消防服用蓄热调温热防护材料的研究

张 慧 刘献飞 燕红雁 周雪艳 姜嘉奕 李晴晴

1. 中原工学院 a.纺织学院,b. 能源与环境学院,c.国际教育学院, 河南 郑州 450007;2. 山东省产品质量检验研究院 山东,济南 250102

消防服是消防员在灭火战斗过程中穿着的个体防护装备,是消防员进行火灾现场作业时的保护屏障,其热防护性能关乎消防员的生命安全与救援工作实效,并且直接影响人民的生命、财产安全[1-2]。根据行业标准GA 10—2014《消防员灭火防护服》,传统消防服由外层、防水透湿层、隔热层和舒适层这4层结构组成[3-5],其主要通过增加织物面密度与厚度来满足热防护要求,但这会极大地影响消防员的热湿舒适性,降低工作效率[6]。

相变材料(phase change material,PCM)的蓄热调温功能已成为消防服领域的研究热点[7-8]。Rossi等[9]通过涂层法将相变温度为50 ℃的PCM涂覆在多层织物上,并对其热防护性能进行测试,研究结果表明,PCM能显著提高多层织物的热防护性能。崔志英等[10]采用干法涂层法将PCM与隔热层复合,对添加PCM的多层织物的热防护性能进行研究,结果表明,添加PCM的多层织物的热防护性能提升。马艳柳等[11]分别选取2种不同相变温度的微胶囊相变材料(microencapsulated phase change material,MPCM)和阻燃基布材料,利用干法涂层工艺制备不同MPCM和阻燃基布组合的涂层织物,并测试其阻燃性能,结果显示,经有机硅阻燃剂涂层的织物阻燃性能较好。Mccarthy等[12]将3种PCM缝制于隔热层与舒适层面料之间,得出利用PCM的潜热能够有效降低织物内部温度,同时减小消防装备整体质量的结论。上述研究采用不同的方式将PCM与消防服用多层织物结合,再利用阻燃性能或热防护性能测试结果定性表征材料热防护性能。本文制备不同相变温度、放置位置与MPCM用量的消防服用多层织物试样,采用传统热防护性能/热辐射防护性能(TPP/RPP)测试方法,通过皮肤模拟传感器探讨相变温度、放置位置及MPCM用量对消防服用多层织物系统热防护性能的影响,模拟热辐射对人体皮肤的影响,以及皮肤接收的温度和热流量随辐射时间的动态变化过程。研究结果可为开发兼具热防护性能与蓄热调温功能的高性能热防护材料提供理论依据。

1 试验部分

1.1 原料及仪器

试验原料:MPCM为市售TH-ME系列材料,购自湖北赛默新能源科技有限公司,相变温度分别为37、43和49 ℃,对应的代号分别为MP37、MP43和MP49,其主要成分为SiO2和石蜡,密度为0.55 g/cm3,储能密度为120～130 J/g,平均粒径为40 μm。消防服用面料和阻燃纱线均购自上海圣欧同安防护用品开发有限公司,均为现役消防服常用材料,面料性能参数如表1所示。阻燃纱线为芳纶1313、芳纶1414和导电丝质量比为93∶5∶2的混纺纱线,纱线线密度为18.2 tex×2。

试验仪器:千分厚度规;FA20004B型电子天平;缝制试验用小型缝纫机。

表1 消防服用面料性能参数Tab.1 Performance parameters of fabrics for fire suit

1.2 试验方案

为动态化研究高热流环境下相变温度、放置位置(位于隔热层与防水透湿层之间或隔热层与舒适层之间)及MPCM用量(分别为多层织物质量的30%、45%、60%、100%)对消防服用多层织物热防护性能的影响,本文选取42 kW/m2的辐射强度,根据人体皮下组织温度(37 ℃)及皮肤产生烧伤的温度(44 ℃)[13],选择3种不同相变温度(37、43和49 ℃)的MPCM通过缝制法制备蓄热调温热防护材料。采用面密度为30 g/m2的阻燃非织造布(FZ)与阻燃纱线缝制蓄热调温热防护材料。为确保MPCM在由蓄热调温热防护材料与消防服用多层织物结合形成的多层织物系统中分布均匀,经预试验,将蓄热调温热防护材料缝制成边长为1.5 cm的小正方形格子,根据MPCM用量及方格数计算每一方格内需填充的MPCM量,再用天平称量后,一行一行依次将MPCM填充、缝合在方格内,直至所有方格填充、缝合完毕。

