消防服用织物热防护性能数值模拟

摘要耐高温阻燃防护服在保护消防员等应急救援人员的安危方面发挥着越来越重要的作用。

国外在防护服面料及性能检测方面开展了大量的研究,而国内在自主研发防护服面料及对防护服的性能进行综合评价方面还远远落后于国外发达国家,因此进一步加强耐高温阻燃防护服的开发及性能检测的研究势在必行。

本文通过热防护原理，重点介绍了一些阻燃面料，他们是如何进行阻燃的，具体结构是阻燃外层、防水层和隔热层。

其中阻燃外层的有芳香族聚酰胺纤维，Visil纤维，芳砜纶纤维。

还介绍了热防护服因具备的服用性能及舒适性，并通过简单的性能测试，定量的分析TPP 值与热防护服的关系。

最后是一些建议与总结。

关键字：高温阻燃，面料，舒适性，防护服阻燃面料的热防护性能探究瞿明洁0913082060 引言近年来，随着社会经济的快速发展，生产要素、生产设施的不断增加，造成了可燃物、助燃物及火源的种类和数量增多，火灾发生频率呈上升趋势，火场环境更加复杂。

火灾不仅给人们的财产带来损失还会威胁人们的生命安全。

每年，世界各地都有成千上万因衣着不当而导致的烧伤事故，而最严重的烧伤往往是由于所穿着的衣物着火造成的，服装燃烧而造成的皮肤烧伤程度常常比直接裸露在外的皮肤烧伤程度更为严重。

因此阻燃防护服就是针对火灾及其它灾害事故对人体的伤害而专门设计的用于保护消防人员的服装，阻燃防护服的防护性能好坏是关系到消防员是否能成功救援的关键，如果消防服防护性能不足则可能延误战机，或降低战斗力，甚至会在抢救被困人员时自身遭受烧伤。

因此,作为产业用纺织品的一个主要品种的热防护服的应用范围不断扩大,具有广阔的发展前景。

阻燃防护服是重要的个体防护装备，已广泛应用于石油、化工、冶金、造船、消防、国防以及有明火、散发火花、熔融金属和有易燃物质的场所，需求量极大，且每年还以两位数的速度递增。

美国、日本及欧洲的发达国家对热防护服的研究和开发较早,热防护服在许多行业中都得到了广泛的应用。

目前,他们已制订并实施了一系列先进和完善的热防护服产品标准和测试方法标准,可以较系统地设计、开发和生产各类热防护服,并较好地测试和评价热防护服的热防护性能。

标准集团（香港）有限公司
Standard International Group(HK) Limited
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消防服热防护性能测试原理和方法分析 消防服热防护性能测试研究主要目的是为了研究其阻燃性能，从而评估在救灾现场消防服热防护服能够起到多大对人体保护的作用，由于消防救灾是一个特定的行业，他们特殊的工作环境必然要求其采用的设备满足环境的和安全的要求。

织物的热防护性能 TPP 值是织物对热辐射和热对流综合作用的热防护能力 ,它可以直接反映试样的热防护性能.这种测试方法是将试样水平放置在特定的热源上面 ,在规定距离内 ,热源以 2 种不同的传热形式(热对流和热辐射)出现 ,置于试样另一侧的铜片热流计可测量试样背面的温度 ,用试样后面的铜片热流计测量其温升曲线 ,与 Stoll 标准曲线比较得到二级烧伤所需时间 t2 ,并与暴露热流量 q 相乘得到 TPP 值，其计算如式(1)所示. T PP= t2 ×q 式中:t2为引起 Ⅱ度烧伤所需要的时间,s; q 为系 防护性能 TPP 值.统设定的对流辐射热流量 ,kW/ m .
TPP 值越大 ,表示织物的热防护性能亦即隔热性能越好;反之,隔热性能越差. 此方法将材料的热防护性与人体的感受联系起来 ,能够较为客观地预测服装在应用中的实际效果 ,现己被列为通用的测试方法。

