形狀記憶合金尺寸對消防服面料防護性能的影響

王麗君，盧業(yè)虎,2，王 帥，馬妮妮

(1. 蘇州大學 紡織與服裝工程學院， 江蘇 蘇州 215021； 2. 蘇州大學 現(xiàn)代絲綢國家工程實驗室， 江蘇 蘇州 215123)

在極度危險與復雜的工作環(huán)境中，消防員或應急救援人員主要依靠特定的防護服裝抵御各種災害源對人體的侵害，如火焰、輻射熱、高溫物體、高壓蒸汽、熔融物質等[1-2]。同時，消防員多數(shù)時間處于低熱輻射的環(huán)境中[3-5]，服裝的蓄積熱也可能會引起皮膚燒傷[6]。為提高熱防護服的防護性能，行業(yè)內(nèi)大都采用研制新型阻燃纖維材料或增加面料厚度和層數(shù)等方法[7-8]，但此類服裝制成之后其隔熱性能相對固定，不能實現(xiàn)動態(tài)調節(jié)，無法滿足著裝者應對多變環(huán)境下的穿著使用需求。

為實現(xiàn)防護服的動態(tài)調節(jié)功能，研究者將形狀記憶材料與防護服相結合[9-10]。Congalton[11]將形狀記憶合金盤成扁平蚊香狀并暴露于強輻射條件下，發(fā)現(xiàn)動態(tài)結構能夠改善防護性能，Hendrickson[12]將可形成7 mm空氣層的形狀記憶環(huán)(SMR)放入消防服面料系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)在輻射條件下SMR產(chǎn)生的空氣層可使皮膚處于較低的溫度范圍內(nèi)，延長救援時間。隨后，White[13]進一步發(fā)現(xiàn)SMR在面料中的位置影響服裝熱防護效果，其中SMR放置在防水透氣層外部的面料組合的隔熱效果更好，同時也驗證了形變溫度接近皮膚達到二級燒傷溫度的SMR具有更優(yōu)越的防護性能。陳艷等[14]采用高溫火焰接觸法進行防火隔熱性能測試發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生的空氣層隔熱效果較為明顯。Yates[15]將遇熱后中部可彈起的形狀記憶合金絲圈固定在防護服口袋中發(fā)現(xiàn)，其可顯著減少口袋部位的熱量傳遞。然而，上述研究均沒有測試低輻射熱和高溫物體接觸條件下彈簧不同彈起高度對阻燃織物的隔熱性能影響，也未考慮彈簧排布方式對隔熱性能的影響。

本研究團隊前期將形狀記憶合金設置在防護服的防水透氣層與隔熱層之間，在低輻射和高溫熱接觸條件下探索了不同排列方式的形狀記憶合金消防面料的防護性能[16-17]發(fā)現(xiàn)，形狀記憶合金彈簧可有效提高面料組合的防護性能，熱源環(huán)境和彈簧排列方式也會影響其隔熱性能[18]。上述技術手段均利用形狀記憶合金材料產(chǎn)生的空氣層提高面料系統(tǒng)的隔熱性能，但空氣層的尺寸對其防護性能的具體影響尚不明確，本文將進一步研究在高溫熱接觸和低輻射熱環(huán)境下，形狀記憶合金彈簧高度對面料組合的防護性能的影響，以期研制出性能優(yōu)異的智能消防服面料組合。

1 形狀記憶合金消防面料組合的研制

1.1 形狀記憶合金彈簧

本文采用的形狀記憶合金材料為銅基合金，形變溫度約為45 ℃，合金絲直徑為1.5 mm[16-18]。圖1示出2種彈起高度的彈簧。由合金絲制成的合金彈簧完全彈起高度分別為32 mm和16 mm，如圖1(a)所示。全高型合金彈簧的最大直徑為28 mm，最小直徑為14 mm；減半型合金彈簧的最大直徑為 21 mm，最小直徑為14 mm。

圖1 2種彈起高度的彈簧Fig.1 Two types of springs.(a) At high temperature;(b) At low temperature

1.2 形狀記憶合金消防面料組合

消防服面料組合包括防護外層、防水透氣層和隔熱層，將形狀記憶合金彈簧放置在防水透氣層和隔熱層之間，使用芳綸阻燃線固定。樣品面料尺寸為 15 cm×15 cm。表1示出面料的基本性能。參考之前的研究[16-18]，在面料上對2種形狀記憶合金彈簧分別采用4組不同的排列方式，即：無形狀記憶合金彈簧(簡稱無排列)、1個彈簧中心排列(排列1)、2個彈簧對角線排列(排列2)及3個彈簧對角線排列(排列3)，共7種面料組合。為模擬服裝實際穿著時面料之間的相互作用，同時防止彈簧形變過程中面料之間發(fā)生滑移，將3層組合面料在非彈簧排列的對角處固定[16]。

