(1.苏州大学 纺织与服装工程学院，江苏 苏州 215006；2.东华大学 现代服装设计与技术教育部重点实验室，上海 200051)

作为重要防护装备，热防护服的作用是保护高温作业人员免受火焰、炽热物体和热蒸汽等对其造成的热损伤[1]。火焰等高强度的热灾害环境易造成防护服的热解破损，导致皮肤烧伤，长期以来关于服装热防护性能的研究主要针对高强度热暴露模拟环境(84 kW/m2)展开[2-3]。

根据一项与建筑火灾相关的报告数据反馈，在5～20 kW/m2的低辐射热环境中，消防员的皮肤更易被烧伤[4-5]，而非高强度的热灾害环境。在低辐射热环境中，消防员通常会持续作业数分钟，防护服面料表面虽无明显损坏现象，但防护服在热暴露阶段有效隔绝热量传递的同时，由于面料系统温度升高其自身会储存大量的热量，而热暴露结束后储存大量热量的防护服反而成为被动热源[6]，此时由于织物系统与外部环境、皮肤之间形成的温差较大，会不断地向环境和皮肤释放储存的热量，热蓄积的释放是造成低热辐射条件下皮肤烧伤的重要原因[6-7]。特别是作业人员由于运动或受到外界压力，导致服装突然接触皮肤而加剧蓄热释放[8]。一项针对非直接接触火焰的事故调查研究发现，消防员的肩部和手臂是事故中最易被烧伤的2个部位，其次为膝关节[9]。这是因为热防护服受到挤压后，服装局部热蓄积加速释放，造成了烧伤，例如在人体膝盖或肘部处防护服会由于肢体弯曲而受到挤压，同样背部或肩部处的服装也会由于佩戴呼吸器而受到挤压。

低辐射热条件下的烧伤现象引起人们对热蓄积研究的关注；但是随着研究的深入，研究人员逐渐认识到在高强度热暴露环境中，其蓄热现象也更为明显，而放热危害作用更是不可忽略[10]，因此，无论在高强度热灾害环境亦或是在低强度热灾害环境，热防护服均具有双重特性，即热暴露阶段隔绝热量传递、延缓皮肤烧伤的热防护特性和冷却阶段因蓄热释放导致皮肤烧伤的热危害特性。为此，本文综述了国内外热防护服蓄放热双重特性相关研究，在对防护服热蓄积相关测评方法进行总结的基础上，重点讨论了影响热防护服蓄热防护以及放热危害效应的因素。

1 防护服热蓄积的相关评价方法

现阶段与防护服热蓄积相关的测评方法并不能直接对织物中的热蓄积进行量化[11]，而是全面考虑织物系统的完整传热阶段(包括热暴露与冷却阶段)，评估其综合热防护性能。

1.1 实验测评

近年，美国材料与试验协会制定了3项考虑了冷却阶段蓄热释放作用并可以预测皮肤烧伤的测试标准，即ASTM F 2702—2015《预测烧伤的阻燃服装材料辐射热防护性能的标准试验方法》、ASTM F 2703—2013《预测烧伤的阻燃服装材料非稳态传热评估的标准试验方法》和ASTM F 2731—2018《消防人员防护服系统热量传输和储存能量测量的标准试验方法》，3项标准的对比详见表1。较传统的热防护性能(TPP)和耐热辐射性能RPP(radiant protective performance)测试而言，这3项测试标准增加了冷却阶段织物对模拟皮肤放热数据的采集，并与热暴露阶段的传热数据相结合共同用于预测皮肤的烧伤。其主要差异在于热源类型、热源强度、皮肤烧伤预测方法以及测试程序。

表1 考虑织物热蓄积释放作用的热防护性能测试标准

热蓄积的释放方式分为2种：一种是自然放热，即热量从高温织物自然地传递至人体皮肤及周围环境[12]；另一种是受压放热，即由于人体运动等原因导致织物受到压力而加速热量的释放[8]。ASTM F 2702—2015和ASTM F 2703—2013主要针对热蓄积的自然放热过程，运用Stoll烧伤准则，预测皮肤的烧伤情况，而ASTM F 2731—2018与上述2个标准的不同之处除皮肤烧伤预测的方法选取Henriques烧伤模型外，还考虑了织物受压放热造成的烧伤问题，并且规定了最小热暴露时间和固定热暴露时间2种测试程序评价织物的热蓄积作用。其中最小热暴露时间测试程序更易获得织物综合热防护性能的差异化信息，所以其应用更为广泛[13]。目前我国标准GB/T 38302—2019《防护服装 热防护性能测试方法》在传统TPP测试基础上，也增加了考虑试样中热蓄积释放作用的测试方法，其测评原理与ASTM F 2703—2013一致。

