阻燃防護服熱防護性能測試方法存在的問題

張婷婷，任志博，徐蘭軍，董炳艷，張 煥

(1.新興際華集團有限公司，北京 100020； 2.中國紡織信息中心，北京 100025)

在火災事故中，服裝燃燒給人體帶來的傷害遠大于環境中明火給人體造成的傷害，因此在火災救援及容易引起火災的危險作業環境中穿著阻燃防護服對人身安全至關重要[1]。熱防護性能是阻燃防護領域引入國際標準的重要指標之一，它能客觀地反應阻燃防護服對火災中強烈的對流熱和輻射熱的防護性能[2]。

目前國內防護服熱防護性能測試標準GB 8965.1—2009《防護服裝 阻燃防護 第1 部分:阻燃服》、GA 12014 《消防員滅火防護服》均未涉及服裝的蓄熱性能[3]。國外相關標準ASTM F 2700—2008 《阻燃服材料在持續加熱狀態下動態的傳熱性評估的標準測試方法》、ISO 17492—2003《防火隔熱服-暴露于火焰和輻射熱時的熱傳遞測定》、NFPA 2112—2007《消防員滅火防護服》和ASTM F 2703—2008 《阻燃服材料在預計燒傷率狀態下動態的傳熱性評估的標準測試方法》[4]中, 除ASTM F 2703—2008外其余標準都是在測試熱防護材料過程中，通過測得該材料在累計時間上的傳感器響應曲線與Stoll曲線(人體二度燒傷曲線)的交點來確定累積能量，測試結果稱為熱防護性能值，簡稱TPP。而ASTM F 2703—2008是在測試熱防護材料過程中，通過測得的該材料在一定時間上的傳熱反應曲線與Stoll曲線的相切(或近似相切)來確定的總累積能量測試結果，稱為熱防護性能評估值，簡稱TPE。國內服裝研究和實驗室檢測基本都集中在面料或服裝在高強度熱流下，即TPP測試，有較高TPP值的服裝被認為具有較好的熱防護性能，而忽略了熱蓄積時的性能研究和測試，導致TPP的數值無法表征防護服真實的防護水平，也不能與燃燒假人的數據呈現相關性[5]。數十年的建筑火災報告數據顯示，消防員遭受的大多數皮膚燒傷都發生在低強度熱環境中，其中常見的熱危險強度是 5～ 20 kW/m2的低熱輻射，這類熱暴露通常持續數分鐘，不會造成服裝形變，但同樣會導致皮膚二度燒傷[6]。在實際火災現場的應用中，現場環境非常惡劣，穿著者可能未及時脫掉經熱暴露后的防護服，此時，服裝中蓄積的熱能會繼續傳遞給穿著者，很可能造成快速燒傷中[7]。因此，低輻射傳熱條件在阻燃防護服性能研究十分重要。在選購服裝面料時，面料的TPE值也應該作為重要的參考指標之一。

1 試驗部分

本文選用一種阻燃防護服常用面料，測試樣品囊括了單層、多層等不同組合。按照GB 8965.1—2009附錄A和ASTM F 2703—2008分別對其TPP值和TPE值進行測試并對結果進行分析比較。測試儀器采用701-D-163-1型整體熱防護性能測試儀(美國精密儀器公司)。

1.1 TPP試驗

試樣選用杜邦(中國)研發管理有限公司生產的Nomex?IIIA藏青色斜紋面料，線密度為26.3 tex×2。試樣分為3組，每組10個樣品，第1組試樣為單層面料，第2組為雙層面料，第3組為4層面料。織物規格參數如表1所示。

表1 織物規格參數

為了減少溫濕度對試驗結果的影響，測試前將試樣置于標準大氣條件下調濕24 h，從調濕區域移出后在30 min內完成測試。測試熱源的對流熱和輻射熱各占50%。測試前對熱源總熱量進行校準，使總熱通量達到(84±2) kW/m2，記錄總熱通量數據，并對試樣進行測試。試驗均采用直接接觸法，即模擬面料與人體皮膚直接接觸時阻燃防護服的熱防護性能。當傳感器響應曲線與Stoll曲線相交時，記錄下暴露時間。熱防護性能值(TPP)就是暴露時間與校準總熱通量的乘積[2]。即

TPP=t交點×F

(1)

式中：TPP為熱防護性能值，kW·s/m2；t交點為測試的累積能量與Stoll曲線相交的時間，s；F為校準總熱通量，kW/m2。

TPP測試結果如表2所示。試驗后的試樣狀態如圖1所示。

表2 TPP測試結果

圖1 TPP試驗后試樣

從表2可以看出，面料層數越多，TPP值越高，防護服的熱防護性能越好。首先，多層織物形成了間隔層，從而保留了靜止空氣，而空氣的熱傳導率是纖維材料的1/10，因此，降低了熱量的傳播速度，從而提供了更好的隔熱效果；其次，多層面料作為整體進行測試，使得熱量在織物內部的纖維、紗線界面間發生多次耗能湍流從而減少了到達皮膚的熱量[9]。

