滅火消防服熱防護性能的研究進展

孫振云 錢曉明 劉永勝 錢 幺 朵永超

（天津工業大學，天津，300387）

消防員是一項危險的職業，肩負著保護財產和營救被困人員的職責，因此常常與火場保持密切的距離或進入火場［1］。在消防救援過程中，皮膚燒傷和熱應激反應比較常見。2016年，在美國因熱應力或燒傷就造成2 500名消防員受傷。皮膚燒傷最常發生在頭部、手臂、肩部和腿部［2］。因此，滅火消防服的熱防護性能對消防員有著重要作用，研究滅火消防服熱防護性能對有效保護消防員的人身安全具有重要意義。

1 滅火消防服結構及防護原理

經過幾十年的發展，目前滅火消防服的結構大致分為上下一體式和上下分體式。由于上下一體式滅火消防服散熱性差、質量重、行動不方便等原因，國內外市場上主要使用的是上下分體式滅火消防服。

為了提高滅火消防服的熱防護性能與舒適性，目前滅火消防服主要采用四層結構，即外層、防水透氣層、隔熱層和舒適層。

滅火消防服的外層直面火場，需要具有優異的耐熱、阻燃及熱穩定性，對滅火消防服的熱防護性能起著重要作用。目前采用對織物進行阻燃改性或者直接采用阻燃纖維織造的方法，以達到該性能要求。國外滅火消防服最外層采用高性能纖維制成，主要有PBI纖維、芳綸1414、芳綸1313等，其中又以美國杜邦公司采用芳綸1313制成的商品名為 Nomex的纖維使用最為廣泛［3］。國內開發出的芳砜綸纖維，能夠承受250℃高溫，經研究其熱防護性能優于Nomex纖維［4］。

防水透濕層需要有防水透濕的功能，它不僅要防止液態水滲入衣服內部，還要允許穿著者產生的氣態水通過，其防水透濕的效果是影響消防服內水分蓄熱量的主要因素，通常是非織造材料和防水透氣膜的復合材料［5］。防水透氣膜通常采用多微孔膜如聚四氟乙烯PTFE、PU或者聚偏氟乙烯PVDF等，其中Gore?Tex的PTFE性能穩定，應用最為廣泛。我國對于PTFE的大力開發始于“非典”期間，目前國產的PTFE膜的穩定性與國外相比仍有一定的差距。

隔熱層常采用針刺或者三維網眼針織物，通過添加空氣層以減少熱量進入來提供更好的保護，對消防服的熱防護性能起著主要作用［6］。目前常用的材料有阻燃棉纖維、芳綸1313、芳綸1414以及聚酰胺纖維等。

舒適層［7］，也稱為內襯，由阻燃材料和高彈性舒適阻燃纖維材料制成，綜合了阻燃性能與舒適性能。

2 滅火消防服熱防護性能影響因素

滅火消防服熱防護性能受諸多參數的影響。這些參數可以根據使用的織物、服裝中水分以及織物與皮膚之間存在的氣隙進行分類。這些參數中有許多是相互關聯的，并且這些參數對于熱防護性能的影響是復雜的。例如，織物的熱和光學性能取決于熱源溫度、織物的熱解和織物中存在的水分等。

2.1 織物的影響

織物的傳熱是一個多模態的傳熱問題。它包括紗線與紗線間空隙的傳導傳熱、紗線間空隙的對流傳熱、紗線間空隙的輻射和紗線間空隙的傳導傳熱，直接影響著織物的機械性能及熱物理性能。

2.1.1 織物的物理性質

織物的厚度、結構及織造方法等物理性質都是影響熱防護性能的重要因素。一般情況下織物厚度越大，織物的熱防護性能越好，隨著織物厚度的增加，熱阻增大，二級燒傷的時間增加，在低輻射下織物厚度是影響織物熱防護性能的主要因素。MAJUMDAR等比較了三種織物結構，發現平紋針織物的熱阻最小，透氣性最高，其次是羅紋針織物和棉毛針織物［8］。即使對于相同紗線線密度或捻系數的織物結構，熱阻隨著折皺增加也會變大，而水蒸氣滲透性則會增加。機織物一般用作滅火消防服的外層，斜紋組織織物的耐熱性和透氣性均高于平紋織物。

為預測二級燒傷時間和服裝內溫度變化，TORVI在只考慮織物物理性能影響的情況下，利用比爾定律建立了一種一維數學模型［9］，在忽略水分的情況下，該模型能準確地計算出傳感器所在位置的表面溫度。

