熱老化對消防員滅火防護服性能的影響

文/曹永強

編輯 朱麗晶

消防員進行滅火過程中，由于火場熱量和在火場停留時間不同，會對滅火防護服產生顯著影響，降低防護性能。本文通過對6種消防員滅火防護服熱老化后開展熱防護性能和機械強力實驗，研究受熱對消防員滅火防護服的影響，并提出在標準中增加熱老化后防護性能指標要求的建議。

消防員滅火防護服是每個消防員進入火場時必須配備的個人防護裝備，對消防員身體起到了多功能綜合保護作用。其性能的優劣直接關系到消防員的生命安全和身體健康。消防員滅火防護服通常由多層織物組合構成，具有較好的熱防護性能和強力，能夠阻擋火場對人體的危害。

美國滅火防護研究基金會2008年編制的《Thermal Capacity of Fire Fighter Protective Clothing》(消防員防護服的熱容)研究報告，曾經調研了57 例常規火場中發生的消防員燒傷情況，發現其中21 例的消防員穿著的滅火防護服有一定程度過火或烘烤變色的痕跡。很多情況表明，在接觸火焰或經過高溫烘烤后，滅火防護服外層材料會發脆，強力、阻燃以及防水性能會有所降低，被認為是一種熱老化作用。但由于熱老化后材料的性能不能用觀察方法直觀判斷，因此非常有必要進行實驗評估。

本文研究設計了具體的實驗方法，目的在于分析幾種消防員滅火防護服暴露于輻射熱或接觸熱后，熱防護性能和機械強力的變化情況，確定熱老化對防護服的性能影響。

測試原理

滅火防護服性能測試分為兩個階段。第一階段是將防護服材料組合試樣暴露于輻射熱和接觸熱條件下各一段時間，其中熱老化時長分為兩種，一種為試樣背面溫升達到24 ℃的時間，另一種為外層材料發生變色的時間。原因在于試樣背面溫升達到24 ℃通常被認為是基本熱防護要求，即有可能引起燒傷時的溫升條件。外層材料變色則代表著有可能材料本身發生了損傷。第二階段實驗是將試樣脫離輻射，進行熱防護性能和強力性能測試。

試樣

測試的試樣包括消防員滅火防護服各層材料：外層、隔熱層、防水透氣層以及舒適層材料。所有試樣從6 種防護服上剪裁，試樣特性見表1。

實驗裝置

試驗裝置包括：輻射熱性能測試儀、接觸熱測試儀、TPP 性能測試儀，以及織物強力機。

測試步驟

試樣熱老化處理

按照GB/T 8629—2017《 紡織品 試驗用家庭洗滌和干燥程序》洗滌5 次。通過前期反復測試，確定試樣的熱老化時長，見表2。一組試樣暴露在輻射熱（熱通量40 kW/m）條件下，熱老化時長為溫升24 ℃時間，用于熱防護性能測試；另一組試樣暴露在接觸熱（熱通量80 kW/m）條件下，熱老化時長為外層變色時間，用于機械強力測試。

表1 試樣特性

性能測試

熱老化處理后，將兩組試樣在溫度20 ℃，相對濕度65%環境下調節24 h。然后分別按照XF 10—2014《消防員滅火防護服》、GB/T 3917.3—2009《紡織品 織物撕破性能 第3 部分：梯形試樣撕破強力的測定》，以及GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能 第1 部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測定（條樣法）》標準，分別進行熱防護性能和機械強力測試。結果見表3 ～表6。

測試分析

熱老化后熱防護性能

通過表3 和表4 的數據可以看出，在熱老化處理后，總體上防護服材料組合的熱防護性能都有所下降，下降幅度通常都不是很大，并且老化后基本上能夠達到XF 10—2014《消防員滅火防護服》中TPP 值（Thermal Protective Performance，熱防護性能）不低于28 的要求。

表2 試樣熱老化時長

表3 接觸熱老化前后數據熱防護性能對比

但事實上，有兩點需要注意，一是不同的試樣因材料組合不同，其耐受熱老化的能力是不相同的。其中外層的芳綸和PBI 纖維比P84纖維更為耐熱，因此4試樣的性能下降較大。

二是影響熱防護性能最關鍵的因素是外層材料的受熱收縮。外層材料克重越小，受熱后收縮越明顯，導致會有更多的熱量傳遞到試樣背面，也驗證了為何5試樣熱老化后防護性能降低最為明顯，熱防護性能降低了23.4%（接觸熱老化后）。

此外，盡管試樣老化后測試的TPP 值依然較高，但經過熱老化后，試樣外層基本都已經發脆、碳化，稍加觸碰，便會損壞，因此實際情況下將會失去防護功能。

熱老化后機械強力

通過表5 和表6 的數據可以看出，在熱老化處理后，試樣的斷裂強力下降通常不顯著，但撕破強力下降明顯，部分試樣撕破強力已經不能滿足XF 10—2014《消防員滅火防護服》中不低于100 N 的要求。

說明外層材料受熱變色，仍舊保留一定的柔韌性，尚能夠在纖維軸線方向承受拉伸力，但織物纖維可能已出現收縮（光學顯微鏡下可看到纖維間不再致密，出現縫隙），使得撕破強力大幅降低。

由于實驗中對于織物變色的判斷是基于裸眼觀測，因此不同試樣的熱老化時長具有差異，有些材料變色或許僅僅是染色劑發生了化學變化，并非織物結構受到影響，沒有帶來機械強力降低，其熱老化程度需要進一步分析。

表4 輻射熱老化前后熱防護性能對比

表5 熱老化前后試樣斷裂強力對比

表6 熱老化前后試樣撕破強力對比

測試結論

本實驗在實驗室中采用了40 kW/m的輻射熱和80 kW/m的接觸熱，對防護服試樣進行熱老化。根據國際上對火場熱通量的劃分，發生猛烈燃燒的油罐附近，或發生建筑轟燃時，其輻射熱通量為13 ～120 kW/m；火場地面溫度在300 ℃以上時，接觸熱通量便能夠達到80 kW/m?；谶@種實際情況與實驗進行對比，可以得到以下幾點結論：

第一，消防員穿著滅火防護服暴露于猛烈燃燒的火場，均會對防護服的防護性能具有不良影響。尤其要格外重視過火后防護服外層發生的局部變色，強力可能會顯著降低，因此要加強滅火后的防護服的檢查，必要時予以報廢。

第二，在猛烈燃燒的火場，滅火防護服外層發生變色的時間為2 ～10 s，因此火場中在沒有水槍保護的情況下，10 s 內防護服將會發生結構性損壞。尤其是接觸滾燙地面或火焰時，5 s 內外層便會破壞，機械強力會大幅降低。因此，在膝部和肘部等部位，應采用加強層設計。同時，如果在火場中停留較長時間，應將防護服報廢。

第三， 火場中無水槍保護時，滅火防護服的最長防護時間為20 ～30 s。與外層面料及其克重密切相關。外層面料熱收縮小，克重大，則可獲得更長的防護時間。外層面料建議克重為210～240 g/m為宜。

第四，隔熱層及防水透氣層材料對防護服熱防護性能具有一定影響，但并非起到決定性作用，外層經過熱老化后，防護服防護性能將顯著降低。建議修訂滅火防護服標準，將外層面料熱老化后的性能作為滅火防護服產品的考核指標。（本文作者單位系應急管理部上海消防研究所）