蘇 云， 李 俊,3

(1. 東華大學(xué) 服裝·藝術(shù)設(shè)計學(xué)院， 上海 200051； 2. 東華大學(xué) 功能防護(hù)服裝研究中心， 上海 200051；3. 東華大學(xué) 現(xiàn)代服裝設(shè)計與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200051)

火災(zāi)環(huán)境下防水透氣層對消防服熱濕防護(hù)性能的影響

蘇 云1,2， 李 俊1,2,3

(1. 東華大學(xué) 服裝·藝術(shù)設(shè)計學(xué)院， 上海 200051； 2. 東華大學(xué) 功能防護(hù)服裝研究中心， 上海 200051；3. 東華大學(xué) 現(xiàn)代服裝設(shè)計與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200051)

為評價防水透氣層織物對消防服熱濕防護(hù)性能的影響，采用新研發(fā)的熱防護(hù)性能測評裝置，在干態(tài)與濕態(tài)2種熱暴露條件下，測量不同防水透氣層織物系統(tǒng)的熱防護(hù)性能，分析防水透氣層織物的基本參數(shù)與其熱防護(hù)性能之間的關(guān)系。結(jié)果表明：在干態(tài)熱暴露條件下，防水透氣層織物厚度與面密度的增加能顯著提高織物系統(tǒng)的熱防護(hù)性能；在濕態(tài)熱暴露條件下，含有防水透氣層的織物系統(tǒng)能明顯提高織物的熱濕防護(hù)性能，其主要的影響因素是織物的回潮率與透氣性。另外，在濕態(tài)條件下的總傳遞熱量主要通過高溫蒸汽的相變來傳遞熱量，防護(hù)的重點(diǎn)在于蒸汽的滲透與吸收。

高溫蒸汽； 消防服； 熱防護(hù)性能； 防水透氣層； 高溫輻射

火災(zāi)環(huán)境下的蒸汽燙傷對消防員的生命安全造成了嚴(yán)重的威脅。根據(jù)NFPA1971—1997《建筑物火災(zāi)用滅火防護(hù)服標(biāo)準(zhǔn)》與GA10—2002《消防員滅火防護(hù)服標(biāo)準(zhǔn)》的要求，消防服普遍采用多層織物組合，通常由外及內(nèi)依次為：外層、防水透氣層、隔熱層。其中防水透氣層的設(shè)計目的是能夠阻止火災(zāi)環(huán)境液態(tài)水與水蒸氣的滲透，促進(jìn)人體汗液的蒸發(fā)，對于減小火災(zāi)環(huán)境下消防作業(yè)人員的燙傷危害具有重要作用[1-2]。

過去關(guān)于消防服的大多數(shù)研究主要集中在火焰、輻射的熱防護(hù)，如閃火條件下的熱防護(hù)性能(TPP)測試，強(qiáng)輻射條件下的熱輻射防護(hù)性能(RPP)測試以及低輻射條件下的測試等，因此無法有效評測防水透氣層對消防服熱濕防護(hù)性能的作用機(jī)制。消防員在執(zhí)行任務(wù)時，經(jīng)常處于高溫、高濕環(huán)境中，這是因?yàn)閬碜韵浪畼屢约坝晁鞖獾乃?，在高溫火場下形成水蒸氣向人體傳遞，引起皮膚的蒸汽燙傷[3]。有研究機(jī)構(gòu)調(diào)查了2005～2009年消防員的燒傷治療記錄，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：高溫蒸汽、高溫液態(tài)水是導(dǎo)致消防員燒傷的主要因素(65%)，由火焰產(chǎn)生的燒傷僅占比為20%[4]。由此可見，高溫蒸汽、高溫液態(tài)水對消防人員的工作安全有重大的威脅。

然而，消防環(huán)境下的高溫蒸汽、高溫液體的防護(hù)措施以及燙傷機(jī)制的研究相對較少，并沒有建立完善的蒸汽熱防護(hù)性能評價體系和測試設(shè)備。大多數(shù)有關(guān)火場環(huán)境下高溫蒸汽的熱防護(hù)性能測試以及熱濕傳遞燙傷機(jī)制的研究尚處于探索階段。雖有學(xué)者[5-8]建立了軍事、石油化工、食品加工等行業(yè)高壓蒸汽泄漏條件下織物與服裝的熱防

