长时热辐射环境对消防头盔防护特性的影响

高子雯,郭 耸,周 筠,王 梓,彭卫青,刘洪胜

(南京理工大学化学与化工学院,江苏 南京 210094)

目前,火灾是事故应急救援中需应对的主要灾害类型,是全球人员意外伤害的第四大原因[1]。消防员作为灭火救援的一线人员,其进入火场的人身安全一直是需重点关注的问题。根据《2018中国消防年鉴》,2000—2017年我国消防队伍共出警1 179.3万次,出动车辆2 096.7万辆,共有219名参战人员牺牲,2 411名参战人员受伤[2]。该年鉴中列出消防员牺牲和受伤的主要原因有火烧、窒息、摔伤、砸伤、爆炸、中毒、触电、交通事故等,最容易受伤的部位是躯干和头颈部,防护服和消防头盔是火场救援环境中消防员的最后一道生命防线[3]。消防人员在进行火场救援时处于火区高温环境,容易遭受热伤害的威胁[4]。其中,辐射热危害按等级可分为常规、普通、极端三级[5]。国外学者Rossi[6]根据环境温度和辐射热通量描述了消防员的工作条件,认为在演练时消防员会受到5～10 kW/m2辐射热通量的影响;Willi等[7]通过收集数据发现,温和的训练环境通常在50 ℃的温度和1 kW/m2的辐射热通量下,而严格的训练环境下温度可达到150～200 ℃,辐射热通量范围可达3～6 kW/m2。这些研究表示,消防员耐受的辐射热通量环境通常在1～10 kW/m2范围内。因此,研究热暴露环境中消防头盔的防护性能对消防人员的安全具有重要意义。

消防头盔是保护头部、颈部和面部的最重要的防护器具[8],消防头盔的防护性能包括力学性能和热学性能等。孙宇鹏等[9]对消防头盔进行了非贯穿性损伤试验,即采用钢锥在1、2、3、4 m高度处对消防头盔进行模拟冲击,讨论不同冲击高度对消防头盔的损伤情况,并分析不同损伤情况下消防头盔对冲击加速度的防护性能,结果表明在发生冲击时,消防头盔受损情况与冲击加速度成正比,而在同种损伤情况下,当消防头盔损伤情况严重时,冲击加速度碰撞发生时间变慢,冲击加速度变大;曹永强等[10]通过对消防头盔进行冲击加速度试验,得出由于缓冲层的结构导致顶向冲击加速度缓冲性能最好的结论。而热暴露环境中,消防头盔壳体及涂层表面材料具有辐射吸热性能[11],能有效降低消防员头部接触的实际热流及受到的热辐射;周凯[12]使用一种改性尼龙材料作为消防头盔帽壳材料并对其进行了性能试验,试验结果表明该材料具有优良的机械性能、耐高温性能和耐燃烧性能,可以成为醚酰亚胺材料的替代材料来生产消防头盔帽壳;Carlton[13]和Mandal等[14]使用两种台式热防护性能测试方法对消防头盔面罩使用材料的热防护性能进行了测试,并利用二级烧伤时间的计算对材料的热防护性能进行了分析,结果表明颗粒阻挡层可提高材料的热防护性能,且厚度和重量对热防护性能也有显著的影响;Barnet[11]以应用于高辐射热环境的新型消防头盔为研究对象,利用搭建的辐射热传递试验平台,如即抗穿透性、冲击吸收性、抗拉强度等进行了测试,对消防头盔的根据辐射试验后头盔各项力学性能建立了消防头盔磨耗标准,完成了对盔壳表面磨损反射率的评估,并对头盔外壳及涂层表面材料的性能变化进行了研究,对头盔耐用性进行了简单的评价,结果表明标准建筑消防头盔的热塑性外壳在设定热流暴露的初始几分钟内便失去了机械完整性,达到了失效水平。

由此可见,热暴露危害对消防头盔的热防护性能有着很大的影响,所以消防头盔在热暴露环境下的适应能力对于确保消防救援人员的人身安全至关重要。消防员在火灾中暴露的热负荷会损害头盔外壳材料的力学性能,这将直接转换为影响整个头盔的防护性能[15]。然而,目前国内外有关热辐射后消防头盔防护性能的变化以及热防护性能与力学性能之间关系的研究非常少。因此,本文将重点研究热辐射环境对消防头盔防护性能的影响。火灾辐射热流暴露标准的影响因素主要集中在热流强度和暴露时间[16]。消防头盔的表面温度和热辐射反射率将通过红外辐射测定热传导来评估[17],而针对消防头盔材料PA66在高温下力学性能的变化,将通过对热辐射试验后的头盔进行硬度测试来评估。根据研究结果可对不同持续热辐射环境下的消防头盔进行适应性评价,以为消防头盔在热辐射环境中的防护性能判断提供有效的理论支撑。