2.1.2 織物收縮和熱解的影響

在高溫下，紗線的變化會導致織物出現收縮現象，收縮程度與溫度和時間呈正相關。橫向收縮會導致織物厚度的變化。起初，由于織物的橫向收縮，織物的厚度增加；后來，由于熱解導致材料的損失，織物的厚度減少。收縮不僅減小了服裝與皮膚之間的氣隙，而且影響了織物的熱物理性能［10］。LI等對火焰人體模型進行研究時，發現暴露時間、人體姿態、織物性能和服裝尺寸對熱收縮都有顯著的影響［11?12］。

此外，在熱解溫度下，織物發生不可逆的化學變化，導致炭質物質與可燃/不可燃氣體共存［13］。從文獻中可以明顯看出，很少有人通過織物的熱收縮、熱裂解和熱降解過程進行研究，以考察這些因素如何影響防護服裝的熱濕傳遞，因此在這一領域的研究有很大的前景。

2.2 水分的影響

當纖維與水分接觸時，織物中纖維吸收的水分，通常稱為結合水。如果越來越多的水分與織物接觸，當達到飽和回潮率時，水分會在固體纖維周圍形成一層水膜，固體纖維不能吸收更多的水分，因此，剩余的水分占據了纖維之間的空隙，稱為自由水。同樣，在存在水分的情況下，織物的傳熱包括固體纖維和水的傳熱［14］。水比空氣具有更優秀的導熱能力。因此，隨著回潮率的增加，織物的有效導熱系數增加［15］。這意味著隨著織物回潮率的增加，織物的傳熱增加，織物的熱防護性能降低。然而，一些研究表明，對于火焰暴露和亞閃絡輻射暴露［16］，情況正好相反。實際上，水分對防護性能的影響是非常復雜的，濕織物與干織物相比，通過濕織物進行的傳熱可能增加或減少，這取決于使用的織物、暴露的性質和強度［17］以及織物與皮膚之間的氣隙［18］。

2019年JIA等人提出一種三維服裝熱濕傳遞模型［19］，將熱輻射集中到模型中，基于質量守恒定律和能量守恒定律，考慮氣體中的對流換熱、液體和氣體中的導濕換熱、相變引起的換熱以及熱輻射，而后采用有限體積法求解耦合傳熱傳濕方程，可準確理解傳熱傳濕過程，提高服裝的熱防護性能。

熱防護服內水分的傳熱非常復雜，影響著從周圍環境到人體皮膚的溫度和熱流密度。也是國內外學者在該領域研究的重點和難點。

2.3 空氣層的影響

空氣層是熱防護服分析中最為關鍵的部分之一，因為熱防護服的性能在很大程度上取決于空氣層的寬度。很明顯，織物與皮膚之間的空氣層寬度取決于人體的位置、衣服的合身程度以及穿著者的動作/姿勢［20］。在賴軍的綜述中可以了解到，空氣層的厚度直接影響著熱量在服裝內的傳遞方式是熱傳導還是熱對流，不同的測試環境發現產生熱對流的空氣層厚度不同［21］。在充分模擬火場情況下，滅火消防服中空氣層厚度在7 mm以內不會產生熱對流。

近年來，TALUKDAR在充分考慮了垂直與水平兩個氣隙方向對熱傳導的影響，計算了不同方向的傳熱情況［22］。結果表明，垂直氣隙方向比水平氣隙方向具有更高的燃燒時間和熱防護性能。織物與人體皮膚之間存在的空氣層對保暖服裝的防護起著重要作用。不同傳熱方式的氣隙傳熱取決于氣隙的大小（氣隙寬度）、氣隙的結構或方向以及機體運動引起的氣隙的動態變化。

3 新材料的開發

近年來國內外對于滅火消防服熱防護性能的研究主要集中在新材料的開發（如相變材料、形狀記憶材料、氣凝膠）以及加入人體自冷裝置來展開，以減輕滅火消防服的質量、提高熱防護性能和控制二級燒傷的時間。

3.1 相變材料

大量研究表明，在滅火消防服結構中添加相變材料（以下簡稱PCM）能有效減輕出現燒傷的情況［23］。PCM是一種潛在的蓄熱材料，在相變過程中能夠儲存或釋放熱量。在滅火消防服中，PCM最初是固態的，當暴露在加熱條件下后，開始發生融化，這一過程需要PCM吸收能量［24］。由于它吸收熱量，減緩熱量通過滅火消防服傳遞到皮膚外部的速率，延長了二級燒傷的時間。PCM應用到外層與防水透濕層之間能夠發揮最好的防護性能［25］。在滅火消防服中使用PCM時，在不考慮皮膚傳熱的條件下有研究發現，在有PCM層的滅火消防服中，當暴露在低輻射（2.5 k W）下時，其最內層的溫度比沒有PCM層的滅火消防服低7℃。試驗表明，添加PCM材料的樣品達到44℃的時間較不添加PCM樣品增加32%［26］。