表1 消防服面料的基本性能

2 實驗部分

本文采用熱平板儀和熱防護性能測試儀分別模擬高溫熱接觸和低輻射熱的救援環(huán)境。圖2示出 2種熱源測試設備。實驗時將高溫熱平板儀溫度設置為400 ℃，熱接觸時間為20 s。熱防護性能測試儀的輻射熱流量設定為12 kW/m2，輻射時間為70 s。對7種不同的面料組合進行高溫熱接觸實驗和熱輻射實驗，將直徑為0.2 mm的T型熱電偶固定在隔熱層的內(nèi)表面，采用NI數(shù)據(jù)記錄儀(NI 9231，美國)測量隔熱層內(nèi)表面溫度θ(面料中心溫度)。為減小試驗誤差，每種試樣至少測試3次，求平均值。

圖2 2種熱源測試設備Fig.2 Test equipment of two kinds of thermal hazard.(a) Hot surface contact;(b) Thermal radiation

3 結果與討論

3.1 高溫接觸條件下隔熱層內(nèi)層溫度

圖3示出在高溫接觸條件下7組試樣的隔熱層內(nèi)表面溫度θT的變化曲線。由圖可知，由于3層面料組合的隔熱性延緩了熱量的傳遞，所有試樣前2 s左右的溫度無明顯變化。此后，排列1、排列3減半型和排列3全高型3組試樣溫度先迅速增長至 55～60 ℃，再緩慢下降至50～55 ℃，其余4組試樣溫度以緩慢的速度增長，最終溫度為45～50 ℃。

3.2 高溫接觸條件下的防護性能

人體皮膚開始出現(xiàn)損傷時的溫度為44 ℃(溫升為12 ℃)時，超過56 ℃(溫升為24 ℃)可能出現(xiàn)二級燒傷。表2示出了高溫接觸條件下各種面料組合的隔熱性能的比較。由表可知，4種排列方式下試樣溫度達到 44 ℃的時間呈現(xiàn)如下規(guī)律：無排列<排列2<排列1<排列3，排列1和排列3方式下試樣的全高型較減半型用時長，而排列2的效果相反。排列2方式下試樣溫度達到56 ℃的時間大于無排列，且全高型小于減半型，而排列1和排列3試樣溫度未達到56 ℃。在不同的排列方式下，各試樣達到的最高溫度呈如下趨勢：無排列>排列2>排列1>排列3。

形狀記憶合金彈簧彈起高度對最高溫度也有一定的影響，即排列1和排列3試樣減半型較全高型分別高4.5和2.5 ℃，而排列2試樣全高型較減半型高0.9 ℃。4種排列方式下試樣的最終溫度趨勢與最高溫度一致，且全高型試樣最終溫度均比減半型要低。

圖3 高溫接觸條件下隔熱層內(nèi)層溫度θT的變化Fig.3 Change curves of θT in hot surface contact test

表2 高溫接觸條件下各組試樣的隔熱性能Tab.2 Heat insulating properties of each sample in hot surface contact test

綜上所述，在彈簧高度相同的情況下，排列1與排列3方式下試樣的隔熱效果顯著，而排列2方式的試樣與無排列方式相比，有一定的作用但并不明顯。這是由于測溫點在試樣的正中心，排列1與排列3方式試樣在試樣中心處安置有彈簧，從而在中心區(qū)域形成的空氣層厚度分別為32與16 mm，隔熱性能較好，同時延長了內(nèi)表層到達44與56 ℃的時間，且至少是無排列試樣的3.6倍，這與前期的研究結果一致[17- 18]。2種排列方式下試樣所達到的最高溫度即最終溫度也較低，與無排列方式相比具有顯著性差異(P<0.05)。對于排列2試樣，彈簧距中心測溫點位置較遠，空氣層厚度增長較慢，溫度增長較快。由于中心處最終形成的空氣層厚度小于彈簧形變高度32與16 mm，從而內(nèi)表層溫度較高，最高溫度達到57 ℃左右，且最終溫度與無排列方式差異性較小，沒有顯著性差異(減半型P=0.82，全高型P=0.17)。

