防火服用蜂窩隔熱層的熱蓄積性能測(cè)評(píng)

侯玉瑩， 李小輝,2

(1. 東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院， 上海 200051；2. 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)

消防員在高溫工作環(huán)境中往往需要穿著防火服等防護(hù)裝備，因此，防火服的熱防護(hù)性就顯得尤為重要。為確保熱防護(hù)性能，防火服一般采用4層結(jié)構(gòu)，由外向內(nèi)依次是阻燃外層、隔熱層、防水透氣層、舒適層；然而，正是這種防護(hù)服的多層結(jié)構(gòu)在實(shí)際穿著過(guò)程普遍存在笨重、悶熱等問(wèn)題，不僅使消防員作業(yè)效率降低，還會(huì)對(duì)消防員身體造成一定程度的傷害。同時(shí)，由于消防員長(zhǎng)時(shí)間暴露在低熱流環(huán)境中，雖然防火服外層面料沒(méi)有出現(xiàn)明顯損傷，但消防員皮膚仍會(huì)產(chǎn)生燒傷現(xiàn)象。研究表明在熱暴露過(guò)程中，防火服由于其本身多層結(jié)構(gòu)會(huì)蓄積大量熱量，在熱暴露結(jié)束后，蓄積的熱量自然釋放或者因?yàn)榉b受壓被迫釋放，從而導(dǎo)致皮膚燒傷[1-2]。

針對(duì)防火服的多層結(jié)構(gòu)以及其笨重、悶熱造成的熱蓄積現(xiàn)象，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開(kāi)了較多的研究：通過(guò)運(yùn)用新型材料如相變材料改善防火服的蓄熱調(diào)溫能力[3-5]；從織物的厚度[6-8]、質(zhì)量[9]、空氣層厚度[10]、含水量[6-7]以及透氣性[9]方面分析對(duì)熱蓄積的影響；探究防火服的反光帶[7]和衣下空氣層[9]對(duì)熱蓄積的影響；通過(guò)對(duì)防火服設(shè)計(jì)通風(fēng)口來(lái)減少熱蓄積；分析熱流量強(qiáng)度對(duì)熱蓄積的影響[7,10]；對(duì)熱蓄積測(cè)試裝置[7]和熱蓄積測(cè)評(píng)方法進(jìn)行研究等，這些研究對(duì)防火服在熱防護(hù)領(lǐng)域做出巨大貢獻(xiàn)，但在實(shí)際應(yīng)用中防火服的熱蓄積性能和熱防護(hù)性能還需要進(jìn)一步完善和提高。

本文利用蜂窩結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能好、熱穩(wěn)定性好、質(zhì)量輕、隔熱性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用在防火服隔熱層中；通過(guò)選取當(dāng)前典型的織物進(jìn)行蜂窩夾芯的設(shè)計(jì)與制備，系統(tǒng)測(cè)評(píng)不同蜂窩夾芯邊長(zhǎng)、壁厚、芯厚下的最小熱暴露時(shí)間，分析對(duì)防火服熱蓄積性能的影響，綜合提高防火服的熱防護(hù)性能，以滿(mǎn)足在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試樣選取與制備

1.1.1 試樣選取

實(shí)驗(yàn)采用典型防火服面料，其中外層面料為Nomex?IIIA，防水透氣層面料為T(mén)-70/聚四氟乙烯(PTFE)，隔熱層采用Nomex氈(分別選取3種厚度：I-70氈Nomex、I-120氈Nomex、I-150氈Nomex)，舒適層面料為阻燃粘膠；各層試樣的基本性能參數(shù)如表1所示。

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

1.1.2 蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)試樣的制備

蜂窩結(jié)構(gòu)是研究最多的一種多孔二維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)的制作用料少，制備簡(jiǎn)單，同時(shí)蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)中，六邊形蜂窩強(qiáng)度最高，目前應(yīng)用最普遍。本文實(shí)驗(yàn)將排好版的蜂窩結(jié)構(gòu)導(dǎo)入二氧化碳激光切割機(jī)進(jìn)行切割，最后得到實(shí)驗(yàn)試樣。防火服織物蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中邊長(zhǎng)為l、壁厚為t、窩芯厚度為h。

