【集萃網(wǎng)觀察】摘要：研究了消防服用多層織物系統(tǒng)的阻燃性能及其TPP值。將耐高溫阻燃的Nomex、Kennel和芳砜綸織物與PTFE、I1）u和三維阻燃間隔織物組合，模擬消防服的層次構(gòu)成，通過(guò)垂直燃燒試驗(yàn)測(cè)試分析外層織物的阻燃性能通過(guò)TPP試驗(yàn)測(cè)試分析多層織物系統(tǒng)的綜合熱防護(hù)性能。研究得出：熱防護(hù)性最好的織物組合是芳砜綸、三維阻燃間隔織物和阻燃棉布，其綜合熱防護(hù)性能TPP值為51.9；最適宜用于消防服的織物組合是NomexIHA、三維阻燃間隔織物和阻燃棉布，其綜合熱防護(hù)性能值達(dá)到5O.7；將三維阻燃間隔織物用于消防服結(jié)構(gòu)組成，可取得較好的整體熱防護(hù)效果且可減輕消防員熱負(fù)荷。
消防服是一種特殊的功能性服裝，其作用是保護(hù)消防員在火場(chǎng)環(huán)境中免受高溫傷害，一般由外層、防水透氣層、隔熱層和舒適層構(gòu)成。本文對(duì)新型消防服用多層織物系統(tǒng)在高溫下的綜合熱防護(hù)性能進(jìn)行了研究，并和傳統(tǒng)消防服的綜合熱防護(hù)性能進(jìn)行了比較，討論消防服的層次結(jié)構(gòu)及材料對(duì)整體熱防護(hù)性能的影響，為研制耐高溫阻燃性能更強(qiáng)的消防服提供一定的借鑒。
1試驗(yàn)部分
1.1材料
進(jìn)行l(wèi)5組模擬消防服真實(shí)結(jié)構(gòu)的多層織物組合試驗(yàn)，試樣組合編號(hào)為115。外層面料為A1、B1、C1；防水透氣層面料為A2、B2；隔熱層面料為A3、B3、C3；舒適層面料為D。各組面料參數(shù)如表1所示。
按正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)原則，取外層、防水透氣層、隔熱層3因子間所有水平的組合，以便考察各種組合對(duì)整體熱防護(hù)性能的影響，試驗(yàn)安排如表2所示。第5、10和15組面料組合中用1層三維阻燃間隔織物代替?zhèn)鹘y(tǒng)消防服結(jié)構(gòu)中的防水透氣層和隔熱層，其余各組模擬傳統(tǒng)消防服的4層結(jié)構(gòu)，依次為外層、防水透氣層、隔熱層和舒適層。15組面料組合的舒適層均采用普通阻燃棉布。
1.2測(cè)試方法
1.2.1垂直燃燒試驗(yàn)
利用垂直燃燒法測(cè)試紡織品的阻燃性能。采用LFY.601國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)垂直燃燒儀，按GBT5455--1997規(guī)定的試驗(yàn)方法，測(cè)定阻燃織物的損毀長(zhǎng)度、續(xù)燃時(shí)間和陰燃時(shí)間。將試樣裁成300mm×80 mm，測(cè)試前將其在溫度（20±2）℃，相對(duì)濕度（65±2）%的環(huán)境中平衡放置8～24h，然后放入密封器內(nèi)。測(cè)試時(shí)將燃燒儀內(nèi)火焰高度調(diào)至（40±2）mm，試樣放入試樣夾中，垂直懸掛于試驗(yàn)箱中，用點(diǎn)火器點(diǎn)燃試樣，12s后，點(diǎn)火器復(fù)位，用續(xù)燃計(jì)計(jì)算試樣續(xù)燃時(shí)間和陰燃時(shí)間，陰燃結(jié)束后，取出試樣，測(cè)量其損毀長(zhǎng)度。用垂直燃燒法測(cè)試外層織物阻燃性能。對(duì)3種外層面料，各準(zhǔn)備3塊試樣，每種面料做3次燃燒試驗(yàn)，取其平均值。在做外層織物阻燃性能試驗(yàn)前，按GB8965--1998附錄A的方法將面料在渦輪式洗衣機(jī)里洗滌5次。
