防火服用蜂窩隔熱層的熱蓄積性能測評

侯玉瑩， 李小輝,2

(1. 東華大學 服裝與藝術設計學院， 上海 200051；2. 東華大學 現代服裝設計與技術教育部重點實驗室， 上海 200051)

消防員在高溫工作環境中往往需要穿著防火服等防護裝備，因此，防火服的熱防護性就顯得尤為重要。為確保熱防護性能，防火服一般采用4層結構，由外向內依次是阻燃外層、隔熱層、防水透氣層、舒適層；然而，正是這種防護服的多層結構在實際穿著過程普遍存在笨重、悶熱等問題，不僅使消防員作業效率降低，還會對消防員身體造成一定程度的傷害。同時，由于消防員長時間暴露在低熱流環境中，雖然防火服外層面料沒有出現明顯損傷，但消防員皮膚仍會產生燒傷現象。研究表明在熱暴露過程中，防火服由于其本身多層結構會蓄積大量熱量，在熱暴露結束后，蓄積的熱量自然釋放或者因為服裝受壓被迫釋放，從而導致皮膚燒傷[1-2]。

針對防火服的多層結構以及其笨重、悶熱造成的熱蓄積現象，近年來國內外學者展開了較多的研究：通過運用新型材料如相變材料改善防火服的蓄熱調溫能力[3-5]；從織物的厚度[6-8]、質量[9]、空氣層厚度[10]、含水量[6-7]以及透氣性[9]方面分析對熱蓄積的影響；探究防火服的反光帶[7]和衣下空氣層[9]對熱蓄積的影響；通過對防火服設計通風口來減少熱蓄積；分析熱流量強度對熱蓄積的影響[7,10]；對熱蓄積測試裝置[7]和熱蓄積測評方法進行研究等，這些研究對防火服在熱防護領域做出巨大貢獻，但在實際應用中防火服的熱蓄積性能和熱防護性能還需要進一步完善和提高。

本文利用蜂窩結構的抗疲勞性能好、熱穩定性好、質量輕、隔熱性能優良等優點，將其應用在防火服隔熱層中；通過選取當前典型的織物進行蜂窩夾芯的設計與制備，系統測評不同蜂窩夾芯邊長、壁厚、芯厚下的最小熱暴露時間，分析對防火服熱蓄積性能的影響，綜合提高防火服的熱防護性能，以滿足在眾多領域的應用需求。

1 實驗部分

1.1 試樣選取與制備

1.1.1 試樣選取

實驗采用典型防火服面料，其中外層面料為Nomex?IIIA，防水透氣層面料為T-70/聚四氟乙烯(PTFE)，隔熱層采用Nomex氈(分別選取3種厚度：I-70氈Nomex、I-120氈Nomex、I-150氈Nomex)，舒適層面料為阻燃粘膠；各層試樣的基本性能參數如表1所示。

表1 面料試樣及其基本性能Tab.1 Fabric samples and fundamental characteristics

1.1.2 蜂窩夾芯結構試樣的制備

蜂窩結構是研究最多的一種多孔二維拓撲結構。其中六邊形蜂窩結構的制作用料少，制備簡單，同時蜂窩夾芯結構中，六邊形蜂窩強度最高，目前應用最普遍。本文實驗將排好版的蜂窩結構導入二氧化碳激光切割機進行切割，最后得到實驗試樣。防火服織物蜂窩夾芯結構如圖1所示，其中邊長為l、壁厚為t、窩芯厚度為h。

圖1 防火服織物蜂窩夾芯結構示意圖Fig.1 Honeycomb sandwich structure for fireproof clothing

本文實驗考慮蜂窩夾芯結構孔型邊長、壁厚、芯厚3個因素，提出6種方案，組成6種蜂窩結構樣片E2-E6用于實驗。同時，又設計了一種未切割的實心對照組E1，如表2所示。

