消防員滅火防護服面料功能及結構工藝設計分析

張蓓蓓,葉遠麗,蔣春燕,蘇軍強,*

(1.江南大學 紡織服裝學院,江蘇 無錫214122;2.圣華盾防護科技股份有限公司,江蘇 無錫214413)

在進行滅火救援作業或是日常作業訓練時,消防戰士都會穿著消防員滅火防護服,用以自身的安全防護,主要是對消防戰士的軀干、雙臂和雙腿進行有效保護[1]?；谶@樣的功能要求,消防員滅火防護服應該具備的特點有：(1)防護性：包括耐熱性、隔熱性、耐火性、強韌性等,能夠防止銳利物體的沖擊、碰撞給人體帶來傷害,能夠阻止化學物質傷害皮膚的性能,能夠適應外界環境變化。(2)作業效率：選用伸縮性能良好的材料,讓消防戰士在進行救援作業時有活動余地。(3)安全管理和部隊統籌：讓上下級之間行之有效,這樣才能以確保消防員滅火防護服能夠發揮其最大的作用。

按照GA10-2014的規定,消防員滅火防護服分為消防員滅火指揮服(以下簡稱指揮服)和消防員滅火防護服(以下簡稱防護服)兩類。在進行滅火救援時,消防員滅火指揮服是消防指揮員穿著的具有一定防護功能的服裝,由外圍的指揮人員穿著;消防員滅火防護服是消防戰士穿著的,能夠在穿著者進行近火作業時防止熱量對人體的侵害,是滅火作業時必須裝備的最基本的個人防護裝備。兩種服裝相似又不同,其功能要求與結構設計在相似的基礎上也有一定的區別。

1 防護服和指揮服

1.1 防護服

防護服款式為分體式,由防護上衣和防護褲子組成,如圖1所示,要求上衣和褲子的重疊部分不小于200 mm[2];反光標志帶寬度不小于50 mm,在360°方位均可見;安裝有救生拖拉帶。其主要技術參數見表1。防護服要求整體質量不大于3.5 kg;針距密度無論明線還是暗線,每3 c m不得小于12針,包縫線每3 c m不得小于9針。

表1 防護服主要技術參數

1.2 指揮服

指揮服的上衣長較同號型防護服長140 mm,下擺衣兜為斜插兜,下擺后部設有開叉。其他結構與防護服相同,如圖2所示。

2 面料功能

如今市場上的消防員滅火防護服有兩種復合系統：一種是四層結構的,由防護層、防水透氣層、隔熱層、舒適層四層織物結構復合而成;另一種是三層結構的,就是將四層中的防水層和隔熱層復合為防水隔熱層。三層結構的防護服較之四層結構更為輕便,但是防護效果要稍微差一些,通常作為在短時間內進行激烈救援作業時的沖鋒衣。

圖1 消防員滅火防護服

圖2 消防員滅火指揮服

2.1 防護層

復合系統的最外層稱之為防護層,因為其直接與火災環境接觸,所以又叫做阻燃層,多是由耐高溫纖維面料制作的。最開始的時候該層是由耐高溫纖維面料通過后整理加上阻燃涂層,以達到阻燃耐高溫的效果。隨著科技的發展,現在市面上大部分廠家已經使用的是阻燃纖維的耐高溫面料了,只有少數為降低成本而使用涂層面料。

防護服外層織物最常用的纖維為芳綸纖維,市場占有率接近70%,不僅如此,芳綸纖維還有著持續增長的趨勢[3]。芳綸1313,也就是間位芳綸,最早于1967年由美國杜邦公司推向市場,現在該合成耐高溫纖維已經是世界上消防服領域應用最為廣泛的材料。但芳綸面料最大的缺點就是舒適性極差,目前通常采用的處理辦法是在其中混紡一些具有舒適性能的阻燃纖維,這樣能在不過分提高面料成本的條件下大幅提高面料的服用性能,增強其舒適性。

2.2 防水透氣層

防水透氣層應該具有雙重功能,一是阻擋外界的水體進入人體,二是排除身體排汗產生的水蒸汽。Miao T等[4]為研究在閃火情況下各層及皮膚表面的溫度,通過簡化的三維立體模型建立起單層和多層織物模型。研究發現,在消防服復合體系的多層織物中最有效的保護層是防水透氣層。目前的防水透氣層多是采用“膜+阻燃基布/棉布組織”通過層壓工藝復合而成,常用的膜有PTFE(聚四氟乙烯)膜、PE膜等。

2.3 隔熱層

在多層織物體系中,綜合熱防護性能離不開隔熱層的貢獻,其主要功能是保溫隔熱,也就是說,要在保持消防戰士自身溫度的同時,防止外在環境的高溫對其身體造成傷害。多采用耐高溫纖維經過處理得到針刺氈或水刺氈,最常見的是芳綸水刺氈。

