消防服的研究現狀及發展趨勢

朱榮桂，趙曉明

(天津工業大學紡織學部，天津 300387)

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消防服的研究現狀及發展趨勢

朱榮桂，趙曉明

(天津工業大學紡織學部，天津 300387)

消防服裝是消防隊員在進行滅火救災時穿著的保護自身安全的服裝，對消防服裝的研究是必要的。通過文獻研究，從消防服材料的開發、各層之間的組合形式以及服裝的結構功能性設計三方面來總結國內外消防服研究的新進展，重點闡述材料的研發和服裝的功能性設計，并指出未來消防服發展的趨勢。

消防服新材料組合形式功能設計

由于火災的頻繁發生，消防隊員的工作也越來越繁忙，消防服作為消防隊員們進行滅火救災的消防裝備之一，是十分重要的。消防服是消防隊員在極端惡劣的火災環境下所穿著的，所以消防服必須具有防護性能，包含阻燃性能、隔熱性能以及良好的機械性能和舒適性能等，這樣才能夠在最大程度上確保消防員的人身安全，提高工作效率。

近年來，人們對于消防服的研究主要涉及材料的開發、功能的設計、性能的測試等方面。本文通過搜集文獻資料研究消防服，從消防服裝材料、各層之間的組合形式和服裝的結構功能設計出發，研究了目前消防服的現狀，為后續的消防服研究提供參考。

1　消防服材料的研究現狀

消防服是由外層-防水透氣層-隔熱層-舒適層四層織物結構組織而成的，具有防護功能的服裝。外層是主要與火災環境接觸的一層，所以外層為阻燃層，多使用耐高溫纖維面料制作而成。最常使用的有美國杜邦公司先后研制成功的芳綸1313纖維和芳綸1414纖維、PBI纖維、kevlar纖維等紡織而成的具有阻燃性能的面料。還有許多通過研究新發現的具有較好阻燃性能的纖維和面料，例如zheng, YB, Song, J 等人通過利用紅外光譜和核磁共振技術對纖維素酯的化學結構進行表征和實驗證明，發現丙酸(3-hpp)對纖維素的阻燃性能和熱性能有積極的影響，并發現加入纖維素纖維所制得的Hpp纖維素纖維及其混紡纖維具有良好的力學性能和阻燃性能，可以用于消防服的外層織物中[1]。宋翠艷，陳延平等人發現間位芳綸基導電纖維以其極佳的阻燃性能，優異的耐高溫性能，杰出的導電性能和良好的機械性能可以運用到抗靜電消防服中[2]。魏亮，劉介正等人通過在芳綸1313面料上涂層鋁膠，并進行熱防護性能和阻燃性能測試，發現經過涂鋁層后的芳綸1313面料的阻燃性能和熱防護性能均大于未涂層的[3]。這些纖維和面料的研發，增強了對消防員的保護，促進了消防服的發展。

防水透氣層主要是防止外面的水進入人體，但同時也能將身體排汗產生的水蒸氣排出去。Miao Tian，Zhaoli Wang等人通過簡化的三維立體模型建立起來的單層和多層的織物模型，研究了在閃火情況下各層及皮膚表面的溫度，發現在消防服多層織物體系中，防水透氣層是最有效的保護層[4]。目前防水透氣層多是采用膜+阻燃基布/棉布組織而成，最常見的有PTFE膜、PE膜等等。

隔熱層主要的功能是保溫隔熱，保持消防員自身的溫度阻礙外面高溫對其傷害，隔熱層對多層織物的綜合熱防護性能起著重要的作用[5]。隔熱層多是用耐高溫的纖維經針刺工藝針刺而成的針刺氈，常見的有芳綸針刺氈。蔡普寧,林娜，趙領航通過對芳綸1313、芳綸1414針刺氈以及芳綸1414縫編復合氈的研究，發現隔熱層織物的層數越多，其熱防護性能越好，覆膜比不覆膜的熱防護性能更好，洗滌后的熱防護性能比洗滌前的更好[5]。

舒適層主要是貼近人身體，具有集舒適性能和阻燃性能于一身，最常使用的是純棉和粘膠等天然纖維經過阻燃處理得到的阻燃棉和阻燃黏膠等[6]。馮倩倩，朱方龍等人通過正交試驗研究了Outlast腈綸調溫紡織品的性能，發現其具有熱濕舒適性，并驗證了其作為消防服舒適層的可行性[7]。