3.2 形狀記憶材料

形狀記憶材料（以下簡稱SMM）是一種結合檢測和驅動的智能材料，它具有形狀記憶效應，也就是說在某些情況下，在某種熱塑性變形后，它可以通過外部條件完全恢復到原狀［27］。廣泛用于功能性紡織品設計的SMM包括形狀記憶合金（以下簡稱SMA）和形狀記憶聚合物（以下簡稱SMP）。SMA的形狀記憶效應可由溫度觸發，SMP記憶效應可以通過熱、光、電、化學感應和其他條件來觸發。作為一種新材料，SMM普遍用于航空航天、自動控制系統、醫藥、能源和智能紡織品［28］。

國內關于SMM的熱防護研究起步較晚。在現有熱防護服的研究中，都只用隔熱層反面的熱度去預測、評價面料或服裝體系的防護性能，而沒有關聯熱流量指標，也缺乏對整個面料體系表面溫度的概括性表征。

3.3 氣凝膠

氣凝膠是一種具有連續三維網格結構的多孔納米高分散材料，其組成中99%為氣體［29］。氣凝膠的制備通常分為三個步驟:凝膠的制備，凝膠的老化和干燥。與氧化鋁、碳、二氧化鈦、氧化鋯等氣凝膠相比，硅基氣凝膠的研究最為廣泛，且相對容易制備。隨著溶膠?凝膠研究的深入以及超臨界干燥技術的逐步完善，氣凝膠制備技術得到了較大的發展。氣凝膠的高孔隙率、低密度和特殊的三維納米網絡結構使其成為目前世界上導熱率最低的固體材料。在常溫常壓條件下，其導熱系數相當于空氣的導熱系數，僅為0.02 W/（m·K），而室 溫 真 空 導 熱 系 數 可 達0.001 W/（m·K）［30］，在建筑隔熱、蓄熱蓄冷設備、航天飛行器、宇航服、傳感器、太陽能窗、聲學、超聲波設備等領域得到了廣泛的應用［31］。

3.4 人體冷卻裝置

盡管熱防護服領域發展迅速，但在高熱流暴露下，僅提供幾秒鐘以上的短時間保護是不夠的。這就需要尋找一些額外的方法，國內外提出了各種方法來實現熱防護服裝的冷卻。熱防護服裝的冷卻方法有蒸發冷卻法、液體冷卻法、冰包法和PCM冷卻法。在液體冷卻服裝（以下簡稱LCS）中，在微泵的幫助下，冷液體在管道中通過服裝與皮膚接觸循環；液體受熱后變熱，在裝滿冰袋的液體儲存器的幫助下，這種熱液體被冷卻回來。經過一定的時間后，冰會融化，將不再具備冷卻效果［32］。充冰量、環境溫度和管內液體流量是決定LCS總持續時間的主要參數［33］。LCS的生命周期可以通過增加冰包的數量來增加，但這會增加服裝系統的質量。這些參數應優化為一個有效和輕量的LCS。

此外，直到目前為止，這些系統還沒有經過測試，需要在實際條件下進行進一步的開發和測試，以檢查這些熱防護服冷卻系統的可靠性。

4 發展趨勢

消防員在滅火過程中要面臨各種各樣復雜的情況，這就要求滅火消防服在具有阻燃和耐熱性能的同時還允許消防員行動自如。未來滅火消防服的發展趨勢如下。

（1）新型材料的開發及多種材料的組合應用。如相變材料、形狀記憶材料、氣凝膠等材料在滅火消防服中應用的開發，并以最優的方式組合應用到滅火消防服中，達到最優的熱防護性能。

（2）智能服裝的開發。在滅火消防服中嵌入智能設備，可全面評估火場情況，實時監控制定救援方案，提高定位精度達到更好的救援效果。在提高熱防護性能的同時，提高救援效率。

（3）滅火消防服結構設計。滅火消防服的結構設計應盡量減輕質量、符合人體工學的要求，以使消防員在復雜的火場環境中行動自如，達到更高的工作效率。

5 總結

滅火消防服作為滅火過程中保護消防員、防止皮膚燒傷的重要屏障，其熱防護性能已經得到了全球的認可。歐美國家及我國都對滅火消防服制定了各自的標準，對其熱防護性能、材料強度、洗滌次數及舒適性都提出了相應的要求。隨著技術的革新和對滅火消防服熱防護性能重視程度的提高，對于影響滅火消防服防護性能的因素，如面料的結構與制造方法、織物的熱收縮和分解、水分都有了具體的研究成果，并且在加入了相變材料、形狀記憶材料、氣凝膠及人體自冷設備之后，滅火消防服的熱防護性能有了跳躍式提高。織物的熱物理性和熱輻射性能的估測、計量以及上述因素對性能的影響是目前迫切需要關注的領域。