表2 蜂窩孔型結構參數Tab.2 Parameters of honeycomb structure

1.2 實驗方案的設計

本文實驗模擬防火服4層結構，對不同厚度的隔熱層按表2切割成蜂窩孔型，將各種面料進行組合得到21種實驗試樣，如表3所示。并對21種試樣各做3次實驗取平均值，共63個實驗組。

1.3 實驗設備與測評方法

1.3.1 實驗設備

本文實驗根據ASTM F2731—2011《測量消防員防護服系統的能量傳播和儲存的標準》要求，采用MTN-P292-08型熱蓄積測試儀器SET測試儀(美國西北測試科技公司)對防火服用織物在低輻射熱環境下的防護性能進行測試。織物熱傳遞和熱蓄積的測試裝置如圖2所示。主要包括：試樣架，移動托盤，傳感器，輻射熱源，壓縮裝置，數據采集、控制、燒傷和分析系統。

表3 實驗方案設計Tab.3 Experimental scheme design

圖2 熱蓄積測試裝置Fig.2 Stored thermal energy test apparatus

1.3.2 熱蓄積評價方法

基于ASTM F2731標準有2種測試程序用于評價織物的熱蓄積，分別為迭代法(最小熱暴露時間法)和固定熱暴露時間法。本文實驗中采用迭代法測試最小熱暴露時間值。

2 結果與分析

2.1 蜂窩孔型結構參數對面密度的影響

表4示出蜂窩隔熱層的面密度。可以看出，與實心的E1相比，經過切割后的面料其面密度都有所降低。其中E4方案下的隔熱層面料實際面密度是所有方案中最輕的，比未做任何物理結構改變的E1方案降低了64%。而且E2、E5、E7這3種方案下隔熱層的實際面密度大致相等。本文將從蜂窩結構的邊長、壁厚、芯厚這3個控制參數討論由表中也可以發現：切割后的邊長越大，面料面密度越小；切割后的壁厚越小，面料面密度越小；邊長和壁厚以同等比例增加或減少，切割后的隔熱層面密度大致相等。本文將從蜂窩結構的邊長、壁厚、芯厚這3個參數討論蜂窩夾芯結構對織物蓄積熱防護性能的影響。

表4 蜂窩隔熱層面密度Tab.4 Areal density of honeycomb core layer g/m2

2.2 邊長對熱蓄積性能的影響

控制蜂窩結構的壁厚和芯厚2個參數不變，研究蜂窩夾芯結構邊長變化對織物熱蓄積性能的影響。實驗數據表明，3個芯厚的蜂窩結構，都是正六邊形邊長為3 mm時，最小熱暴露時間最長。邊長從 3 mm 增加到6 mm時，熱暴露時間變化范圍為1～6 s；邊長從6 mm增加到9 mm時，熱暴露時間變化范圍為4～10 s，變化較大。邊長在不同范圍內變化時對織物的熱蓄積性能影響不同，但在其他參數相同的情況下，都表現出隨著邊長的增加，最小熱暴露時間降低，其熱防護性能也有一定程度的下降。

為檢驗蜂窩結構的邊長與熱暴露時間的相關性，隨機選取了壁厚為5.2 mm、芯厚為1.5 mm的蜂窩結構。通過SPSS統計軟件，檢驗在芯厚、壁厚相同的情況下，蜂窩邊長與織物組合熱防護性能的相關性。表5示出壁厚為2.6 mm時邊長與其熱暴露時間的相關性檢驗結果。可見，蜂窩邊長與熱暴露時間呈現明顯的負相關，相關系數為-0.993。這驗證了織物系統蜂窩結構邊長的增加能降低熱暴露時間。

表5 邊長與熱暴露時間相關性Tab.5 Correlation of side length and MET

2.3 壁厚對熱蓄積性能的影響

控制孔型邊長不變，比較不同壁厚下實驗試樣在熱蓄積測評中最小熱暴露時間值的大小。圖3示出蜂窩孔型邊長分別為3、6、9 mm時不同壁厚的最小熱暴露時間。

圖3 不同孔型邊長時不同壁厚的最小熱暴露時間Fig.3 MET of different wall thickness at different side length

