火災環境下防水透氣層對消防服熱濕防護性能的影響

蘇 云， 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)

火災環境下防水透氣層對消防服熱濕防護性能的影響

蘇 云1,2， 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)

為評價防水透氣層織物對消防服熱濕防護性能的影響，采用新研發的熱防護性能測評裝置，在干態與濕態2種熱暴露條件下，測量不同防水透氣層織物系統的熱防護性能，分析防水透氣層織物的基本參數與其熱防護性能之間的關系。結果表明：在干態熱暴露條件下，防水透氣層織物厚度與面密度的增加能顯著提高織物系統的熱防護性能；在濕態熱暴露條件下，含有防水透氣層的織物系統能明顯提高織物的熱濕防護性能，其主要的影響因素是織物的回潮率與透氣性。另外，在濕態條件下的總傳遞熱量主要通過高溫蒸汽的相變來傳遞熱量，防護的重點在于蒸汽的滲透與吸收。

高溫蒸汽； 消防服； 熱防護性能； 防水透氣層； 高溫輻射

火災環境下的蒸汽燙傷對消防員的生命安全造成了嚴重的威脅。根據NFPA1971—1997《建筑物火災用滅火防護服標準》與GA10—2002《消防員滅火防護服標準》的要求，消防服普遍采用多層織物組合，通常由外及內依次為：外層、防水透氣層、隔熱層。其中防水透氣層的設計目的是能夠阻止火災環境液態水與水蒸氣的滲透，促進人體汗液的蒸發，對于減小火災環境下消防作業人員的燙傷危害具有重要作用[1-2]。

過去關于消防服的大多數研究主要集中在火焰、輻射的熱防護，如閃火條件下的熱防護性能(TPP)測試，強輻射條件下的熱輻射防護性能(RPP)測試以及低輻射條件下的測試等，因此無法有效評測防水透氣層對消防服熱濕防護性能的作用機制。消防員在執行任務時，經常處于高溫、高濕環境中，這是因為來自消防水槍以及雨水天氣的水分，在高溫火場下形成水蒸氣向人體傳遞，引起皮膚的蒸汽燙傷[3]。有研究機構調查了2005～2009年消防員的燒傷治療記錄，結果發現：高溫蒸汽、高溫液態水是導致消防員燒傷的主要因素(65%)，由火焰產生的燒傷僅占比為20%[4]。由此可見，高溫蒸汽、高溫液態水對消防人員的工作安全有重大的威脅。

然而，消防環境下的高溫蒸汽、高溫液體的防護措施以及燙傷機制的研究相對較少，并沒有建立完善的蒸汽熱防護性能評價體系和測試設備。大多數有關火場環境下高溫蒸汽的熱防護性能測試以及熱濕傳遞燙傷機制的研究尚處于探索階段。雖有學者[5-8]建立了軍事、石油化工、食品加工等行業高壓蒸汽泄漏條件下織物與服裝的熱防

護性能評價裝置，在一定程度上調查了服裝蒸汽熱防護性能的影響因素，可以為消防領域的蒸汽防護提供參考建議；但是在實際消防作業過程中，消防員所面臨的環境更多的是低壓蒸汽，同時也存在高溫輻射、對流傳熱的共同危害[9]。由此可見，亟需建立一套完整的火場環境下蒸汽熱防護性能測試系統，模擬更加真實的消防作業環境，全面而準確地評價織物的蒸汽熱防護性能。本文針對防水透氣層織物對消防服熱濕防護性能的影響，采用新研發的防護性能測評裝置，分析防水透氣層織物的基本參數及其防護性能，為消防環境下蒸汽燙傷的防護措施提供參考思路，優化多功能消防服的設計。

1 實驗設計

1.1 實驗樣本

本文實驗選取常用于制作消防服的面料，包括外層、防水透氣層以及隔熱層，各層面料的基本性能如表1所示，其中3種防水透氣層具有不同的成分與基本參數，用于調查防水透氣層對消防服熱濕防護性能的影響。面料的厚度是根據ASTM D1777—2015《紡織材料的厚度標準試驗方法》標準要求在1 kPa的壓力條件下測量，面料的回潮率是根據GB/T 9995—1997《紡織材料含水率和回潮率的測定 烘箱干燥法》測得，參照ASTM E96—2016《材料的水蒸氣滲透性標準試驗方法》標準測試流程，獲取面料的透濕率。單層面料可以組合成雙層或3層面料系統，有助于更加全面地調查不同配置織物系統的熱防護性能，其多層織物系統的基本性能如表2所示。