1.2.2 TPP試驗(yàn)
TPP試驗(yàn)是熱輻射和熱對(duì)流混合作用防護(hù)性能試驗(yàn)，主要測(cè)試織物的綜合熱防護(hù)能力。其測(cè)試方法是將試樣水平放置在特定的熱源上面，在規(guī)定距離內(nèi)，熱源以2種不同的傳熱形式——熱對(duì)流和熱輻射出現(xiàn)，而置于試樣另一側(cè)的銅片熱流計(jì)則測(cè)量試樣背面的溫度。測(cè)試時(shí)要求火焰與試樣直接接觸，到達(dá)織物表面的熱流量達(dá)到84kW/m2。銅片熱流計(jì)測(cè)量溫度并得到升溫曲線，將其與Stoll標(biāo)準(zhǔn)曲線比較可得到二級(jí)燒傷所需時(shí)間t2，從而可得TPP值。
TPP= t2×q （1）
式中：q=2.0 ×4.187J/（cm2·s），為規(guī)定輻射熱流量；t2為引起二度燒傷所需要的時(shí)間，s。
TPP值越大，表示織物的熱防護(hù)性能越好，已得到了ASTM、ISO及NFPA的認(rèn)可。
采用美國(guó)CSI公司的TPP.206熱防護(hù)性能測(cè)試儀，按NFPA1976標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，試樣尺寸為152mln×152mm。對(duì)各組試驗(yàn)的單層面料和多層試樣的組合進(jìn)行TPP試驗(yàn)�？偀崃髁繛椋�83±4）kW/m2，燃燒時(shí)間根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)為30～65s（TPP試驗(yàn)儀器的最大燃燒時(shí)間為65s）。
在實(shí)際穿著中，消防服的舒適層緊貼人體，因此為了模擬人體出汗情況，各組面料燃燒前將舒適層放入水中完全浸濕。對(duì)15組試樣，各做3次TPP測(cè)試，取3次結(jié)果的平均值。由于多層面料的最外層直接接觸熱源，舒適層與銅片熱流計(jì)緊密貼合，各層面料間基本無(wú)空氣層，所以，試驗(yàn)未考慮織物層間空氣層對(duì)整體熱防護(hù)性的影響。
2結(jié)果與分析
2.1阻燃性能
考慮到織物經(jīng)緯向燃燒性能的一致性，本文只對(duì)外層織物的經(jīng)向進(jìn)行了測(cè)試。外層織物垂直燃燒情況見(jiàn)表3。
從表3可以看出，這3種外層面料都不續(xù)燃，損毀長(zhǎng)度均<100mm，其中，損毀長(zhǎng)度最大的是B1（Kermel面料），損毀長(zhǎng)度最小的是C1（芳砜綸面料），居中的是A1（NomexⅢA面料）；3種面料的陰燃時(shí)間依次為芳砜綸面料
織物阻燃機(jī)制復(fù)雜，可考慮將芳砜綸纖維與其他纖維混紡，改善其燃燒脆化現(xiàn)象，這將是消防服用較理想的外層面料。
2.2 TPP值
TPP試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4�？梢钥闯�，各組試樣的綜合TPP值集中在40～50之間，最高的TPP值達(dá)到了51.9，最低的TPP值也達(dá)到了43.2，符合GA10--2002規(guī)定的阻燃消防服的TPP值≥28的標(biāo)準(zhǔn)。隔熱層的TPP值在各層面料中最大，可見(jiàn)，隔熱層對(duì)多層織物的綜合熱防護(hù)性能起到了重要作用。三維阻燃間隔織物的TPP值高于Nomex氈和Kermel氈，且透濕性能良好，若用此種織物替代傳統(tǒng)消防服的防水透氣層和隔熱層，同樣能達(dá)到很好的綜合熱防護(hù)效果，且三維阻燃間隔織物的質(zhì)量輕于傳統(tǒng)消防服中防水透氣層和隔熱層組合的質(zhì)量。國(guó)產(chǎn)芳砜綸織物與國(guó)外高性能阻燃纖維織物相比，其熱防護(hù)性能相當(dāng)于NomexⅢA織物，優(yōu)于Kermel織物。熱防護(hù)性能最好的多層織物組合是芳砜綸、三維阻燃間隔織物和阻燃棉布。