比較溫度到達44 ℃的時間發(fā)現(xiàn)，在排列1與排列3方式下全高型彈簧大于減半型彈簧，分別延長了4.5和5 s。雖然安置2種類型彈簧的試樣溫度都未達到56 ℃，但全高型彈簧達到的最高溫度即最終溫度比減半型彈簧低，且差異性顯著(排列1P=0.02，排列3P=0.01)，這進一步說明中央空氣層厚度為32 mm的試樣所起到的隔熱效果較 16 mm的好。對于排列2方式的試樣，比較其內(nèi)表層到達 44與56 ℃的時間，裝有減半型彈簧的試樣所需時間較裝有全高型彈簧的試樣長2～3 s。在實驗初期，面料層間空氣層厚度較小，空氣層的散熱速度不及金屬的導熱速度，導致全高型彈簧的試樣溫度增長得較快。安置2種彈簧試樣達到的最高溫度則無差異性，且持續(xù)時間較短，對隔熱效果的影響較小。隨著彈簧發(fā)生形變，空氣層厚度逐漸變大，全高型試樣的溫度逐漸比減半型試樣低，最終溫度低1.4 ℃，但無顯著性差異(排列2P=0.13)?？傮w來說，全高型彈簧試樣所形成的空氣層越厚，其隔熱性能相對較好。在后續(xù)的研究中，將進一步測量整個內(nèi)表面的溫度，從而更為準確、全面地評價其隔熱效果。

3.3 熱輻射條件下隔熱層內(nèi)層溫度

圖4示出熱輻射條件下7種組合試樣隔熱層內(nèi)表面的溫度θR的變化曲線。從整體上看，由于熱量在面料組合間傳導具有延時性，所有試樣的θR在 0～5 s內(nèi)保持穩(wěn)定。超出5 s后，7組試樣的θR均持續(xù)增長。所有試樣θR的最高溫度即為最終溫度，此時熱量傳遞未獲得動態(tài)平衡，溫度并沒有穩(wěn)定的趨勢。

圖4 熱輻射條件下隔熱層內(nèi)層溫度θR的變化Fig.4 Change curves of θR in thermal radiation test

3.4 熱輻射條件下的防護性能

表3示出熱輻射條件下各種面料組合的隔熱性能。在彈簧高度相同的情況下，排列1與排列3方式試樣到達44 ℃所用時長至少為無排列方式試樣的1.6倍，而排列2方式試樣與無排列方式到達 44 ℃的時間相近。形狀記憶合金彈簧彈起高度不同，各試樣θR到達44 ℃的時間也有所差異，整體上滿足無排列<減半型≤全高型。排列1和排列3試樣70 s內(nèi)未達到56 ℃，排列2試樣到達56 ℃的時間是無排列試樣的1.2倍，但排列2方式的全高型與減半型僅差0.1 s。對于全高型彈簧，4種排列方式試樣的最終溫度為：無排列>排列2>排列3>排列1；而對于減半型彈簧，試樣最終溫度略有不同，即無排列>排列2>排列1>排列3。試樣的最終溫度滿足全高型<減半型<無排列規(guī)律。

表3 熱輻射條件下各組試樣的隔熱性能Tab.3 Heat insulating properties of each sample in thermal radiation test

較之無排列方式，排列1、排列3方式的試樣在達到44與56 ℃的時間以及最終溫度方面均具有明顯的效果(P<0.05)，與高溫接觸條件下的規(guī)律類似。而排列2方式試樣與無排列相比，在最終溫度上的作用效果較明顯，一定程度延長了到達56 ℃的時間，但到達44 ℃的時間較為接近。由于實驗開始時試樣中心測溫點處空氣層厚度增加不明顯，導致實驗初期試樣的隔熱效果較差，同時也是導致該排列方式的2種類型彈簧試樣達到44 ℃時間相同的原因。

圖5示出了熱輻射條件下排列2方式彈簧產(chǎn)生的空氣層。隨著彈簧的形變增加，空氣層形狀和厚度不同，排列2的減半型和全高型與無排列試樣在最終溫度上具有一定差異。排列2試樣最終的內(nèi)部空氣層呈現(xiàn)對角線兩邊凸起，中間由于織物重力呈凹陷的形狀，中心點處空氣層厚度小于排列1和排列3所達到的彈簧形變高度的最大值32 mm，試樣最終溫度相對偏高，隔熱效果相對較弱。2種類型的彈簧在測溫點處產(chǎn)生的空氣層厚度以彈簧高度32 mm為參照具有一定的差異，所以試樣的最終溫度也具有一定的差異(6.3 ℃)；但由于實驗時間有限，差異并不顯著(排列2P=0.13)。

圖5 熱輻射條件下排列2方式彈簧產(chǎn)生的空氣層Fig.5 Air gaps produced by two types of springs with arrangement 2 in thermal radiation test.(a) Cut type;(b) No-cut type

