热防护性能测试需要模拟哪几种环境？
几种模拟环境下防护服的性能测试
一、环境模拟试验
技术环境模拟试验是测试技术发展的重要方面,研究环境对技术产品的影响,是第二次世界大战后发展起来的新学科,它的兴起,对于技术产品的质量和环境适应性起着革命性变化。目前世界上各先进国家都极为重视,无论对电子电器产品和机械产品、高分子合成材料及产品、轻纺服装产品、劳动防护用品以及防护服都必须通过规定的环境模拟试验条件,进行适用性能检测,为使用者提供尽可能接近实际的实验依据。
人类的一切活动都是在某一特定的环境条件下进行的,气温、湿度、风和太阳辐射热是组成环境气候的四项基本要素,此外,气压、雨、雪、云量等天气物理状态的变化情况,也是环境气候的重要因素。人们在劳动防护产品检验工作中,根据不同的测试要求,选择模拟不同的要素,以保证试验的相对可靠性。一般情况下,温度、湿度(恒温恒湿)是必需的条件,这类环境模拟是最普遍的起码要求,几乎所有物理机械性能实验室都必须具备。
国外各行各业的研究与测试机构,无不拥有相当规模和相应精密的环境实验室,如美国麻省马萨诸塞州纳蒂克城的陆军军需研究所(1976年改名为纳蒂克研究与发展部),拥有北极模拟实验室,模拟温度可达-57e,最大风速为74 km/ h;热带模拟实验室,最高温度为74e;雾雨模拟实验室,可模拟下雾及倾盆大雨;激光模拟实验室,可作军服染色防侦视研究用;火焰模拟实验室,用以进行军用被服装具的耐燃烧性试验;还有高空模拟实验室,可模拟13 500 m的高空环境试验。英军被装研究所拥有冷热环境模拟实验室,配有强光照射机;下雨模拟实验室等。日本东丽公司在濑田工场建立了全天候试验室,模拟人着服装在人工气候的风、雨、雪的条件下检验纺织的服用性能。该公司掌握的产品标准高于国家JIS标准要求。日本须贺(SUGA)公司研制的耐气候降雪试验装置,外形尺寸为4 m@2.2 m@12 m,样品架的尺寸约250 mm@1 000 mm,被测试样悬挂在循环回转的样品架上,人工降雪的结晶体相当于5 000~3 000 m的降雪效果。但该装置造价昂贵,据1986年的报价为2亿日元(折合130万美元)。该公司生产的跟踪太阳气候日晒机,以高精度的阳光反射板及追踪太阳装置,使太阳光的照度集中于试样上,并配以自动降雨周期的装置,据称,该机日晒20天就相当于通常360天的阳光照度。
我国在50年代中期,已开始重视环境模拟实验,近10年来,建立研究环境技术的部门和实验室已有数百家,推动着各经济技术部门的迅速发展。特别对于劳动防护安全卫生产品,军需产品,应当重视和发展环境模拟试验技术,以便准确反映产品的安全性、实用性,为改进现行产品性能,开发新产品提供有力的依据。
在日常生活中,环境温、湿度对人体健康、工作效率至关重要。据生理学家研究,室内温度过高,将影响人的体温调节功能,由于散热不良,导致体温升高,血管扩张,脉搏加快,心率加速。温度过低会使人体代谢功能下降,脉搏、呼吸减慢,皮下血管收缩,皮肤过度紧张,呼吸道粘膜抵抗力减弱,容易诱发呼吸道疾病。同时,室内湿度影响亦十分重要,湿度过大,会抑制人体散热,使人产生烦燥、闷热感,湿度过低,会引起上呼吸道粘膜水分大量流失,感到口干舌燥,甚至咽喉肿痛、感冒、鼻腔出血。科学家把人对/冷耐受0的下限温度定为11e,相对湿度30%,/热耐受0的上限温度定为32e,相对湿度80%。通过实验测定,冬天最宜人的温度18~25e,相对湿度30%~80%,夏天23 ~28e,相对湿度40%~60%。当然,人的舒适感受不仅限于温度和湿度两个气象要素,还与人的体质、着装、活动水平、精神状态以及其他主客观因素有关。防护服系列产品除了必须保证使用条件的安全防护作用外,还要尽可能地保证穿着者的舒适性能。