表1 單層織物的基本性能Tab.1 Specification parameters of single-layer fabric

表2 多層織物系統的基本性能Tab.2 Specification parameters of multi-layer fabric

1.2 實驗設備

圖1示出一種織物熱防護性能測評裝置，包括蒸汽發生器、蒸汽輸送管、熱暴露模擬箱、樣品輸送裝置和數據采集系統，能夠對高溫輻射、高溫蒸汽條件下的織物熱防護性能進行準確的測評[10]。蒸汽發生器頂部設有壓力控制器，控制出口蒸汽的壓力為0.1～0.7 MPa，相應的蒸汽溫度在100～175 ℃。蒸汽發生器的蒸汽出口與蒸汽輸送管的前端相連，后端連有蒸汽噴嘴，穿過輻射熱源中心部位，蒸汽噴嘴處裝有尖端密封設計的熱電偶探頭(OMEGA：HSTC-TT-K-24S)，用于檢測噴嘴噴射出的蒸汽溫度。輻射熱源為遠紅外線陶瓷輻射板，能夠產生的熱通量在2.1～21 kW/m2之間。熱暴露箱內的溫度傳感器和濕度傳感器與數據采集系統相連，置于箱體的上方，用于監測整個熱暴露過程中模擬箱內的溫濕度，同時辨識實驗測試的開始，減小操作的誤差。實驗樣本放置于熱暴露箱與模擬皮膚傳感器之間，利用隔熱板能夠有效的控制織物熱暴露時間。模擬皮膚傳感器采用法蘭式安裝，由水冷板、傳感器固定器和數據采集傳感器組成，通過銅管的水流速度應不小于100 mL/min，水溫恒定為(32.5±1) ℃。本文實驗裝置首次實現了在高溫輻射、高溫蒸汽火災環境下織物系統的熱防護性能測試，更加真實的模擬火災環境中的作業狀態。同時其創新性也體現在蒸汽的壓力控制、流量調控以及輻射熱通量設置等方面，從而更加準確地評價在高溫輻射、高溫蒸汽暴露條件下織物熱防護性能的真實情況，彌補了現有織物熱防護性能測評裝置的局限性，對于研發熱防護新型材料、科學篩選合適的熱防護裝備，提高消防作業的安全性具有非常重要的意義。

注：1—蒸汽發生器； 2—溫度控制器； 3—安全閥； 4—壓力控制器； 5—流量閥； 6—蒸汽噴嘴； 7—熱暴露箱； 8—熱源； 9—溫度傳感器； 10—排水閥； 11—溫度傳感器； 12—溫度傳感器； 13—隔熱板； 14—樣品架； 15—空氣層裝置； 16—傳感器外殼； 17—固定裝置； 18—滑軌； 19—樣品； 20—鋼管； 21—數據采集傳感器； 22—進水管； 23—出水管； 24—水泵； 25—溫度控制器； 26—水箱； 27—數據采集系統。圖1 火場高溫蒸汽熱防護性能測評裝置Fig.1 Thermal protective performance tester under steam exposure of fire ground

1.3 實驗方案

本實驗選取面積大小150 mm×150 mm的織物試樣，放置于溫度為(21±3) ℃、濕度為(65±10)%的恒溫恒濕室預濕24 h。首先標定織物熱暴露環境，包括蒸汽壓力、蒸汽溫度以及輻射板熱流量大小，設定高溫蒸汽的壓力大小為0.05 MPa，測量穩定后蒸汽噴嘴的蒸汽溫度大小。調節輻射板溫度使皮膚模擬傳感器的熱流量穩定在8.5 kW/m2，記錄實驗標定過程的參數設置。其次，將預濕處理的織物樣品放置于樣品架中，待傳感器溫度達到32 ℃，開始采集數據，打開蒸汽閥，移走隔熱板，使織物樣品暴露的時間為180 s。熱暴露結束之后，依次關閉隔熱板與蒸汽閥，繼續采集數據180 s，直到冷卻結束。實驗過程中記錄了噴嘴的蒸汽溫度與皮膚表面的熱流量變化，用于評價高溫蒸汽條件下皮膚的燒傷情況。為了減小實驗測量的誤差，每塊樣品在同樣的實驗條件下測量3次。1.3.1 皮膚燒傷時間

