消防服性能研究現狀及展望

劉津池,于 淼,程文杰，王 俠

(1.青島大學 紡織服裝學院，山東 青島 266000；2.武漢警官學院，湖北 武漢 430000)

1 引言

穿著消防服的消防員長時間處于高溫環境，身體會產生一系列不良反應，如體溫上升、出汗量增多等。消防服在阻擋外部熱量進入的同時，也會抑制穿著者體熱向外散失，從而產生熱積蓄，使得人體與消防服之間微氣候溫度過高，進一步加劇人體不良反應，甚至導致熱暈厥[1-3]。

文章首先從最基本的阻燃功能、隔熱功能兩方面分析了消防服的熱防護性能標準；其次從熱濕舒適性能、服用性能等角度剖析了消防服的舒適性能要求；然后從熱防護性能、熱濕舒適性能、工效性能等方面詮釋了消防服性能平衡交互評價；最后總結并從面料研發、結構優化、性能匹配等多個角度對消防服研發提供思路。

2 消防服熱防護性能

熱防護服是指高溫條件下穿著的、能夠隔絕熱源、減緩熱量傳遞與集聚、防止體表微環境溫度過高、減少人體不良熱反應、避免燒傷、灼傷等熱傷害，保護穿著者作業安全的功能防護服裝[4-7]。

消防服是一類特殊的熱防護服，是消防員在火場實施救援行動的重要防護用具[8]。所以消防服需要具備阻燃性能、隔熱性能、高溫下保持完整、熱蒸汽及噴濺熱水流防護性能、防化學品腐蝕等性能，還有降溫、結構優化、穿著舒適等服用性能。其中最重要的是熱防護性能，即高溫環境中保護人體免受熱傷害的性能。而消防服熱防護性能一般可細分為阻燃性能與隔熱性能。

2.1 阻燃功能

火場中身體受到熱傷害最嚴重的部位大都在直接接觸燃燒物處，因此消防服需具有優良的阻燃性能。采用耐高溫紡織材料[9]織造消防服是確保良好阻燃性能的重要方法。強化阻燃功能是消防服設計的重點，可以通過新型高性能阻燃面料研發、服裝結構優化等手段實現。由于消防服外側可能直接接觸火焰，因此阻燃層織物還需有一定的防火焰燒透性能。

2.2 隔熱功能

消防員實施救援作業的火場溫度一般為600℃～1000℃，輻射熱為115 kW/(m2·s)～200 kW/(m2·s)，所以消防服需有較好的隔熱性能，在一定時間內盡可能減少穿著者所受的熱傷害[10，11]。當消防服處于熱源與受保護消防戰斗員之間時，熱量將通過熱傳導、對流、輻射三種方式的綜合作用傳到消防服內側。由于織物表面的反射作用和織物的吸收作用，使其具備了一定的隔熱性能[12]。

織物纖維的導熱系數遠大于空氣導熱系數[13]，所以熱量從消防服外側傳遞到內側時，比直接在空氣中傳遞相同距離、時間存在一定滯后。消防服織物層數、織物性質、消防員身體形態及穿著狀態等均對空氣層厚度有影響。較小的衣下空氣層厚度對熱能阻礙過小，極易造成皮膚二級燒傷；但過大的空氣層厚度，會產生熱對流效應，促進熱量傳遞[14，15]。消防服的隔熱性能與纖維原料導熱性、消防服結構設計、面料及里料結構均有很大關系。消防服纖維選用上，選用導熱性差的紡織纖維，使外部熱源的熱量難以向人體皮膚傳導，從而提升消防服隔熱性。在消防服結構設計中，盡可能減少開口、縫合外漏部位，選擇緊密程度合適的消防服面料，進而減少環境中熱量向內傳導的直接通道，達到優化消防服隔熱性能的目的；設置的空氣層厚度越接近合理值，熱量傳輸阻力越大，隔熱性能越好。

3 消防服舒適性能

服裝作為存在于人體和外界環境之間的一層介質，在“人體—服裝—環境”這個微氣候中起著重要的調節作用，其舒適性能直接受服裝自身結構與外界環境影響[16，17]。

3.1 熱濕舒適性能

在滅火作業過程中，外部熱量從環境經過衣服到達皮膚，然后向人體內部傳遞，從而提升體核溫度；而工作負荷則是通過新陳代謝直接引起體核溫度升高，再將多余的熱量傳遞到體表微環境，產生新的熱量對流，這些熱量在消防服內部大量聚積，可能會使消防員遭受燒傷和熱應激反應等熱危險[18]。

熱和濕直接決定服裝的舒適性能，而服裝與人體微氣候中粒子的傳輸、擴散與熱和濕的聯系非常緊密，所以服裝舒適性研究也就是服裝熱濕耦合作用的相關研究[19]。穿著消防服從事救援作戰活動的人體在高溫環境下會以1200 g/h～1800 g/h的速率出汗，造成消防服內部水分蓄積，而水分會影響消防服熱傳導及熱蓄積等熱防護性能[20，21]，當含水率較低(相對于織物重15%～20%)的單層織物暴露于6.3 kW/m2的低熱輻射強度，水分會降低其熱防護性能[22]。

當環境溫度高于人體皮膚溫度時，人體只能靠汗液蒸發進行散熱[23]。而消防服的阻燃和防水性會降低消防服透濕性，阻礙汗水蒸發和排出衣服外，限制潛熱釋放，導致消防員承受巨大熱荷載，從而使舒適性大幅下降甚至會出現過熱反應。因此，消防服裝熱濕舒適性能在消防服裝研發設計中不容小覷[24]。由于外部熱量和工作負荷對體核溫度的影響方式存在一定差異，所以消防服設計需有針對性，以確保合理熱防護性能基礎上的最佳熱濕舒適程度。