上述测试方法可有效地评价织物在热暴露期间和冷却阶段的综合热防护性能，但只针对织物小样。燃烧假人测试可模拟服装实际穿着状态，反映热灾害环境、防护服与人体之间的热传递。多年来，研究人员已经建立了多个完整的假人测试系统以评估服装整体的热防护性能，记录包括热暴露阶段和冷却阶段的全过程传热情况[14]，因此，实质上燃烧假人实验已综合评估了服装对人体的蓄热防护和放热危害双重作用。阐释了规范使用燃烧假人评价服装整体热防护性能方法的标准有ASTM F 1930—2018《用假人评估轰然条件下阻燃服装阻燃性能的标准实验方法》和ISO 13506—2：2017《防热阻燃防护服 第2部分:皮肤烧伤预测计算要求和试验案例》。标准中以皮肤二级、三级烧伤百分比及总烧伤面积百分比作为评价指标，此外最新版的标准ISO 13506—2017《防热阻燃防护服》定义了皮肤模拟传感器的能量传递系数(E)作为新的评价方法，该指标E可以量化服装整体以及局部的热防护性能，计算方式为

式中：Qm为着装状态下皮肤模拟传感器在测试过程中吸收的能量，kJ/m2；Qc为裸体状态下皮肤模拟传感器吸收的能量，kJ/m2。

此外，何佳臻等[15-16]提出了一个新的热防护性能综合评价模型——二级烧伤最大衰减因子MAF(maximum attenuation factor)，以评估织物或服装在热暴露与冷却阶段传感器响应与依据Stoll准则预测皮肤达到二级烧伤时所吸收能量的最大比率，使得织物和服装的热防护性能测评结果可以用同一指标进行直接比较。

1.2 数值模拟

较物理实验而言，基于数值建模的热防护性能评价方法更自由灵活，可对许多复杂问题进行模拟求解。近年来，经过研究者不断地调整和改善，热防护织物模型有了较大的变化，具体表现为：研究对象从单层织物发展至多层组合织物、再从多层组合织物发展至考虑织物间的空气层和织物的三维立体结构，传热模型从仅考虑干态传热发展至考虑传热介质的热湿耦合模型。这些变化使得热防护织物模型考虑的因素更全面完整，数值模拟方法更加合理，运算速度和精度更高。目前热防护服装领域所建立的绝大多数数值模型主要针对于热暴露阶段[17-18]，考虑冷却阶段服装蓄热释放作用的建模研究有限。表2总结了近年来考虑热防护服在热暴露及冷却阶段传热的数值模型。可以看出，在数值模型发展过程中，所模拟的热灾害暴露环境大都是闪火及热辐射条件，所模拟的冷却阶段条件基本都是自然冷却，这与热防护服实际应用环境的多样性和复杂性有较大差异。

表2 考虑热暴露及冷却阶段的传热数值模型研究

2 热防护服蓄热防护性能影响因素

2.1 服装因素

2.1.1 服装的基本物理性能

一般而言，服装的厚度越大，其内部蓄积的热量也会相应增多[31]。目前消防服用织物通常由外层、防水透气层和隔热层组成。有研究表明，增加隔热层厚度会降低织物到皮肤的传导和辐射热流，从而降低织物和皮肤之间的温度[32]。He等[7]针对低热辐射暴露环境开展了多层热防护织物的蓄热特性定量研究，根据显热蓄热理论，通过测量各面料层的温度变化对其蓄热量进行了量化。结果显示，外层织物蓄积的热量约占织物系统总热量的36%～57%，显著高于隔热层和防水透气层。