皮膚的二級和三級燒傷時間可結合Pennes皮膚生物傳熱模型[10]與Henriques皮膚燒傷積分模型[11]計算獲得。根據ASTM F2731—2011《測定消防員防護服系統的能量傳播和儲存的標準試驗方法》標準的規定，假設皮膚內部的熱量傳遞是沿厚度的一維傳熱過程，忽略模型中血流量對皮膚傳熱的影響，但修訂的皮膚模擬參數考慮了血液的灌注率等因素對皮膚傳熱的影響，其一維瞬態傳熱模型如下所示

(1)

式中：ρskin為皮膚密度，kg/m3；cp為皮膚比熱，J/(kg·K)；kskin分別為皮膚導熱系數，W/(m·K)。皮膚模擬傳感器記錄的熱流變化可作為皮膚的外邊界條件，用于計算皮膚內部的溫度變化，方程(1)的邊界條件為

(2)

(3)

式中：Lskin是皮膚的厚度，m；kepi是皮膚表層的導熱系數，W/(m·K)；qsen是皮膚表面的入射熱流密度，kW/m2。

根據相關研究報道[11-12]，當皮膚內部的溫度達到44 ℃，皮膚開始受到損害?；贖enriques皮膚燒傷模型方程[11]，通過將皮膚溫度代入到一階阿倫尼烏斯(Arrhenius)方程預測皮膚燒傷，如公式(4)所示：

(4)

式中：Ω為皮膚燒傷程度的量化值，無量綱；△E為皮膚活化性能，無量綱；P為頻率破壞因子，無量綱；R為理想氣體常數，8.31 J/(mol·℃)；t為皮膚暴露于熱源下其溫度T> 44 ℃的時間。通過計算Ω值確定皮膚燒傷的程度，當表皮層與真皮層交界處的Ω=0.53時，皮膚達到一級燒傷；當表皮層與真皮層交界處的Ω=1.0時，皮膚達到二級燒傷；當真皮層與皮下組織交界處的Ω=1.0時，皮膚達到三級燒傷。

1.3.2 織物系統熱量分布

同樣地，將面積大小為150 mm×150 mm吸水紙放置于模擬皮膚傳感器表面，基于標定環境測量吸水紙的質量變化，用于計算穿透織物系統到達皮膚表面的蒸汽含量，從而進一步轉化為蒸汽傳遞的熱量。在整個熱暴露過程中，皮膚表面總傳遞的熱量包括熱暴露階段的熱量傳遞(qe)以及冷卻階段的熱量傳遞(qc)，而熱暴露階段的熱量傳遞分為蒸汽傳熱(qs)與干態傳熱(qd)，干態傳熱包括輻射(qrad)、傳導(qcond)與對流(qconv)，計算公式依次為：

(5)

(6)

(7)

式中：m為熱暴露階段高溫蒸汽冷凝為液態水的質量，g；Cl為液態水的比熱值，4.192 kJ/(kg·K)；Ts和Tl分別為高溫蒸汽的溫度與冷凝水的溫度， ℃；Tfab和Tskin分別為織物系統背面的溫度與皮膚表面的溫度， ℃；h1為在100 ℃條件下水蒸氣的焓變，2 676.3 kJ/kg；h2為在100 ℃條件下液態水的焓變，419.06 kJ/kg；Aexp為織物系統熱暴露部分的面積，0.01 m2；hc為織物與皮膚之間的對流傳熱系數，W/(m2·K)；σ為斯蒂芬波爾茨曼常數，5.67×10-8W/(m2·K4)；ε為織物系統背面的發射率，無量綱；k為空氣的導熱系數，W/(m·K)。冷卻階段的熱量傳遞主要是織物系統的蓄熱釋放過程，織物系統在熱暴露階段能夠蓄積一部分熱量，當熱源停止加熱時，由于外界的溫度較低，織物系統蓄積的熱量一部分傳遞到外界環境，另一部分傳遞到皮膚表面，即qc。