美国、法国、意大利、荷兰、丹麦、匈牙利等许多国家都有专门的热环境微气候试验室。其中美国堪萨斯大学的较现代化,总面积350 m2,匈牙利建筑科学研究院的微气候室约210 m2,微气候试验室主要研究内容是依着状态,人体活动程度,空气温度,平均辐射温度,气流速度,空气相对湿度等对着装人的热生理影响。
主要测定着装人的热平衡状态;血压、脉搏、呼吸频率、皮肤温度和散失强度;脑力活动状况;对声光信号的反应时间、震颤程度、触觉、敏感性、YYUOH频率反应、皮肤流电反应、肌电图和脑电图、从事劳动的能力、体力变化、新陈代谢变化;心理状况;记忆能力、聚精会神配合能力、对服装和热环境的主观感觉等。现场研究主要是着装人的热平衡状态,从事劳动的能力和主观感觉等。
当然,从劳动防护与安全卫生的角度考虑,除环境气候模拟以外,环境模拟试验还包括高低温、交变湿热、热老化、各种腐蚀性气体影响、防毒、粉尘、振动、冲击、噪音等环境条件的安全防护。
二、假人模拟试验技术
先进国家研制了各种各样的假人模拟测试系统,模拟真人,代替真人用于各种类型的劳动防护用品的研究试验,考核和评价特种劳动防护服装及军用装备品的实用性能、安全防护性能、工效性能等具有十分重要的作用。为各类防护服装的设计定型、投产监控及产品实用提供可靠的依据是必不可少的,我国在这方面应该大力地进行开发利用,缩小与国外的差距。
1、暖体假人模拟试验装置
暖体模拟人试验装置,目前在国外已十分普遍,前苏联从1946年就开始了此项研究工作,如前苏联列宁格勒军事科学院早在50年代已开始第二代出汗假人的研究,美国、日本、丹麦、芬兰等许多国家均有出汗暖体假人,我国在50年代初由军事医学科学院、军需工业研究所等单位开展暖体铜人研究试验,70年代总后军需装备研究所服装功能室开展恒温暖体假人和变温暖体假人的研究和应用做了持续深入的工作,取得显著的成效。上海飞达羽绒服厂花数万美元引进了暖体假人,但利用率不高,代价昂贵。我国至今尚无出汗假人,据悉中国纺大曾列项研制,但未见研究报导。
服装通常影响人的热舒适性,为阻止热和水分从人体扩散到周围环境,通过艰苦的工作和环境条件,以建立人/服装/环境相互之间关系是十分重要的。通过选择合适的服装系统减少热压应力,通过对试验人的生理学测量,可以评价服装的热生理学性能。为此,推荐热模拟人的定量测定。芬兰技术研究中心(VTT)的纺织实验室加入北欧联合设计发展出汗暖体假人,开发出的第一个出汗热模拟人,通过用此假人能够同时测量服装或衣服系统的热和水汽透过性,人体不同部位的这些性能变化,以及人体运动或风对性能的影响等。
出汗暖体模拟人与最早的热模拟人之间的不同处是连续湿汽供给。尤其在热压(应力)条件下,对人体热生理出汗是极为重要的。出汗暖体模拟人可用于服装设计的定量测定,适合于动态环境条件的热舒适性试验。
以芬兰技术研究中心(VTT)研制的出汗暖体模拟人为例简介如下,模拟人壳体及汗腺的剖面结构示意如图1所示。
图中(4)为穿过硬质泡沫塑料层小孔薄的细小导管,(5)硬质泡沫塑料成型模拟人壳体,(6)壳体外表面用电热丝缠绕,(7)固定电热丝的绝缘薄膜, (8)从电热丝散热的金属层, (9)固定温度传感器线路的塑料层,(10)用来覆盖模拟人的压合材料,其内一边将水从管子扩散到更大的面积,外面是微孔聚四氟乙烯膜,此膜仅扩散水汽而不扩散液体水。模拟人壳体表面材料是一种薄型网状保护体以防止机械损伤的危险。用来测量并控制表面温度的金属丝温度传感器是在压合材料的下面,并联接自动程序控制柜,一台微型计算机用来开始试验进行结果的打印。
模拟人的汗腺管总数为187根,供水的最大表面为120 cm2,总出汗面积约115 m2。供水至汗腺管是通过微机控制的微型电磁伐。模拟人在不穿衣服及标准室内环境条件下,最大水输入值为300 g/m2#h。