護(hù)性能評價裝置，在一定程度上調(diào)查了服裝蒸汽熱防護(hù)性能的影響因素，可以為消防領(lǐng)域的蒸汽防護(hù)提供參考建議；但是在實(shí)際消防作業(yè)過程中，消防員所面臨的環(huán)境更多的是低壓蒸汽，同時也存在高溫輻射、對流傳熱的共同危害[9]。由此可見，亟需建立一套完整的火場環(huán)境下蒸汽熱防護(hù)性能測試系統(tǒng)，模擬更加真實(shí)的消防作業(yè)環(huán)境，全面而準(zhǔn)確地評價織物的蒸汽熱防護(hù)性能。本文針對防水透氣層織物對消防服熱濕防護(hù)性能的影響，采用新研發(fā)的防護(hù)性能測評裝置，分析防水透氣層織物的基本參數(shù)及其防護(hù)性能，為消防環(huán)境下蒸汽燙傷的防護(hù)措施提供參考思路，優(yōu)化多功能消防服的設(shè)計。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

1.1 實(shí)驗(yàn)樣本

本文實(shí)驗(yàn)選取常用于制作消防服的面料，包括外層、防水透氣層以及隔熱層，各層面料的基本性能如表1所示，其中3種防水透氣層具有不同的成分與基本參數(shù)，用于調(diào)查防水透氣層對消防服熱濕防護(hù)性能的影響。面料的厚度是根據(jù)ASTM D1777—2015《紡織材料的厚度標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)要求在1 kPa的壓力條件下測量，面料的回潮率是根據(jù)GB/T 9995—1997《紡織材料含水率和回潮率的測定 烘箱干燥法》測得，參照ASTM E96—2016《材料的水蒸氣滲透性標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)測試流程，獲取面料的透濕率。單層面料可以組合成雙層或3層面料系統(tǒng)，有助于更加全面地調(diào)查不同配置織物系統(tǒng)的熱防護(hù)性能，其多層織物系統(tǒng)的基本性能如表2所示。

表1 單層織物的基本性能Tab.1 Specification parameters of single-layer fabric

表2 多層織物系統(tǒng)的基本性能Tab.2 Specification parameters of multi-layer fabric

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

圖1示出一種織物熱防護(hù)性能測評裝置，包括蒸汽發(fā)生器、蒸汽輸送管、熱暴露模擬箱、樣品輸送裝置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠?qū)Ω邷剌椛洹⒏邷卣羝麠l件下的織物熱防護(hù)性能進(jìn)行準(zhǔn)確的測評[10]。蒸汽發(fā)生器頂部設(shè)有壓力控制器，控制出口蒸汽的壓力為0.1～0.7 MPa，相應(yīng)的蒸汽溫度在100～175 ℃。蒸汽發(fā)生器的蒸汽出口與蒸汽輸送管的前端相連，后端連有蒸汽噴嘴，穿過輻射熱源中心部位，蒸汽噴嘴處裝有尖端密封設(shè)計的熱電偶探頭(OMEGA：HSTC-TT-K-24S)，用于檢測噴嘴噴射出的蒸汽溫度。輻射熱源為遠(yuǎn)紅外線陶瓷輻射板，能夠產(chǎn)生的熱通量在2.1～21 kW/m2之間。熱暴露箱內(nèi)的溫度傳感器和濕度傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連，置于箱體的上方，用于監(jiān)測整個熱暴露過程中模擬箱內(nèi)的溫濕度，同時辨識實(shí)驗(yàn)測試的開始，減小操作的誤差。實(shí)驗(yàn)樣本放置于熱暴露箱與模擬皮膚傳感器之間，利用隔熱板能夠有效的控制織物熱暴露時間。模擬皮膚傳感器采用法蘭式安裝，由水冷板、傳感器固定器和數(shù)據(jù)采集傳感器組成，通過銅管的水流速度應(yīng)不小于100 mL/min，水溫恒定為(32.5±1) ℃。本文實(shí)驗(yàn)裝置首次實(shí)現(xiàn)了在高溫輻射、高溫蒸汽火災(zāi)環(huán)境下織物系統(tǒng)的熱防護(hù)性能測試，更加真實(shí)的模擬火災(zāi)環(huán)境中的作業(yè)狀態(tài)。同時其創(chuàng)新性也體現(xiàn)在蒸汽的壓力控制、流量調(diào)控以及輻射熱通量設(shè)置等方面，從而更加準(zhǔn)確地評價在高溫輻射、高溫蒸汽暴露條件下織物熱防護(hù)性能的真實(shí)情況，彌補(bǔ)了現(xiàn)有織物熱防護(hù)性能測評裝置的局限性，對于研發(fā)熱防護(hù)新型材料、科學(xué)篩選合適的熱防護(hù)裝備，提高消防作業(yè)的安全性具有非常重要的意義。

