防火服用蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)織物的熱防護(hù)性能測評(píng)

杜菲菲， 李小輝，2，3， 張思嚴(yán)

(1. 東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院， 上海 200051； 2. 同濟(jì)大學(xué) 上海國際設(shè)計(jì)創(chuàng)新研究院， 上海 200080；3. 東華大學(xué) 現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200051)

防火服是一種特殊的功能性服裝，其作用是保護(hù)作業(yè)人員在特殊的工作環(huán)境中免受高溫傷害[1]。目前，防火服一般采用4層結(jié)構(gòu)，由外向內(nèi)依次為阻燃外層、防水透汽層、隔熱層與舒適內(nèi)層[2]，每層都有其各自的功能，這種多層復(fù)合結(jié)構(gòu)極大地提高了防火服的熱防護(hù)性能。然而，正是這種阻燃、高熱阻和防水性會(huì)降低防火服的透濕性能，阻礙汗水的排出和蒸發(fā)，限制人體出汗所釋放的潛熱[3-4]。

為解決防火服功能防護(hù)與熱濕舒適性的平衡關(guān)系，很多學(xué)者對(duì)熱防護(hù)材料進(jìn)行了研究。一些研究者提出利用相變材料來協(xié)調(diào)人體著裝時(shí)的熱平衡[5-6]，相變材料雖然可以減少熱應(yīng)力，提高熱濕舒適度，增強(qiáng)熱防護(hù)性能，但是相變材料本身的相變溫度、時(shí)間等會(huì)受火場環(huán)境下的暴露熱流量以及熱暴露時(shí)間的影響，同時(shí)研發(fā)也需要耗費(fèi)昂貴的成本[7]，應(yīng)用范圍相對(duì)比較局限。此外，還有一些學(xué)者提出將三維阻燃間隔織物應(yīng)用于隔熱層[8]，雖然三維阻燃間隔織物具有較好的透氣性，但由于它是經(jīng)編雙層結(jié)構(gòu)，容易在層隙之間形成熱循環(huán)，而且壓縮性也不是很好，做成的衣服較厚，用于防火服的優(yōu)勢并不明顯。另外有研究者研究了氣凝膠熱防護(hù)材料，由于質(zhì)輕、熱導(dǎo)率低，其性能非常適合作為隔熱材料[9]，其缺點(diǎn)是成本高、容易碎[10]，織物透氣性問題沒有得到解決，因此，目前尚不能滿足防火服熱濕舒適性能的要求。

事實(shí)上，上述熱防護(hù)材料都是通過隔絕熱傳遞的方式來實(shí)現(xiàn)熱防護(hù)，這導(dǎo)致水氣無法透過隔熱層到達(dá)防水透氣層，造成內(nèi)部悶熱的問題，因此，熱防護(hù)服要充分發(fā)揮多層結(jié)構(gòu)的復(fù)合功能，必然要克服實(shí)心夾層結(jié)構(gòu)自身的弊端，其結(jié)構(gòu)應(yīng)該在確保阻燃隔熱性能的同時(shí)更輕便、透氣透濕性能更好。而蜂窩結(jié)構(gòu)具有抗疲勞性能好、熱穩(wěn)定性佳、質(zhì)量輕、隔熱隔音性能優(yōu)良等優(yōu)異功能，在航空航天、汽車、船舶、建筑等領(lǐng)域[11-13]應(yīng)用廣泛。鑒于此，本文利用蜂窩結(jié)構(gòu)的質(zhì)輕、隔熱耐高溫等特性，提出用蜂窩夾芯中空結(jié)構(gòu)來改善服裝功能防護(hù)與人體熱平衡之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)熱防護(hù)與熱濕舒適性能的綜合提升。

本文主要通過選取當(dāng)前典型的熱防護(hù)織物進(jìn)行蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制備，對(duì)織物組合熱防護(hù)性能進(jìn)行測評(píng)研究，進(jìn)一步考察蜂窩邊長、壁厚、芯厚等參數(shù)對(duì)其熱防護(hù)性能的影響，以滿足其在眾多功能防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試樣選取

