防火服織物的服用熱防護性能評價方法

李小輝，管曼好，李 俊

(1.東華大學服裝·藝術設計學院，上海 200051;2.東華大學功能防護服裝研究中心，上海 200051;3.東華大學現代服裝設計與技術教育部重點實驗室，上海 200051)

隨著科技的迅猛發展和社會不安定因素的日漸凸顯，承載更高價值與期望的熱防護功能服裝的應用日益廣泛，其中服裝熱防護性能量化測評及對合理配備的需求甚為迫切。然而，由于熱防護性能測評不僅要考慮織物性能，還需要考查服裝作為一個整體的熱防護性能［1］，其測試方法和評價指標涉及了從纖維材料、織物組織、服裝構成、著裝形態、火場情況等諸多因素。

目前，針對防火服的熱防護性能主要是采用織物熱防護性能值測評和燃燒假人系統測評。織物熱防護服性能測評原理是將熱防護織物暴露在熱流量可控的模擬火場，通過放置在織物后面的熱流傳感器測量皮膚達到二度燒傷所需的時間，用該條件下所采用的熱流量與燒傷時間的乘積來表征織物的熱防護性能(TPP)，即織物的TPP值。織物TPP測試方法雖然能夠較為真實的反映織物在火場中實際情況，且因其操作簡單、成本低而被廣泛采用［2－3］，但只能局限于織物小樣品的熱防護性能評價。燃燒假人系統測評方法則通過將整體服裝暴露在火場中來模擬人體皮膚的二度、三度燒傷程度及其分布，并以燒傷面積所占百分比來評價服裝熱防護性能［4－5］。雖然燃燒假人系統可對服裝整體熱防護性能進行皮膚燒傷評估，但是由于設備技術要求高，成本高，操作復雜等限制［6］，當前國內外各燃燒假人系統測評結果還難以形成統一的評價指標，從而阻礙了行業內熱防護服裝評價指標通用性的實現。

本文通過將織物熱防護性能測評方法拓展至服裝構成及著裝形態，提出了基于織物TPP測試的服裝熱防護性能評價方法。這種服裝熱防護性能評價方法既利用了織物TPP測評的穩定、簡便及成本低等優勢，又充分考慮了服裝層面的衣下間隙、熱形變等影響因素，并以熱防護服性能值為測評結果的通用性指標，既便于高性能防護服裝的功能設計與開發，還有助于防護服裝測評及合理配備的統一標準化。

1 服裝TPP評價方法

1.1 評價方法的提出

本文基于織物TPP測試對服裝熱防護性能評價方法的構架與思路如圖1所示。圖中A1、A2、…、An表示著裝衣下間隙的若干區域，T1、T2、…、Tm表示不同空氣層厚度和熱形變下測得的織物熱防護性能值，TA1、TA2、…、TAm表示對著裝全身所提取衣下間隙位置所對應的熱防護性能值。

圖1 服裝TPP評價方法的研究思路Fig.1 Research framework of clothing TPP

該服裝TPP評價方法服裝層面是通過對款式構成、規格尺寸、人體等著裝形態特征的提取，最終以量化的衣下間隙作為與織物測評集成的數據元。熱防護服的傳熱與傳質是由服裝、人體以及二者之間形成的衣下空氣層構成。由于衣下空氣的傳導系數遠小于熱防護織物，熱量透過織物傳遞到皮膚的過程中，衣下間隙大小與分布會明顯地影響輻射、對流、傳導3種傳熱方式，從而影響服裝的熱防護性能［7］。從織物層面來看，其測評可通過衣下空氣層厚度作為與服裝評價集成的數據元，然后將由著裝形態提取出來的衣下間隙與相應的織物熱防護性能值進行匹配與集成，最后獲得以熱防護性能值為結果的服裝熱防護性能評價指標，該服裝熱防護性能值可采用服裝整體的熱防護性能(TC)來表示，或者采用最小空氣層所占比例得到的服裝熱防護性能(TM)來表示。

1.2 織物TPP測評

1.2.1 測評方法

當前典型的織物TPP測試方法主要是參照美國NFPA—1971《建筑滅火中消防員全套裝備標準》，其熱源主要是采用2個呈45°放置的燃燒器提供燃燒火焰，同時還增加了電加熱石英燈管提供輻射熱源，使整個模擬火場的對流與輻射熱流比例可調節。其中試樣與石英燈管的距離為127mm。織物與熱源的接觸面積為100mm×100mm。根據火場總熱流量與熱流計記錄皮膚達到二度燒傷所用時間的乘積即TPP值作為測評結果。熱防護織物的熱防護性能值越大，表示其熱防護性能越好，反之則越差。