2 結果與分析

2.1 織物基本性能與皮膚燒傷的關系

為了評價高溫蒸汽對不同配置織物系統熱防護性能的影響，不同織物系統被重復暴露于干態(高溫輻射)與濕態(高溫輻射與蒸汽)熱暴露條件下，其四組織物系統的二級、三級燒傷時間及其標準差如表3所示。

表3 不同熱暴露條件下的皮膚燒傷情況Tab.3 Skin burn injuries in different exposure conditions

由表3可知，在濕態熱暴露條件下的皮膚燒傷時間明顯小于在干態熱暴露條件下的皮膚燒傷時間。不同熱暴露條件下燒傷時間進行配對T檢驗，結果表明：二級燒傷時間與三級燒傷時間的P值均小于0.05，所以高溫蒸汽對輻射條件下的織物熱防護性能有顯著性的影響。其中，在干態熱暴露下織物系統A1與其他織物系統的二級燒傷時間相差1.36～1.56倍，而在濕態熱暴露下其差異達到1.82～2.07倍，這是因為織物系統A1由外層與隔熱層組成，而其他織物系統均含有防水透氣層，因此可以發現，消防服防水透氣層織物能夠更加明顯的提高織物在濕態熱暴露條件下的熱防護性能。

實驗過程中測量了穿透織物系統的高溫蒸汽滲透量，根據織物的熱暴露面積以及熱暴露時間求解出的蒸汽滲透速率與皮膚燒傷時間之間的關系如圖2所示?？偟膩砜?，織物系統的蒸汽滲透速率越大，皮膚發生二級、三級燒傷的時間越小，也就是織物系統對高溫蒸汽的熱防護性能越差。可進一步發現，織物系統A1在濕態熱暴露條件下熱防護性能最差的原因是其高溫蒸汽滲透速率明顯大于其他織物系統。另外，織物系統A3在濕態熱暴露下具有最佳的熱防護性能，分析織物系統蒸汽滲透速率與織物基本性能之間的相關關系可知，蒸汽滲透速率與織物系統的透氣性、透濕率、回潮率呈正相關關系，與織物系統的厚度、面密度呈現負相關關系；其相關系數依次為0.972、0.617、0.999、-0.974、-0.927。因此，織物系統阻擋高溫蒸汽的有效措施在于減小織物的透濕性與吸濕性，同時增加織物的厚度與面密度。

圖2 蒸汽滲透速率與燒傷時間之間的關系Fig.2 Relation between steam penetration rate and burn time

為了進一步分析消防服防水透氣層織物基本性能與皮膚二級燒傷之間的關系，本文利用Pearson相關性分析調查了不同因素與二級燒傷時間之間的相關程度，其不同熱暴露條件下的相關系數如下表4所示。在干態熱暴露條件下，織物厚度與面密度對織物系統的熱防護性能其決定性的作用，這是因為在干態條件下，織物系統的熱量傳遞主要是熱傳導與輻射傳熱，織物厚度與面密度的增加能夠減小織物導熱系數以及輻射穿透率[13-14]，同時增加織物系統的熱量蓄積，減緩熱量傳遞速率[15]。相反，在濕態熱暴露條件下，高溫蒸汽能夠減小織物厚度與面密度對織物系統熱防護性能的影響，其熱防護性能與織物的標準回潮率以及蒸汽滲透率呈現顯著性負相關關系。織物回潮率代表織物的吸濕能力，可以看出織物的吸濕能力越好，其熱防護性能越差，這是因為高溫蒸汽能夠攜帶大量的熱量，在100 ℃時的潛熱達到2 257 kJ/kg[16-17]，高溫蒸汽被織物系統吸收之后將釋放出大量的熱量，同時冷凝之后的液態水將會增加織物系統的導熱系數，加快熱量向皮膚的傳遞過程。織物蒸汽滲透速率是指在高溫蒸汽熱暴露過程中穿透織物系統，在皮膚表面冷凝的蒸汽傳遞速率，這一部分傳遞的高溫蒸汽將直接導致皮膚的蒸汽燒傷，與織物的透氣性有關。