本文選取了當(dāng)前典型的各層面料作為實(shí)驗(yàn)材料：阻燃外層面料為A；防水透氣層面料為B；不同厚度的隔熱層面料分別為C1、C2、C3；舒適內(nèi)層面料為D。各層面料所對(duì)應(yīng)的參數(shù)見表1。

表1 面料試樣及其基本性能Tab.1 Fabric samples and fundamental characteristics

1.2 蜂窩孔形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

蜂窩結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生源于仿生學(xué)對(duì)于蜜蜂筑建的六角形蜂巢的研究，同時(shí)六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)的制備簡單，用料最少，效率也高。本文主要采用圖1所示的六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)，其中邊長、壁厚、芯厚為六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)的主要幾何參數(shù)。

圖1 芯子層蜂窩結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of sandwich layer honeycomb structure

對(duì)蜂窩孔形的設(shè)計(jì)主要包括邊長設(shè)計(jì)和壁厚設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)[14]指出：隨著蜂窩壁厚的增加，其熱導(dǎo)率也逐漸增大；隨著蜂窩邊長的增加，其熱導(dǎo)率開始逐漸減小。綜合考慮熱導(dǎo)率和面料性能，設(shè)計(jì)出6種不同蜂窩孔形結(jié)構(gòu)和1種不對(duì)隔熱層進(jìn)行切割的對(duì)照組，如表2所示。

表2 蜂窩孔形結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Parameters of honeycomb structure

1.3 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)?zāi)M防火服真實(shí)結(jié)構(gòu)的多層織物組合，由外向內(nèi)依次為阻燃外層、防水透氣層、隔熱層(蜂窩芯子層)和舒適內(nèi)層，如表3所示。分別對(duì)不同厚度的隔熱層C1、C2、C3按照表2設(shè)計(jì)出的7種蜂窩孔形結(jié)構(gòu)E1、E2、E3、E4、E5、E6、E7進(jìn)行切割，共制備得到21種蜂窩芯子層，切割后的隔熱層厚度用蜂窩芯厚表示，分別為0.81、1.28、1.65 mm。各層面料組合得到21組試樣，其中第1組、第8組和第15組試樣是實(shí)心結(jié)構(gòu)。為提高實(shí)驗(yàn)的精確性，減小實(shí)驗(yàn)誤差，擬對(duì)21組試樣各做3次實(shí)驗(yàn)，取其平均值，共需63個(gè)實(shí)驗(yàn)組。

表3 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)Tab.3 Experimental scheme design

1.4 織物熱防護(hù)性能測試

目前，針對(duì)防火服的熱防護(hù)性能主要是采用織物熱防護(hù)性能值測評(píng)和燃燒假人系統(tǒng)測評(píng)。本文采用織物的熱防護(hù)性能(TPP)實(shí)驗(yàn)方法，其測試原理是小規(guī)模模擬火災(zāi)現(xiàn)場，測定透過織物表面導(dǎo)致人體皮膚二度燒傷所需的熱量，從而來評(píng)價(jià)織物熱防護(hù)的相對(duì)能力。本文實(shí)驗(yàn)采用的儀器為如圖2所示的美國Custom Scientific Instrument公司的CSI-206型熱防護(hù)性能測試儀。

圖2 熱防護(hù)性能測試儀示意圖Fig.2 Schematic diagram of thermal protection performance tester

實(shí)驗(yàn)時(shí)將試樣水平置于熱源上面，在規(guī)定的125 mm距離內(nèi)，接受熱源為50%的熱對(duì)流和50%的熱輻射2種不同形式的傳熱，并達(dá)到標(biāo)定值(84±4)kW/m2。通過計(jì)算機(jī)程序控制窗口監(jiān)控傳感器的溫度，當(dāng)其溫度達(dá)到(32.5±0.2)℃時(shí)，開始實(shí)驗(yàn)，試樣的暴露時(shí)間為25 s。置于試樣背面的銅片熱流計(jì)溫度隨熱源作用時(shí)間而變化，從而計(jì)量出造成人體皮膚二度燒傷所需的時(shí)間，并計(jì)算此條件下的總熱量TPP值：