1.2.2 衣下空氣層測試裝置

基于現有織物TPP測試方法可通過增加衣下空氣層裝置來拓展其功能［8］，模擬衣下空氣層的織物測評裝置的構成如圖2所示。該測試裝置的衣下空氣層的調節裝置由密封框架、間隙大小調節裝置等部分構成。其中，密封框架材料采用阻燃隔熱材料，并具有化學穩定性、耐酸堿腐蝕性和電絕緣性。同時，在框架的2邊分別裝有調節旋鈕，通過調節可設定所需要的間隙大小，在活動板的支架外側標有刻度，可方便校對所要調節的間隙大小。在框架底部的四周可安裝試樣固定齒，主要是用來固定試樣，確保試樣平整，以避免織物遇高溫熱收縮而造成的影響。

圖2 模擬衣下空氣層TPP測試裝置Fig.2 TPP testing apparatus simulating clothing air gap

1.3 著裝形態特征提取

1.3.1 服裝構成

服裝的構成主要是指款式設計、結構規格、合體程度及其配套工藝等;相同面料不同構成方式其服裝熱防護性能也會有差異，因此，服裝TPP評價必須要確定防護服裝的相關特征及其規格尺寸等。

1.3.2 著裝人體

人體體型的差異也會造成服裝熱防護性能的不同，因而服裝熱防護性能評價還取決于著裝對象的體型特征。也就是說，服裝TPP評價應明確防護服裝適用的人體范圍。

1.3.3 衣下間隙表征與測量

著裝形態特征提取的關鍵是對衣下間隙進行客觀表征與測量。衣下間隙的獲取方法是先對著裝前人體或人體模型進行三維掃描，再在相同條件下對著裝后人體或人體模型三維掃描，然后將系統獲取的三維數據利用逆向工程軟件進行處理、比對和提取［7］，從而實現衣下間隙特征的客觀表征和間隙尺寸測量。

2 實驗部分

2.1 試樣制備

2.1.1 實驗面料

本文實驗服裝面料選取2種當前典型的耐熱阻燃芳綸類外層面料(Nomex?ШA，美國杜邦公司)，面料的基本性能特征見表1。

表1 實驗面料基本性能特征Tab.1 Basic physical properties of specimens

2.1.2 服裝款式構成

實驗服裝款式為上下連體的單層結構，樣衣為雙層翻折領，前中有門襟開口，腰部有橫向分割;縫紉線為芳綸防火阻燃材料，規格為40 s/3。具體款式構成及工藝制作如圖3所示。

圖3 試樣款式構成與工藝Fig.3 Design and workmanship of clothing

2.1.3 服裝規格尺寸

本文根據著裝合體程度選擇X(貼體)、Y(適中)2種規格，細部規格尺寸見表2。其中選用N2(面密度為210g/m2的Nomex?ШA面料)分別制作X規格和Y規格試樣X1和X2，選用N1(面密度為150g/m2的Nomex?ШA面料)和Y規格制作試樣 X3。

表2 服裝試樣細部規格尺寸Tab.2 List of clothing detail measurement cm

2.2 實驗方案

2.2.1 織物測試儀器與方法

本文實驗采用的熱防護性能測試儀器為美國Custom Scientific Instrument公司的 CSI-206 TPP測試儀，并增加了衣下空氣層測試裝置。空氣層厚度選取了0～24mm之間9個尺寸。實驗室環境溫度為(20±2)℃、相對濕度為(65±5)%。織物測試相關參數見表3。

表3 織物測試相關參數Tab.3 Parameters for experimental protocol

2.2.2 著裝三維掃描系統及處理軟件

本文實驗采用的［TC］2三維人體掃描系統(Textile and Clothing Technology Corporation，美國)為非接觸式測量手段，并利用逆向工程軟件Geomagic Qualify 12.0為三維建模技術的處理平臺，進行衣下間隙特征的色譜表征與測量［9］。實驗衣下間隙測量是采用熱流傳感器相應位置衣下間隙特征提取的方法，同時所提取的衣下間隙個數也依據熱流傳感器數量而定。在具體操作過程中，將全身衣下間隙測量時選擇注釋類型為偏差，偏差的名稱以燃燒假人部位熱流傳感器編號命名，測量區域的半徑參照實際熱流傳感器半徑的尺寸設為15mm。

