低輻射環境下形狀記憶合金對防火面料隔熱性能的影響

王 帥， 盧業虎,2， 王麗君， 尤禪懿

(1. 蘇州大學 紡織與服裝工程學院， 江蘇 蘇州 215006； 2. 蘇州大學 現代絲綢國家工程實驗室， 江蘇 蘇州 215123)

低輻射環境下形狀記憶合金對防火面料隔熱性能的影響

王 帥1， 盧業虎1,2， 王麗君1， 尤禪懿1

(1. 蘇州大學 紡織與服裝工程學院， 江蘇 蘇州 215006； 2. 蘇州大學 現代絲綢國家工程實驗室， 江蘇 蘇州 215123)

為提高消防服的熱防護性能，將若干形狀記憶合金彈簧設置在防護服的防水透氣層與隔熱層之間，研制出具有動態調節結構功能的智能防火面料組合。采用熱防護性能測試儀模擬低輻射熱環境，測量處于輻射暴露環境下的各面料層間的溫度，從而基于層間溫度的變化情況來評價不同排列方式下的形狀記憶合金彈簧對防火面料的動態隔熱作用。結果表明：形狀記憶合金彈簧在輻射環境下彈起后產生的空氣層具有良好的動態隔熱作用，進而提高面料的熱防護性能；采用不同的彈簧排列方式也可影響其隔熱性能，其中1個彈簧正中排列及3個彈簧對角線放置的試樣隔熱效果最明顯；在不同的排列方式下，彈簧產生的空氣層形狀和厚度具有明顯差異，從而影響防火面料組合的隔熱作用。

消防服； 形狀記憶合金彈簧； 低輻射熱； 隔熱性能

消防員或應急救援人員在工作中經常遭受諸如火焰、輻射、高溫物體、高溫液體和蒸汽等各種災害的侵襲[1-3]，需要穿著特定的熱防護服以保障健康和人身安全。一般從新型阻燃纖維材料的研制或面料厚度及層數的增加等方面來提高熱防護服的防護性能[4-5]，但是，多層面料組成的防護服過于厚重，透氣性較差，不僅約束著裝者的肢體活動，還嚴重影響人體散熱，產生熱應激。為減小面料的厚度，達到提高服裝舒適性的目的，歐盟建議在防護服中取消防水透氣層。然而，此舉降低了服裝的防護性能，導致著裝者被燒傷的概率上升。此外，傳統的防護服裝不具有動態調節功能，其隔熱性能相對固定，使用過程中無法根據常溫與高溫的環境轉換而自動調整。

形狀記憶材料具有獨特的形狀記憶功能，即經高溫處理后塑形，然后冷卻并被任意改變形狀，再次加熱至形變溫度時可自動恢復原狀的功能[6-7]。根據這一性能，陳艷等[8]研制了形狀記憶合金(SMA)彈簧，采用高溫火焰接觸法對其進行防火隔熱性能測試，發現合金彈簧的隔熱效果顯著。Yates[9]在高溫下將形狀記憶合金盤曲成中部拱起的8字形，冷卻后加壓使其平整，并把合金絲圈固定在防護服口袋內，結果發現該合金絲圈可顯著減少從熱源傳遞至口袋部位的熱量。Congalton[10]將扁平蚊香狀的形狀記憶合金放置在3層組合熱防護面料內部，發現面料對強輻射環境的防護性能得到明顯改善，但是，考慮到消防員至少80%的工作時間處于低輻射的一般環境中[5]，上述研究缺乏對低輻射暴露環境下的熱防護織物隔熱性能的探討，存在一定的局限性。再者，三者均未探究不同彈簧排布方式下織物隔熱性能的差異。此外，在Congalton[10]的研究中，形狀記憶合金彈簧的設計規格及固定方法尚未明確表述。