TPP=t2×q

式中：q為規(guī)定距離內(nèi)熱源輻射或者對(duì)流的總熱流量，其值為(84±4)kW/m2；t2為引起二度燒傷所需要的時(shí)間，s。TPP的大小代表織物熱防護(hù)性能的好壞，其值越大，織物熱防護(hù)性能越好；反之，織物熱防護(hù)性能越差。

2 結(jié)果與討論

蜂窩芯子層的面密度見表4?？煽闯觯簩⒉煌穸鹊母魺釋影凑誆2，E3，E4，E5，E6，E7切割后的面密度都比按照E1未切割的面密度小，其中：按照E2切割后的面密度減小得最少(減小了18.1～37.7 g/m2)；按照E5切割后的面密度減小得最多(減小了46.4～96.9 g/m2)；并且按照E3，E4，E7切割后的芯子層面密度相等，在3種芯厚下其面密度分別是40.2、71.2、84.0 g/m2。蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)對(duì)織物TPP 值的影響將從蜂窩結(jié)構(gòu)的邊長、壁厚、芯厚這3個(gè)控制參數(shù)進(jìn)行討論。

表4 蜂窩芯子層面密度Tab.4 Areal density of honeycomb core layers g/m2

2.1 邊長對(duì)織物熱防護(hù)性能的影響

控制蜂窩結(jié)構(gòu)的壁厚和芯厚2個(gè)參數(shù)不變，研究邊長變化對(duì)織物熱防護(hù)性能的影響規(guī)律。當(dāng)蜂窩壁厚為2.6 mm時(shí)，織物組合的TPP值隨著蜂窩邊長的增加而減小。

圖3示出蜂窩壁厚為5.2 mm時(shí)不同蜂窩芯厚下其邊長變化對(duì)織物熱防護(hù)性能的影響?？梢钥闯觯簩?duì)于芯厚0.81和1.28 mm，蜂窩孔形結(jié)構(gòu)E2的TPP值最高，E6的TPP值次之，E4的TPP值最低，其中E4和E6相差很小，不排除實(shí)驗(yàn)誤差的影響；對(duì)于芯厚1.65 mm，蜂窩孔形結(jié)構(gòu)E2的TPP值最高，E4的TPP值次之，E6的TPP值最低，與壁厚為2.6 mm時(shí)的變化規(guī)律一致。

圖3 蜂窩邊長對(duì)TPP的影響Fig.3 Influence of honeycomb side length on TPP value

從圖3還可看出，蜂窩結(jié)構(gòu)邊長從3 mm依次增加到9 mm時(shí)，其每個(gè)階段TPP值變化范圍也不一樣。當(dāng)邊長從3 mm增加到6 mm時(shí)，其TPP值變化范圍為1.2～1.5，變化比較大；當(dāng)邊長從6 mm增加到9 mm時(shí)，其TPP值變化范圍為0.2～0.9，變化相對(duì)較小。這也說明了邊長在不同的范圍內(nèi)變化時(shí)，對(duì)織物組合熱防護(hù)性能的影響程度也是不同的。綜上所述，蜂窩邊長影響著織物組合的熱防護(hù)性能，整體變化趨勢是隨著蜂窩邊長的增大，織物組合的TPP值變小，其熱防護(hù)性能減弱。