通过查资料可知，织物的热防护性能 TPP 值与织物的厚度 、面密度、透气率指标总体上存在着显著的回归:织物越厚重 ,所含纤维越多 ,热量越不易透过织物 , Ⅱ级烧伤时间越长;织物透气率与热防护性能 TPP 值之间具有明显的负相关性 ,即织物透气性愈好 ,织物越疏松 ,辐射热越容易直接透过织物. 织物的密度与织物的热防护性能之间没有明显的相关关系。

第32卷㊀第3期2024年3月现代纺织技术Advanced Textile TechnologyVol.32,No.3Mar.2024DOI :10.19398∕j.att.202306020热防护服散热性的数学模型仿真汪易平1,丁㊀颖1,于志财2,王㊀震1,徐丽慧1(1.上海工程技术大学纺织服装学院,上海㊀201620;2.武汉纺织大学纺织科学与工程学院,武汉㊀430200)㊀㊀摘㊀要:为了探求热防护服的散热规律和在高温环境中工作的极限,根据傅里叶热传导定律,用微元法和有效差分法建立了热防护服在高温条件下的 外界环境-织物层-皮肤 散热数学模型并进行仿真模拟,然后将穿着相同防护服的恒温假人放置在与数学模型中假设温度一致的实验室温度下进行实测,并采用DS18B20温度传感器测量出假人表面温度进行比对验证㊂结果表明:实测假人皮肤温度为43.71ħ,与模型仿真结果43.99ħ的误差仅为0.28ħ㊂研究结果说明建立的热传导散热模型具有较高准确度,能够对热防护服的散热防护效果进行仿真预测与合理评价,可为在较短的研发周期内设计散热效果更好的热防护服提供借鉴㊂关键词:散热模型;安全性;防护服;数学建模;仿真模拟中图分类号:TS941.7;TN305.94㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:1009-265X(2024)03-0102-08收稿日期:20230619㊀网络出版日期:20231101基金项目:国家自然科学基金项目(51703123)作者简介:汪易平(1998 ),女,安徽池州人,硕士研究生,主要从事智能纺织品方面的研究㊂通信作者:丁颖,E-mail:tingying@㊀㊀近年来随着生产制造业的飞速发展,新工艺㊁新设备的大量采用,高温作业的劳动群体也日渐庞大㊂高温作业环境恶劣,尤其是环境温度过高会导致人体表面皮肤与高温接触而受到损伤㊂热防护服能够极大程度地保护处于高温环境下的工作人员㊂散热是热防护服设计和操作中需要考虑的重要因素,当前,对于散热性的评价主要是依靠大量的实验测试,重复性差且耗费成本巨大㊂因此,建立高温环境下热防护服的散热模型,对热防护服的散热防护效果进行仿真模拟和合理评价,可为在较短的研发周期内设计隔热效果更好的热防护服提供参考㊂对热防护服装散热性能的数学建模研究始于20世纪80年代,早期的研究普遍只着眼于织物层内部的热传递[1]㊂Torvi 等[2]提出了热防护服外层织物的传热模型㊂Mell 等[3]考虑了织物的热传导㊁热辐射,提出了多层织物层与层之间的反射㊂Mercer 等[4]建立了含有相变材料的多层织物的热传递模型㊂Sawcyn [5]使用ASTM D 4108实验装置在多层织物模型上分析了防护服和微气候区内部的热传递模型㊂随着模型的不断优化,从织物到皮肤的热传递模型也开始被建立㊂Song 等[6]基于PyroMan 暖体假人分析系统,建立了强热环境下防护服装㊁皮肤系统的热传递模型㊂Barry [7]建立了在强火焰暴露条件下热防护服装的热传递模型,发现织物属性以及空气层厚度对热传递的影响㊂但是外界环境㊁织物层与皮肤三者关系的热传递模型至今仍未建立㊂本文对热防护服在高温炎热情况下的热量传递进行研究,拟建立 外界环境-织物层-皮肤 的热传导散热模型,并用所建立的模型对假人皮肤层的温度进行预测,与实测温度进行比较分析㊂1㊀散热模型的建立1.1㊀热量传递的方式热量传递方式共有3种,分别是热传导㊁热对流和热辐射㊂传热可以以其中1种方式进行,也可以同时以2种或3种方式进行㊂热传导的产生是由于能量在相邻粒子之间进行传输㊂热对流发生在一个以一定流速流动的流体内,能量通过流动或输运进行传递;工程上比较常见流体流过一个物体并与其表面间产生热量传递,这种现象称为对流传热㊂物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射;物体会因各种原因发出辐射,其中因热而发出的辐射能现象称为热辐射㊂本文在建立模型时,结合热防护服的实际应用,主要考虑热传导和热对流这两种热传递形式,即高温外界环境与外层织物间的热对流和织物层与皮肤㊁织物层与织物层的热传导㊂1.2㊀散热模型的确定本文建立的织物层散热模型由4层构成,如图1所示㊂其中Ⅰ㊁Ⅱ㊁Ⅲ层分别为阻燃耐热层㊁防水透气层㊁接触皮肤层,Ⅲ层与皮肤之间还存在空隙空气,将此空隙记为Ⅳ层㊂Ⅰ层与外界环境接触,外层面料尽量选取阻燃隔热性能良好的材料,可以减少工作人员受到高温的威胁,缓解生理压力㊂由于高温作业的环境温度远高于正常人体温度,在这种环境条件下,正常通过环境散热的程度较低,唯一散热途径就是通过人体的蒸发散热,当防护服的透气性不能满足正常的生理需求,会使穿着对象产生疲劳和不舒适感受㊂防护服在保证服用性能基础上,应选取最佳的防水透气性材料作为Ⅱ层面料,为工作者提供了一个更加舒适的内环境㊂直接与人体接触的为舒适层Ⅲ,需要其具备良好的舒适性能与阻燃性能,最常用的面料是阻燃棉和阻燃黏胶[8]㊂舒适层面料能直接影响穿着者的生理感受,有研究表明,织物紧密度及厚度㊁紧密度直接影响面料的舒适性,紧密度及厚度㊁面密度越小的织物,透气性能越好[9]㊂表1为本文选用防护服各层材料的数据[10]㊂图1㊀散热模型的结构Fig.1㊀Structure of aheat dissipation model表1㊀防护服材料的参数值Tab.1㊀Parameter values of protective clothing materials层次密度∕(kg㊃m-3)比热容∕(J㊃kg-1㊃K-1)热传导率∕(W㊃m-1㊃K-1)厚度∕mm Ⅰ层300.0013770.0820.6Ⅱ层862.0021000.3700.6~25.0Ⅲ层74.2017260.045 3.6Ⅳ层 1.1810050.0280.6~6.4㊀㊀热量从外界环境向防护服传递时产生热传递现象,防护服内的热量转移的过程也属于热传递,构建如图2所示的坐标系,建立外界-织物层-皮肤的热传递数学模型㊂d1㊁d2㊁d3㊁d4分别为防护服Ⅰ层到Ⅳ层的介质区域厚度㊂外界的热量向防护服Ⅰ层传递时,传热的介质为空气,热量从外界环境传递到防护服Ⅰ层织物与外界的分界面时,以热对流的方式传递,必然同时伴有由于流体本身分子运动所产生的导热作用㊂在Ⅰ㊁Ⅱ㊁Ⅲ层织物中以热传导的形式进行热量传递[7]㊂热传导是由温差而引起的能量的转移,在任何时候,只要在某个介质中或者是两个介质之间有温差存在,便会发生传热现象[11-12],再通过热对流的方式从防护服Ⅲ层织物传递到空气层Ⅳ中㊂假定各层织物的初始温度应为室温26ħ,即T(χ,0)=26;外界环境温度为60ħ,即T0=60㊂图2㊀热量的传递示意图Fig.2㊀Schematic