表4 不同熱暴露條件下的皮膚二級燒傷時間 與織物性能之間的相關性分析Tab.4 Correlation analysis between 2nd degree burn time and fabric properties in different exposure conditions

注：*代表在0.05水平(雙側)上顯著相關；**代表在0.01水平(雙側)上顯著相關。

2.2 織物系統的熱傳遞分析

整個實驗過程中織物系統的熱量傳遞由熱暴露階段與冷卻階段組成，其不同階段穿透織物系統的熱流量如圖3所示。

圖3 穿透織物系統的熱流量分布Fig.3 Heat flux distribution through fabric system

在熱暴露階段(qe)，可以發現：1)濕態條件下傳遞的熱流量明顯多于干態條件下傳遞的熱流量(P<0.05)；2)織物系統A1的熱流量出現明顯的增長，這是因為織物系統A1沒有防水透氣層，導致較多的蒸汽滲透到皮膚表面，產生冷凝釋放大量熱量；3)與織物系統A2、A3相比，織物系統A4在干態條件下的熱流量相對較小，而在濕態條件相對較大，因為織物系統A4的厚度與面密度較大，能夠提高織物在干態下的熱防護性能，但同時具有較大的標準回潮率以及蒸汽滲透速率，從而進入織物系統的高溫蒸汽較多，導致織物系統的熱防護性能減小。在織物系統的冷卻階段(qc)，在濕態條件下不同織物系統傳遞的熱流量呈現遞減的趨勢，這是因為熱暴露階段滲透織物系統的高溫蒸汽在皮膚表面發生冷凝，而在冷卻階段冷凝水會進一步蒸發，促進熱量的散失，所以其濕態條件下的熱流量減小，但是與干態熱暴露條件下熱流量相比并無顯著性差異(P=0.327>0.05)。

在濕態熱暴露條件下織物系統傳遞的熱量(qe)分為干熱傳遞(qd)與蒸汽熱傳遞(qs)2部分，由圖3可知，蒸汽熱傳遞占總熱傳遞的比例較大，說明在低壓蒸汽熱暴露條件下，高溫蒸汽能夠迅速穿透織物系統產生蒸汽燙傷。對于織物系統A1來說，其蒸汽傳熱占比最小，說明織物內部的導熱與輻射傳熱對整個熱傳遞過程仍然有重要的作用；從含有防水透氣層的織物系統(A2、A3、A4)熱傳遞來看，織物系統A2蒸汽熱傳遞占比最大，這是因為織物系統A2的蒸汽滲透速率較大(如圖2所示)，而織物系統A4的蒸汽熱傳遞占比最小，因為織物系統A4的回潮率最大(見表2)，說明能夠吸收較多的蒸汽，減小蒸汽的滲透，但是蒸汽被織物系統吸收，將會釋放大量熱量，并且增加織物系統的導熱系數，從而導致干熱傳遞的增加。

由上文可知，織物系統A2、A3、A4均含有防水透氣層，能夠明顯地提高織物系統的熱防護性能。圖4示出了3種織物系統總傳遞能量隨時間的變化情況。隨著熱暴露時間的增加，織物系統總傳遞能量呈現遞增的趨勢，在180 s的熱暴露結束之后，總傳遞能量仍呈現增長，但其增長速率趨于平緩。在熱暴露階段，濕態條件下的熱量增長速率幾乎保持恒定，而干態條件下的增長速率出現明顯的波動，其主要原因是：濕態條件下的熱量傳遞主要取決于蒸汽傳熱，由于外界環境的蒸汽輸送速率恒定，故其蒸汽傳熱速率幾乎保持不變；而在干態傳熱條件下，熱暴露起始階段織物系統能夠蓄積大量熱量，同時織物系統中的水分會隨著織物溫度的上升而蒸發降溫，從而減緩織物系統的熱量傳遞[15,18]。在大約80 s的熱暴露之后，織物系統在干態熱暴露條件下的熱傳遞速率趨于穩定，但是小于濕態條件下的熱傳遞速率。從同一種織物系統來看，干濕態條件下織物系統總傳遞能量的差異隨著熱暴露時間的延長而逐漸增大，在熱暴露結束之后，兩者之間的差異保持恒定的狀態，其中，織物系統A4的總傳遞能量差異最大，主要是由于織物系統A4的干態熱防護性能最好，相反高溫蒸汽熱防護性能最差。

