防火服用蜂窝隔热层的热蓄积性能测评

侯玉莹， 李小辉,2

(1. 东华大学 服装与艺术设计学院， 上海 200051；2. 东华大学 现代服装设计与技术教育部重点实验室， 上海 200051)

消防员在高温工作环境中往往需要穿着防火服等防护装备，因此，防火服的热防护性就显得尤为重要。为确保热防护性能，防火服一般采用4层结构，由外向内依次是阻燃外层、隔热层、防水透气层、舒适层；然而，正是这种防护服的多层结构在实际穿着过程普遍存在笨重、闷热等问题，不仅使消防员作业效率降低，还会对消防员身体造成一定程度的伤害。同时，由于消防员长时间暴露在低热流环境中，虽然防火服外层面料没有出现明显损伤，但消防员皮肤仍会产生烧伤现象。研究表明在热暴露过程中，防火服由于其本身多层结构会蓄积大量热量，在热暴露结束后，蓄积的热量自然释放或者因为服装受压被迫释放，从而导致皮肤烧伤[1-2]。

针对防火服的多层结构以及其笨重、闷热造成的热蓄积现象，近年来国内外学者展开了较多的研究：通过运用新型材料如相变材料改善防火服的蓄热调温能力[3-5]；从织物的厚度[6-8]、质量[9]、空气层厚度[10]、含水量[6-7]以及透气性[9]方面分析对热蓄积的影响；探究防火服的反光带[7]和衣下空气层[9]对热蓄积的影响；通过对防火服设计通风口来减少热蓄积；分析热流量强度对热蓄积的影响[7,10]；对热蓄积测试装置[7]和热蓄积测评方法进行研究等，这些研究对防火服在热防护领域做出巨大贡献，但在实际应用中防火服的热蓄积性能和热防护性能还需要进一步完善和提高。

本文利用蜂窝结构的抗疲劳性能好、热稳定性好、质量轻、隔热性能优良等优点，将其应用在防火服隔热层中；通过选取当前典型的织物进行蜂窝夹芯的设计与制备，系统测评不同蜂窝夹芯边长、壁厚、芯厚下的最小热暴露时间，分析对防火服热蓄积性能的影响，综合提高防火服的热防护性能，以满足在众多领域的应用需求。

1 实验部分

1.1 试样选取与制备

1.1.1 试样选取

实验采用典型防火服面料，其中外层面料为Nomex®IIIA，防水透气层面料为T-70/聚四氟乙烯(PTFE)，隔热层采用Nomex毡(分别选取3种厚度：I-70毡Nomex、I-120毡Nomex、I-150毡Nomex)，舒适层面料为阻燃粘胶；各层试样的基本性能参数如表1所示。

表1 面料试样及其基本性能Tab.1 Fabric samples and fundamental characteristics

1.1.2 蜂窝夹芯结构试样的制备

蜂窝结构是研究最多的一种多孔二维拓扑结构。其中六边形蜂窝结构的制作用料少，制备简单，同时蜂窝夹芯结构中，六边形蜂窝强度最高，目前应用最普遍。本文实验将排好版的蜂窝结构导入二氧化碳激光切割机进行切割，最后得到实验试样。防火服织物蜂窝夹芯结构如图1所示，其中边长为l、壁厚为t、窝芯厚度为h。

图1 防火服织物蜂窝夹芯结构示意图Fig.1 Honeycomb sandwich structure for fireproof clothing

本文实验考虑蜂窝夹芯结构孔型边长、壁厚、芯厚3个因素，提出6种方案，组成6种蜂窝结构样片E2-E6用于实验。同时，又设计了一种未切割的实心对照组E1，如表2所示。

表2 蜂窝孔型结构参数Tab.2 Parameters of honeycomb structure

1.2 实验方案的设计

本文实验模拟防火服4层结构，对不同厚度的隔热层按表2切割成蜂窝孔型，将各种面料进行组合得到21种实验试样，如表3所示。并对21种试样各做3次实验取平均值，共63个实验组。

1.3 实验设备与测评方法

1.3.1 实验设备

本文实验根据ASTM F2731—2011《测量消防员防护服系统的能量传播和储存的标准》要求，采用MTN-P292-08型热蓄积测试仪器SET测试仪(美国西北测试科技公司)对防火服用织物在低辐射热环境下的防护性能进行测试。织物热传递和热蓄积的测试装置如图2所示。主要包括：试样架，移动托盘，传感器，辐射热源，压缩装置，数据采集、控制、烧伤和分析系统。

表3 实验方案设计Tab.3 Experimental scheme design

图2 热蓄积测试装置Fig.2 Stored thermal energy test apparatus

1.3.2 热蓄积评价方法

基于ASTM F2731标准有2种测试程序用于评价织物的热蓄积，分别为迭代法(最小热暴露时间法)和固定热暴露时间法。本文实验中采用迭代法测试最小热暴露时间值。

2 结果与分析

2.1 蜂窝孔型结构参数对面密度的影响

表4示出蜂窝隔热层的面密度。可以看出，与实心的E1相比，经过切割后的面料其面密度都有所降低。其中E4方案下的隔热层面料实际面密度是所有方案中最轻的，比未做任何物理结构改变的E1方案降低了64%。而且E2、E5、E7这3种方案下隔热层的实际面密度大致相等。本文将从蜂窝结构的边长、壁厚、芯厚这3个控制参数讨论由表中也可以发现：切割后的边长越大，面料面密度越小；切割后的壁厚越小，面料面密度越小；边长和壁厚以同等比例增加或减少，切割后的隔热层面密度大致相等。本文将从蜂窝结构的边长、壁厚、芯厚这3个参数讨论蜂窝夹芯结构对织物蓄积热防护性能的影响。