圖1 防火服織物蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Honeycomb sandwich structure for fireproof clothing

本文實(shí)驗(yàn)考慮蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)孔型邊長(zhǎng)、壁厚、芯厚3個(gè)因素，提出6種方案，組成6種蜂窩結(jié)構(gòu)樣片E2-E6用于實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，又設(shè)計(jì)了一種未切割的實(shí)心對(duì)照組E1，如表2所示。

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

1.2 實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

本文實(shí)驗(yàn)?zāi)M防火服4層結(jié)構(gòu)，對(duì)不同厚度的隔熱層按表2切割成蜂窩孔型，將各種面料進(jìn)行組合得到21種實(shí)驗(yàn)試樣，如表3所示。并對(duì)21種試樣各做3次實(shí)驗(yàn)取平均值，共63個(gè)實(shí)驗(yàn)組。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與測(cè)評(píng)方法

1.3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本文實(shí)驗(yàn)根據(jù)ASTM F2731—2011《測(cè)量消防員防護(hù)服系統(tǒng)的能量傳播和儲(chǔ)存的標(biāo)準(zhǔn)》要求，采用MTN-P292-08型熱蓄積測(cè)試儀器SET測(cè)試儀(美國(guó)西北測(cè)試科技公司)對(duì)防火服用織物在低輻射熱環(huán)境下的防護(hù)性能進(jìn)行測(cè)試?？椢餆醾鬟f和熱蓄積的測(cè)試裝置如圖2所示。主要包括：試樣架，移動(dòng)托盤(pán)，傳感器，輻射熱源，壓縮裝置，數(shù)據(jù)采集、控制、燒傷和分析系統(tǒng)。

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

圖2 熱蓄積測(cè)試裝置Fig.2 Stored thermal energy test apparatus

1.3.2 熱蓄積評(píng)價(jià)方法

基于A(yíng)STM F2731標(biāo)準(zhǔn)有2種測(cè)試程序用于評(píng)價(jià)織物的熱蓄積，分別為迭代法(最小熱暴露時(shí)間法)和固定熱暴露時(shí)間法。本文實(shí)驗(yàn)中采用迭代法測(cè)試最小熱暴露時(shí)間值。

2 結(jié)果與分析

2.1 蜂窩孔型結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)面密度的影響

表4示出蜂窩隔熱層的面密度?？梢钥闯?，與實(shí)心的E1相比，經(jīng)過(guò)切割后的面料其面密度都有所降低。其中E4方案下的隔熱層面料實(shí)際面密度是所有方案中最輕的，比未做任何物理結(jié)構(gòu)改變的E1方案降低了64%。而且E2、E5、E7這3種方案下隔熱層的實(shí)際面密度大致相等。本文將從蜂窩結(jié)構(gòu)的邊長(zhǎng)、壁厚、芯厚這3個(gè)控制參數(shù)討論由表中也可以發(fā)現(xiàn)：切割后的邊長(zhǎng)越大，面料面密度越小；切割后的壁厚越小，面料面密度越??；邊長(zhǎng)和壁厚以同等比例增加或減少，切割后的隔熱層面密度大致相等。本文將從蜂窩結(jié)構(gòu)的邊長(zhǎng)、壁厚、芯厚這3個(gè)參數(shù)討論蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)對(duì)織物蓄積熱防護(hù)性能的影響。