diagram of heat transfer㊃301㊃第3期汪易平等:热防护服散热性的数学模型仿真1.3㊀关于模型的几点假设模型需要针对问题的主要因素,忽略次要因素,使我们要解决的问题简化,使模型更合理化,所以针对该模型提出以下几点假设:a)假设热传递过程中织物材料的结构几乎不变,即它的密度㊁比热容㊁热导率㊁厚度等几乎不变㊂b)假设系统的热传递仅考虑热传导㊁热辐射和热对流,忽略水汽的影响,即不考虑湿传递㊂c)假设外界环境与防护服Ⅰ层㊁防护服Ⅰ层与防护服Ⅱ层㊁防护服Ⅱ层与防护服Ⅲ层㊁防护服Ⅲ层与防护服Ⅳ层以及防护服Ⅳ层与皮肤之间的温度变化都是连续的㊂d)假设织物材料无褶皱且其表面温度处处相同㊂e)假设假人可以承受实验中所达到的所有可能温度㊂2㊀关于织物散热的微分方程的建立与求解2.1㊀织物散热的微分方程的建立在给定时间和空间内,区域内织物温度随织物厚度的变化分布一般是空间坐标与时间的函数,设函数为u(t,x),即:u(t,x)=f(x,y,z,t)(1)式中:x㊁y㊁z分别表示三维坐标中的横轴㊁纵轴㊁竖轴;t表示时间,s㊂对于外界环境与防护服Ⅰ层的分界面,热量从外界以热对流的方式传递到防护服Ⅰ界面㊂对流传热常用热传导率k描述,单位为W∕(m㊃K),可根据傅里叶定律[13]计算:k=αS(T w-T x=0)(2)外界通过热对流传递的热量与界面Ⅰ吸收的热量相等,热量可以用Q来表示:㊀Q=kΔt=αS(T0-T|x=0)Δt=C1ρ1Sd1ΔT(t)(3)式中:α为对流传热系数,W∕(m2㊃K);S为传热面积,m2;T为温度,ħ,其中T0是外界环境温度为60ħ,T x=0为防护服Ⅰ层温度,即初始温度26ħ, t为时间,s,当外界环境为60ħ被温度为26ħ的防护服界面Ⅰ冷却时经过的时间Δt,s;ρ1㊁ρ2㊁ρ3㊁ρ4分别为防护服Ⅰ~Ⅳ的层织物的密度,kg∕m3;C1㊁C2㊁C3㊁C4分别为防护服Ⅰ~Ⅳ层织物的比热容, J∕(kg㊃K);d1㊁d2㊁d3㊁d4分别为防护服Ⅰ~Ⅳ层织物的厚度,mm㊂用微元法建立防护服散热系统的热量传递模型:微元[x,x+Δx]在时间段[t,t+Δt]内吸收的热量为:Q1=ʏx x+Δx cρ(u(t+Δt,x)-u(t,x))d x =ʏt t+Δtʏx x+Δx cρ u t d x d t(4)式中:c为织物的比热容,J∕(kg㊃K),ρ为织物的密度,kg∕m㊂根据傅里叶热传导定律[11-13]:Q2=ʏt t+Δt k(x+Δx)∂u∂x(t,x+Δx)-k(x)∂u∂x(t,x)()d t ㊀=ʏt t+Δtʏx x+Δx∂∂x k∂u∂x()d x d t(5)因为Q1=Q2,所以有ʏt t+Δtʏx x+Δx cρ∂u∂t d x d t=ʏt t+Δtʏx x+Δx∂∂x k∂u∂x()d x d t(6)在各防护服织物层之间的区间内成立㊂2.2㊀织物散热的微分方程的求解防护服织物界面的边界条件如下织物界面左边界的边界条件:-k1∂u∂x+k e u=k