模拟人尺寸大小是基于瑞典的研究,相当于人的尺码C50,即高172 cm,胸围100 cm,腰围88 cm,体重约50 kg。体壳分为18个部分,每个部分有其自身的热和温度测量系统,除头、手、脚外、所有表面均可出汗。
2、等效辐射假人模拟试验装置
当今世界人们处在天燃和人为的粒子(量子)辐射和电辐射(电子烟雾)包围之中,天然的有来自太阳产生的电离辐射紫外线,宇宙射线和天然放射性物质产生的A、B、C射线。人为的有核武器、核反应堆和放射性同位素物质以及各种各样电磁辐射源等等。
电磁辐射的电子烟雾主要是微波辐射。微波是介于无线电波与红外线之间的高频电磁辐射。电磁波谱包括波长10-12~106cm之间的多种波,没有一个单 一的辐射源或单一的探测机构可适用于整个电磁波谱,因而这个波谱被分成很多个不太严格确定的波段(或谱区)。这些波段的区分,一般是根据产生、分离及探测 这些辐射所采用的方法来划分的。
粒子辐射与微波辐射对人体皮肤、器官及内脏起到伤害,损害人体健康,甚至造成严重疾病,如皮癌、白内障、心血管系统、内分泌系统、免疫系统、生殖系统等功能性损害。对于粒子辐射防护服和微波辐射防护服,可用相应的粒子辐射假人和微波辐射假人进行模拟测试评价。
3、代射假人模拟试验装置
代谢假人模拟试验装置,一般分为两类,一类为化学反应式模拟装置,可模拟人体代射过程耗氧量、二氧化碳产生量、人体化学反应产水量和产热量,按照氧化时 生成的二氧化碳(CO2)与耗氧(O2)的克分子比值,求出一定的呼吸商下的丙酸(C2H5COOH)和乙醇(C2H5OH)5 6 8 10热水汽47 9供水图1模拟人壳体及汗腺的剖面示意图的质量百分比,再按热化学反应计算出产生的热量,测试结果与真人相似。另一类为抽气补气式模拟装置,供试验个人高 空防护置及生命保障系统。
加拿大的假人评价系统,其假人的人造皮肤下,模拟了血液流动状态,据称该系统所测出的热防护性能TPP值(Protective PerformanceValue)更加逼真。
4、结构假人模拟试验装置
这类假人种类繁多,在劳动防护用品的研制和应用试验中已获得广泛的使用,如日本消防研究所研制的模拟人体下肢的裸园柱模型,配合火焰暴露试验用台车,可测服装的阻燃性,多部位传导的热量,以及达到最高热量所需时间。国外用下肢假人作抗休克裤、抗荷裤气密性、寿命及强度试验。用躯干假人作降落伞空投、安全带强度等试验。用人形假人作防护服装吹拂试验、弹射座椅系统弹射性能试验。英国研制的罗伯特人形海上浸水假人(RAMM?),用来作防寒抗浸服在危险有风浪水域进行应用试验。用类似假人作水上救生服装漂浮试验。美国空军研制的动态模拟假人(ADAM),包含17个活动节段,用于全面有效地试验高性能防护救生装备。美国北卡罗来纳州立大学纺织学院的暖体假人评价系统,带有保温出汗板,不仅可测服装的热舒适性,还有活动关节,能模拟人跑步的假腿评价系统,可预测着装人体从火场中逃出的烧伤状况。
5、真人模拟试验
例如阻燃服装研究开发,一般都要经过五个阶段,每个阶段都必须进行相应的检测,第一阶段是选料,着重对服料物理机械和化学性能进行试验。第二阶段用人造皮肤假肢、假人进行模拟试验,包括人造皮肤的发汗调温试验,假肢的二度烧伤试验,以及暖体假人或发汗假人的防热试验。侧重烧伤性能和舒适检测,为服装设计提供依据。第三阶段是真人着装在模拟环境中作模拟活动,应用安全人机工程学的原理对整体服装的性能进行试验,着重于着装人体的热生理检测,为修正设计提供依据。第四阶段为真人着装在现场作典型模拟活动,验证服装的防护性能和舒适性能。第五阶段为真人着装进行正常活动,经相当长时间的试用性考核,检验其耐久性变化,收集各方面意见,为防护服定型、制定产品标准及产品投产提供依据。