此外，研究[33-34]表明，阻燃织物的光学性能对织物系统的热传递速率有影响，多层织物系统中的自发辐射会在热暴露时提高热能传递到人体皮肤的速率，从而能够在织物中储存更多的热能。Su等[28]根据辐射双通量模型，综合考虑多孔织物中辐射热特性的影响，并针对外层热防护织物高发射率等特点改进了传热模型。研究结果表明，织物的反射率会改变热暴露阶段织物的储能速率，而织物系统中的传热速率由织物的透射率决定。

2.1.2 衣下空气层

由于人体曲面凹凸起伏、织物自身的柔韧性以及多层织物各层之间相互作用，服装与皮肤之间形成厚度不均匀的空气层。研究表明，空气层对织物的热湿传递性能影响显著[35]，但是空气层厚度过大会降低服装的合体性，对作业人员的活动便利性造成消极影响。作为优良的热绝缘体，空气层在隔绝热量传递的同时也会储存热量，从而使得织物系统内热蓄积指数增加，对于热暴露阶段的热防护性能具有积极作用[36]。Fu等[37]研究了低水平热辐射暴露阶段空气层对多层织物热防护性能的影响，指出在低热流暴露条件下，延缓皮肤烧伤时间的有效方法是增加空气层厚度，同时多层织物系统中空气层位置的不同对服装整体热防护性能的影响程度不同。然而有学者[7]定量评估了空气层厚度对多层热防护织物能量蓄积的影响，结果表明，引入的空气层主要导致隔热层热蓄积的增加，但对于外层及防水透气层的热蓄积影响较小。

2.1.3 反光带及加固材料

热防护服外层织物上的反光带因其能反射光线而作为警示标志，以此提高服装的可见度。然而Eni[38]的研究表明，在湿润织物系统中置入反光带时，反光带和热防护织物表面虽然未有明显损坏现象，但是附加反光带部位的衣下皮肤却发生了烧伤[11]。究其原因，反光带使得局部织物层厚度增加，透气性减弱，织物的热蓄积能力增强，但储存的热量释放会带来皮肤严重烧伤的后果，从而使热防护服的防护性能减弱。这和Barker等[13]的研究结论相类似，然而当采用多孔外层加强材料制成的反光带置入热防护服时，却加强了织物系统的热防护性能。何华玲等[39]的研究表明，加入反光带有利于降低热量传递效应，提高热防护性能。这与Eni[38]的研究结果相反，可能是因为他们选择的反光带面料的透气性不同。

2.2 环境因素

2.2.1 热源形式

不同的热源类型对应不同的传热外边界条件，热防护服的热防护性能与热源热量传递方式有较强的关联性，因此理论而言对储存在织物系统内的热量也具有一定的影响。Mandal等[40]探究了基于不同热源的织物热防护性能，实验结果表明：当织物置于火焰与热辐射环境时，影响其热防护性能的主要因素分别是织物的热阻、吸收率和发射率；当织物放置于火焰和高温蒸汽环境中时，热传递的主要形式是热对流，辐射热环境的传热方式以辐射传热为主，热接触暴露环境的传热方式是热传导。然而，在热防护服的实际应用中，引起高温作业人员皮肤灼伤的主要传热方式之一是热辐射。事实上，火焰燃烧的热量中，热辐射所占比例达80%[41]。表3示出针对不同热源类型开展的热暴露与冷却阶段热防护性能的代表性研究。根据高温作业人员实际所处的热环境，目前主要针对热辐射条件及火焰状态下织物的蓄放热特性进行了探讨和研究，而少数研究人员分别针对热水、热蒸汽和接触热开展研究。

表3 不同热源类型的研究现状

2.2.2 热源强度

火场环境复杂多样，通常把火场环境分为普通环境、危险环境和紧急环境3个等级[49]。Shalev等[50]以单层热防护织物为研究对象，探索了其在热暴露环境下的热传递性能，研究结果表明，决定热防护性能的主要因素是热源强度。Song等[8]研究了3种低热流强度(6.3、7.5、8.3 kW/m2)下织物的热蓄积情况，研究结果表明，热暴露期间织物内储存的热量随热源强度的增加而增加，即热源强度与织物的蓄热呈正相关关系。Eni[38]研究发现，当热流量较低为2.4 kW/m2时，冷却阶段热蓄积的释放是造成皮肤烧伤的主要原因；当热流量较高为20.9 kW/m2时，热暴露阶段的热传递是造成皮肤烧伤的主要原因。这表明热暴露强度能够改变热蓄积对防护性能的影响程度。