e u e(7)式中:k1为防护服第Ⅰ层的热传导率,W∕(m㊃K), k e代表外界环境与防护服第Ⅰ层之间的热传导率,W∕(m㊃K)㊂织物界面右边界的边界条件:k4∂u∂x+k s u=k s u s(8)式中:k4为第Ⅰ层的热传导率,W∕(m㊃K),k s代表第Ⅳ层与皮肤之间的热传导率,W∕(m㊃K)㊂交界面处的边界条件:k j∂u∂x()-=k j+1∂u∂x()+(9)由此建立的热防护服系统一维热量传递的偏微分方程模型:c jρj∂u∂t=∂∂x k j∂u∂x(),t>0,xɪ(l j-1,l j)(j=1,2,3,4)(10)当t=0时,u=u0㊂当x=l0,即外界环境与第Ⅰ层之间热传导:-k1∂u∂x+k e u=k e u e(11)当x=l4,即第Ⅳ层与皮肤之间热传导:㊃401㊃现代纺织技术第32卷k 4∂u∂x +k su =k s u s (12)当x =l j ,即三层织物之间的热传导:u -=u +,k j∂u∂x()-=k j +1∂u ∂x ()+,j =1,2,3.ìîíïïï(13)由以上一维热量传递模型的偏微分方程,在Matlab 软件中建立相关散热模型,通过有效差分法求解微分方程㊂得到防护服各分界面随着时间变化的温度分布图,如图3所示㊂从图3中可以看出:防护服最外层也就是左边界在59.52ħ时达到了稳定,防护服第Ⅱ层在59.11ħ时达到了稳定,防护服第Ⅲ层在58.2ħ时达到了稳定,防护服第Ⅳ层在53.72ħ时达到了稳定,皮肤层在43.71ħ达到了稳定㊂㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀图3㊀分界面温度随时间变化曲线Fig.3㊀Changes in the temperature of separatrixes with time㊃501㊃第3期汪易平等:热防护服散热性的数学模型仿真㊀㊀图4为防护服每层温度随厚度以及时间变化的三维分布图㊂随着防护服的厚度增加,皮肤温度会逐渐降低㊂图4㊀温度随时间㊁空间的变化曲线Fig.4㊀Temperature changes over time and space3　织物导热的微分方程的验证为测试散热模型,将体内温度控制在37ħ的假人穿上防护服放置在实验室的60ħ环境中,用温度传感器对假人温度信息进行采集,再转换为电信号在数码显示器上显示温度,如图5(a)显示㊂目前,在常用的温度的传感器当中,PT100温度传感器[14]和DS18B20温度传感器[15]的技术比较成熟,应用广泛,但DS18B20使用比PT100更方便,同时DS18B20具有直接输出不需要校正的数字温度值的特性,具有较强的抗压性能等显著优点,更适合于高温高压环境,在这里测试假人皮肤的温度传感器选取DS18B20温度传感器,如图5(b)所示㊂验证实验中采用型号为TS-18B20数字温度传感器,由DS18B20可组网数字温度传感器芯片封装而成㊂工作电压为3.0~5.0V,测温范围为-55~125ħ,在-10~85ħ范围内误差为ʃ0.4ħ㊂最后通过数字信号输出温度结果㊂在验证使用中,如图6所示的实验环境图,使用了温度恒定为37ħ的假人,与仿真建模中相同的织物并控制其初始温度为26ħ,在温度恒定为60ħ的高温环境实验室中进行测温以验证相同初始室温下模型的精度㊂然后再改变室温到75ħ,观察实测数据趋势是否和模型一致㊂图5㊀温度显示器与传感器Fig.5㊀Temperature