近年來，隨著消防服研究的不斷發展和人們對消防服功能要求的不斷提高，消防服所用的材料正由一般的耐高溫纖維材料向新型材料發展[8]。除了上述所提及的新型纖維材料外還出現了許多新型消防材料。如相變材料，是指一定相變范圍內可以改變物理狀態，吸熱和放熱保持本身溫度恒定的材料，是一種新型智能調溫材料[9]。Lee K, Marino di Marzo 通過含有和不含相變材料的實驗和有限差分傳熱模型研究，發現加入相變材料可以提高消防服的熱防護性能，在同等熱性能效果下，還可以減少隔熱層的厚度，減少消防員的負擔，增加消防員的活動舒適性[10]。Hannah Phelps, Harvinder等人通過將相變材料通過微膠囊包裝置于消防多層織物中，研究發現附加相變材料層的織物其熱防護性能顯著提高[11]。崔志英，袁曉云等人通過對附加相變材料的多層織物進行研究，發現附加了相變材料的織物系統的 TPP值大于無相變材料織物系統，即相變消防服整體的熱防護性能得到了提高[9]。蘇州大學陳柔羲通過對PCM的配比和在高溫防護服內附加PCM研究發現，正十八烷與正二十烷的復合PCM最適合做高溫防護服，并發現在高溫防護服內添加PCM后，其熱防護效果提高了，并延長了其熱防護時間[12]。由于相變材料只能調節一定范圍內的高溫，超過1000度的高溫則相變材料將失去阻燃效果，所以在一般高溫防護服中，相變材料的運用是可行的且有效的。

形狀記憶材料，是指可以在外界溫度變化時發生預定的形變，形成空氣層從而達到隔熱效果的材料。陳艷，林天蘭，任乾乾通過運用形狀記憶彈簧構成的玄武巖纖維織物，空氣層和芳砜綸組合而成的瞬時隔熱組合面料，其綜合熱防護性能明顯增大[13]。鄭慧琴使用隔熱材料及形狀記憶彈簧共同構成一種新型防火隔熱組合面料，發現其熱防護性能大大增高，適合用來制作成穿著在消防服外面抵御瞬時高溫火焰的消防背心[14]。形狀記憶材料通過瞬時隔熱引起其形狀的變化而達到防護功能的效果，在消防服裝中是可行的，進一步保護了消防員的安全。

氣凝膠，是一種具有網絡結構的納米多孔性固體材料，其密度低，是世界上最輕的固體。以其獨特的結構和低熱導率和低密度特性，可以被用來作為超級隔熱材料。張興娟，孔祥明等人通過對氣凝膠的研究發現，其現如今主要運用于航空航天、軍事和商業等領域，如NASA制作的氣凝膠太空服，還有一些登山鞋墊等等，并指出其在消防織物中的可行性，在相同的隔熱效果下運用氣凝膠制作的消防服則更為輕薄，減輕消防隊員的負擔，從而增加消防員戰士的火場作業功效[15]。Jin, lu, Hong, Kyounga等人通過對經氣凝膠處理和未經氣凝膠處理的消防服裝進行人體假人測試，結果表明經氣凝膠處理的消防服的熱防護性能比未經處理的高，驗證了氣凝膠在消防服中運用的可行性[16]。賀香梅通過常壓干燥法得到的二氧化硅氣凝膠具有低的導熱系數和密度，可以涂層在織物表面形成隔熱涂層[17]。未來在消防服制作過程中，可以將二氧化硅氣凝膠涂層織物作為隔熱層，這樣既可以減輕織物的厚度和重量，減少消防員的負擔；也可以增強其隔熱性能，更好的保護消防員。

2　消防服的層間組合形式

消防服是典型的四層結構，分別是外層(阻燃層)-防水透氣層-隔熱層-舒適層，消防服的層間組合形式，指的就是各層之間的配置。李俊，王云儀等人通過對多層消防服系統的組合構成與性能的研究，發現消防服的綜合性能取決于每一層的各項基本性能，并提出兩步法來解決優先配伍的問題，以選出最適合的多層消防織物[18]。Weidong Yu等人通過在原有的三層消防服(不包括舒適層)系統的基礎上，再加入兩層相變材料層發現熱防護性能明顯提高[19]。既運用了新材料，也考慮到了不同的組合形式將相變材料組合到消防服織物中去。Rossi, Rene M, Bolli, Water P通過對使用相變材料的消防服的儲存和吸收熱量進行了研究，發現相變材料對消防服的熱防護具有積極的作用，但是其吸收效率取決于相變材料組合進消防服的位置和入射的強度[20]。

Fanglong Zhu, Qianqian Feng等人，通過一系列的防火測試保護實驗觀察，發現相變材料層位于隔熱層和舒適層之間的防護性能比在防水透濕層和隔熱層之間要好[21]，在添加相變材料的基礎上考慮不同的組合形式，可以更好地得到最具防護功能的消防服。