多层织物系统的组合方式及性能参数如表2所示。

表2 多层织物系统的组合方式及性能参数Tab.2 Combination methods and performance parameters of multilayer fabric systems

2 性能测试

2.1 透气性能测试

采用YG641E-Ⅲ型全自动透气量仪(宁波纺织仪器厂),根据GB/T 5453—1997《纺织品 织物透气性的测定》,在温度(20±2) ℃,相对湿度(65±2)%的标准大气环境及100 Pa的压差下,手动测量一定时间内垂直通过面积为20 cm2的消防服用多层织物系统的气流量,计算透气率。每种样品测10块试样,结果取平均值。

2.2 热防护性能测试

目前的热防护性能主要通过TPP/RPP值、二级烧伤时间、吸收热量等指标来衡量。本文采用改进的热防护性能测试仪[TPP-1型,莫帝斯燃烧技术(中国)有限公司]测试消防服用多层织物试样的热防护性能。热防护性能测试仪的结构简图如图1所示。参照ASTM F 1939-15Standardtestmethodforradiantheatresistanceofflameresistantclothingmaterialswithcontinuousheating,采用传统TPP/RPP测试法,动态化评价消防服用多层织物系统的热防护性能。TPP/RPP测试法仅考虑织物接触热源时所传递的热能。测试条件:辐射强度42 kW/m2,辐射时间180 s。采用数据采集系统每隔0.10 s采集一次温度数据,并将采集到的温度和时间数据输入Skin Burn Prediction软件(基于Henriques 皮肤烧伤积分方程)中。按照式(1)计算其热流量,动态化研究多层织物受热源辐射后的温度变化和热流量变化,并通过软件计算得到的模拟皮肤吸收的热量与发生二级烧伤时间来预测烧伤情况。本文主要采用吸收热量和二级烧伤时间来衡量多层织物系统的热防护性能。模拟皮肤发生二级烧伤的时间越长或吸收的热量越少,则多层织物系统的热防护性能越好。每种样品测3块试样,结果取平均值。测试前,将所有样品放置在温度(20±2)℃、相对湿度(65±2)%的标准大气环境下预调湿24 h。

图1 热防护性能测试仪结构简图[14]Fig.1 Schematic of TPP tester[14]

(1)

式中:q″(t)为t时刻的热流量,kW/m2;k为无机混合物的导热系数,W/(m·℃);ρ为皮肤模拟传感器的无机混合物的密度,kg/m3;Cρ为无机混合物的比热容,J/(kg·℃);Ts(t)为t(s)时刻的温度,℃;Ti为表面初始温度,℃。

3 结果与讨论

3.1 材料相变温度对多层织物热防护性能的影响

S-0织物系统与添加了阻燃非织造布的S-1织物系统的热流量曲线如图2所示。可以看出,随着辐射时间的延长,织物系统的热流量值呈动态上升趋势;总体而言,S-1织物系统的热流量值低于S-0的。根据热流量值计算不同多层织物系统的二级烧伤时间可得,S-0和S-1织物系统分别在100.49 s和103.59 s发生二级烧伤,这是因为加入阻燃非织造布后,织物的整体厚度增加,透气率下降(OS朝上比CL朝上测得的透气率分别下降6.99%和8.80%,见表3),因而添加阻燃非织造布的S-1织物系统的热防护性能更好,二级烧伤时间延长了3.08%。本文以添加阻燃非织造布的S-1织物系统作为后续测试的原样进行对比分析,以确保测试结果的可比性。