2.2 壁厚對(duì)織物熱防護(hù)性能的影響

在芯厚和邊長相同的情況下，其壁厚變化對(duì)織物熱防護(hù)性能的影響規(guī)律都是一樣的。圖4示出蜂窩邊長分別為3、6、9 mm時(shí)壁厚對(duì)熱防護(hù)性能的影響。其中：圖4(a)表示蜂窩孔形結(jié)構(gòu)為E2(邊長3 mm，壁厚5.2 mm)，E3(邊長3 mm，壁厚2.6 mm)的TPP值；圖4(b)表示蜂窩孔形結(jié)構(gòu)為E4(邊長6 mm，壁厚5.2 mm)，E5(邊長6 mm，壁厚2.6 mm)的TPP值；圖4(c)表示蜂窩孔形結(jié)構(gòu)為E6(邊長9 mm，壁厚5.2 mm)，E7(邊長9 mm，壁厚7.8 mm)的TPP值。

圖4 蜂窩壁厚對(duì)TPP值的影響Fig.4 Influence of honeycomb wall thickness on TPP value. (a) Side length of honeycomb of 3 mm; (b) Side length of honeycomb of 6 mm; (c) Side length of honeycomb of 9 mm

從圖4看出，蜂窩壁厚越大，TPP值越大，即熱防護(hù)性能越好。另外，從圖中也可觀察到：當(dāng)芯厚為0.81、1.28 mm時(shí)，TPP的變化范圍很小，在0.2～0.8之間；當(dāng)芯厚為1.65 mm時(shí)，TPP的變化范圍較大，在0.8～1.1之間。因此，壁厚在芯厚較小時(shí)對(duì)織物組合的熱防護(hù)性能影響很小，在芯厚較大時(shí)對(duì)織物組合熱防護(hù)性能的影響較為顯著。

2.3 芯厚對(duì)織物熱防護(hù)性能的影響

圖5示出當(dāng)外層面料為Nomex?時(shí)蜂窩芯厚對(duì)織物熱防護(hù)性能的影響?？梢钥闯觯寒?dāng)芯厚為1.65 mm時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的種蜂窩孔形結(jié)構(gòu)的TPP值最大；當(dāng)芯厚為0.81 mm時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的7種蜂窩孔形結(jié)構(gòu)的TPP最小。此規(guī)律與一些文獻(xiàn)的研究結(jié)果一致，例如，有學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，影響消防員防護(hù)服裝熱防護(hù)性能的主要因素是隔熱層的厚度，并證明TPP值隨著厚度的增加而增加[15]。這也說明了增加芯厚可以提高織物的熱防護(hù)性能。

圖5 蜂窩芯厚對(duì)TPP值的影響Fig.5 Influence of honeycomb core thickness on TPP value

此外，在圖5顯示的7種蜂窩孔形結(jié)構(gòu)中，實(shí)心結(jié)構(gòu)E1的TPP值最大，其次是蜂窩孔形結(jié)構(gòu)E2(邊長3 mm，壁厚5.2 mm)，而邊長為6 mm、壁厚為2.6 mm的蜂窩孔形結(jié)構(gòu)E5的TPP值最小，TPP值整體呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。結(jié)果表明：當(dāng)蜂窩邊長在0～6 mm的范圍內(nèi)變化時(shí)，邊長對(duì)TPP值的影響較大；然而之后隨著邊長繼續(xù)增加，邊長的影響逐漸變小，此時(shí)壁厚對(duì)TPP值的影響變得較為顯著。

3 結(jié) 論

1)蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)可減小多層織物組合的面密度，改善防護(hù)服存在的笨重問題。其中隔熱層蜂窩結(jié)構(gòu)切割的邊長越大，面密度越?。磺懈畹谋诤裨叫?，面密度越?。磺仪懈畹倪呴L與壁厚按相同比例變化，切割后的面密度相等。

2)多層織物組合的閃火熱防護(hù)性能受蜂窩結(jié)構(gòu)的邊長、壁厚、芯厚3個(gè)控制參數(shù)的影響，其中芯厚的影響最大。

3)增大蜂窩結(jié)構(gòu)的芯厚和壁厚，減小蜂窩邊長有利于增大織物組合的熱防護(hù)性能。

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