由圖1可以看出：面料接觸火焰時間越長損傷越嚴重，燃燒后第3組試樣出現了熱收縮現象。

1.2 TPE試驗

TPE試驗是在TPP試驗的基礎上進行。TPP試驗中得到了試樣的最大暴露時間tmax，即表2中的TPP時間平均值，通過tmax除以2確定TPE測試的暴露時間ttrial，本文試驗分別設置為2、4和9 s(精確至秒)。待暴露結束后持續采集數據至30 s 以上。此時曲線可能出現3種情況：①傳感器響應曲線和Stoll曲線未相交，說明需要增加ttrial的數值繼續測試，那么下次試驗測試暴露時間為ttrial1=(tmax/2+ttrial)÷2，即為3、6、13 s，重新輸入暴露時間后繼續進行測試。②傳感器響應曲線和Stoll曲線剛好相交并相切，那么此時的ttrial就是TPE時間。③傳感器響應曲線和Stoll曲線相交并有2個交點，說明需要減少ttrial的數值繼續測試，那么下次試驗測試暴露時間ttrial1=ttrial/4，即為2、3、7 s，重新輸入暴露時間后繼續進行測試。按照上述方法，直到2次暴露時間差接近0.5 s時，停止試驗。最后再用2塊試樣對評估時間進行驗證。取平均值最為最終結果。

按照上述方法進行測試，TPE測試結果如表3所示。測試后試樣如圖2所示。

表3 TPE測試結果

圖2 TPE測試后試樣

從表3可以看出，面料的層數越多熱防護性能評估時間和評估值越高，試驗過程中沒有發生燃燒反應。通過表2和表3的比較可以看出，同一組試樣的TPE值比TPP值分別降低了7.7%、13.3%和27.9%，說明織物在熱暴露階段除了發生熱傳遞外還會蓄積大量的熱量，而且隨著面料層數的增加面料整體的蓄熱能力也有所增加。這是因為面料的層數越多，達到二度燒傷所需的熱暴露時間也越長，從而面料蓄積的熱量也越高。目前阻燃防護服一般由外層、防水透氣層、隔熱層和內層舒適層4層結構組成，因此在阻燃防護服接觸火源之后其散發出的熱量對人體造成傷害的不容小覷[10]。

從圖2可以看出，面料經TPE試驗后損傷程度比TPP試驗后有所減輕，因為面料直接接觸火焰的時間有所減少。

1.3 測試過程中的其他問題

根據日常測試試驗及實驗室之間的比對試驗發現，熱防護性能測試中還存在以下問題：

①傳感器熱量損失。傳感器是基于溫度設計的熱性能，影響因素包括銅片的質量、吸收率、面積等。目前實驗室普遍采用的熱容性傳感器，在測試過程中熱量有所損耗。它的散熱主要有銅片本身反射的輻射熱，采用間接接觸法測試時隔熱板表面的輻射熱吸收，以及銅片與隔熱板之間熱量的損失。

②輻射熱的光譜影響。使用石英管燈和梅克爾燃燒燈的光譜與實際火災光譜不同，影響測試真實模擬的精確性。

③數據采集系統誤差。熱電偶從輸出電壓信號轉換成溫度，二者間沒有線性關系，存在一定誤差。

④ Stoll曲線問題。Stoll曲線適用于均勻(矩陣)分布的熱源，任何小的波動變化都會使Stoll曲線失效。試驗過程中，恒定的熱流量經過一層或多層織物后會衰減，衰減后入射到人體皮膚的熱流量值波動較大，不符合應用Stoll曲線的邊界條件。

2 結 論

①國內標準未涉及服裝蓄熱性能，TPE的測試方法彌補了TPP測試的不足，它使所測得二度燒傷時間明顯縮短，這種結果對于阻燃防護服實際性能評估有積極的作用，可以更真實地反映所測服裝性能指數，避免因評估偏差導致消防隊員在火場環境中受到傷害。因此，國內相關標準應考慮將TPE測試方法編入其中。在選購阻燃防護服面料時不僅要考慮織物的阻燃性能、熱傳遞性能，還應考慮后期的蓄熱性能。

②國內外測試方法中均存在傳感器熱量損失、輻射熱的光譜影響、數據采集系統誤差、Stoll曲線失效等問題，影響結果的真實性。相關國家標準在制訂、修訂的過程中應充分考慮實際應用中存在的問題。