图3为不同相变温度下,S-2、S-4、S-6和S-8织物系统的热流量曲线。可以看出,相同条件下,含MP43的多层织物系统的热流量值较小且上升较缓慢,其织物吸收的热量值始终低于含MP37和MP49的多层织物系统。由图3a)可以看出,添加质量分数为30%的MPCM,3种相变温度的多层织物系统的热流量曲线较接近,这是因为添加的MPCM含量较少,蓄热能力小,传递路径短,热量易传递至模拟皮肤从而导致其烧伤,热防护效果不明显。而由图3d)可以看出,添加质量分数为100%的MPCM的S-8织物系统,其热流量值最小,其中含MP43与MP49的多层织物系统的热流量上升速度非常缓慢,且含MP43的多层织物系统的热流量值最小。这是因为人体的二级烧伤发生在约44 ℃,相变温度越高,多层织物系统内部蓄积的热量也越多,其作为热源,会继续向皮肤传递热量,还未发生相变就已造成皮肤二级烧伤,因而未能实现防护效果;而相变温度越低,织物内部蓄积的热量越能快速达到相变温度并发生相变,热防护时间越短[15]。因此,蓄热调温热防护材料的相变温度为43 ℃时,多层织物系统内部蓄积的热量温度越高,热防护性能越好。

图2 S-0与S-1织物系统的热流量曲线Fig.2 Heat flux curves of S-0 and S-1 fabric systems

表3 不同织物系统的透气率Tab.3 Air permeability of different fabric systems

图3 不同相变温度多层织物系统的热流量曲线Fig.3 Heat flux curves of multilayer fabric systems with different phase-change temperature

3.2 蓄热调温热防护材料放置位置对多层织物热防护性能的影响

为探究蓄热调温热防护材料放置位置对多层织物热防护性能的影响,在其他参数相同的条件下,改变蓄热调温热防护材料放置位置(分别放置于隔热层与舒适层之间和防水透湿层与隔热层之间),根据热流量值计算不同多层织物系统的二级烧伤时间,结果如图4～图6所示。图4中,含MP37的S-8和S-9织物系统的二级烧伤时间分别为241.22 s和232.10 s,表明将蓄热调温热防护材料放置在隔热层与舒适层之间相比放置在防水透湿层与隔热层之间,所得多层织物系统的二级烧伤时间延长了3.92%,明显优于其他多层织物系统。图5中,含MP43的S-6织物系统的二级烧伤时间(225.36 s)相比S-4织物系统的(257.13 s)缩短了12.35%,S-8织物系统的二级烧伤时间(297.08 s)相比S-9织物系统的(264.98 s)延长了12.11%,放置在隔热层与舒适层之间的S-2、S-4、S-6和S-8织物系统的二级烧伤时间长于放置在防水透湿层与隔热层之间的多层织物系统(S-3、S-5、S-7和S-9),前种热防护性能更好。图6中,织物系统二级烧伤时间的变化规律与相变温度为43 ℃时的类似,但含MP49的S-8织物系统的二级烧伤时间(244.33 s)相比S-9织物系统的(242.69 s)仅提高了0.68%,两者的二级烧伤时间较为接近。

图4 MP37放置位置与二级烧伤时间之间的关系Fig.4 Correlations between the placement location of MP37 and second-degree burn time

图5 MP43放置位置与二级烧伤时间之间的关系Fig.5 Correlations between the placement location of MP43 and second-degree burn time

图6 MP49放置位置与二级烧伤时间之间的关系Fig.6 Correlations between the placement location of MP49 and second-degree burn time

从图4～图6可知,蓄热调温热防护材料放置在隔热层与舒适层之间的织物系统相比放置在防水透湿层与隔热层之间的织物系统,前者二级烧伤时间得以延长。这是因为织物接收到热辐射后,温度逐层向模拟皮肤传递并呈递减趋势[16];当将蓄热调温热防护材料放置在隔热层与舒适层之间时,较低温度的隔热层将热量传递给蓄热调温热防护材料,用于相变。而相同热辐射强度下,相同MPCM用量的蓄热调温热防护材料用于相变所需的热量为定值,蓄热调温时间延长,其所在多层织物系统整体的热量传递速度将低于蓄热调温热防护材料放置在防水透湿层与隔热层之间的织物系统的热量传递速度,延长了MPCM蓄热调温的整个过程。因此,MPCM的引入可对吸收的热量起缓冲媒介作用,从而延长皮肤产生二级烧伤的时间,降低热辐射对人体皮肤的伤害,使消防服用多层织物系统的热防护性能提高[17]。