圖4 織物系統總傳遞能量的變化Fig.4 Changes in total energy through fabric system

3 結 論

本文基于新研發的熱防護性能測評裝置，評價了在干態和濕態熱暴露條件下，防水透氣層對消防服熱防護性能的影響，主要得出如下重要結論：

1)消防服防水透氣層織物能夠明顯地提高織物系統在濕態熱暴露條件下的熱防護性能。在干態熱暴露條件下，織物厚度與面密度對織物系統的熱防護性能其決定性的作用。在濕態熱暴露條件下，高溫蒸汽能夠減小織物厚度與面密度對織物系統熱防護性能的影響程度，織物系統的熱防護性能與織物的透氣性、蒸汽滲透率呈現顯著性負相關關系，其相關系數依次為-0.978、-0.955。

2)高溫蒸汽、高溫輻射條件下織物系統的蒸汽滲透速率與織物的透氣性、透濕率、回潮率呈正相關關系，與織物系統的厚度、面密度呈現負相關關系，其相關系數依次為：0.972、0.617、0.999、-0.974、-0.927。

3)在熱暴露階段，濕態條件下傳遞的熱流量明顯多于干態條件下傳遞的熱流量(P<0.05)，其中蒸汽熱傳遞占總熱傳遞的比例較大，說明高溫蒸汽能夠迅速穿透織物系統產生蒸汽燙傷；在冷卻階段，干態與濕態熱暴露條件下傳遞的熱流量并無顯著性差異(P=0.327>0.05)。

4)從含有防水透氣層的織物系統(A2、A3、A4)熱傳遞來看，織物系統A2的蒸汽熱傳遞占比最大，取決于織物系統的蒸汽滲透速率；而織物系統A4的蒸汽熱傳遞占比最小，主要因為織物系統A4的回潮率最大，同時織物系統A4因具有較大的厚度與密度，從而具有最佳的干態熱防護性能，但同時具有較大的標準回潮率以及蒸汽滲透速率，故高溫蒸汽熱防護性能最差，導致在干態與濕態熱暴露條件下的總傳遞能量差異最大。

FZXB

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Influence of waterproof permeable layer on thermal and moisture protective performance of firefighter protective clothing in fire disaster

SU Yun1,2， LI Jun1,2,3

(1.Fashion&ArtDesignInstitute,DonghuaUniversity,Shanghai200051,China; 2.ProtectiveClothingResearchCenter,DonghuaUniversity,Shanghai200051,China; 3.KeyLaboratoryofClothingDesignandTechnology,MinistryofEducation,Shanghai200051,China)

In order to evaluate the influence of waterproof permeable layer on thermal and moisture protective performance of firefighter protective clothing, an newly-developed testing apparatus was employed to characterize the thermal and moisture protective performance of various fabric systems under dry and wet heat exposure conditions, and analyze the relation between basic parameters of the waterproof permeable layer and thermal protective performance. The results demonstrat that the increase of thickness and weight of the waterproof permeable layer can increase the thermal protective performance provided from the fabric system under dry heat exposure condition, while the fabric system having the waterproof permeable layer obviously improve the thermal and moisture protective performance. The fabric′s moisture regain and air permeability are the important factors influencing the steam transfer. In addition, the total heat energy is transferred by the phase change of hot steam, so that the protection from hot steam is to reduce the steam penetration and absorption.

hot steam; firefighter protective clothing; thermal protective performance; waterproof permeable layer; thermal radiation

10.13475/j.fzxb.20161000307

2016-10-08

2016-11-15

國家自然科學基金資助項目(51576038);人因工程國家重點實驗室開放課題項目(SYFD150051812K); 中央高?；究蒲袠I務費專項基金資助項目(16D110713)；東華大學博士創新基金項目(16D310701)

蘇云(1990—)，男，博士生。研究方向為功能防護服及熱濕傳遞模型。李俊，通信作者，E-mail: lijun@dhu.edu.cn。

X 924.3；TS 941.73

A

獲獎說明：本文榮獲中國紡織工程學會頒發的第17屆陳維稷優秀論文獎