注：1—蒸汽發(fā)生器； 2—溫度控制器； 3—安全閥； 4—壓力控制器； 5—流量閥； 6—蒸汽噴嘴； 7—熱暴露箱； 8—熱源； 9—溫度傳感器； 10—排水閥； 11—溫度傳感器； 12—溫度傳感器； 13—隔熱板； 14—樣品架； 15—空氣層裝置； 16—傳感器外殼； 17—固定裝置； 18—滑軌； 19—樣品； 20—鋼管； 21—數(shù)據(jù)采集傳感器； 22—進(jìn)水管； 23—出水管； 24—水泵； 25—溫度控制器； 26—水箱； 27—數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。圖1 火場高溫蒸汽熱防護(hù)性能測評裝置Fig.1 Thermal protective performance tester under steam exposure of fire ground

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)選取面積大小150 mm×150 mm的織物試樣，放置于溫度為(21±3) ℃、濕度為(65±10)%的恒溫恒濕室預(yù)濕24 h。首先標(biāo)定織物熱暴露環(huán)境，包括蒸汽壓力、蒸汽溫度以及輻射板熱流量大小，設(shè)定高溫蒸汽的壓力大小為0.05 MPa，測量穩(wěn)定后蒸汽噴嘴的蒸汽溫度大小。調(diào)節(jié)輻射板溫度使皮膚模擬傳感器的熱流量穩(wěn)定在8.5 kW/m2，記錄實(shí)驗(yàn)標(biāo)定過程的參數(shù)設(shè)置。其次，將預(yù)濕處理的織物樣品放置于樣品架中，待傳感器溫度達(dá)到32 ℃，開始采集數(shù)據(jù)，打開蒸汽閥，移走隔熱板，使織物樣品暴露的時間為180 s。熱暴露結(jié)束之后，依次關(guān)閉隔熱板與蒸汽閥，繼續(xù)采集數(shù)據(jù)180 s，直到冷卻結(jié)束。實(shí)驗(yàn)過程中記錄了噴嘴的蒸汽溫度與皮膚表面的熱流量變化，用于評價高溫蒸汽條件下皮膚的燒傷情況。為了減小實(shí)驗(yàn)測量的誤差，每塊樣品在同樣的實(shí)驗(yàn)條件下測量3次。1.3.1 皮膚燒傷時間

皮膚的二級和三級燒傷時間可結(jié)合Pennes皮膚生物傳熱模型[10]與Henriques皮膚燒傷積分模型[11]計算獲得。根據(jù)ASTM F2731—2011《測定消防員防護(hù)服系統(tǒng)的能量傳播和儲存的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，假設(shè)皮膚內(nèi)部的熱量傳遞是沿厚度的一維傳熱過程，忽略模型中血流量對皮膚傳熱的影響，但修訂的皮膚模擬參數(shù)考慮了血液的灌注率等因素對皮膚傳熱的影響，其一維瞬態(tài)傳熱模型如下所示

(1)

式中：ρskin為皮膚密度，kg/m3；cp為皮膚比熱，J/(kg·K)；kskin分別為皮膚導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。皮膚模擬傳感器記錄的熱流變化可作為皮膚的外邊界條件，用于計算皮膚內(nèi)部的溫度變化，方程(1)的邊界條件為

(2)

(3)

式中：Lskin是皮膚的厚度，m；kepi是皮膚表層的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；qsen是皮膚表面的入射熱流密度，kW/m2。

根據(jù)相關(guān)研究報道[11-12]，當(dāng)皮膚內(nèi)部的溫度達(dá)到44 ℃，皮膚開始受到損害?；贖enriques皮膚燒傷模型方程[11]，通過將皮膚溫度代入到一階阿倫尼烏斯(Arrhenius)方程預(yù)測皮膚燒傷，如公式(4)所示：

(4)