2.2.3 热暴露时间

研究发现，在热暴露时间较短的情况下，随着热暴露时间的增加，存储在织物系统内的能量以及传递至皮肤的能量均增加。然而，在相对较长的热暴露时间内，随着热暴露时间的增加，传递至皮肤的能量持续上升，而存储在织物系统内的能量则下降[51]。这种转变的原因可能是处于长时间的热暴露条件下，织物热降解导致其比热、质量降低[52]，且织物系统在特定的热暴露强度条件下存储热能的能力有限，在达到完全的热能储存能力后，任何来自外部环境的额外热能都会完全转移到皮肤组织。有研究者[53]分别将织物系统暴露在辐射热源60、90、120 s条件下以评估在8.4 kW/m2热流强度下的综合热防护效果。研究发现：热暴露时间较短为60 s时，冷却阶段织物对皮肤的蓄热释放是造成皮肤烧伤的主要原因；而热暴露时间较长(90、120 s)时，热暴露过程中的热传递是造成皮肤烧伤的主要原因。

2.3 人体因素

2.3.1 人体运动

作业人员在进行高温劳作时，人体动作会影响空气层在人体各部位的分布，同时服装面料会发生不同程度的变形，从而改变其某些特性[54]。另外，当织物处于高强度热暴露环境中时会发生热收缩[55]，而织物热收缩形变也是影响其热防护性能的因素之一。Li等[56]利用织物拉伸装置模拟了形变率为12%以下的45°斜向拉伸，实验结果表明：4%的定长拉伸将显著降低热暴露阶段织物的隔热防护性能；而当拉伸率继续增加时，热防护性能将不会产生显著的变化。由于存在泊松现象[57]，当纵向拉伸织物时，其在横向上会收缩，根据几何学理论，45°方向拉伸后纱线会滑移从而变得更加紧密，导致织物面积和孔隙率减小。Li等[56]研究发现，拉伸使织物厚度略微减小，孔隙率和厚度的减小反而最终导致织物的隔热性能降低、织物储存的热量减少。

2.3.2 人体出汗

穿戴热防护服的作业人员在从事高温作业时，外界环境的水蒸气以及液态水被防护服外层面料所吸收；此外，作业人员的身体会出汗以调节自身体温，由内向外润湿热防护服。内外部水分的含量和分布通过影响多层织物系统的热属性(如比热、导热系数)，从而改变织物的热传导及其热蓄积性能。需要注意的是，防护服内的水分会蒸发，进而凝结在织物和皮肤表面释放热量[26,58]，使得皮肤得热量增多。基于实际作业环境，Barker等[43,59]探究了低热辐射条件下水分所处的位置对二级烧伤时间的影响，结果表明：当防护服内层被润湿时，水分的存在会延缓发生二级烧伤的时间；相反，当防护服外层被水分浸润时会略微增加发生二级烧伤的时间。此外，有研究[7]采用多个指标定量评估了防护织物中水分位置及其含量在蒸汽热暴露条件下对其蓄热特性的影响，结果发现：增加内层的水分可降低皮肤的得热，且随着织物系统中水分含量的增加，织物的蓄热能力增强；但当织物系统的内外层水分含量都较高时，织物的蓄热能力会减弱。何华玲等[39]探究了织物系统的水分含量对引起二级烧伤的最小热暴露时间和热蓄积指数的影响，研究结果表明，热蓄积指数随含水率的增大呈降低趋势。

3 热防护织物放热危害性能影响因素

通常认为，按照能量守恒定律，织物蓄热量越多则放热量越多，皮肤得热量也越多，发生热灾害的概率也越大。有研究[60]指出，织物的放热量与蓄热量没有必然的正相关关系，而织物的放热量会受到所处状态的影响，且织物释放热量时的状态和条件不同对人体造成的热伤害程度不同。

