熱水侵入條件對織物防護性能的影響

管曼好， 賈汪洋， 吉 洋， 李 俊，3

(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)

熱水侵入條件對織物防護性能的影響

管曼好1，2， 賈汪洋1， 吉 洋1， 李 俊1，2，3

(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)

產業工人在工作時可能會遭受高溫熱水的傷害，基于此對熱水侵入條件下織物的傳熱規律進行了探討。利用高溫熱水防護性能測試系統，通過正交試驗對不同熱水溫度、侵入角度和侵入高度條件下11種織物進行測試，采用2級燒傷時間作為熱水防護性能評價指標，分析了織物特性和熱水侵入條件與織物熱水防護性能之間的關系。結果表明：不同織物的熱水防護性能存在差異，防水整理可以明顯提高織物熱水防護性能。織物不同位置的熱水防護性能受熱水侵入條件和織物特性的影響。水溫是影響織物熱水防護性能的最主要因素。織物上方的熱水防護性能受熱水侵入條件影響較大，織物中下方的熱水防護性能受織物特性的影響較織物上方大。

高溫熱水； 熱水防護性能； 織物特性； 侵入條件

產業工人在工作過程中可能會遇到蒸汽或液體燙傷等職業危害，例如食品加工、能源等行業的作業人員在工作時可能會遭受高溫熱水的傷害[1-3]。現階段熱防護服的研究主要是針對火焰引起的對流和輻射防護，而對高溫熱水環境下服裝熱防護性能的研究較少。現實作業環境下熱水侵入條件存在隨機性，不同熱水侵入條件對人體造成的危害程度有所不同。本文利用高溫熱水防護性能測試系統探討熱水侵入時服裝用織物的傳熱過程，分析織物屬性和熱水侵入條件對織物熱水防護性能的影響。

1 試驗樣本

實際作業中存在熱水危害的行業有食品加工、鍋爐作業以及醫護清潔等，相關工作服多采用全棉或滌/棉織物，本文選擇這2類織物作為試驗樣本。考慮到高溫熱水環境下織物的防水性能對其熱水防護性能具有重要影響[4]，故對織物A1、A2、A6、A7進行防水涂層整理[5]，織物B1、B2、B6和B7作為防水織物樣本。試樣的基本物理性能測試結果如表1所示。

表1 測試織物基本參數Tab.1 Basic parameters of fabric samples

2 試驗設計

目前高溫液體飛濺物熱防護性能測試常采用ASTM F 2701—2008《防護服與飛濺熱液體接觸時評估材料熱傳遞的標準試驗方法》，其中評價織物熱水防護性能的主要指標為2級燒傷時間。

采用高溫熱水防護性能測試系統完成測試及數據的采集[6]。該系統水溫可控，傳感器板的角度和熱水管口位置可調節，以模擬不同的熱水侵入角度和速度。傳感器板中安裝3個溫度傳感器采集溫度數據，分別位于熱水管口的正下方、下方100 mm和下方200 mm處，分別稱為上、中、下傳感器，如圖1所示。皮膚燒傷預測程序通過MatLab偏微分方程pdepe函數編寫。根據Duhamel準則[7]將傳感器溫度變化量換算為皮膚表面的熱流量，結合Pennes傳熱方程模擬皮膚層傳熱以計算皮膚層升溫量，并通過Henriques燒傷積分模型計算2級燒傷時間[8-9]。

本文試驗設定熱水暴露時間為10 s，流量為1 L/10 s。熱水暴露停止后，仍記錄后續50 s內3個傳感位置溫度隨時間變化的數據。實際工作環境中，侵入熱水具有不同溫度、侵入角度和流速，以此作為本文試驗正交設計中的3個因素，其中流速變化通過調節管口高度來表征。每個因素設計3個水平，構成3因素3水平正交試驗，如表2所示。

表2 正交試驗設計Tab.2 Orthogonal experimental design

3 結果與分析

3.1 織物屬性的影響

3.1.1 防水整理的影響

測試織物的熱水防護性能，結果如表3所示。不防水織物A1～A7在大部分測試中都達到2級燒傷水平，防水織物B1、B2、B6、B7都未達到2級燒傷水平，說明防水整理明顯改善了織物的熱水防護性能。圖2、3分別示出A1和B1織物在試驗條件5時(即侵入角度45°、管口高度10 cm、水溫80 ℃)上傳感器溫度及熱流量隨時間的變化情況。對于不防水織物，當熱水侵入織物后，傳感器溫度迅速上升，隨后保持平衡；當熱水暴露停止時，傳感器溫度又迅速下降，說明此時的熱量主要通過熱水傳遞。對于防水織物，當熱水侵入織物后，傳感器溫度逐漸上升，上升速度和幅度均小于不防水織物；當熱水暴露停止時，傳感器溫度仍在短時間內繼續上升并保持穩定，隨后緩慢下降，表明此時的熱量通過防水織物本身傳遞，織物中存在一定程度的熱量蓄積。數據記錄最后階段不防水織物傳感器溫度高于防水織物，熱流量相同，這進一步說明了防水整理對織物熱水防護性能的積極影響。

表3 正交試驗中2級燒傷時間Tab.3 2-grade burn time in orthogonal experiment

注：“1～9”分別對應表2中實驗條件1～9； “-”表示計算時未出現2級燒傷時間點，即未達到2級燒傷。

3.1.2 不防水織物物理性能的影響

圖4示出A1～A7織物在試驗條件2時(即侵入角度30°、管口高度10 cm、水溫65 ℃，3個傳感器位置的2級燒傷時間。織物在不同位置的2級燒傷時間表現不同，上傳感器<中傳感器<下傳感器；同時，不同織物之間上傳感器處差異較小，從中部至下方差異越來越大。可見，不防水織物的熱水防護性能受到熱水直接沖擊而表現不同，熱水直接沖擊部位因滲透而產生大量熱量，而未直接沖擊部位因水分在織物中的擴散，使熱量傳遞大小受織物自身影響較大。