1 试验装置及方法

1.1 消防头盔性能参数

消防头盔主要包括帽壳、帽箍、帽托、缓冲层、下颏带、面罩、披肩,如图1所示。采用我国消防员常用的消防头盔作为研究对象,表1列出了选用的典型消防头盔基本性能参数。

表1 选用的典型消防头盔基本性能参数

图1 消防头盔Fig.1 Fire helmet

1.2 试验装置及测试方法

为了研究消防头盔在火灾热辐射环境中防护性能的变化,自主设计搭建了消防头盔热辐射测试平台,如图2所示。

1.轴流式风机;2.锥形集气罩;3.铝合金框架;4.顶部热辐射源装置;5.四周热辐射源装置;6.DV摄像机;7.热辐射探头;8.石英灯辐射功率总控制台;9.数据采集显示系统;10.电子台秤;11.旋转支撑台;12.试验样品;13.纤维石膏隔热板;14.K型热电偶;15.高温隔热板。图2 消防头盔热辐射测试平台整体布置图Fig.2 Overall layout of fire helmet thermal radiation testing platform

其中,热辐射源为石英灯红外加热器,将25 ℃±2 ℃和60%±5% RH预处理12 h的试验样品置于辐射板正前方,根据人体头部、太阳穴部位脆弱易受伤的特性[18],将热电偶固定在被测样品表面和内部(内部测点布置对应外表面相同位置),消防头盔温度测点位置如图3所示。通过控制辐射源热通量大小,模拟不同辐射强度下的高温热源,实时测量消防头盔内外部的温度分布,如图4所示。

图3 消防头盔温度测点位置示意图Fig.3 Schematic diagram of the location of temperature measuring points of the fire helmet

图4 消防头盔热辐射试验测试图Fig.4 Thermal radiation test of the fire helmet

基于消防头盔防护性能适应性的研究要求,利用LX-D邵氏硬度仪在辐射热流持续作用过程中,在0、5、10、20、30 min的时间点使试验人员身着防护装备,使硬度仪压针垂直压入消防头盔试样,3 s内进行读数,在被测点相距至少6 mm的不同位置测量5次,以其峰值指数平均值作为测量结果。在热辐射作用后,通过10 kW稳定强光源在固定距离处对消防头盔面罩进行照射,利用V10数字照度计测量头盔面罩的照度(受照面上光通量的面密度),每种辐射热流下进行10次采样并记录照度。

2 结果与讨论

消防头盔主要由面罩和盔壳组成,本次消防头盔热辐射试验分别测试了面罩和盔壳在不同热辐射强度下热学、力学、光学性能的变化过程,其受到的热辐射强度分别为(2±0.5)、(5±0.5)、(7±0.5)和(10±0.5) kW/m2,在对应时间的热暴露过程中采集面罩和盔壳内外温升的数据。

2.1 热辐射环境下面罩的性能变化

图5给出了分别在热辐射强度为2、5、7、10 kW/m2下热辐射30 min后消防头盔面罩外观形貌图。

图5 不同热辐射强度下试验30 min后消防头盔面罩 外观形貌图Fig.5 Appearance topography of the fire helmet mask after 30 min test under different thermal radiant intensity

由图5可以看出:当热辐射强度为2、5 kW/m2时消防头盔面罩表面无任何可见的形貌变化;而当热辐射强度为7 kW/m2时,面罩与帽檐接触的环状部位在试验9 min后出现结构破坏,试验结束时其破坏面积约为12.56 cm2,表现为塑料内部细小空隙由大量小气泡鼓满,导致透明塑料变为白色不透光材质,同时盔壳上方出现部分焦黄斑点,帽圈聚乙烯在热辐射作用下发生少量脱落,面罩凸起中心下,帽圈发生约3 cm的烧结宽度,烧结部位表面硬度上升,并伴随些微刺激性气体产生;当热辐射强度达到10 kW/m2时,试验持续10 min后,头盔材质出现明显软化并在正面凸起结构处产生鼓泡、肿胀及变形,鼓泡面积持续扩大,鼓泡周边气泡不断填充,刺激性气体显著增多,盔壳表面部分由明黄变为棕色,面罩最终变形面积约为40 cm2,其变形面积处兼具白色不透明及浅焦黄不透明的颜色特征。

图6为热辐射强度为2、5、7、10 kW/m2时消防头盔面罩各测点温度随时间的变化曲线,表2为不同热辐射强度下消防头盔面罩各测点的最高温度。

表2 不同热辐射强度下消防头盔面罩各测点的最高温度

图6 不同热辐射强度下消防头盔面罩各测点温度变化曲线Fig.6 Temperature variation curves of each measuring point of the fire helmet mask under different thermal radiant intensity

由图6和表2可知:

1) 热暴露期间,消防头盔面罩内外表面温升可分为三个阶段,即0～5 min跃增、5～10 min缓慢上升、10 min后趋于平稳;面罩内空气层温升则分为两个阶段,即0～10 min抛物线式增长、10 min后呈低斜率的线性增长。

2) 在持续30 min的2、5、7、10 kW/m2热辐射强度作用下,面罩内外表面平均温差分别达到10.5、15.9、 28.9、38.6 ℃,可见不同热辐射强度的热流下面罩内外表面的平均温差随热辐射强度的增大而增加。

强辐射热流环境下,消防头盔面罩内外温差的增长展现了其抗热辐射的能力,但长时的热传导与空气对流传热使面罩内空气层最终温度提高,面罩内(假人面部)空气层最高温度始终与热辐射强度值呈线性关系,如图7所示,符合y=4.18x+43.93(其中y为消防头盔面罩内空气层最高温度;x为热辐射强度值)。

图7 消防头盔面罩下空气层最高温度与热辐射强度 关系曲线Fig.7 Relation curve between maximum temperature of air layer under the fire helmet mask and the thermal radiant intensity

同时,从面罩材料吸热和传导的角度看,面罩内表面与空气层的对流传热及热传导,是使面罩内表面温度始终与外表面温度产生较大温差的主要因素。

消防头盔面罩在热辐射环境下的力学性能即表面强度由其在不同热辐射强度下的平均硬度数值表征,具体测试结果见表3。

表3 不同热辐射强度下不同时间消防头盔面罩的平均硬度(HA)

由表3可知:试验前消防头盔面罩硬度维持在70～80 HA;在热辐射强度为2、5 kW/m2条件下,面罩硬度下降约4 HA,可见这两种热辐射强度条件对面罩表面强度无较大的影响。

本试验中利用照度计对试验前后消防头盔面罩的透光性能进行了分析,不同热辐射强度下消防头盔面罩照度的测试结果,见表4。

表4 试验前后消防头盔面罩的照度对比

由表4中可知:

1) 试验前消防头盔面罩正常照度值大多大于25 000 lx,最大值为29 550 lx,最小值为24 240 lx,最大差值为5 330 lx,平均波动范围为20%。

2) 经热辐射强度试验后,在热辐射强度为2、5 kW/m2条件下,面罩均未起泡,未起泡处照度均在正常波动范围内,且最小值大于20 000 lx;相比而言,在热辐射强度为7、10 kW/m2条件下,面罩均发生鼓泡,起泡处照度最大值为19 420 lx,最小值为2 699 lx,照度降低了30%～90%,根据我国消防头盔标准中规定的面罩性能指标中无色透明面罩的可见光透光率应≥85%[19],而面罩起泡处的可见光透光率明显低于这一数值,所以起泡处人眼无法通过面罩清晰看到外部环境,造成面罩透视功能失效。

综合上述试验现象,7 kW/m2的热辐射强度下试验20 min后消防头盔面罩发生鼓泡,此时面罩外表面温度约为184 ℃,面罩表面硬度降至50～60 HA;10kW/m2的热辐射强度下试验5 min后面罩发生鼓泡,面罩外表面温度在188～198 ℃之间,面罩表面硬度降为26.4 HA,这表明强热辐射的长时作用使面罩材料接近热变形温度205 ℃[20],其表面强度及抗变形能力随温度的上升逐渐下降。结合图5的面罩外观变化图可知,在7 kW/m2的热辐射强度作用下,较小的起泡面积对于整体面罩光学性能的影响较小,但10 kW/m2的热辐射强度作用下生成的近40 cm2变形面积使面罩起泡处平均照度相较于未起泡处平均照度降低了67%,其影响程度较高。

2.2 热辐射环境下盔壳的性能变化

表5为不同热辐射强度下盔壳各部位最高温度和温差,图8给出了不同热辐射强度下消防头盔盔壳侧面、背面和顶部内外温度的变化曲线。

表5 不同热辐射强度下消防头盔盔壳各部位最高温度和温差

注:标号1、2为盔壳表面温度,标号3、4 为盔内头部上方空气腔的温度。图8 不同热辐射强度下消防头盔盔壳各部位温度的变化曲线Fig.8 Temperature change curves of different parts of the fire helmet shell under different thermal radiant intensity

由图8可以看出:

1) 消防头盔盔壳侧面、背面的外表面温升曲线以及内部空气腔升温曲线皆呈对数形式变化。由表5可知:盔内最大温差与盔壳外表面最大温差在同热辐射强度、不同辐射热源接收面的偏差不超过5 ℃,同种热辐射强度条件不同暴露源位置,盔内温升差距不大,但随着热辐射强度的增大,盔内温差增加。这是由于热辐射长时作用下,头盔内部帽箍、佩戴衬底、顶部涤纶织带等部位的温度显著升高,内部热量积累导致盔内温度随热辐射强度的增大逐步增加,但由于盔壳处热辐射强度较高、材质导热系数大,使其在强热辐射作用下温升速度更快,在强热辐射作用下与盔壳表面盔内温度差异较大。大量的研究表明,当人体皮肤表面温度达到44 ℃以上便会发生烧伤,而当人体皮肤温度达到70 ℃时,不可逆转的损伤基本上立即发生。但由于静止空气的导热系数小,可以减缓热量通过盔壳向人体皮肤的传递[21],所以结合本试验结果,在5 kW/m2热辐射强度作用下,盔内最高温度已超过55 ℃,根据热暴露期间的温升规律,前5 min内头盔内温度呈跳跃式增长,5 min后头盔内温度对于消防人员的皮肤已经可能产生烧伤,因此在实际救火过程中,当盔内温度达到55 ℃、持续时间超过5 min时,就会对消防员造成伤害。

2) 相同热辐射环境下,头盔盔壳侧面、背面的盔内温度偏差显著小于顶部热辐射作用下盔内温度偏差,且侧、背面盔内温升吻合情况在可接受范围内。这是由于盔壳改性尼龙的增韧对于内部抗热冲击并无显著改善能力,但佩戴头盔的假人头部上方空气腔处填充的泡沫聚醚吸收了大量的辐射热量,有效提高了头盔顶部对热源的抗冲击能力,使其最低温度偏差提高了10%～20%。

消防头盔盔壳在热辐射环境下的力学性能即表面强度由盔壳在不同热辐射作用下的平均硬度值来表征,表6给出了不同热辐射强度下消防头盔盔壳顶部、侧面和背面的平均硬度值,根据表6中数据,绘制了时间-热辐射强度-硬度三维坐标图,见图9。

表6 不同热辐射强度下不同时间消防头盔盔壳各部位的平均硬度

图9 消防头盔盔壳各部位硬度-热辐射强度-时间三维图Fig.9 Three dimensional diagram of hardness-thermal radiant intensity-time of different parts of the fire helmet shell

由表6可知:试验前消防头盔盔壳硬度值在65～73 HA之间,盔壳表面硬度变化趋势与辐射热流作用下面罩表面强度变化趋势保持一致,皆随热辐射强度的增大而下降。

盔壳材料占据组成部件的90%,是头盔提供防护性能的主要保障。与面罩在强热辐射作用下起泡变形的变化不同,在4种不同热辐射强度的强热流持续作用30 min后盔壳不同部位硬度的平均值分别为63.3、43.3、37.3、11.7 HA(表6),其硬度随着温度的上升而降低,但其表观变化除颜色变焦外,并未引起热膨胀,且具有一定的韧性[22]。相同温度下盔壳顶部硬度平均值略低于侧面、背面的硬度平均值,这是由于硬度测量的随机性和头盔五面立体凹凸的特性,受力点的表面不均匀导致平均5个测点的硬度误差偏大,但整体规律性地展示了头盔的硬度与温度的非线性关系。

已有研究结果表明,长时热辐射下盔壳的热学防护性能下降较多,可以考虑从消防头盔盔壳的材料方面进行改善,比如纤维复合材料不仅可以增强头盔壳体材料的防护性能,而且能够减小头盔壳体材料的重量[23]。本试验中佩戴头盔的假人头部上方空气腔温度明显低于盔壳内其他方位的温度,在不影响穿戴的情况下,可在头盔内其他方向适当填充泡沫聚醚,以提高头盔其他部位对热源的防护能力,使头盔兼具耐高温性能和优良的隔热性能。

3 结 论

本文利用自主设计的高温长时热辐射试验装置,测试了2、5、7、10 kW/m24种热辐射强度下消防头盔面罩、盔壳的防护性能变化规律,研究了头盔在热灾害环境中的适应性,得到结论如下:

1) 在7 kW/m2以上热辐射强度作用下,温度达到180～200 ℃时消防头盔面罩开始发生鼓泡,盔壳表观在强热辐射持续作用下仅颜色由明黄色变为棕黑色,性能无明显变化。

2) 消防头盔的内外温差随着热辐射强度的增大而增加,但头盔顶部填充的缓冲层材质能显著减少约10% 盔内温差,有效提高了头盔顶部对热源的抗冲击能力,增强了消防头盔的热防护性能。

3) 消防头盔盔壳表面硬度变化趋势与热辐射作用下面罩表面强度变化趋势保持一致,皆随热辐射强度的增大而下降。在10 kW/m2热辐射强度长时作用下,消防头盔面罩和盔壳的硬度皆降至10 HA以下,其力学防护性能失效。

4) 高热辐射强度下消防头盔面罩光学性能显著降低,高温下产生的起泡导致面罩透光率严重下降,达不到人眼可视范围,而低热辐射强度下,面罩透光性能变化较小。