2.4 舒適層

舒適層貼近人體,首先需要具備的就是舒適性,且其穿著狀態是進行高強度的消防救援作業,這不僅需要集舒適性能和阻燃性能于一身,更要追求優于一般服裝的舒適性,以保證消防戰士的工作效率。常用的是阻燃棉和阻燃黏膠,也有用芳綸等纖維經過舒適性處理后加以應用的。

3 結構工藝設計

消防服的結構設計多是從人體工效學的角度出發,在日常服裝特征的結構基礎上,綜合考慮人體測量尺寸及最小功能尺寸、最佳功能尺寸等參數,通過計算得出生理測量值,再對細節部位尺寸進行合理調整,從而滿足穿著的消防戰士對防護性能和動作靈活度等方面的需求[5]。崔琳琳對消防服的款式結構進行了詳細的分類總結及改進[6],不過科技發展是日新月異的,時至今日,已經有許多更好的設計出現。

3.1 衣身結構設計

為了便于服裝的通風,消防服的尺寸一般會偏大,同時適當加大尺寸也有利于汗液的蒸發。通常情況下,服裝的寬松量包括人體軟組織彈性及呼吸量所需要的基本松量和滿足人體運動所需要的寬松量。由于消防服需要考慮其功能性,大多情況下面料會具有結構緊湊、延展性小、手感較硬挺的特點,且因消防服裝為多層結構而導致消防服裝不利于運動,需要比較大的寬松量。但是較大寬松量的防護類服裝容易使人行動不便,從而會降低作業者的行動力和判斷力,加重身體生理上的新陳代謝負荷,引起不適感,甚至于增加傷亡率。

袖窿越低,袖子與衣身的分離點就會越低,那么袖窿過低就會導致側縫線和袖下線的長度減小,會限制手臂活動,致使服裝的運動機能性和舒適性降低。袖窿點適當抬高,可以在確保適當的腋下空間的前提下使腋下長增加,就可以增加手臂的抬舉范圍,使手臂的活動更加自如。因此采用適當的袖窿深,可以降低手臂抬舉活動的受限度,或者可以通過在腋下加入插片的方法,使手臂的活動更加自如。

3.2 袖子結構設計

手臂的運動取決于肩關節,人體結構決定了前屈的幅度大于后伸,這意味著服裝的臂根后面比前面需要更多的松量。再加上人體肘部自然狀態下通常朝內稍有彎曲,并且消防戰士在滅火及救援作業時也都是進行朝內屈曲的運動,當彎曲肘部時,長度將發生改變。基于這些前提,對袖子的結構進行設計。采用兩片袖,在小袖上分割加入耐磨補強結構,在袖肘處做省,這樣可以較好地滿足肘部運動要求。采用馬蹄形袖口,在袖口添加便于調節袖口大小的魔術貼調節扣,并采用彈性較大的露拇指孔和四指孔的羅紋結構,這樣做有利于佩戴防護手套,同時在很大程度上提高了手部運動的靈活性,如圖3所示。

圖3 袖子結構設計

3.3 下裝結構設計

下裝采用工字型的背帶設計,在前端設計裝有調節扣,后端在后片背托上固定。為了使背托加長,在后片上設計了育克(護腰結構)。背托兩側采取了下凹設計,這個小設計使得背托所需面料減少,服裝重量減輕,背帶對肩部的壓力減小,褲子對背托及背帶的拉力減小?？诖糠肿龀闪Ⅲw狀,在底部設置2個漏水孔,這樣可以防止因口袋積水而造成消防服重量增加,避免了增加消防戰士體能消耗的可能。

下肢的主要活動關節是膝部,綜合人體膝關節的運動特點及消防戰士的作業習慣,在膝蓋部位做分割,前褲片在分割處增加耐磨補強結構,前褲片左右和后褲片相應位置以做省的方式收掉余量,使褲子的形態符合運動需要,同時還減輕了褲子本身的重量。

以前的消防服風格寬松,也沒有進行結構的特殊設計,而現在,消防服正朝著合體輕便的方向發展,那么在一些功能型的特殊結構設計方面,就需要更多地對消防戰士工作狀態進行深入研究,挖掘消防戰士在人體工效方面的更多需求,在體現人性化的方面進行更多的服裝功能設計。

4 人性化功能設計

從功能防護的角度出發,防護服裝在結構設計的基礎上進行功能設計,運用多種閉合設計(如拉鏈、魔術貼)、面料的層次設計(如重疊)、多種零部件(如口袋、搭襻)等途徑使服裝能夠符合相應的功能要求。馮希等對消防服裝進行了創新功能設計[7],有些已經實現,有些正待研究,還有些特別的已開始應用。