表4 蜂窝隔热层面密度Tab.4 Areal density of honeycomb core layer g/m2

2.2 边长对热蓄积性能的影响

控制蜂窝结构的壁厚和芯厚2个参数不变，研究蜂窝夹芯结构边长变化对织物热蓄积性能的影响。实验数据表明，3个芯厚的蜂窝结构，都是正六边形边长为3 mm时，最小热暴露时间最长。边长从 3 mm 增加到6 mm时，热暴露时间变化范围为1～6 s；边长从6 mm增加到9 mm时，热暴露时间变化范围为4～10 s，变化较大。边长在不同范围内变化时对织物的热蓄积性能影响不同，但在其他参数相同的情况下，都表现出随着边长的增加，最小热暴露时间降低，其热防护性能也有一定程度的下降。

为检验蜂窝结构的边长与热暴露时间的相关性，随机选取了壁厚为5.2 mm、芯厚为1.5 mm的蜂窝结构。通过SPSS统计软件，检验在芯厚、壁厚相同的情况下，蜂窝边长与织物组合热防护性能的相关性。表5示出壁厚为2.6 mm时边长与其热暴露时间的相关性检验结果。可见，蜂窝边长与热暴露时间呈现明显的负相关，相关系数为-0.993。这验证了织物系统蜂窝结构边长的增加能降低热暴露时间。

表5 边长与热暴露时间相关性Tab.5 Correlation of side length and MET

2.3 壁厚对热蓄积性能的影响

控制孔型边长不变，比较不同壁厚下实验试样在热蓄积测评中最小热暴露时间值的大小。图3示出蜂窝孔型边长分别为3、6、9 mm时不同壁厚的最小热暴露时间。

图3 不同孔型边长时不同壁厚的最小热暴露时间Fig.3 MET of different wall thickness at different side length

从图3可看出，随着壁厚的增加，织物的最小热暴露时间基本都是增加的，但增加的程度并不大。在孔型边长为3 mm和6 mm时，2种壁厚下的最小热暴露时间基本持平，甚至在蜂窝孔型边长为 6 mm，芯厚为1.5 mm时，织物的热暴露时间略有下降，因此在这2种孔型边长下，壁厚的增加并不会对热蓄积性能有太大的影响。显然在此蜂窝夹芯结构下，织物的最小热暴露时间受其他因素影响大一些。由图3(c)可以看出，蜂窝孔型边长为9 mm时，壁厚的增加对热暴露时间产生了较大的影响。蜂窝夹芯结构的壁厚从5.2 mm增加到7.8 mm，3种芯厚下织物的最小热暴露时间增加都在5 s以上，因此，在边长为9 mm时，壁厚的增加对于织物的热蓄积性能有积极的影响。不同大小的蜂窝夹芯结构的壁厚、边长、芯厚3个因素相互搭配对热蓄积性能有不同程度的影响，边长较大时可通过增加壁厚来提高织物的热暴露时间。

2.4 芯厚对热蓄积性能的影响

图4示出蜂窝结构的芯厚对防火服热蓄积性能的影响。

图4 不同芯厚面料组合的最小热暴露时间Fig.4 MET of different sandwich thickness combinations

由图4可很明显地看出，芯厚为1.5 mm(C3)时，对应的7种蜂窝孔型结构的热暴露时间值最大。当蜂窝芯厚为0.6 mm时，实验试样的热暴露时间值从整体来看是最小的。总体上来说，随着蜂窝芯厚的增加，最小热暴露时间值也会相应增加，这也从一定程度上说明增加芯厚可提高织物的热暴露时间。

此外，图4显示的7种蜂窝孔型中，E3结构(边长为3 mm,壁厚为5.2 mm)的最小热暴露时间值最大，且都大于实心结构(E1)织物的热暴露时间；芯厚为1.5 mm时，E6结构除外，其余几种蜂窝孔型的热暴露时间均明显高于实心结构。其中E3结构热暴露时间增加最多，与实心结构E1相比，热暴露时间增加近10 s，因此这也说明，蜂窝结构可一定程度地提高织物的热暴露时间。

为检验蜂窝结构的芯厚与热暴露时间的相关性，随机选取了边长为3 mm、壁厚为5.2 mm的蜂窝结构。通过SPSS统计软件，检验在边长、壁厚相同的情况下，蜂窝结构芯厚与织物组合热防护性能相关性，其结果如表6所示。可以看到，Pearson相关系数为0.959，蜂窝结构芯厚与热暴露时间呈明显的正相关。这验证了蜂窝结构芯厚的增加能提高热暴露时间。

表6 芯厚与热暴露时间相关性Tab.6 Correlation of core thickness and MET

3 结 论

1)采用蜂窝孔型的隔热层可明显减轻防火服的质量，改善以往防火服存在的笨重的问题。其中切割后的蜂窝边长越大，隔热层织物面密度越小，切割后的蜂窝壁厚越小，织物面密度越小。

2)蜂窝结构的芯厚对多层热防护服的防护性能影响比较大，在本文实验中，选用最厚的 I-150毡 Nomex面料为隔热层织物组合下的实验试样的热防护性能最好，在热蓄积测评中的最小热暴露时间值最高。

3)隔热层孔型方案中不同正六边形边长和壁厚的搭配，对多层热防护服防护性能的影响各不相同。蜂窝壁厚一定的情况下，孔型边长值越高，防护服的热暴露时间越低；蜂窝孔型边长一定的情况下，壁厚越大，防护服的热暴露时间越高。