2.2.3 燃燒測試

實驗服裝的燃燒測試采用東華大學燃燒假人測評系統“東華火人”［10］。該系統為6組12支噴火頭，假人全身分布135個傳感器，實驗不含頭手足的測評，主要為軀干和四肢的118個熱流傳感器;假人本體尺寸為中國標準中間體型。燃燒測試程序依據GB/T 23467—2009《燃燒假人用假人評估轟然條件下服裝阻燃性能測試方法》的相關要求。熱源下暴露時間4 s，假人為靜止自然站立姿勢。

3 結果與討論

3.1 織物TPP測評結果與分析

圖4示出編號為N1、N22種試樣在不同衣下空氣層下的熱防護性能值變化趨勢。從圖可看出，試樣的熱防護性能值隨著衣下空氣層的增加而增大。這是由于衣下空氣的熱傳導系數比織物要小得多，從而降低了熱量傳遞速度，起到了很好的隔熱作用。同時也說明，在熱流傳感器與織物直接接觸時(即0空氣層厚)溫度上升速度最快，而在24mm時上升的速度為最慢;當空氣層厚度為0～6mm時溫升速度增加幅度最大，而為6～24mm時的溫升速度增加幅度相對較小。實驗結果表明，在輻射與對流的強熱流環境中透過織物的熱傳遞速度隨著衣下間隙的逐漸增加而減弱，相對較小的空氣層對熱防護性能的影響相對較大。

圖4 不同空氣層厚度的熱防護性能值Fig.4 Fabric TPP of different air gaps

3.2 衣下間隙結果與分析

根據織物測試的9個模擬空氣層厚度，將全身118個位置獲取的衣下間隙相應分為9個區域，其中 0≤A1＜3mm，3≤A2＜6mm，6≤A3＜9mm，9≤A4＜12mm，12≤A5＜15mm，15 ≤A6＜18mm，18≤A7＜21mm，21≤A8＜24mm，A9≥40mm。圖5示出2種服裝結構規格衣下間隙尺寸頻數累計百分比的比較。從圖中的累計頻率百分比變化曲線可看出，2種試樣在A1和A22個區域(即0～6mm)衣下間隙頻率所占的比例較高。從二者的衣下間隙分布來看，小于24mm衣下間隙所占比例都在80%以上，從而說明相對較小的衣下間隙在全身占有較大比例，分布在0～24mm區間內的衣下間隙最多，大于24mm以上的衣下間隙則相對較少;其中，X1在每個區間的衣下間隙頻率百分比都為最高，而X2則相對較小;也就是說X1的衣下間隙相對于X2整體都偏小，從而說明服裝整體衣下間隙均值隨著合體程度由貼體變為寬松而增加。

圖5 X1、X22種規格服裝的衣下間隙厚度分布比較Fig.5 Air gaps distribution with different clothing sizes

3.3 服裝TPP評價結果與分析

根據織物測試和著裝衣下間隙測試結果，基于前面所述服裝TPP評價方法的構成思路，可獲得服裝熱防護性能評價指標，即:

式中:TC表示服裝的熱防護性能，kJ/m2;m表示在著裝全身各個位置中提取衣下間隙的總數量;TAi表示在著裝全身所提取衣下間隙位置所對應的熱防護性能值，kJ/m2。

由于同等條件下較小空氣層區域的熱量傳遞快而更易燒傷，通常可將小空氣層 A1和 A2(即0～6mm)區域內所得的熱防護性能值作為服裝熱防護性能指標，即:

式中:TM表示基于小空氣層的服裝熱防護性能，kJ/m2;T1和T2分別表示織物在0和3mm空氣層厚度的熱防護性能值，kJ/m2;x1和x2分別表示在A1和A2區域中的衣下間隙數量。

服裝TM、TC值越高，說明其熱防護性能越好;反之，則說明其熱防護性能就越差。本文試樣的服裝TC值和TM值的測試結果如表4所示。

從服裝TPP評價結果可看出，其中TM值和TC值的變化規律一致，但TM值的評價相對較為嚴格;從3種試樣比較可看出，X1和X22種試樣所用面料相同而服裝規格不同，由于X2服裝規格相對寬松，其熱防護性能則相對較好;X2和X32種試樣的服裝規格相同而面料不同，由于X2面料性能好其服裝熱防護性能相對X3要好;同樣，根據X1和X32種試樣的服裝熱防護性能值的比較可看出，雖然X3的規格設計相對X1較好，但是X3的面料性能相對較差，X3服裝的綜合防護性能相對X1要差，也說明在本次實驗中體現出了相對于面料性能，服裝規格對服裝熱防護影響相對較小。