4.1 色調設計

在處理高危、緊張的工作時,冷色調會起到讓人安靜、鎮定的作用。既能降低消防戰士在火場內視覺上的溫度,同時也能緩解緊張和壓抑的情緒。消防戰士的頭盔多采用黃色,消防服通常為藏青色,由于藍色和黃色是一對對比色,黃色的頭盔和藍色的消防服在色彩上形成了一種反差,能給人視覺上鮮明醒目的感覺,但又不會像紅色和橙色那樣給人過度的緊張感和壓迫感。

4.2 身份識別系統設計

消防戰士進入火場后,只能靠頭盔上的編號和對講機來識別對方的身份。在大型火災救援現場,各種環境狀態都十分復雜,這就使得身份識別很難實現,因此對身份識別系統的需求十分迫切。

4.2.1 可視性

簡單點就是直接用反光條標明戰士的名字或者代號,這樣就可以在復雜的火場環境下一眼看出對方的身份,但這種方式很容易受到環境的影響,如距離遠或是煙霧過大等。較為高級的方式就是使用智能、高科技的方式去解決消防戰士的定位問題,如GPS定位,該方式能更準確地提供隊友位置及身份信息。

4.2.2 非可視性

火場滅火工作是涉及到生命安全的一項重要工作,需要精準的定位。以往的設計多是將定位芯片植入到消防服中,利用其發出的GPS或Wi Fi信號來確定消防戰士的具體位置。但現實情況是,火災現場基礎設施大多都已被破壞,GPS和Wi Fi信號并不穩定,對于了解消防戰士的實時具體位置作用不夠到位,而且這種設計所提供的信息過于平面化,無法準確探知消防戰士所在的空間信息。因此,當前有考慮采用衛星定位系統的方式,將事先編碼的消防戰士錄進系統,當其進入火場時開通衛星定位系統,這樣就可以精準地定位到其空間位置。這個想法操作可行性較低,但是可以為未來的精確定位設計提供一種可能性。

4.3 反光帶設計

反光帶是消防戰士在火場內和夜間作業時能被肉眼識別的最為直觀的方式。若采用隨人體的走向進行通體設計的話,就可以更清楚地看到消防戰士的軀體動態,以便于消防戰士在火場內注意到同伴的運動狀態。雖然這種設計可以明顯地看到隊友的狀態,但是個人認為對于反光帶的使用過多,對工藝要求的增加會增加消防服整體的重量,并且市場上暫時沒有大面積使用,所以有待研究。

4.4 救生拖拉帶設計

救生拖拉帶是安裝在防護服上的一種救援設計,當消防戰士在進行火場救援作業不慎暈倒時,同伴可以將其所穿防護服的救生拖拉帶展開,將其救出火場。消防戰士在進行救援作業的時候,體力消耗加上火場的熱應激反應,很可能會產生暈厥的情況。救生拖拉帶的設計就是為了方便同伴將其救出,且能夠減少同伴對其救援時的能量消耗,不耽誤正常救援作業。

4.5 智能配件設計

消防裝備是集功能、智能、效率于一身的個體防護裝備,運用智能化技術對提升消防服的性能有很大的促進作用[8]。目前,在消防領域常常會使用熱傳感器實時監測分析消防服的熱防護性能,這些熱傳感器通常具有方便輕巧、采集迅速、測量精確及重復性好等特點。

通過在消防服中設置便攜式傳感器,來監測消防戰士在火場那種高溫高危的環境下的實時生理參數,如心跳速率、體溫、血氧飽和度等,并根據監測數據分析其健康狀況。同時,可以利用該系統來監測火場環境下的空氣溫度等,對可能發生的突發狀況提前預警,以確保消防戰士的生命安全。

4.6 外置時間顯示器

消防戰士在進入火場時可以攜帶手表之類的時間顯示器,目的是為了方便每位消防戰士把握滅火時間,對自己的體能消耗有一定的預估。但由于消防服的防護性需要,手腕處需要進行遮蓋,這樣一來攜帶的手表便形同虛設了。因此,可以通過智能纖維材料在衣服靠近手腕處設置時間顯示器,這樣既方便了消防戰士對滅火時間的掌控,又兼顧了防護性能的需要。

5 結語

消防戰士在進行救援作業時,消防服是其主要的生命保障。但是近年來火災頻發加之消防設備不完善,許多消防戰士因此獻出了寶貴的生命。鑒于現代新型火場的要求,消防服的功能設計應該有更大提升,有必要利用現代科技的手段和創意設計的理念去完善消防服的功能設計,讓消防戰士在未來的火場滅火過程中能更加游刃有余,應對自如;并且利用現代智能科技和智能材料去創造更優質的消防產品。同時,關于消防服裝的性能測試也還需要有一套完整的測試系統。所有這些努力的最終核心點就是維護好人類最寶貴的東西——生命。消防服的功能設計當以消防員的生命安全為第一要務,這是保證火場成功救援的基本。