本文針對以上問題設計了新的實驗方案，即將若干能夠靈活感應環境溫度變化的形狀記憶合金絲盤繞成彈簧狀，以一定的規律排布在多層防護服的防水透氣層與隔熱層之間。采用熱防護性能測試儀模擬低輻射熱災害環境，并進行防火面料的性能測試實驗。基于各層面料的溫度變化情況評價不同排布方式的形狀記憶合金彈簧的隔熱作用。

1 智能防火面料的研制

1.1 設計原理

空氣在常溫下的導熱系數為0.024 W/(m·K)，遠低于許多常用保溫材料的導熱系數,所以空氣層具有較好的保溫隔熱作用，因此，改進隔熱防寒服可從利用空氣的低導熱性的角度著手[7,11-12]。然而過厚的空氣層易產生對流導熱，導致隔熱性能下降，故空氣層也不是越厚越好[4]。常用的單層熱防護服內空氣層厚度均值在35 mm以內，雙層防護服厚度在40 mm左右[5]。此外，Congalton[10]建議形狀記憶合金彈簧產生的空氣層的厚度應低于35 mm。

基于形狀記憶合金的記憶功能，將形狀記憶合金彈簧熱定型成盤曲的圓錐體，如圖1(a)所示，常溫時壓平為扁平盤香狀，如圖1(b)所示。若干彈簧元件設置在防護服的防水透氣層與隔熱層之間。在高溫工作環境中，該服裝內層所采用的彈簧發生相變，彈起后在服裝織物層之間形成空氣層，熱防護服的隔熱作用增強。在常溫環境下，彈簧較為平整，防護服保持輕薄的結構，可降低熱應激，延長工作時間，因此，形狀記憶合金的形變溫度和彈起高度的設計要充分考慮人體皮膚受損的臨界溫度(44 ℃)和衣下空氣層的厚度等因素。

圖1 高/低溫狀態下的形狀記憶合金彈簧Fig.1 Shape memory alloy spring at high (a) and low (b) temperature

1.2 形狀記憶合金彈簧制作

經對合金絲各項性能的測試，最終制作出在常溫環境下為扁平蚊香狀的形狀記憶合金彈簧。合金材料為銅基，在常溫下的導熱系數為90 W/(m·K)。合金絲直徑為1.5 mm，合金彈簧內直徑為14 mm，外直徑為28 mm。形變溫度為45 ℃左右，彈簧在完全彈起后高度可達32 mm。合金彈簧質量較輕，為5.8 g，且能夠靈敏地感應到環境溫度的變化，進而及時調節熱防護服的結構。

1.3 智能防火面料組合

消防服面料通常由防火外層、防水透氣層及隔熱層3層面料組合而成。面料裁剪尺寸為15 cm×15 cm。3層組合面料在斜對角處固定，以模擬實際穿著時服裝內層面料間的相互作用，同時可防止面料間的相對滑移。面料的基本性能見表1。形狀記憶合金彈簧排布實物圖如圖2所示。面料組合采用6組不同阻燃芳綸線形狀記憶合金彈簧排列方式，即：無形狀記憶合金彈簧(編號為Con，見圖2(a))；1個彈簧中心排列(編號為One，見圖2(b))、2個彈簧對角(編號為Two-diag，見圖2(c))及并列排列(編號為Two-pasa，見圖2(d))、3個彈簧對角(編號為Three-diag，見圖2(e))及等邊三角形排列(編號為Three-tria，見圖2(f))。采用阻燃芳綸線固定形狀記憶合金彈簧。

表1 消防服面料的基本性能

圖2 形狀記憶合金彈簧排布實物圖Fig.2 Arrangements of shape memory alloy spring

2 實驗過程

消防員經常處于低輻射熱[2]環境中，即空氣溫度范圍為70～300 ℃，熱輻射強度低于12.6 kW/m2。本文研究采用熱防護性能測試儀模擬低輻射熱環境，如圖3所示。熱流量為12 kW/m2，輻射時長為70 s。為研究彈簧排列方式對隔熱性能的影響，設計6組不同的排列方式。采用NI數據記錄儀(NI 9231，美國)實時記錄熱輻射實驗過程中的防水透氣層與防火外層間溫度T1、隔熱層與防水透氣層間溫度T2、隔熱層內層溫度T3(T1、T2、T3均為面料中心溫度)。測量T1、T2、T3的傳感器分別固定于防水透氣層外表面、隔熱層的外表面和隔熱層的內表面。NI數據記錄儀由熱電偶測試模塊與32 gauge T型熱電偶組成。每組排列方式測試3次。