織物的液態水傳遞性能可能對人體運動中的生理反應有廣泛而深層次的影響[25]。吸濕性較強的織物兩側相對濕度相差較大時，熱蒸汽沖擊能會被顯著緩沖[26]，即消防服面料有較強吸濕性能時，高溫噴濺熱水流和高溫蒸汽的沖擊力可以被有效削減，從而減輕對消防員的傷害。

3.2 其他服用舒適性能

較高的耐久度、質量輕、方便穿著、寬松結構等良好的服用舒適性，對消防員在火場救援作業時的大幅度動作不會產生限制，有利于消防員散失余熱、蒸發汗液、降低生理負荷，能夠兼顧協調性和舒適性，有利于提高救援工作效率。

GA 10—2014標準規定消防服為四層層間結構，每層都要有一定的阻燃、防水性能。穿著厚重、多層、透氣性較差的消防服進入火場進行長時間、高強度的救援工作時，大量出汗帶來較大的熱應力，同時由于消防服散熱量不足，會導致消防員身體熱平衡失調，威脅生命安全[3]。所以實現消防服輕質化，對改善消防服防護性能，便利消防員實施消防救援時的活動，提高其消防救援工作效率有重要作用。消防服裝輕質化，可以從開發利用輕質紡織材料、減少不必要的結構部件等方面著手。

4 消防服性能交互平衡評價

消防服常見評價標準有三類：突出熱防護性能、防液體滲透性、物理機械性能的NFPA 1971；增加輻射處理后織物拉伸性能測試項目，水洗縮率要求更高，由RPP、TPP等熱防護性能測試組成的BS EN 469；規定了消防服為四層結構及每一層的性能要求，總體質量不大于3.5 kg，顏色為藏藍色，整體TPP值≥28.0，標準高于BS EN 469，略低于NFPA 1971的GA 10—2014。這些標準測評指標大體可以分為消防服熱防護性能、熱濕舒適性能、工效性能三大類。

4.1 熱防護性能評價

消防服的熱防護性能是根據皮膚二、三級燒傷比例來評價的，當熱流密度達到5.02×104 J/(m2·s)，即人體溫度達到72℃時，皮膚起泡，出現二級燒傷。評價織物熱防護性能的模型指標有Stoll燒傷準則和Henriques燒傷積分模型[27，28]。熱防護性能是消防服作為功能防護服裝最重要、最基本的功能。

4.2 熱濕舒適性能評價

消防服熱濕舒適性的評價是以“消防員—消防服—高溫環境”之間的生物熱力學綜合平衡的實現程度為標準的，這一平衡是溫度、濕度、人體活動狀態和消防服熱濕傳遞性能綜合作用的結果[29]。消防服面料熱舒適性能評價主要有物理指標評價法、微氣候參數評價法、暖體假人法、生理學評價法、心理學評價法、綜合評價法等在內的主觀評價和客觀評價兩大類的方法[30]。

4.3 工效性能評價

消防服工效性能是指消防服允許人體自由活動、減少束縛的性能[31]，輕重量、穿脫方便的消防服才能夠減輕人體負荷，提高消防員的工作效率[32]。工效性能是消防服裝整體性能的體現，消防服在設計過程中，受到衣下間隙、開口、面料層次、縫合方法等影響，整體性能會發生變化[33]，在這一性能考量中要盡可能實現細節工效1+1>2。工效性能與熱濕舒適性能密切相關，良好的工效性能有利于消防員著衣操作，同等工作強度下降低熱代謝，即有助于提升其熱濕舒適性能。

消防服熱防護性能、熱濕舒適性能、工效性能三者之間相互獨立，又存在著相互促進、相互制約的關系[34]。在消防服設計研究中，提升熱防護性能也意味著更加厚重、密閉，其熱濕舒適性能更低、人體熱負荷更高，消防員遭受熱傷害的風險更大[35]，也會一定程度上降低消防員救援效率。但優化消防服熱濕舒適性能會在一定程度上降低消防服系統的熱防護性能，因此需在確保熱防護性能的基礎上，提高熱濕舒適性能可以提高消防員在火場中的工作效率；提高工效性能可以有效減輕人體熱負荷、提高熱防護能力。

總而言之，在消防服整體性能設計中，熱防護性能、熱濕舒適性能、工效性能需要找到一個性能綜合考校的平衡點，在確保消防員生命安全的基礎上，盡可能提升穿著舒適度和救援工作效率等。

5 結語

消防服是消防員抵御熱傷害的功能服裝，其熱防護性能與面料阻燃性能、隔熱性能密切相關。但消防服系統的整體性能不單由面料性能決定，還與面料層間結構、消防服結構開口、款式設計等密切相關。完善的消防服結構設計應該在確保必要的熱防護性能基礎上，遵循運動工程學、人體工效學理念，實現消防服的輕便、靈活，提高消防員工作效率。

消防服的開發研究應該由單一的提升熱防護性能向多角度、全方位提升消防服整體性能轉變。消防服設計纖維層面上開發同時具備優良熱防護性能、輕量、無毒等多種優勢的高性能紡織纖維；面料層面上，一方面設計合理的面料編織方法抑制熱量由高溫環境向內部傳導，另一方面通過設置合理的衣下空氣層厚度、面料層數設計等實現面料組合形式和消防服層間結構的最優化。總體來說是在確保熱防護性能的基礎上，盡可能在服裝結構層面實現輕量化，從而便利消防員的救援作戰行動。

由于火場情況的復雜性和多變性，消防防護服裝性能設計還需要與火災場景、火災類型等相匹配，選擇相配伍的消防服可以在確保消防員生命安全的基礎上盡可能提高作戰效率。