display andsensor图6㊀恒温假人和实验环境图Fig.6㊀Thermostatic dummy and experimentalenvironment diagram测得假人皮肤外侧在5400s 内的温度变化数据,如图7(a)所示,将数字信号数据导入Matlab 可视化,可以看出在与模型建立的相同初始室温60ħ下,通过温度传感器测得的假人皮肤温度达到43.99ħ并保持稳定㊂调整高温环境实验室温度为75ħ时测得假人皮肤外侧在5400s 内的温度变化数据㊂从图7(b)可以看出,假人温度最后稳定在48.08ħ㊂㊃601㊃现代纺织技术第32卷图7㊀假人皮肤温度随时间变化Fig.7㊀Dummy skin temperature changes with time 由Matlab软件建立的模型,在60ħ室温下测出的假人皮肤温度为43.71ħ㊂由温度传感器DS18B20测得的假人皮肤温度是43.99ħ㊂两者进行对比,误差在0.5ħ㊂调整室温为75ħ后,温度变化趋势与模型几乎一致,可以得出所建立的模型准确性较高㊂从是否考虑湿传递的角度,热防护服装的数学模型主要分为干燥模型和热湿耦合模型㊂结合建立模型的假设,本文采用的均为干燥模型㊂没有考虑织物内部的水分(包括汗水和水蒸气等),主要研究外部的辐射热量,织物相关物理学性质,织物层与层之间和织物与皮肤之间空气层的厚度等对防护性能的影响㊂热湿耦合模型认为织物内部水分主要来源于人体汗液和织物自身所含的水分[16-19]㊂Lawson 等[20]研究了多层织物组合状态下的瞬时状况下热湿传递模型,并且考虑热防护服装内部各层之间的辐射传热,同时分析了初始含水量的影响,模型中含有随着含水量变化而变化的物理参数,发现水分也会影响到整个热传递过程㊂由此总结出未考虑湿传递是误差存在的主要原因㊂但是当模拟外界室温和高温实验室室温均为60ħ时,误差仅为0.28ħ,且调整实验室室温到75ħ,稳定后的温度也仅升高到48.08ħ㊂本研究建立的模型基于热传递干燥模型,高温下,湿传递是人体散热的主要方式之一㊂理论上,不考虑湿传递会造成较大误差,但实验较仿真的误差较小,主要原因是湿传递主要依靠人体汗液的蒸发,实验用恒温假人并没有人体的相同条件,所以使用干燥模型更为合理㊂4㊀结㊀论本文为了探求高温环境下热防护服的散热规律,实现对热防护服隔热效果的预测与合理评价㊂根据傅里叶热传导定律,通过微元法与有效差分法建立了热防护服在高温环境下的 外界-织物层-皮肤 的散热数学模型,并通过假人实验进行验证分析㊂验证实验中假人皮肤温度为43.71ħ,数学散热模型仿真结果为43.99ħ,误差仅为0.28ħ㊂研究发现随着热防护服的厚度增加,皮肤温度会逐渐降低,空气层有明显的降温散热作用㊂模型仿真结果与实测结果误差较小说明建立的散热数学模型准确度较高,对热防护服的散热防护效果合理评价有借鉴意义㊂参考文献:[1]朱荣桂,赵晓明.消防服的研究现状及发展趋势[J].成都纺织高等专科学校学报,2016,33(3):214-218. 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热防护专用服装温度分布模型【摘要】本研究旨在建立热防护专用服装温度分布模型，采用数值模拟方法对其进行验证与优化，并探讨影响因素。