圖3 熱輻射實驗Fig.3 Thermal radiation test

3 結果與討論

圖4示出采用不同彈簧排列方式的面料組合在實驗后的空氣層形狀。無形狀記憶合金彈簧的組合面料在熱輻射環境中始終保持扁平狀態，最外層略微發黃，其他面料層不變色、不起皺、無異味。而嵌入彈簧的組合面料在熱輻射環境下彈起并在內部形成空氣層，各空腔的形狀均不同，與形狀記憶合金彈簧的排列方式有關。

圖4 輻射后形狀記憶合金組合面料中的空氣層形狀Fig.4 Air layer shapes in fabrics incorporated with SMA springs after radiation exposure

3.1 防水透氣層與防火外層間溫度

圖5示出采用不同形狀記憶合金彈簧排列方式的試樣防火外層和防水透氣層之間的溫度T1的變化曲線。從整體來看，在該熱輻射條件下，采用6種不同形狀記憶合金彈簧排列方式的試樣的溫度T1均在0～40 s內迅速升高，隨后增速放緩并逐漸趨于平穩。T1的最終溫度范圍為235～260 ℃。由于形狀記憶合金彈簧排布在隔熱層與防水透氣層之間，隔熱作用與導熱性能無法在該處完全體現，故T1的總體差異性不大。T1的動態變化取決于熱源向外表面傳熱與防水透氣層向隔熱層及彈簧形變產生的空腔散熱的綜合作用，當T1穩定時，吸熱與散熱獲得動態平衡。

圖5 不同形狀記憶合金彈簧排列方式的T1變化曲線Fig.5 T1 change curves in different arrangements of SMA springs

同時，與其他5組試樣相比，由于開始時增長速度最慢，Con試樣的T1始終最低，尤其是在40 s時與其他5組的差距最大。特別地，Con試樣在40 s時的T1比Two-para的試樣低40 ℃，但在40 s后該試樣的T1增長速度大于其他試樣，所以最終70 s時6組數值差距較小。該結果可能與形狀記憶合金彈簧在相變過程中產生的應力有關。該應力將防水透氣層與防火外層面料向下擠壓，使得防水透氣層發生輕微形變，一方面導致面料與熱源之間的距離縮短(見圖4)，另一方面減小了彈簧所排布位置處防水透氣層與防火外層之間的接觸間隙，即面料間的空氣層厚度減少，從而加速了熱量的傳遞。此外，彈簧排列方式為Three-diag和One試樣的T1變化曲線幾乎重合，即這2組試樣的T1變化幾乎相同。可能與這2種試樣均有1個彈簧安裝在面料中心有關。

在彈簧形變產生的應力以及面料組合對角線固定產生的阻力雙重作用下，5種安裝形狀記憶彈簧的面料組合的外部形狀具有明顯差異。盡管在輻射條件下防火外層面料中心處發生變形，柔軟度下降，導致在邊緣處防火外層與防水透氣層的間隙增加至 10 mm 左右，但是5組排布形狀記憶合金彈簧的試樣在面料中心的防水透氣層與防火外層間的空氣層整體差異極小，故該5組試樣的T1的增長趨勢相近。