式中：Ω為皮膚燒傷程度的量化值，無量綱；△E為皮膚活化性能，無量綱；P為頻率破壞因子，無量綱；R為理想氣體常數(shù)，8.31 J/(mol·℃)；t為皮膚暴露于熱源下其溫度T> 44 ℃的時間。通過計算Ω值確定皮膚燒傷的程度，當(dāng)表皮層與真皮層交界處的Ω=0.53時，皮膚達(dá)到一級燒傷；當(dāng)表皮層與真皮層交界處的Ω=1.0時，皮膚達(dá)到二級燒傷；當(dāng)真皮層與皮下組織交界處的Ω=1.0時，皮膚達(dá)到三級燒傷。

1.3.2 織物系統(tǒng)熱量分布

同樣地，將面積大小為150 mm×150 mm吸水紙放置于模擬皮膚傳感器表面，基于標(biāo)定環(huán)境測量吸水紙的質(zhì)量變化，用于計算穿透織物系統(tǒng)到達(dá)皮膚表面的蒸汽含量，從而進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為蒸汽傳遞的熱量。在整個熱暴露過程中，皮膚表面總傳遞的熱量包括熱暴露階段的熱量傳遞(qe)以及冷卻階段的熱量傳遞(qc)，而熱暴露階段的熱量傳遞分為蒸汽傳熱(qs)與干態(tài)傳熱(qd)，干態(tài)傳熱包括輻射(qrad)、傳導(dǎo)(qcond)與對流(qconv)，計算公式依次為：

(5)

(6)

(7)

式中：m為熱暴露階段高溫蒸汽冷凝為液態(tài)水的質(zhì)量，g；Cl為液態(tài)水的比熱值，4.192 kJ/(kg·K)；Ts和Tl分別為高溫蒸汽的溫度與冷凝水的溫度， ℃；Tfab和Tskin分別為織物系統(tǒng)背面的溫度與皮膚表面的溫度， ℃；h1為在100 ℃條件下水蒸氣的焓變，2 676.3 kJ/kg；h2為在100 ℃條件下液態(tài)水的焓變，419.06 kJ/kg；Aexp為織物系統(tǒng)熱暴露部分的面積，0.01 m2；hc為織物與皮膚之間的對流傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；σ為斯蒂芬波爾茨曼常數(shù)，5.67×10-8W/(m2·K4)；ε為織物系統(tǒng)背面的發(fā)射率，無量綱；k為空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。冷卻階段的熱量傳遞主要是織物系統(tǒng)的蓄熱釋放過程，織物系統(tǒng)在熱暴露階段能夠蓄積一部分熱量，當(dāng)熱源停止加熱時，由于外界的溫度較低，織物系統(tǒng)蓄積的熱量一部分傳遞到外界環(huán)境，另一部分傳遞到皮膚表面，即qc。

2 結(jié)果與分析

2.1 織物基本性能與皮膚燒傷的關(guān)系

為了評價高溫蒸汽對不同配置織物系統(tǒng)熱防護(hù)性能的影響，不同織物系統(tǒng)被重復(fù)暴露于干態(tài)(高溫輻射)與濕態(tài)(高溫輻射與蒸汽)熱暴露條件下，其四組織物系統(tǒng)的二級、三級燒傷時間及其標(biāo)準(zhǔn)差如表3所示。

表3 不同熱暴露條件下的皮膚燒傷情況Tab.3 Skin burn injuries in different exposure conditions

由表3可知，在濕態(tài)熱暴露條件下的皮膚燒傷時間明顯小于在干態(tài)熱暴露條件下的皮膚燒傷時間。不同熱暴露條件下燒傷時間進(jìn)行配對T檢驗(yàn)，結(jié)果表明：二級燒傷時間與三級燒傷時間的P值均小于0.05，所以高溫蒸汽對輻射條件下的織物熱防護(hù)性能有顯著性的影響。其中，在干態(tài)熱暴露下織物系統(tǒng)A1與其他織物系統(tǒng)的二級燒傷時間相差1.36～1.56倍，而在濕態(tài)熱暴露下其差異達(dá)到1.82～2.07倍，這是因?yàn)榭椢锵到y(tǒng)A1由外層與隔熱層組成，而其他織物系統(tǒng)均含有防水透氣層，因此可以發(fā)現(xiàn)，消防服防水透氣層織物能夠更加明顯的提高織物在濕態(tài)熱暴露條件下的熱防護(hù)性能。