從圖3可看出，隨著壁厚的增加，織物的最小熱暴露時間基本都是增加的，但增加的程度并不大。在孔型邊長為3 mm和6 mm時，2種壁厚下的最小熱暴露時間基本持平，甚至在蜂窩孔型邊長為 6 mm，芯厚為1.5 mm時，織物的熱暴露時間略有下降，因此在這2種孔型邊長下，壁厚的增加并不會對熱蓄積性能有太大的影響。顯然在此蜂窩夾芯結構下，織物的最小熱暴露時間受其他因素影響大一些。由圖3(c)可以看出，蜂窩孔型邊長為9 mm時，壁厚的增加對熱暴露時間產生了較大的影響。蜂窩夾芯結構的壁厚從5.2 mm增加到7.8 mm，3種芯厚下織物的最小熱暴露時間增加都在5 s以上，因此，在邊長為9 mm時，壁厚的增加對于織物的熱蓄積性能有積極的影響。不同大小的蜂窩夾芯結構的壁厚、邊長、芯厚3個因素相互搭配對熱蓄積性能有不同程度的影響，邊長較大時可通過增加壁厚來提高織物的熱暴露時間。

2.4 芯厚對熱蓄積性能的影響

圖4示出蜂窩結構的芯厚對防火服熱蓄積性能的影響。

圖4 不同芯厚面料組合的最小熱暴露時間Fig.4 MET of different sandwich thickness combinations

由圖4可很明顯地看出，芯厚為1.5 mm(C3)時，對應的7種蜂窩孔型結構的熱暴露時間值最大。當蜂窩芯厚為0.6 mm時，實驗試樣的熱暴露時間值從整體來看是最小的。總體上來說，隨著蜂窩芯厚的增加，最小熱暴露時間值也會相應增加，這也從一定程度上說明增加芯厚可提高織物的熱暴露時間。

此外，圖4顯示的7種蜂窩孔型中，E3結構(邊長為3 mm,壁厚為5.2 mm)的最小熱暴露時間值最大，且都大于實心結構(E1)織物的熱暴露時間；芯厚為1.5 mm時，E6結構除外，其余幾種蜂窩孔型的熱暴露時間均明顯高于實心結構。其中E3結構熱暴露時間增加最多，與實心結構E1相比，熱暴露時間增加近10 s，因此這也說明，蜂窩結構可一定程度地提高織物的熱暴露時間。

為檢驗蜂窩結構的芯厚與熱暴露時間的相關性，隨機選取了邊長為3 mm、壁厚為5.2 mm的蜂窩結構。通過SPSS統計軟件，檢驗在邊長、壁厚相同的情況下，蜂窩結構芯厚與織物組合熱防護性能相關性，其結果如表6所示。可以看到，Pearson相關系數為0.959，蜂窩結構芯厚與熱暴露時間呈明顯的正相關。這驗證了蜂窩結構芯厚的增加能提高熱暴露時間。

表6 芯厚與熱暴露時間相關性Tab.6 Correlation of core thickness and MET

3 結 論

1)采用蜂窩孔型的隔熱層可明顯減輕防火服的質量，改善以往防火服存在的笨重的問題。其中切割后的蜂窩邊長越大，隔熱層織物面密度越小，切割后的蜂窩壁厚越小，織物面密度越小。

2)蜂窩結構的芯厚對多層熱防護服的防護性能影響比較大，在本文實驗中，選用最厚的 I-150氈 Nomex面料為隔熱層織物組合下的實驗試樣的熱防護性能最好，在熱蓄積測評中的最小熱暴露時間值最高。

3)隔熱層孔型方案中不同正六邊形邊長和壁厚的搭配，對多層熱防護服防護性能的影響各不相同。蜂窩壁厚一定的情況下，孔型邊長值越高，防護服的熱暴露時間越低；蜂窩孔型邊長一定的情況下，壁厚越大，防護服的熱暴露時間越高。