3.2 隔熱層與防水透氣層間溫度

圖6示出采用不同形狀記憶合金彈簧排列方式的試樣隔熱層正面的溫度T2的變化曲線。從整體來看，在同樣的熱輻射條件下，除彈簧排列方式為Con的試樣外，其他5 種安裝形狀記憶合金彈簧的試樣的溫度T2在0～40 s上升較快，之后逐漸趨于穩定，最終溫度在100 ℃左右。而彈簧排列方式為Con的試樣T2始終高速上升。其中，在0～25 s間的溫度曲線與彈簧排列方式為Two-para及Two-diag的試樣幾乎重合，但隨后差值逐漸增加，到70 s時最大，此時的T2大于165 ℃。兩極分化的曲線走勢圖初步體現出形狀記憶合金彈簧的隔熱作用，即在25 s左右面料溫度達到彈簧的形變溫度，彈簧逐漸彈起并形成空氣層，隔熱作用開始起效，40 s左右彈簧形變完成，隔熱性能逐步穩定。此外，5種安裝形狀記憶合金彈簧的試樣T2基本低于同一時刻的Con試樣，尤其是在40 s后，表明形狀記憶合金彈簧具有的導熱性能對面料的局部升溫作用遠小于彈簧彈起形成的空氣層對熱量傳遞的阻礙作用。

圖6 不同形狀記憶彈簧排列方式的T2變化曲線Fig.6 T2 change curves in different arrangements of SMA springs

T2的數值波動取決于防水透氣層內層向空腔內的空氣層傳熱與隔熱層外表面散熱的綜合作用，散熱對象包括隔熱層內層和外環境。當T2達到穩定時，表明吸熱與散熱獲得動態平衡。此時，彈簧形變過程已經結束，作用效果穩定。

5種安裝形狀記憶合金彈簧的試樣受熱后因彈簧形變產生的空氣層是動態變化的。由于面料組合在對角處固定、彈簧散點分布以及面料重力等因素，導致防水透氣層和隔熱層之間的空氣層厚度不均勻(見圖4)，即在彈簧排布位置處最厚，并向周圍遞減。不同排列方式下的空氣層變化規律見表2。

表2 不同排列方式下的空氣層分布

在對空氣層形狀及厚度進行分析后，具體討論T2的變化原因。彈簧排列方式為One和Three-diag試樣的溫度T2上升速度最為緩慢，最終溫度最低，約為90 ℃。由于本文實驗測量面料中心點的溫度，在上述2種情形下，彈簧受熱彈起而形成的空氣層在測試點處最厚，因而對熱量傳遞的阻礙作用最強。相較于其他3種排列方式，彈簧排列方式為Three-tria和Two-para的試樣在70 s時無優勢。這是由于組合面料在對角處固定，使得空氣層總體呈中部突出邊緣窄小的形狀，導致單個試樣內部熱傳導性能分布不均，所以，彈簧的數目對隔熱性能的影響不占主導地位。

3.3 隔熱層內層溫度

圖7為采用不同形狀記憶合金彈簧排列方式的試樣隔熱層內層的溫度T3的變化曲線。從整體上來看，由于熱量傳遞至內表面需要一定的時間，相較于T1、T2的變化曲線圖，這6種不同彈簧排列方式的試樣的溫度T3在0～5 s內保持穩定，5 s后才開始出現明顯增長。其中，在沒有安裝形狀記憶彈簧的試樣Con中，T3自5 s后始終高速上升，并且上升速度在30 s后顯著加快。其他5組安裝形狀記憶合金彈簧的試樣的溫度T3以緩慢的速度平穩上升。表明形狀記憶合金彈簧能夠有效地降低熱量的傳遞速度，增強隔熱層的隔熱效果，且作用效果持續穩定。這與陳艷等[8]、Yates[9]及Congalton[10]的研究結果一致[8,10]。T3的數值波動取決于空氣層向隔熱層導熱與隔熱層向外環境散熱的綜合作用。與T1和T2不同，T3在70 s時依然繼續增加，表明此時吸熱大于散熱，這也與熱量逐層傳遞的滯后性有關。

圖7 不同形狀記憶彈簧排列方式的T3變化曲線Fig.7 T3 change curves in different arrangements of shape memory alloy springs