3.1 织物的基本物理性能

单层织物在热暴露后虽然不能释放出较大规模的热量，但在织物冷却初期却有较高的蓄热释放速率[45]。多层织物的放热特性较为复杂，Su等[28]研究发现，多层织物系统中织物的自发辐射在冷却阶段能增加对周围环境的传热速率。在多层热防护服中，由于隔热层织物靠近皮肤，因此其对皮肤的放热危害作用最大，研究发现：冷却阶段皮肤吸收的36%～79%的热量来源于隔热层；而外层织物对皮肤的放热危害作用相对较小，仅13%～31%的皮肤吸收热量来源于外层织物[45]。这是由于隔热层起到了阻挡外层织物对皮肤的放热作用。然而，有研究显示:织物系统厚度越大，在热暴露期间蓄热越多；同时,较厚的织物系统释放热蓄积能所需的时间较长，其冷却阶段向皮肤释放的热量可能会降低[42]。Su等[30]研究也发现：在蒸汽热暴露阶段，织物厚度的增加明显降低了皮肤表面温度；但在冷却过程中不同厚度织物系统之间对于降低皮肤表面温度却没有显著差异。

3.2 空气层配置

冷却阶段，空气层的厚度和位置同样会影响热蓄积向皮肤的释放。在热暴露期间，空气层可有效减缓织物向皮肤的热量传递[2]，织物蓄热能力增大；在冷却期间，空气层也会起到阻隔蓄热释放的作用，从而影响皮肤烧伤[8]。研究结果表明，将织物系统和皮肤表面之间的空气层厚度设置为6.4 mm时，织物对皮肤的放热量平均下降了9.6%[45]。因此，可认为在热暴露和冷却2个阶段，空气层对热防护织物的防护性能都能产生积极作用。此外，有研究者[45]通过设定织物与皮肤之间有无空气层2种条件，探究了空气层配置对多层热防护织物蓄热释放的影响，结果表明：在蓄热自然释放时，空气层的存在只能降低外层和防水透气层对皮肤的放热，隔热层对皮肤的放热反而会增加；而在织物受压释放时，外层及防水透气层的放热显著增强，隔热层放热却无明显增加。He等[47]针对热蒸汽暴露条件，建立了空气层厚度(0～18 mm)和位置影响蓄放热双重特性的回归模型，研究结果表明：在热蒸汽暴露结束后，空气层厚度的增加会降低织物对皮肤的蓄热释放；虽然在热暴露阶段靠近皮肤的内侧空气层所产生的蓄热防护效果更为明显，但在冷却阶段外侧空气层对蓄热释放的阻隔效果更为显著。

3.3 织物水分

织物中的水分会蒸发，冷却阶段进而凝结至皮肤上会放热，使得皮肤表面获得的热量增加，间接加重了织物的热危害效应。水分的存在使得多层织物系统的比热容增大，但也使材料的导热系数增加，隔热性能降低，而这2种影响结果相互制约，尤其在多层织物系统中，这种制约影响变得更加复杂[46]。当前在探讨织物水分和蓄放热性能关系的研究中，大都是在实验前给织物施加定量的水分[61]，而非真实模拟人体内部持续出汗的实际情形。有研究人员[38]向织物系统中施加固定的含水量(其自身质量的15%)，研究结果表明，织物系统的TPP值减小，热防护性能变差；但综合考虑冷却阶段热蓄积的释放时，织物系统中的水分对热防护性能的影响较小。Su等[30]基于蒸汽压力条件，建立了考虑织物受到环境的碰撞射流、压差引起的蒸汽流动、动态吸湿和相变的织物热湿传递模型，研究结果表明，在冷却过程中，织物初始水分含量的增加有助于皮肤表面的冷却效果，具有高导热率的水分可加速热量从皮肤表面散发到外界环境。