利用SPSS中Pearson相關性分析，得到A1～A7織物各部位2級燒傷時間與織物物理性能的相關系數及其顯著性，如表4所示。上傳感器位置的2級燒傷時間與織物物理性能無顯著相關性；中傳感器位置的2級燒傷時間與織物面密度呈顯著正相關關系，與透氣率、底層浸潤時間、表層最大吸水速率均呈顯著負相關關系；下傳感器對應位置的2級燒傷時間與織物面密度、厚度呈顯著正相關關系，與透氣率、底層浸潤時間、表層最大吸水速率均呈顯著負相關關系。可見結果與圖2分析一致，織物受熱水直接沖擊部位的熱水防護性能受織物性能影響較小，未受熱水直接沖擊部位的熱水防護性能受織物性能影響較大。

注：*表示在置信度(雙側)為0.05時顯著相關；**表示在置信度(雙側)為 0.01 時顯著相關。

3.2 熱水侵入條件的影響

3.2.1 水溫的影響

圖5示出9種試驗條件下織物A1上傳感器溫度隨時間的變化。溫升曲線明顯按照不同的水溫分為3組，表明3個侵入因素中水溫對不防水織物的熱防護性能起主導作用。圖6示出織物A1在65 ℃和80 ℃水溫下的平均熱流曲線，可以看到水溫升高導致傳感器表面熱流量大幅上升。

3.2.2 侵入角度的影響

表5示出不同侵入角度時上傳感器的2級燒傷時間。可以看到，對于水流直接侵入的上方部位，當侵入角度為60°時，2級燒傷時間最小，明顯低于侵入角度為30°和40°時的2級燒傷時間。當侵入角度為30°和45°時，2級燒傷時間無明顯差異，這可能是因為水流沿面板流動的速率主要是受重力沿斜面分力的影響；與30°和45°的侵入角度相比，侵入角度較大(60°)時的水流在織物表面流速較慢，在上方傳感器位置蓄積了較多熱量。

表5 不同侵入角度下上傳感器的2級燒傷時間均值Tab.5 Means of 2-grade burn time of upper sensor at different splash angles

注：a、b表示顯著性水平(a

3.2.3 侵入高度的影響

對于水流直接侵入的上方部位，侵入高度為10 cm和15 cm的2級燒傷時間無明顯差異，但二者明顯低于侵入高度為5 cm的2級燒傷時間，如表6所示。

表6 不同侵入高度下上傳感器的2級燒傷時間均值Tab.6 Means of 2-grade burn time of upper sensor in different splash heights

注：a、b表示顯著性水平(a

Olderman理論[10]指出液體滲透阻力的影響因素：液體滲透阻力與液體表面張力、液體黏度、接觸角和材料厚度成正比，與侵入壓力、作用時間、材料孔隙半徑成反比。當管口高度越大時，熱水接觸織物表面的流速越快，熱水侵入壓力越大，由Olderman理論可知，此時液體滲透阻力較小。因此透過織物的熱水所占比例就較大，使得熱水攜帶的熱量中傳遞給傳感器的熱量也較多，故較大的侵入高度相對更易發生2級燒傷。

4 結 論

利用正交試驗研究了不同熱水侵入條件時不防水織物和防水織物的傳熱規律及熱水防護性能，用2級燒傷時間作為熱水防護性能的評價指標。分析表明，不同織物的熱水防護性能存在差異，防水整理可以明顯提高織物熱水防護性能。織物不同位置的熱水防護性能受織物特性和熱水侵入條件的影響。水溫是織物熱水防護性能的主要影響因素。熱水直接沖擊的織物上方熱水防護性能受熱水侵入條件影響較大，面密度、透氣率等織物的物理性質與織物上方的2級燒傷時間無關；不受熱水直接沖擊的織物中下方熱水防護性能受織物特性影響較織物上方大，面密度、透氣率等織物的自身性質和水溫均對織物中下方2級燒傷時間有顯著影響。

FZXB

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Thermal protective performances of fabric upon hot water splashes

GUAN Manhao1，2， JIA Wangyang1， JI Yang1， LI Jun1，2，3

(1. Fashion·Art Design Institute， Donghua University， Shanghai 200051， China； 2. Protective Clothing Research Center， Donghua University， Shanghai 200051， China； 3. Key Laboratory of Clothing Design & Technology，Ministry of Education， Donghua University， Shanghai 200051， China)

As industrial workers may be threatened by hot water splashes, the study investigated the heat transfer of fabric upon hot water splashes. The orthogonal experiment was designed to test the performance of 11 kinds of fabrics under conditions different water temperatures, splash angles and splash heights. The experiment was conducted by a hot water protective performance tester, and the 2-grade burn time was adopted to characterize the thermal protective performance of fabrics. The effects of the fabric property and splash condition on the thermal protective performance were analyzed. The results show that water-proof finish can improve the thermal protective performance of fabrics. The splash condition and fabric property influence the thermal protective performance in different positions of fabrics. The temperature of hot water is the most important factor influencing the thermal protective performance. The thermal protective performance of the upper position of fabric is primarily related to the splash condition. The protective performance of the lower position is influenced mostly by the fabric property.

hot water； thermal protective performance； fabric property； splash condition

10.13475/j.fzxb.20151006105

2015-10-27

2016-06-30

中央高校基本科研業務費專項基金項目(15D110735/36)

管曼好(1992—)，女，博士生。研究方向為服裝舒適性與功能服裝。李俊，通信作者，E-mail: lijun@dhu.edu.cn。

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