2.3TPP試驗(yàn)結(jié)果分析
1）第15組織物組合是芳砜綸、三維阻燃間隔織物和阻燃棉布，該組合的TPP值最高，達(dá)到了51.9。第5組織物組合是NomexⅢA、三維阻燃間隔織物和阻燃棉布，該組合的TPP值僅次于第15組，達(dá)到了50.7。Stoll&Chinanta曲線是Stoll和Chinanta2位研究者在大量動(dòng)物皮膚燒傷試驗(yàn)基礎(chǔ)上，將動(dòng)物皮膚達(dá)到二級(jí)燒傷所需時(shí)間轉(zhuǎn)換成銅片熱流計(jì)溫度上升值，繪制出的皮膚二級(jí)燒傷時(shí)間與銅片熱流計(jì)溫度上升值之間關(guān)系的曲線�？椢锶紵�與Stoll&Chinanta曲線交點(diǎn)的橫坐標(biāo)即為達(dá)到二級(jí)燒傷時(shí)間。圖1示出了第5組和第15組織物組合的TPP曲線�？梢钥闯觯�15組織物達(dá)到二級(jí)燒傷時(shí)間為25.8s，第5組織物達(dá)到二級(jí)燒傷時(shí)間為25.2s。雖然僅相差0.7s，但對(duì)火場(chǎng)中的消防員來(lái)說(shuō)意義重大。因?yàn)榛饒?chǎng)中的情況危急，即使是0.4～0.5s的延遲，也足以保護(hù)消防員，增加消防員逃逸火場(chǎng)的幾率。
2）第15組和第5組織物組合均是采用三維阻燃間隔織物代替?zhèn)鹘y(tǒng)防水透氣層和隔熱層，取得了較好的熱防護(hù)效果，這主要與三維阻燃間隔織物的結(jié)構(gòu)和成分有關(guān)。
從結(jié)構(gòu)上看三維阻燃間隔織物是一種經(jīng)編雙層結(jié)構(gòu)織物，由2塊單獨(dú)的織物構(gòu)成，這2塊織物結(jié)構(gòu)緊密，織物間用加捻的芳綸紗（間隔紗）連接，保證了織物兩面間具有充分的間隔層，從而保持空氣在服裝與人體間形成一個(gè)微氣候，可以阻止?jié)駳庠谄つw表面積聚，對(duì)濕氣有很好的緩沖作用，提供了良好的隔熱效果和穿著舒適性。
從三維阻燃間隔織物的纖維成分上看，上下層織物選用優(yōu)化的混紡纖維，其成分為聚酯、粘膠及阻燃的Nomex纖維，本身就是高性能阻燃纖維，雙層織物中間用間隔紗相連，間隔紗采用100%芳綸加捻紗。有關(guān)資料表明，間隔織物所采用材料均滿足EN469標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)消防服外層原料規(guī)定的阻燃標(biāo)準(zhǔn)，所以三維阻燃間隔織物既能透氣透濕又具有良好的熱防護(hù)性。
消防服的穿著舒適性和熱防護(hù)性同等重要。當(dāng)前消防服主要采用4層結(jié)構(gòu)，材料選取高密度材料。多層結(jié)構(gòu)及高密度材料的使用將增加服裝質(zhì)量，增加消防員負(fù)荷，加大消防員的體力支出。且多層結(jié)構(gòu)（尤其是防水透氣層的設(shè)置）阻礙了熱量的有效散發(fā)。芬蘭研究機(jī)構(gòu)對(duì)此進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：進(jìn)行相同的消防活動(dòng)后，穿著設(shè)有防水透氣膜消防服的消防員的皮膚溫度、出汗量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于穿著無(wú)防水透氣膜消防服的消防員，不利于消防員生理熱散失，大量的生理熱迅速堆積在消防服內(nèi)部，產(chǎn)生的熱應(yīng)激將對(duì)消防員的身心造成潛在傷害。因此，若用熱防護(hù)性、透氣性好且質(zhì)量輕的三維阻燃間隔織物代替?zhèn)鹘y(tǒng)消防服中的防水透氣層和隔熱層，將最大限度地減輕消防服帶給人體的額外負(fù)擔(dān)。