3　消防服的結構與功能設計

消防服是消防隊員在不同的火災環境下穿著的防火救災的服裝，火災環境是復雜的，因此，消防服的結構與功能設計也十分重要。

3.1消防服的結構設計

消防服的結構設計應滿足人體工效學原理，盡可能的增加其舒適性，這樣才能提高消防隊員的工作效率，保護消防隊員的安全。劉榮平，李俊通過實地問卷調查和實驗，對現有的寬松型消防服進行改進，通過加大主要活動部位(背部、腋下)的松量，減少不必要的松量來提高消防服的活動舒適性，并采用了前短后長的設計來減輕消防服的重量[22]。

張向輝等人分別從服裝的一下間隙、服裝的開口、部位結構以及整體結構優化設計4個方面，分析了消防服的結構設計對其舒適性能的影響，提出了服裝舒適性的評價方法和采用并行工程的設計概念來進行消防服的結構設計[23]。

陳曉鵬等人根據三維測量所得的動態人體情況以及對消防服的運動舒適性和防護性的要求，對消防服的衣身和衣袖的結構做出改進，減少前后袖窿差、抬高袖窿線、增加袖底插片的寬度以及在后袖窿部位增加褶裥等，改進后的消防服同之前比較，發現采用結構補償方法能夠明顯的改善消防服上裝的遮蔽防護性能[24]。馬素琴等人通過在前褲片膝蓋部位加活褶，在后褲片的相應位置用省來收掉部分余量，增加了膝蓋部位以及腿關節的活動量，在橫縱向均設計了松量，大大的提高了消防員的活動舒適性[25]。

3.2消防服的功能設計

火災的現場環境通常都是充滿煙霧，能見度很低，因此為了避免消防員在進行消防活動時造成不必要的傷亡，提高服裝的可視性對消防服的設計來說是相當重要的。常規的方法是在消防員的帽子頭盔上加上標記，在消防服的外層也加上反光標記帶。王可，馬倩等人通過以稀土鋁酸鍶和PU為原料，開發了一款集優良的防水透濕性能、物理性能以及熒光性能為一體的特種防護面料，適合運用在消防服的外層[26]。

李媛媛通過在傳統的消防服中加入不同模塊，來實時監測火場的環境和消防員的位置信息，并根據紅外傳感器來感知火源的溫度等，然后通過無線電傳播給指揮系統，這樣既可以進行火災現場的遠程監控，同時也可以使得指揮系統更好地完成指揮任務[27]。林建琴，許武軍等人通過運用GPS和氣壓傳感器來作為智能消防服的定位模塊，取代了之前單一的GPS定位，發現定位的精確度得到了大大的提高，從而得到了更為準確的位置信息[28]。Susanne Aumann, Stephanie Trummer等人做了一個消防員衫，將電極加入到衫里面用來監測消防隊員的生命特征，以便于減少消防員由于心臟、中風等其他性質的傷亡[29]。

服裝的結構功能設計體現了消防服的制作以人為本的研究思想，要最大程度和最大限度上從消防員防火救災活動的靈活性、舒適性和防護性出發，保護好消防員的安全。

4　展望

近年來，火災的頻發，加之消防設備的不完善，導致許多消防員獻出了寶貴的生命。在研究人體-消防服-消防環境的消防系統時，消防服是研究的方法，人體是研究的最終目的。消防服是消防員穿著的用來保護他們進行作業時的安全防護設備之一，它不僅需要具有良好的熱防護性能來抵御惡劣的火災環境，而且也應該具有一定的舒適性能來滿足消防員的作業需要[30-35]。目前消防服傳統四層結構已經確立，國內外的專家們現在主要致力于新材料的開發與應用，最主要的就是研發出新型的耐高溫纖維和耐高溫面料[36-39]。消防服材料是制作消防服的一個關鍵因素，但是其結構與功能設計等因素也不容忽視。

未來消防服的發展趨勢是材料的新型化：更多新型智能的材料，如相變材料、氣凝膠材料、形狀記憶合金材料等將成為研究熱點；組合方式的最優化：將新型的智能材料以最優化的組合方式組合到消防服中去，從而達到消防服最大化的熱防護性能將是未來的發展方向；結構功能設計人性化：消防服的功能設計一直是國內外學者們研究的熱點，如何在復雜的火災環境里快速且精確的定位受傷人員，如何監測火場內部的環境，如何確認消防員的安全等等都是有待于消防服功能設計的發展得以實現，將會逐步提高其防護性能，更好地保護消防員的安全。

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1008-5580(2016)03-0214-05

2016-03-15

國家自然科學基金項目(51206122)

朱榮桂(1991-)，女，碩士研究生，研究方向：消防服用織物熱防護性能。

趙曉明(1963-)男，博士，天津市特聘教授，博士生導師。

TS941

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