對于彈簧形變高度對面料組合隔熱性能的影響，由于排列2方式下2種類型彈簧試樣中心空氣層厚度增長較慢，溫度達到44和56 ℃所需時間相近，隔熱效果差異不明顯。而在其余2種彈簧排列方式下，全高型比減半型試樣延緩熱量傳遞的效果較好。其中排列1試樣全高型在70 s內(nèi)未達到44 ℃，所用時長是減半型的1.9倍以上。減半型的試樣最終溫度是全高型的1.3倍，且具有顯著性差異(排列1P=0.046 )。這與2種類型彈簧試樣產(chǎn)生的空氣層厚度有關，即2種彈簧產(chǎn)生的空氣層形態(tài)相似，但全高型產(chǎn)生的空氣層厚度高于減半型 16 mm。排列3試樣全高型在達到44 ℃所用時長是減半型的1.2倍，最終溫度也較低，具有顯著性差異(排列3P=0.015 )。由于中心點彈簧的安置，對于彈簧彈起高度不同的試樣，在測溫點處空氣層的厚度差異較大，導致2種類型彈簧試樣隔熱效果的差異較明顯。這進一步證明了在空氣對流導熱影響較小情況下，較厚的空氣層能更有效地減緩面料組合內(nèi)外熱量的傳遞，起到更好的隔熱效果。

圖6示出了熱輻射條件下排列1方式彈簧產(chǎn)生的空氣層。進一步分析不同排列方式下減半型和全高型彈簧在隔熱性能上的差異可知，在排列1方式下，二者的差異(13.7 ℃)最大，而排列3方式下二者的差異最小。這與彈簧形變產(chǎn)生的空氣層形狀和分布有關，即在排列1方式下空氣層分布不均勻，中間空氣層較大，呈射線狀減少的形狀[16]，安置2種類型的彈簧產(chǎn)生的空氣層差異較大(見圖6)；在排列3方式下，彈簧產(chǎn)生的空氣層形狀分布較均勻，整個空腔內(nèi)的傳熱較慢，隔熱效果較好，但受限于空腔的內(nèi)部空間，2種類型的彈簧形變產(chǎn)生的平均空氣層厚度差異較小，因而二者的差異(3.9 ℃)較小。對彈簧排布方式及彈簧種類綜合考量后得出：排列1全高型及排列3全高型是比較優(yōu)良的面料組合方案，能有效地阻礙熱量傳遞，延長人體受熱損傷時間，隔熱效果顯著。

圖6 熱輻射條件下排列1方式彈簧產(chǎn)生的空氣層Fig.6 Air gaps produced by two types of springs with arrangement 1 in thermal radiation test.(a) Cut type； (b) No-cut type

對于熱源的不同，2種類型彈簧試樣隔熱性能也有所差異。排列2試樣在熱輻射實驗中達到 44 ℃與56 ℃時間都極為接近，而高溫接觸實驗減半型彈簧試樣用時較長一點，這可能與熱量傳遞的速度、金屬的導熱速率、外界溫度引起彈簧形變速度的不同導致空氣層形成的快慢有關。高溫接觸中，外界溫度越高，金屬的導熱速率越大，熱量傳遞的速度越快，彈簧形變速度越快，雖然在短時間內(nèi)能及時形成空氣層，但由于空氣層的散熱速度不及金屬的導熱速度，所以高溫接觸實驗中減半型達到44與56 ℃的時間較長；熱輻射實驗中溫度變化較慢，空氣層形成速度較慢，金屬導熱速率也較低，二者引起的溫度變化差異較小，故2種類型彈簧起初隔熱性能無明顯差異。2種熱源環(huán)境下，排列1試樣防護性能略優(yōu)于排列3試樣，全高型較減半型有明顯優(yōu)勢。中心點空氣層變化速度都相對較快，空氣層的散熱速度大于金屬的導熱速度，故全高型較減半型隔熱效果要好。

4 結 論

通過分析不同排列方式及不同尺寸的形狀記憶合金面料組合的隔熱作用，得到如下結論。

1)在2種熱源條件下，形狀記憶合金彈簧的不同排列方式對面料組合的隔熱性能的影響不同。其中1個彈簧中心排列(排列1)與3個彈簧對角線排列(排列3)方式的面料組合內(nèi)表層溫度增長速度較慢，最終溫度較低，隔熱效果較好。

2)在高溫接觸條件下，對于排列1與排列3方式，從到達44和56 ℃所需時間和到達的最高溫度和最終溫度相比，全高型試樣的隔熱性能明顯優(yōu)于減半型，而2個彈簧對角線排列(排列2)由于中心點空氣層變化較慢，2種彈簧試樣差異并不明顯，隔熱性能差異不大。

3)在熱輻射條件下，排列2的2種類型彈簧試樣的最終溫度相差較明顯，而到達44 ℃的時間卻相同。其余2種排列方式的全高型較減半型在整個實驗過程中，明顯地提高了面料組合的防護性能，且排列1方式下，二者的差異最大，可能與彈簧形變產(chǎn)生的空氣層形狀及分布有關。

4)熱源的不同，對于排列2的2種類型彈簧試樣達到44和56 ℃的時間也有所差異。高溫接觸實驗由于起初金屬的導熱速率大于空氣層散熱速率，導致減半型用時較長，熱輻射實驗二者速率都較低則用時相當。

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