表4 試樣的服裝TPP值Tab.4 Clothing TPP of different samples

3.4 TPP評價與燃燒假人燒傷結果對比

表5示出3種試樣在熱源下暴露時間4s、靜止自然站立姿勢條件下燃燒假人系統所測得的燒傷結果。從皮膚燒傷結果的比較可看出，三者服裝熱防護性能X2最好，其次為X1，而X3的熱防護性最差，從而說明面料性能和規格設計都會影響服裝熱防護性能，同等條件下面料性能越好服裝熱防護性能越好，同等條件下規格設計越貼體其熱防護性能越差，而面料性能相對于規格設計對服裝熱防護性能的影響較大。

表5 燃燒假人系統燒傷結果Tab.5 Burn results of flame test manikin system %

從燃燒假人的燒傷結果與服裝TPP評價結果的比較可看出，雖然服裝熱防護性能值和燃燒假人燒傷的評價指標不同，其中燃燒假人燒傷評價側重于在一定的火場熱暴露時間內皮膚達到燒傷程度的百分比，而服裝TPP評價則側重于人體著裝達到二度燒傷所吸收的總熱量及其達到二度燒傷的時間，但是二者所反映服裝熱防護性能的規律具有一致性。

4 結論

服裝TPP評價方法是通過對服裝層面的款式構成、規格尺寸、人體等著裝形態特征提取衣下間隙作為與織物測評集成的數據元;同時在不同空氣層厚度下對織物進行織物TPP測評，然后根據著裝衣下間隙大小與分布進行服裝熱防護性能的匹配與集成，從而獲得以熱防護性能值為測試結果的服裝整體熱防護性能評價指標。

根據服裝TPP評價結果可知，織物性能與規格都會影響到服裝熱防護性能。相同織物條件下服裝規格設計會造成服裝熱防護性能的不同，相對寬松的服裝其熱防護性能較好;對于同等服裝規格設計，織物性能越好服裝熱防護性能越好。

服裝熱防護性能值與燃燒假人燒傷評價所反映的服裝熱防護性能具有一致性，基于織物測試的服裝TPP評價，可與織物TPP測試、燃燒假人燒傷評估共同作為服裝熱防護性能評價方法。服裝TPP評價可利用織物測試的穩定性、成本低等優勢，使各燃燒假人系統之間建立測評結果之間的關聯，對于實現熱防護服裝功能量化設計與合理配備具有實用價值。

［1］BARR D，GREGSON W，REILLY T.The thermal ergonomics of firefighting reviewed［J］. Applied Ergonomics，2010，41(1):161 －172.

［2］KIM I Y，LEE C，LI P，et al.Investigation of air gaps entrapped in protective clothing systems［J］.Fire and Materials，2002(26):121 －126.

［3］TORVI D A，DALE J D，FAULKNER B.Influence of air gaps on bench-top test results of flame resistant fabrics［J］.Journal of Fire Protection Engineering，1999，10(1):1－12.

［4］HOLMER I.Thermal manikin history and applications［J］.Journal of Applied Physiology，2004(92):614－618.

［5］CAMENZIND M A，DALE D J，ROSSI R M.Manikin test for flame engulfment evaluation of protective clothing:historical review and development of a new ISO standard［J］.Fire and Materials，2007(31):285 －295.

［6］LEE C，KIM I Y，WOOD A.Investigation and correlation of manikin and bench-scale fire testing of clothing systems［J］.Fire and Materials，2002(26):269－278.

［7］SONG G W.Clothing air gap layers and thermal protective performance in single layer garment［J］.Journal of Industrial Textiles，2007，36(3):193 －205.

［8］LI X H，LU Y H，LI J，et al.A new approach to evaluate the effect of moisture on heat transfer of thermal protective clothing under flashover［J］.Fibers and Polymers.2012，13(4):549 －554.

［9］王云儀，張雪，李小輝，等.基于Geomagic軟件的燃燒假人衣下空氣層特征提取［J］.紡織學報，2012，33(11):102－106.WANG Yunyi， ZHANG Xue， LI Xiaohui， et al.Geomagic based characteristic extraction of air gap under clothing［J］. Journal of Textile Research， 2012，33(11):102－106.

［10］王敏，李小輝.我國建成國際領先的服裝燃燒假人系統—“東華火人”［J］.中國個體防護裝備，2011(5):54－55.WANG Min，LI Xiaohui.The latest flame test manikin system developed in China［J］. China Personal Protective Equipment，2011(5):54 －55.