實(shí)驗(yàn)過程中測量了穿透織物系統(tǒng)的高溫蒸汽滲透量，根據(jù)織物的熱暴露面積以及熱暴露時間求解出的蒸汽滲透速率與皮膚燒傷時間之間的關(guān)系如圖2所示?？偟膩砜矗椢锵到y(tǒng)的蒸汽滲透速率越大，皮膚發(fā)生二級、三級燒傷的時間越小，也就是織物系統(tǒng)對高溫蒸汽的熱防護(hù)性能越差?？蛇M(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，織物系統(tǒng)A1在濕態(tài)熱暴露條件下熱防護(hù)性能最差的原因是其高溫蒸汽滲透速率明顯大于其他織物系統(tǒng)。另外，織物系統(tǒng)A3在濕態(tài)熱暴露下具有最佳的熱防護(hù)性能，分析織物系統(tǒng)蒸汽滲透速率與織物基本性能之間的相關(guān)關(guān)系可知，蒸汽滲透速率與織物系統(tǒng)的透氣性、透濕率、回潮率呈正相關(guān)關(guān)系，與織物系統(tǒng)的厚度、面密度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系；其相關(guān)系數(shù)依次為0.972、0.617、0.999、-0.974、-0.927。因此，織物系統(tǒng)阻擋高溫蒸汽的有效措施在于減小織物的透濕性與吸濕性，同時增加織物的厚度與面密度。

圖2 蒸汽滲透速率與燒傷時間之間的關(guān)系Fig.2 Relation between steam penetration rate and burn time

為了進(jìn)一步分析消防服防水透氣層織物基本性能與皮膚二級燒傷之間的關(guān)系，本文利用Pearson相關(guān)性分析調(diào)查了不同因素與二級燒傷時間之間的相關(guān)程度，其不同熱暴露條件下的相關(guān)系數(shù)如下表4所示。在干態(tài)熱暴露條件下，織物厚度與面密度對織物系統(tǒng)的熱防護(hù)性能其決定性的作用，這是因?yàn)樵诟蓱B(tài)條件下，織物系統(tǒng)的熱量傳遞主要是熱傳導(dǎo)與輻射傳熱，織物厚度與面密度的增加能夠減小織物導(dǎo)熱系數(shù)以及輻射穿透率[13-14]，同時增加織物系統(tǒng)的熱量蓄積，減緩熱量傳遞速率[15]。相反，在濕態(tài)熱暴露條件下，高溫蒸汽能夠減小織物厚度與面密度對織物系統(tǒng)熱防護(hù)性能的影響，其熱防護(hù)性能與織物的標(biāo)準(zhǔn)回潮率以及蒸汽滲透率呈現(xiàn)顯著性負(fù)相關(guān)關(guān)系。織物回潮率代表織物的吸濕能力，可以看出織物的吸濕能力越好，其熱防護(hù)性能越差，這是因?yàn)楦邷卣羝軌驍y帶大量的熱量，在100 ℃時的潛熱達(dá)到2 257 kJ/kg[16-17]，高溫蒸汽被織物系統(tǒng)吸收之后將釋放出大量的熱量，同時冷凝之后的液態(tài)水將會增加織物系統(tǒng)的導(dǎo)熱系數(shù)，加快熱量向皮膚的傳遞過程?？椢镎羝麧B透速率是指在高溫蒸汽熱暴露過程中穿透織物系統(tǒng)，在皮膚表面冷凝的蒸汽傳遞速率，這一部分傳遞的高溫蒸汽將直接導(dǎo)致皮膚的蒸汽燒傷，與織物的透氣性有關(guān)。

表4 不同熱暴露條件下的皮膚二級燒傷時間 與織物性能之間的相關(guān)性分析Tab.4 Correlation analysis between 2nd degree burn time and fabric properties in different exposure conditions

注：*代表在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；**代表在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