3.3 MPCM用量对多层织物热防护性能的影响

基于3.1和3.2节探究试验的研究结果,探讨MPCM用量对多层织物热防护性能的影响。在相同热辐射强度和辐射时间下,选取相变温度为43 ℃和49 ℃的材料,分别将蓄热调温热防护材料放置在隔热层与舒适层之间,所得织物系统的热流量曲线分别如图7和图8所示。可以看出,当相变温度为43 ℃(图7)时,各织物系统的热流量曲线变化趋势类似,其吸收热量(热流量曲线与时间形成的面积)依次为435.22、333.07、371.04和232.88 kW/m2,其中,S-6织物系统的吸收热量相比S-4织物系统的提高了11.40%,S-8织物系统的吸收热量相比S-4织物系统的降低了30.08%。这是因为相变温度为43 ℃时,S-6织物系统内部的MPCM用量较多,蓄积在织物内部的热量多,离开热源后持续向皮肤传递热量,使得模拟皮肤吸收的热量增多;而S-8系统内MPCM用量最多,织物最厚,热传递路径长,在180 s的辐射时间范围内,未达到其蓄积热量的最大容量,模拟皮肤最后吸收的热量降低;而S-4织物系统内部的MPCM用量刚好满足蓄热调温作用,使得热防护综合效果最佳。当相变温度为49 ℃(图8)时,各织物系统的吸收热量依次为425.32、373.91、371.40和259.98 kW/m2,其中,S-6织物系统的吸收热量相比S-4织物系统的仅降低了0.67%。MPCM用量为100%的多层织物体系在整个热辐射过程中吸收的热量最少,且在试验研究的辐射强度和辐射时间下未发生二级烧伤,表明随着MPCM用量的增加,模拟皮肤在该辐射时间内所接收的热流量值减小,热防护性能提升。这是因为随着MPCM用量的增加,蓄热调温热防护材料厚度增大(表2),热量由织物内部逐渐传递到皮肤的整个传递路径变长,热量在传递过程中逐渐衰减,皮肤接收的热流量值减少,进而可延长消防服的防护时间,为消防员提供更好的安全防护。

然而,在真实的火场救援中,不能极端追求消防服的热防护性能,一味增加相变材料用量,还需考虑服装的舒适性和制作成本,且需符合人体工学。此外,消防服的整体质量也不宜过大,否则会影响消防员的救援效率和穿着热湿舒适性,增加热应激。基于此,综合本文的研究可知,相变温度为43 ℃、MPCM用量为织物质量45%的多层织物系统(S-4-MP43)的综合性能相对较好。与对比样S-1织物系统相比,S-4-MP43的热防护性能提高了148.22%,既能够提高消防服的热防护性能,保障消防员的生命安全,又不过度增加其负荷。

图7 相变温度为43 ℃的多层织物系统的热流量曲线Fig.7 Heat flux curves of multilayer fabric systems with phase-change temperature of 43 ℃

图8 相变温度为49 ℃的多层织物系统的热流量曲线Fig.8 Heat flux curves of multilayer fabric systems with phase-change temperature of 49 ℃

4 结 论

本文采用缝制小正方形格子并填充MPCM的方式制作蓄热调温热防护材料,再将其与传统消防服用多层织物缝合,制备消防服用多层织物系统,探究了相变温度、蓄热调温热防护材料放置位置及MPCM用量等因素对消防服用多层织物系统热防护性能的影响,得到如下结论:

(1)其他参数相同的条件下,相变温度为43 ℃的含MPCM的多层织物系统接收的热流量值较小,热防护性能较好。

(2)其他参数相同的条件下,蓄热调温热防护材料放置在隔热层与舒适层之间,其织物系统的二级烧伤时间较蓄热调温热防护材料放置在防水透湿层与隔热层之间的织物系统延长,热防护性能提高,热辐射对人体的伤害降低。

(3)随着MPCM用量的增加,多层织物内部蓄积的热量主要集中在蓄热调温热防护材料内,传递到模拟皮肤后,模拟皮肤接收的热量越小,热防护性能越好;结合成本及服装的热湿舒适性等因素,在本文所选4种MPCM用量中,相变温度为43 ℃、MPCM用量为织物质量45%的多层织物系统(S-4-MP43)的综合性能相对较好,其二级烧伤时间可达257.13 s,比未添加蓄热调温热防护材料的多层织物(S-1)的热防护性能提高了148.22%。