表4 蜂窩隔熱層面密度Tab.4 Areal density of honeycomb core layer g/m2

2.2 邊長(zhǎng)對(duì)熱蓄積性能的影響

控制蜂窩結(jié)構(gòu)的壁厚和芯厚2個(gè)參數(shù)不變，研究蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)邊長(zhǎng)變化對(duì)織物熱蓄積性能的影響。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，3個(gè)芯厚的蜂窩結(jié)構(gòu)，都是正六邊形邊長(zhǎng)為3 mm時(shí)，最小熱暴露時(shí)間最長(zhǎng)。邊長(zhǎng)從 3 mm 增加到6 mm時(shí)，熱暴露時(shí)間變化范圍為1～6 s；邊長(zhǎng)從6 mm增加到9 mm時(shí)，熱暴露時(shí)間變化范圍為4～10 s，變化較大。邊長(zhǎng)在不同范圍內(nèi)變化時(shí)對(duì)織物的熱蓄積性能影響不同，但在其他參數(shù)相同的情況下，都表現(xiàn)出隨著邊長(zhǎng)的增加，最小熱暴露時(shí)間降低，其熱防護(hù)性能也有一定程度的下降。

為檢驗(yàn)蜂窩結(jié)構(gòu)的邊長(zhǎng)與熱暴露時(shí)間的相關(guān)性，隨機(jī)選取了壁厚為5.2 mm、芯厚為1.5 mm的蜂窩結(jié)構(gòu)。通過(guò)SPSS統(tǒng)計(jì)軟件，檢驗(yàn)在芯厚、壁厚相同的情況下，蜂窩邊長(zhǎng)與織物組合熱防護(hù)性能的相關(guān)性。表5示出壁厚為2.6 mm時(shí)邊長(zhǎng)與其熱暴露時(shí)間的相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果?？梢?jiàn)，蜂窩邊長(zhǎng)與熱暴露時(shí)間呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.993。這驗(yàn)證了織物系統(tǒng)蜂窩結(jié)構(gòu)邊長(zhǎng)的增加能降低熱暴露時(shí)間。

表5 邊長(zhǎng)與熱暴露時(shí)間相關(guān)性Tab.5 Correlation of side length and MET

2.3 壁厚對(duì)熱蓄積性能的影響

控制孔型邊長(zhǎng)不變，比較不同壁厚下實(shí)驗(yàn)試樣在熱蓄積測(cè)評(píng)中最小熱暴露時(shí)間值的大小。圖3示出蜂窩孔型邊長(zhǎng)分別為3、6、9 mm時(shí)不同壁厚的最小熱暴露時(shí)間。

圖3 不同孔型邊長(zhǎng)時(shí)不同壁厚的最小熱暴露時(shí)間Fig.3 MET of different wall thickness at different side length

從圖3可看出，隨著壁厚的增加，織物的最小熱暴露時(shí)間基本都是增加的，但增加的程度并不大。在孔型邊長(zhǎng)為3 mm和6 mm時(shí)，2種壁厚下的最小熱暴露時(shí)間基本持平，甚至在蜂窩孔型邊長(zhǎng)為 6 mm，芯厚為1.5 mm時(shí)，織物的熱暴露時(shí)間略有下降，因此在這2種孔型邊長(zhǎng)下，壁厚的增加并不會(huì)對(duì)熱蓄積性能有太大的影響。顯然在此蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)下，織物的最小熱暴露時(shí)間受其他因素影響大一些。由圖3(c)可以看出，蜂窩孔型邊長(zhǎng)為9 mm時(shí)，壁厚的增加對(duì)熱暴露時(shí)間產(chǎn)生了較大的影響。蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的壁厚從5.2 mm增加到7.8 mm，3種芯厚下織物的最小熱暴露時(shí)間增加都在5 s以上，因此，在邊長(zhǎng)為9 mm時(shí)，壁厚的增加對(duì)于織物的熱蓄積性能有積極的影響。不同大小的蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的壁厚、邊長(zhǎng)、芯厚3個(gè)因素相互搭配對(duì)熱蓄積性能有不同程度的影響，邊長(zhǎng)較大時(shí)可通過(guò)增加壁厚來(lái)提高織物的熱暴露時(shí)間。