與T2類似，彈簧排列方式為One、Three-diag的試樣T3增長最為緩慢，70 s時的T3比其他安裝形狀記憶合金彈簧的試樣低15 ℃左右，比Con的試樣低55 ℃。由此可見，采用這2種排列方式的形狀記憶合金彈簧對提升消防服面料的隔熱作用具有顯著的效果。由圖7可知，安裝彈簧的試樣的T3變化趨勢可分成差異明顯的2組，這是因為不同彈簧排列方式下形成的空氣層形狀不同(見圖4)。與其他3組相比，彈簧排列方式為One、Three-diag的試樣產生的空氣層中部突出，整體隔熱性能略好。

此外，由于中心點單點測溫法的局限性，這2組試樣的T3曲線幾乎重合，僅能表明中心部位的隔熱效果差別不大，但由圖4可知，放置3個彈簧后，隔熱層面料整體較放置單個彈簧的試樣平整，產生的空氣層也較均勻，進行服裝層面的實驗效果也可能會更好，這將在后續的研究中進一步驗證。

鑒于44 ℃(溫升為12 ℃)為人體皮膚開始出現損傷的臨界溫度，而56 ℃(溫升為24 ℃)為出現二級燒傷的臨界溫度。本文以T3溫度達到44 ℃和56 ℃的時間分析6組試樣的隔熱效果，具體結果見表3。彈簧排列方式為Con、Two-diag、Two-para、Three-tria的試樣在25 s左右達到44 ℃，彈簧排列方式為Three-diag的試樣在66.2 s時達到44 ℃，而排列方式為One的試樣最終溫度沒有達到44 ℃。彈簧排列方式為Con、Two-diag的試樣在40 s左右達到56 ℃，彈簧排列方式為Two-para、Three-tria的試樣分別在55 s、65.7 s達到56 ℃，而彈簧排列方式為One、Three-diag的試樣在70 s時未能達到該溫度。就延長皮膚受熱損傷時間而言，彈簧排列方式為Two-diag、Two-para、Three-tria的試樣均具有一定的作用，而彈簧排列方式為One、Three-diag的試樣的作用效果最明顯，可較大程度地增加消防人員入火場救援時間，從而搶救效果提高，減少財產損失。

表3 T3達到44 ℃和56 ℃的時間

4 結 論

本文研究在防護服的防水透氣層與隔熱層之間設置若干形狀記憶合金彈簧，在低輻射熱環境下基于各層面料的溫度變化評價不同排列方式的形狀記憶合金彈簧的隔熱作用，得到如下結論。

1)整體上6組不同形狀記憶合金彈簧排列方式的試樣T1先上升較快，然后趨于平緩，相互間的差異較小。

2)彈簧排列方式為Con的試樣的T2始終高速上升，其他5種安裝形狀記憶合金彈簧試樣的T2先增長較快，然后上升緩慢并趨于穩定，排列方式為One、Three-diag的試樣T2上升最緩慢。

3)彈簧排列方式為Con的試樣的T3始終高速上升，其他5組安裝形狀記憶合金彈簧的試樣的T3上升較緩慢，表明形狀記憶合金彈簧有效地降低熱量的傳遞速度，增強面料組合的隔熱效果。其中，排列方式為One、Three-diag的隔熱效果最明顯，較之其他3種排列方式，上述2種排列方式可顯著延長皮膚受熱損傷時間。

4)在不同的排列方式下，彈簧相變過程中產生的空氣層形狀和厚度具有明顯差異，從而影響面料組合的隔熱作用。

[1] SONG G, LU Y. Flame Resistant Textiles for Structural and Proximity Fire Fighting[M]. Cambridge: Woodhead Publishing Limited, 2013:520-548.

[2] LU Y, LI J, SONG G, et al. The effect of air gaps in moist protective clothing on protection from heat and flame[J]. Journal of Fire Sciences, 2013, 31(2): 99-111.

[3] LU Y, WANG F, SONG G. The impact of air gap on thermal performance of protective clothing against hot water spray[J]. Textile Research Journal, 2014, 85(7): 709-721.