3.4 织物受压

相较于热蓄积在自然状态下的放热状态，织物在受到挤压时的蓄热释放效率显著增大，尤其在冷却阶段初期[45]。关于受压程度对蓄热释放的影响研究发现，在压强从10.34 kPa上升到20.68 kPa时，对织物施加的压力显著影响织物释放的热量，但进一步增强压力，其对皮肤烧伤影响并不显著[60]。这主要是因为热防护服受到的压力造成织物厚度变薄以及衣下空气层减小，空气含量的降低大大增加了织物的导热系数。虽然增加空气层厚度可以减少暴露及冷却过程中来自热源的热量传递，但如果热防护服在冷却阶段受到挤压，其热蓄积的加速释放会对人体皮肤造成更大的热危害[62]。此外，施加的压力还可降低织物与传感器间的接触热阻，影响织物系统的隔热性能。Su等[29]建立了受压状态下防护织物的传热模型，模型中考虑了各层织物厚度、织物内部空气层厚度随压力的动态变化，发现施加的压力可减少防护服与皮肤表面的空气层，降低防护服的隔热性能，且影响不同压力下接触传热的重要因素是织物厚度和导热系数。Song等[8]通过对热防护性能测试仪的改进研究证实了在冷却阶段施加的压力可增强织物系统对皮肤的蓄热释放作用。

3.5 环境温度

由于温度梯度的存在，蓄热后的织物会向外界环境和皮肤释放热量，直到织物系统内外温度达到平衡稳定的状态。Su等[27]针对低辐射热条件暴露后多层热防护织物的放热过程进行数值模拟，研究发现，给定从0 ℃升温到50 ℃的外界环境条件，织物与皮肤之间的温度梯度增大，但织物对皮肤的放热百分比没有出现大幅度的上升，而只是略微上升。其主要原因是织物向皮肤释放的热量主要来自于隔热层，而向外界释放热量的主要是外层织物，因此在冷却期间保持织物在低温环境中并不是降低皮肤烧伤的有效方法。

4 结束语

本文首先介绍了热防护服热蓄积的产生机制及其对皮肤烧伤的影响，其次阐明了防护服热蓄积相关的测试方法以及数值模拟研究现状，最后从蓄热防护性能以及放热危害性能2个方面分析了防护服双重特性的相关影响因素。在今后的研究中，应全面考虑热防护服使用的实际环境及各影响因素，建立完善的热防护性能评价体系，相关结论及未来的研究方向总结如下。

1)基于热防护服蓄放热双重效应探究其最优的配伍设计。热防护服对人体皮肤既存在热防护的积极作用也存在热危害的消极作用，并且在综合考虑热防护服双重特性时，织物的蓄热性能与其放热性能并非绝对的成比例，这为现代防护类服装的工程化创新设计提供了新思路。开展热防护服的最优化配伍设计研究，需要进一步量化蓄热、放热与热防护性能之间的复杂关系，以及考虑多因素交互的影响，更加优化热暴露阶段热蓄积起到的热防护作用，降低冷却阶段热蓄积释放造成的热危害效应，为全面测评热暴露和冷却阶段的织物热防护性能提供理论基础和评价依据。

2)针对热防护服实际应用环境开展形式多样化的热暴露环境和冷却环境研究。目前针对低辐射热条件下织物蓄放热性能的研究相对较为成熟，而在实际应用中，热灾害环境具有多样性和复杂性(如接触热、熔融金属喷溅物、高温蒸汽热、电弧所产生的高热、高温液体喷溅等)，热防护服的性能要求随着使用目的和使用环境的不同而有所差别，但一定时间穿着下的热防护服在所有热灾害环境中均会产生热蓄积及热量释放过程，并且不同的冷却环境均会影响到蓄热的释放量及释放速率。目前在考虑热防护服蓄热释放的综合热防护性能评价研究中，针对火焰和热辐射条件下的评价方法已经成熟，而其它热灾害环境及相应冷却条件下的研究相对空白，同时相关测试标准也尚未建立。

3)附加新材料的织物系统蓄放热特性探索。近年来，为提升热防护服的防护性能，形状记忆材料、气凝胶和相变材料等新材料逐渐应用于热防护服，并在热防护性能提升方面显示出积极作用。前期研究中鲜少考虑附加新材料的织物系统由于热蓄积释放所导致的热危害作用，但附着于热防护服系统内的储能材料其自身在凝固时会释放热量，加上织物内本身储存的热量在冷却阶段会释放，这2部分热量可能会增加皮肤烧伤，因此，未来对于附加新材料的热防护织物系统的蓄放热特性研究，以及其蓄热量、蓄热释放量之间的关联性研究还需要更为准确的探讨和量化。