2.2 織物系統(tǒng)的熱傳遞分析

整個實(shí)驗(yàn)過程中織物系統(tǒng)的熱量傳遞由熱暴露階段與冷卻階段組成，其不同階段穿透織物系統(tǒng)的熱流量如圖3所示。

圖3 穿透織物系統(tǒng)的熱流量分布Fig.3 Heat flux distribution through fabric system

在熱暴露階段(qe)，可以發(fā)現(xiàn)：1)濕態(tài)條件下傳遞的熱流量明顯多于干態(tài)條件下傳遞的熱流量(P<0.05)；2)織物系統(tǒng)A1的熱流量出現(xiàn)明顯的增長，這是因?yàn)榭椢锵到y(tǒng)A1沒有防水透氣層，導(dǎo)致較多的蒸汽滲透到皮膚表面，產(chǎn)生冷凝釋放大量熱量；3)與織物系統(tǒng)A2、A3相比，織物系統(tǒng)A4在干態(tài)條件下的熱流量相對較小，而在濕態(tài)條件相對較大，因?yàn)榭椢锵到y(tǒng)A4的厚度與面密度較大，能夠提高織物在干態(tài)下的熱防護(hù)性能，但同時具有較大的標(biāo)準(zhǔn)回潮率以及蒸汽滲透速率，從而進(jìn)入織物系統(tǒng)的高溫蒸汽較多，導(dǎo)致織物系統(tǒng)的熱防護(hù)性能減小。在織物系統(tǒng)的冷卻階段(qc)，在濕態(tài)條件下不同織物系統(tǒng)傳遞的熱流量呈現(xiàn)遞減的趨勢，這是因?yàn)闊岜┞峨A段滲透織物系統(tǒng)的高溫蒸汽在皮膚表面發(fā)生冷凝，而在冷卻階段冷凝水會進(jìn)一步蒸發(fā)，促進(jìn)熱量的散失，所以其濕態(tài)條件下的熱流量減小，但是與干態(tài)熱暴露條件下熱流量相比并無顯著性差異(P=0.327>0.05)。

在濕態(tài)熱暴露條件下織物系統(tǒng)傳遞的熱量(qe)分為干熱傳遞(qd)與蒸汽熱傳遞(qs)2部分，由圖3可知，蒸汽熱傳遞占總熱傳遞的比例較大，說明在低壓蒸汽熱暴露條件下，高溫蒸汽能夠迅速穿透織物系統(tǒng)產(chǎn)生蒸汽燙傷。對于織物系統(tǒng)A1來說，其蒸汽傳熱占比最小，說明織物內(nèi)部的導(dǎo)熱與輻射傳熱對整個熱傳遞過程仍然有重要的作用；從含有防水透氣層的織物系統(tǒng)(A2、A3、A4)熱傳遞來看，織物系統(tǒng)A2蒸汽熱傳遞占比最大，這是因?yàn)榭椢锵到y(tǒng)A2的蒸汽滲透速率較大(如圖2所示)，而織物系統(tǒng)A4的蒸汽熱傳遞占比最小，因?yàn)榭椢锵到y(tǒng)A4的回潮率最大(見表2)，說明能夠吸收較多的蒸汽，減小蒸汽的滲透，但是蒸汽被織物系統(tǒng)吸收，將會釋放大量熱量，并且增加織物系統(tǒng)的導(dǎo)熱系數(shù)，從而導(dǎo)致干熱傳遞的增加。

由上文可知，織物系統(tǒng)A2、A3、A4均含有防水透氣層，能夠明顯地提高織物系統(tǒng)的熱防護(hù)性能。圖4示出了3種織物系統(tǒng)總傳遞能量隨時間的變化情況。隨著熱暴露時間的增加，織物系統(tǒng)總傳遞能量呈現(xiàn)遞增的趨勢，在180 s的熱暴露結(jié)束之后，總傳遞能量仍呈現(xiàn)增長，但其增長速率趨于平緩。在熱暴露階段，濕態(tài)條件下的熱量增長速率幾乎保持恒定，而干態(tài)條件下的增長速率出現(xiàn)明顯的波動，其主要原因是：濕態(tài)條件下的熱量傳遞主要取決于蒸汽傳熱，由于外界環(huán)境的蒸汽輸送速率恒定，故其蒸汽傳熱速率幾乎保持不變；而在干態(tài)傳熱條件下，熱暴露起始階段織物系統(tǒng)能夠蓄積大量熱量，同時織物系統(tǒng)中的水分會隨著織物溫度的上升而蒸發(fā)降溫，從而減緩織物系統(tǒng)的熱量傳遞[15,18]。在大約80 s的熱暴露之后，織物系統(tǒng)在干態(tài)熱暴露條件下的熱傳遞速率趨于穩(wěn)定，但是小于濕態(tài)條件下的熱傳遞速率。從同一種織物系統(tǒng)來看，干濕態(tài)條件下織物系統(tǒng)總傳遞能量的差異隨著熱暴露時間的延長而逐漸增大，在熱暴露結(jié)束之后，兩者之間的差異保持恒定的狀態(tài)，其中，織物系統(tǒng)A4的總傳遞能量差異最大，主要是由于織物系統(tǒng)A4的干態(tài)熱防護(hù)性能最好，相反高溫蒸汽熱防護(hù)性能最差。