通过实验结果分析，提出了热防护专用服装设计的建议。

研究结果表明，该模型具有较高的有效性，为热防护专用服装的设计与优化提供了参考依据。

未来的研究方向包括进一步优化模型，探索更多影响因素，并不断完善热防护专用服装的设计。

总结本研究为热防护领域的发展提供了重要的理论基础和实践指导，有助于提高热环境下工作人员的舒适度和安全性，具有重要的研究意义和应用价值。

【关键词】热防护专用服装、温度分布模型、研究背景、目的、研究意义、建立模型、验证与优化、设计、实验结果、分析、影响因素、有效性、未来研究、总结。

1. 引言1.1 研究背景目前，针对热防护专用服装的温度分布模型研究还比较有限。

现有的研究大多集中在热流动特性和热传导性能方面，对于服装内部的温度分布情况缺乏深入的研究。

建立一个准确可靠的温度分布模型，对于改进热防护专用服装的设计和性能优化具有重要意义。

本研究旨在通过对热防护专用服装的温度分布进行模拟和分析，探讨服装内部温度分布的规律及影响因素，为设计和选择热防护专用服装提供科学依据。

通过本研究，我们希望能够为热防护领域的研究和应用提供新的思路和方法。

1.2 目的文章的目的是为了建立热防护专用服装温度分布模型，通过对模型的验证和优化，提高服装的保护效果。

我们希望通过实验结果的分析和影响因素的探讨，为热防护专用服装的设计提供科学依据。

通过本研究，我们旨在验证热防护专用服装温度分布模型的有效性，为未来研究提供展望，并总结出研究的重要发现和结论。

通过这些工作，我们希望能够为热防护专用服装的研究和应用提供有益的参考，提高人们在高温环境下的舒适度和安全性。

1.3 研究意义热防护专用服装是在高温环境下工作时必不可少的防护装备，而正确的穿戴热防护专用服装可以有效减少人体受到的热量影响，保护工作者的安全和健康。

防火服用蜂窝夹芯结构织物的热防护性能测评杜菲菲;李小辉;张思严【摘要】针对当前防火服普遍存在的笨重、闷热等问题,提出采用隔热耐高温、吸湿透气的蜂窝夹芯结构来改善其功能防护与热湿舒适性能.通过对蜂窝结构内在传热机制的分析,设计和制备了7种不同的蜂窝结构,选取当前典型的各层面料作为实验试样,综合考虑织物面密度、蜂窝夹芯结构种类设计了21种实验方案,并利用热防护性能测试仪对其进行热防护性能测评;进一步考察蜂窝结构的边长、壁厚、芯厚对防火服用织物热防护性能的影响规律.结果表明:蜂窝夹芯结构质轻且能满足热防护性能的要求,蜂窝结构的边长越小,壁厚越大,芯厚越大,织物的热防护性能值(TPP)越大,热防护性能越好.【期刊名称】《纺织学报》【年(卷),期】2019(040)003【总页数】6页(P133-138)【关键词】防火服;蜂窝夹芯结构;热防护性能;热湿舒适性【作者】杜菲菲;李小辉;张思严【作者单位】东华大学服装与艺术设计学院,上海 200051;东华大学服装与艺术设计学院,上海 200051;同济大学上海国际设计创新研究院,上海 200080;东华大学现代服装设计与技术教育部重点实验室,上海 200051;东华大学服装与艺术设计学院,上海 200051【正文语种】中文【中图分类】TS941.73防火服是一种特殊的功能性服装，其作用是保护作业人员在特殊的工作环境中免受高温伤害[1]。

目前，防火服一般采用4层结构，由外向内依次为阻燃外层、防水透汽层、隔热层与舒适内层[2]，每层都有其各自的功能，这种多层复合结构极大地提高了防火服的热防护性能。

然而，正是这种阻燃、高热阻和防水性会降低防火服的透湿性能，阻碍汗水的排出和蒸发，限制人体出汗所释放的潜热[3-4]。

为解决防火服功能防护与热湿舒适性的平衡关系，很多学者对热防护材料进行了研究。

一些研究者提出利用相变材料来协调人体着装时的热平衡[5-6]，相变材料虽然可以减少热应力，提高热湿舒适度，增强热防护性能，但是相变材料本身的相变温度、时间等会受火场环境下的暴露热流量以及热暴露时间的影响，同时研发也需要耗费昂贵的成本[7]，应用范围相对比较局限。

消防服用多层织物的热防护性能测试实验方法一、TPP实验结果各组试样的TPP值集中在40～50之间，最高的TPP值达到了51．9，最低的TPP值也达到了43．2，符合GAl0-2002中对阻燃消防服整体热防护性能的TPP值≥28的规定标准。

隔热层的TPP值在各层面料中最大，可见，隔热层对多层织物的综合热防护性能起到了重要作用。

三维阻燃间隔织物的TPP值高于Nomex 毡和Kermel毡，且透湿性能良好H4]，若用此种织物替代传统的消防服防水透气层和隔热层，同样应能达到很好的综合热防护效果，且三维阻燃间隔织物的重量轻于传统消防服中防水透气层和隔热层组合的重量，有助于减轻消防服的整体重量，减少消防员负荷。

芳砜纶织物与国外高性能阻燃纤维织物相比，其热防护性能相当于NomexⅢA织物，优于Kermel织物。

另外，从表7可以看出，多层织物组合的综合TPP值并不等于各层织物TPP值的简单相加，而是大于或小于各层织物的TPP值之和。

热防护性能最高的多层织物组合是第15组织物，即芳砜纶、三维阻燃间隔织物和阻燃棉布，TPP值达到了51．9；其次是第5组织物，即NomexlllA、三维阻燃问隔织物和阻燃棉布，TPP值达到了50．7。