[4] 翟麗娜, 李俊. 服裝熱防護性能測評技術的發展過程及現狀[J]. 紡織學報, 2015, 36(7): 162-168. ZHAI Lina, LI Jun. Development and current status on performance test and evaluation of thermal protective clothing[J]. Journal of Textile Research, 2015, 36(7): 162-168.

[5] LU Y, SONG G, LI J. A novel approach for fit analysis of thermal protective clothing using three-dimensional body scanning[J]. Applied Ergonomics, 2014, 45(6): 1439-1446.

[6] MONDAL S, HU J, YANG Z, et al. Shape memory polyurethane for smart garment[J]. Research Journal of Textile and Apparel, 1999, 6(2): 75-80.

[7] YOO S, YEO J, HWANG S, et al. Application of a NiTi alloy two-way shape memory helical coil for a versatile insulating jacket[J]. Materials Science & Engineering A, 2008, 481-482(1): 662-667.

[8] 陳艷, 林蘭天, 任乾乾. 采用形狀記憶合金的瞬時隔熱組合面料的研究[J]. 上海紡織科技, 2012, 40(2): 43-46. CHEN Yan, LIN Lantian, REN Qianqian. Investigation on the instant fireproof composite fabric made of shape memory alloy[J]. Shanghai Textile Science & Technology, 2012, 40(2): 43-46.

[9] YATES D A. Design and evaluation of a thermally responsive firefighter turnout coat[D]. College Park: University of Maryland, 2012, 11-15.

[10] CONGALTON D. Shape memory alloys for use in thermally activated clothing, protection against flame and heat[J]. Fire & Materials, 1999, 23(5): 223-226.

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

[12] 李利君, 宋國文, 李睿, 等. 消防員防護服面料的熱濕舒適性[J]. 紡織學報, 2017, 38(3): 122-125. LI Lijun, SONG Guowen, LI Rui, et al. Heat-moisture comfort of fire-fighter′s protective clothing mate-rials[J]. Journal of Textile Research, 2017, 38(3): 122-125.

Influence of shape memory alloy on thermal insulation performance of flame retardant fabrics in low radiation environment

WANG Shuai1， LU Yehu1, 2， WANG Lijun1， YOU Shanyi1

(1.CollegeofTextileandClothingEngineering,SoochowUniversity,Suzhou,Jiangsu215006,China;2.NationalEngineeringLaboratoryforModernSilk,SoochowUniversity,Suzhou,Jiangsu215123,China)

To improve thermal protective performance of firefighters′ protective clothing, several shape memory alloy (SMA) springs were arranged between the moisture barrier layer and the thermal insulation inner layer to develop smart flame retardant fabric combinations with a dynamic structure. A low radiant heat was simulated by a thermal protective performance tester and the surface temperatures between layers under exposure to low radiation were recorded. The protective performance of fabric in different arrangement modes of SMA springs was evaluated by the temperature changes between layers. The results indicated that SMA springs have good dynamic heat insulating properties by means of the air layer caused by the deformation of SMA springs under radiant heat, and thus improve the protective performance of fabrics. Meanwhile, the arrangement of SMA springs has impact on the thermal protection as well. The samples with the SMA arrangements of one spring in the center and three springs on the diagonal line exhibit better thermal protection performance. The shape and size of the air gap produced by different arrangements of SMA springs show obvious difference, and thus affect the thermal insulation properties of flame retardant fabric combinations.

firefighters′ protective clothing; shape memory alloy spring; low radiation; thermal insulation performance

10.13475/j.fzxb.20161006006

2016-10-19

2017-04-10

國家自然科學基金項目(51506137)；江蘇省自然科學基金項目(BK20161255)；江蘇省高等學校大學生創新創業訓練計劃項目(201610285117H)；江蘇省先進紡織工程技術中心開放課題項目(XJFZ-2016-5)

王帥(1996—)，女，本科生。主要研究方向為智能熱防護服裝。盧業虎，通信作者，E-mail：yhlu@suda.edu.cn。

TS 941.73

A