圖4 織物系統(tǒng)總傳遞能量的變化Fig.4 Changes in total energy through fabric system

3 結(jié) 論

本文基于新研發(fā)的熱防護(hù)性能測評裝置，評價了在干態(tài)和濕態(tài)熱暴露條件下，防水透氣層對消防服熱防護(hù)性能的影響，主要得出如下重要結(jié)論：

1)消防服防水透氣層織物能夠明顯地提高織物系統(tǒng)在濕態(tài)熱暴露條件下的熱防護(hù)性能。在干態(tài)熱暴露條件下，織物厚度與面密度對織物系統(tǒng)的熱防護(hù)性能其決定性的作用。在濕態(tài)熱暴露條件下，高溫蒸汽能夠減小織物厚度與面密度對織物系統(tǒng)熱防護(hù)性能的影響程度，織物系統(tǒng)的熱防護(hù)性能與織物的透氣性、蒸汽滲透率呈現(xiàn)顯著性負(fù)相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)依次為-0.978、-0.955。

2)高溫蒸汽、高溫輻射條件下織物系統(tǒng)的蒸汽滲透速率與織物的透氣性、透濕率、回潮率呈正相關(guān)關(guān)系，與織物系統(tǒng)的厚度、面密度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)依次為：0.972、0.617、0.999、-0.974、-0.927。

3)在熱暴露階段，濕態(tài)條件下傳遞的熱流量明顯多于干態(tài)條件下傳遞的熱流量(P<0.05)，其中蒸汽熱傳遞占總熱傳遞的比例較大，說明高溫蒸汽能夠迅速穿透織物系統(tǒng)產(chǎn)生蒸汽燙傷；在冷卻階段，干態(tài)與濕態(tài)熱暴露條件下傳遞的熱流量并無顯著性差異(P=0.327>0.05)。

4)從含有防水透氣層的織物系統(tǒng)(A2、A3、A4)熱傳遞來看，織物系統(tǒng)A2的蒸汽熱傳遞占比最大，取決于織物系統(tǒng)的蒸汽滲透速率；而織物系統(tǒng)A4的蒸汽熱傳遞占比最小，主要因?yàn)榭椢锵到y(tǒng)A4的回潮率最大，同時織物系統(tǒng)A4因具有較大的厚度與密度，從而具有最佳的干態(tài)熱防護(hù)性能，但同時具有較大的標(biāo)準(zhǔn)回潮率以及蒸汽滲透速率，故高溫蒸汽熱防護(hù)性能最差，導(dǎo)致在干態(tài)與濕態(tài)熱暴露條件下的總傳遞能量差異最大。

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[1] ZHOU L Q, MENG J G. Current situation and development of waterproof and moisture permeable fabric [J]. Progress in Textile Science & Technology, 2010(1):38-39.

[2] ALDRIDGE D. Firefighter garment with combination facecloth and moisture barrier: US Patent 5,640,718[P]. 1997-06-24.

[4] KAHN S A, PATEL J H, LENTZ C W, et al. Firefighter burn injuries: predictable patterns influenced by turnout gear [J]. Journal of burn care & research, 2012, 33(1):152-156.

[5] DESRUELLE A V, SCHMID B. The steam laboratory of the institut de medecine navale du service de sante des armees: a set of tools in the service of the French navy [J]. European Journal of Applied Physiology, 2004, 92(6): 630-635.

[6] SATI R, CROWN E M, ACKERMAN M, et al. Protection from steam at high pressures: development of a test device and protocol [J]. International Journal of Occupational Safety and Ergonomics, 2008,14(1): 29-41.

[7] MURTAZA G. Development of fabrics for steam and hot water protection [D]. Edmonston: University of Alberta, 2012:1-131.

[8] LIU H, CUI Z, ZHANG W Y. Investigation of protective performance of heat resistant fabrics under external hot steam exposure[C]//Proceedings of the Third International Conference on Modelling and Simulation: 4th Volume Modelling and Simulation in Biology, Ecology & environment[s.n.]. 2010: 435-438.