3）防水透氣層采用熱塑性聚氨酯（TPU）的組合，其綜合TPP值低于采用FE的組合。這與2種膜的結(jié)構(gòu)有關(guān)。FE與TPU均是防水透氣材料，但由于膜結(jié)構(gòu)不同，透濕機(jī)制不同。
資料顯示，水蒸氣分子的直徑為0.0004m，而雨水中直徑最小的輕霧的直徑為20utm。FE膜上有許多微孔，它們的孔隙直徑在水蒸氣分子直徑和雨水分子直徑之間，因此可以讓氣態(tài)的水自由通過(guò)，而液態(tài)的水則被牢牢擋在一邊，以達(dá)到透氣效果。
TPU薄膜屬無(wú)孔親水性薄膜。由于薄膜本身沒(méi)有孔隙，防水效果很好，但從透氣性的原理看，它和PTFE有本質(zhì)上的不同。TPU的透濕主要通過(guò)其親水特性來(lái)實(shí)現(xiàn)，依靠衣服內(nèi)外溫差把汗氣冷凝在衣服面料的內(nèi)表面，然后通過(guò)TPU內(nèi)部的微孔把水吸收完，同時(shí)利用TPU本身的海綿特性滲透到面料的外表面，再通過(guò)外表面與空氣接觸，把水分蒸發(fā)出去，從而實(shí)現(xiàn)透濕的功能。
PTFE與TPU的另一個(gè)區(qū)別是前者為一種薄膜，在做成服裝面料的時(shí)候，用特殊的黏合劑把它黏合在面料上；而TPU面料采用涂層工藝，是在熔融狀態(tài)下，直接涂在面料上，不用任何的黏合劑。
由于FE防水透濕效果優(yōu)于TPU，當(dāng)含有水分的多層織物燃燒時(shí)，含TPU的組合導(dǎo)濕效果劣于含PTFE的組合，大量水分聚集在含刪的組合織物內(nèi)部，導(dǎo)致含TPU的組合傳熱速率高于含F(xiàn)E的組合，隔熱效果下降，因而在濕態(tài)情況下，含TPU的組合熱防護(hù)性低于含F(xiàn)E的組合。由此可見(jiàn)，防護(hù)服內(nèi)的水分在很大程度上改變防護(hù)服的防護(hù)性能。
3結(jié)論
1）垂直燃燒試驗(yàn)的結(jié)果表明：芳砜綸織物的阻燃性優(yōu)于Nomex11IA和Kennel織物，但燃燒后表面脆化現(xiàn)象較嚴(yán)重，所以不適宜直接做消防服外層；NomexmA織物的損毀長(zhǎng)度雖略大于芳砜綸，但炭化層結(jié)實(shí)，無(wú)破洞，適宜做消防服外層；Kennel織物損毀長(zhǎng)度比芳砜綸和NomexmA織物都大，但燃燒后也無(wú)破洞，也可用于做消防服外層。
2）TPP試驗(yàn)結(jié)果表明：芳砜綸織物的綜合熱防護(hù)性能與NomexmA織物相當(dāng)，略優(yōu)于Kennel織物。多層織物組合中，芳砜綸、三維阻燃間隔織物和阻燃棉布組合的TPP值最大，但由于芳砜綸不適宜做消防服外層，綜合考慮，最適宜的消防服多層織物組合是NomexⅢA織物、三維阻燃間隔織物和阻燃棉布，其綜合TPP值達(dá)到50.7。
3）三維阻燃間隔織物的熱防護(hù)性和透濕性都較好，且質(zhì)量輕于傳統(tǒng)消防服中的防水透氣層和隔熱層之和，可考慮將其用于消防服設(shè)計(jì)中，減輕消防員的負(fù)擔(dān)。
4）隔熱層在消防服的整體熱防護(hù)中起到了重要作用。
來(lái)源 李紅燕，張渭源
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