二、TPP实验结果分析1、Stoll&Chinanta曲线是Stoll和Chinanta两位研究者在大量动物皮肤烧伤实验基础上，将动物皮肤达到二级烧伤所需时间转换成铜片热流计温度上升值，绘制出的皮肤二级烧伤时间与铜片热流计温度上升值之间的关系曲线，织物燃烧曲线与Stoll&Chinanta曲线交点的横坐标即为达到二级烧伤时间。

由图1可以看出，第1 5组织物达到二级烧伤时间为25．8秒，第5组织物达到二级烧伤时间为25．2秒。

虽然仅相差0．7秒，但对火场中的消防员来说意义重大。

因为火场中的情况危急，即使是0．4秒、0．5秒的延迟，也足以保护消防员，增加消防员不被烧伤的机率。

2、第15组和第5组织物组合均是采用三维阻燃间隔织物代替传统防水透气层和隔热层，取得了较好的热防护效果，这主要与三维阻燃间隔织物的结构和成分有关。

芳纶织物的热防护性能测试江苏天地造芳纶阻燃面料测试织物的热防护性能TPP 值是织物对热辐射和热对流综合作用的热防护能力,它可以直接反映试样的热防护性能.这种测试方法是将试样水平放置在特定的热源上面,在规定距离内,热源以 2 种不同的传热形式(热对流和热辐射)出现,置于试样另一侧的铜片热流计可测量试样背面的温度,用试样后面的铜片热流计测量其温升曲线,与Stoll 标准曲线比较得到二级烧伤所需时间t2 ,并与暴露热流量q相乘得到TPP 值，其计算如式(1)所示. T PP= t2 ×q 式中:t2为引起Ⅱ度烧伤所需要的时间,s; q为系防护性能TPP值.统设定的对流辐射热流量,kW/ m .芳纶面料TPP值越大,表示织物的热防护性能亦即隔热性能越好;反之,隔热性能越差. 此方法将材料的热防护性与人体的感受联系起来,能够较为客观地预测服装在应用中的实际效果,现己被列为通用的测试方法。

通过查资料可知，织物的热防护性能TPP 值与织物的厚度、面密度、透气率指标总体上存在着显著的回归:织物越厚重,所含纤维越多,热量越不易透过织物, Ⅱ级烧伤时间越长;织物透气率与热防护性能TPP 值之间具有明显的负相关性,即织物透气性愈好,织物越疏松,辐射热越容易直接透过织物. 织物的密度与织物的热防护性能之间没有明显的相关性关系。

芳纶面料5建议与总结在热防护服的性能研究中,既要注重热防护服性能要求的全面性,即热防护服同时具备良好的热防护性能、服用性能和穿着舒适性能,又要根据各类热防护服的不同用途,在其性能要求上有所侧重,即视不同的使用环境增加或增强热防护服在某些性能方面的要求,使热防护服的性能要求进一步趋向全面、合理。

在我国热防护服的发展中,加强热防护原理特别是热源和热传递形式的研究,完善热防护服的热防护性能、服用性能,必将大大促进我国热防护服的设计、开发和生产,使我国热防护服更快、更好地向前发展。

5.1总结芳纶防护面料1军事需要是防护用纺织品推陈出新的动力之一，所以军用阻燃/热防护服的主要特征总体包括：（1）外层服装必须要防火（利用阻燃剂或自阻燃纤维），至少25% 的原材料保存完整，而收缩率控制在10%以内；（2）阻挡热量传导或辐射到皮肤（通过大量的隔热作用实现，如夹层或空气间隙等）；（3）当暴露在热或火环境下时，毒烟的产生要尽量小（选择特殊材料来实现）；（4）阻止与皮肤直接接触的衣物发生熔滴现象，因此不能使用热塑性纤维原料，如PA、PET、聚烯烃以及PVDC等。