[9] KERBER S, WALTON W D. Effect of positive pressure ventilation on a room fire [M]//US Department of Commerce. NISTIR 7213. Gaithersburg: National Institute of Standards and Technology, 2005:1-53.

[10] SU Y, LI J. Development of text device to characterize thermal protective performance of fabrics against hot steam and thermal radiation [J]. Measurement Science and Technology, 2016, 27(12):1-9.

[11] PENNES H H. Analysis of tissue and arterial blood temperatures in the resting human forearm [J]. Journal of Applied Physiology, 1948, 1(2): 93-122.

[12] HENRIQUES F C J. Studies of thermal injury. the predictability and the significance of thermally induced rate processes leading to irreversible epidermal injury [J]. Arch Pathol (Chic), 1947, 43(5): 489-502.

[13] MORITZ A R, HENRIQUES F C. Studies of thermal injury: Ⅱ: the relative importance of time and surface temperature in the causation of cutaneous burns [J]. Am J Pathol, 1947, 23(5): 695-720.

[14] TORVI D A, DALE J D. Heat transfer in thin fibrous materials under high heat flux [J]. Fire Technology, 1999, 35(3): 210-231.

[15] SUN G, YOO H S, ZHANG X S, et al. Radiant protective and transport properties of fabrics used by wildland firefighters [J]. Textile Research Journal, 2000, 70(7): 567-573.

[16] HE J, LI J. Analyzing the transmitted and stored energy through multilayer protective fabric systems with various heat exposure time [J]. Textile Research Journal, 2016, 86: 3235-3244.

[17] PRUITT B A, ERICKSON D R, MORRIS A. Progressive pulmonary insufficiency and other pulmonary complications of thermal injury[J]. Journal of Trauma, 1975,15(5): 369-379.

[18] MORITZ A R, HENRIQUES F C, MCLEAN R. The effects of inhaled heat on the air passages and lungs: an experimental investigation [J]. IEEE Transactions on Dielectrics & Electrical Insulation, 1945, 19(3): 763-769.

[19] SU Y, HE J, LI J. Modeling the transmitted and stored energy in multilayer protective clothing under low-level radiant exposure [J]. Applied Thermal Engineering, 2016, 93:1295-1203.

Influence of waterproof permeable layer on thermal and moisture protective performance of firefighter protective clothing in fire disaster

SU Yun1,2， LI Jun1,2,3

(1.Fashion&ArtDesignInstitute,DonghuaUniversity,Shanghai200051,China; 2.ProtectiveClothingResearchCenter,DonghuaUniversity,Shanghai200051,China; 3.KeyLaboratoryofClothingDesignandTechnology,MinistryofEducation,Shanghai200051,China)

In order to evaluate the influence of waterproof permeable layer on thermal and moisture protective performance of firefighter protective clothing, an newly-developed testing apparatus was employed to characterize the thermal and moisture protective performance of various fabric systems under dry and wet heat exposure conditions, and analyze the relation between basic parameters of the waterproof permeable layer and thermal protective performance. The results demonstrat that the increase of thickness and weight of the waterproof permeable layer can increase the thermal protective performance provided from the fabric system under dry heat exposure condition, while the fabric system having the waterproof permeable layer obviously improve the thermal and moisture protective performance. The fabric′s moisture regain and air permeability are the important factors influencing the steam transfer. In addition, the total heat energy is transferred by the phase change of hot steam, so that the protection from hot steam is to reduce the steam penetration and absorption.

hot steam; firefighter protective clothing; thermal protective performance; waterproof permeable layer; thermal radiation

10.13475/j.fzxb.20161000307

2016-10-08

2016-11-15

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51576038);人因工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題項(xiàng)目(SYFD150051812K); 中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(16D110713)；東華大學(xué)博士創(chuàng)新基金項(xiàng)目(16D310701)

蘇云(1990—)，男，博士生。研究方向?yàn)楣δ芊雷o(hù)服及熱濕傳遞模型。李俊，通信作者，E-mail: lijun@dhu.edu.cn。

X 924.3；TS 941.73

A

獲獎?wù)f明：本文榮獲中國紡織工程學(xué)會頒發(fā)的第17屆陳維稷優(yōu)秀論文獎