2.4 芯厚對(duì)熱蓄積性能的影響

圖4示出蜂窩結(jié)構(gòu)的芯厚對(duì)防火服熱蓄積性能的影響。

圖4 不同芯厚面料組合的最小熱暴露時(shí)間Fig.4 MET of different sandwich thickness combinations

由圖4可很明顯地看出，芯厚為1.5 mm(C3)時(shí)，對(duì)應(yīng)的7種蜂窩孔型結(jié)構(gòu)的熱暴露時(shí)間值最大。當(dāng)蜂窩芯厚為0.6 mm時(shí)，實(shí)驗(yàn)試樣的熱暴露時(shí)間值從整體來(lái)看是最小的。總體上來(lái)說(shuō)，隨著蜂窩芯厚的增加，最小熱暴露時(shí)間值也會(huì)相應(yīng)增加，這也從一定程度上說(shuō)明增加芯厚可提高織物的熱暴露時(shí)間。

此外，圖4顯示的7種蜂窩孔型中，E3結(jié)構(gòu)(邊長(zhǎng)為3 mm,壁厚為5.2 mm)的最小熱暴露時(shí)間值最大，且都大于實(shí)心結(jié)構(gòu)(E1)織物的熱暴露時(shí)間；芯厚為1.5 mm時(shí)，E6結(jié)構(gòu)除外，其余幾種蜂窩孔型的熱暴露時(shí)間均明顯高于實(shí)心結(jié)構(gòu)。其中E3結(jié)構(gòu)熱暴露時(shí)間增加最多，與實(shí)心結(jié)構(gòu)E1相比，熱暴露時(shí)間增加近10 s，因此這也說(shuō)明，蜂窩結(jié)構(gòu)可一定程度地提高織物的熱暴露時(shí)間。

為檢驗(yàn)蜂窩結(jié)構(gòu)的芯厚與熱暴露時(shí)間的相關(guān)性，隨機(jī)選取了邊長(zhǎng)為3 mm、壁厚為5.2 mm的蜂窩結(jié)構(gòu)。通過(guò)SPSS統(tǒng)計(jì)軟件，檢驗(yàn)在邊長(zhǎng)、壁厚相同的情況下，蜂窩結(jié)構(gòu)芯厚與織物組合熱防護(hù)性能相關(guān)性，其結(jié)果如表6所示?？梢钥吹?，Pearson相關(guān)系數(shù)為0.959，蜂窩結(jié)構(gòu)芯厚與熱暴露時(shí)間呈明顯的正相關(guān)。這驗(yàn)證了蜂窩結(jié)構(gòu)芯厚的增加能提高熱暴露時(shí)間。

表6 芯厚與熱暴露時(shí)間相關(guān)性Tab.6 Correlation of core thickness and MET

3 結(jié) 論

1)采用蜂窩孔型的隔熱層可明顯減輕防火服的質(zhì)量，改善以往防火服存在的笨重的問(wèn)題。其中切割后的蜂窩邊長(zhǎng)越大，隔熱層織物面密度越小，切割后的蜂窩壁厚越小，織物面密度越小。

2)蜂窩結(jié)構(gòu)的芯厚對(duì)多層熱防護(hù)服的防護(hù)性能影響比較大，在本文實(shí)驗(yàn)中，選用最厚的 I-150氈 Nomex面料為隔熱層織物組合下的實(shí)驗(yàn)試樣的熱防護(hù)性能最好，在熱蓄積測(cè)評(píng)中的最小熱暴露時(shí)間值最高。

3)隔熱層孔型方案中不同正六邊形邊長(zhǎng)和壁厚的搭配，對(duì)多層熱防護(hù)服防護(hù)性能的影響各不相同。蜂窩壁厚一定的情況下，孔型邊長(zhǎng)值越高，防護(hù)服的熱暴露時(shí)間越低；蜂窩孔型邊長(zhǎng)一定的情況下，壁厚越大，防護(hù)服的熱暴露時(shí)間越高。