防火服装热防护性能的测评及影响因素研究
加强个体热防护是服装功能性研究关注的重点之一。防火服装的热防护性能不仅取决于纤维材料及其织物结构,还取决于服装的构成及其着装态势。客观定量地测评服装热防护性能应尽可能真实地模拟实际火场情况。本论文正是以此为目标研究了防火服用织物及服装整体的热防护性能,课题首先从热防护服用织物的层面,通过改进现有的织物热防护性能测评装置,测评了织物本身以及模拟服用过程中衣下间隙大小、衣下微环境湿度、水分以及织物拉伸形变等因素对其热防性能的影响;并进一步从服装整体热防护性能层面,研究和建立了燃烧模拟实验室与燃烧假人系统,基于该系统对不同着装姿态、服装结构规格的衣下间隙特征进行客观表征和测量,以及不同热源暴露时间、服装结构规格、面料特征、着装姿态等因素进行燃烧假人皮肤烧伤模型预测与评估。具体研究内容概括如下:1)防火服用织物的热防护性能测评研究。
织物作为服装构成的基础,其热防护性能的优劣起着至关重要的作用。通过选取当前国内外常用的9种热防护服用织物试样,研究结果表明织物纤维材料会明显影响其热防护性能,纤维材料的耐高温阻燃性能越好其构成织物的热防护性能就越好;在同等条件下,越厚重织物热防护性能就越好。研制了模拟衣下微空间的测试装置,综合测评研究了热防护用织物衣下间隙大小、衣下微环境湿度、水分等因素对热防护性能的影响。选取当前两种典型的热防护服用外层织物Nomex(?)ⅢA为试样,针对0～24mm衣下间隙的研究表明,在衣下微空间相对湿度为35%条件下,试样的热防护性能随着间隙大小的增加先迅速提高,而在9-15mm衣下间隙范围内热防护性能不再明显提高,之后又随着间隙增加而提高;同时,随着衣下微空间相对湿度从35%增加至65%、95%,其热防护性能也相应提高;而随着间隙从3mm增加至12mm时热防护性能显著提高,但随着衣下间隙的继续增大则呈复杂变化,12mm是较为关键的衣下间隙尺寸。
此外,水分对织物热防护性能影响的研究结果表明,热防护性能随着湿润程度的增加而提高;在0～12mm的衣下间隙内,热防护性能随着衣下间隙尺寸的逐渐增大而迅速提高;而当衣下间隙超过15mm织物不同湿润程度的热防护性能则呈复杂化。研制了模拟织物拉伸形变的测评装置,可用于常态或极端条件下织物被定长拉伸形变的性能特征研究。研究结果显示,织物透气率随着拉伸程度的增加而降低;在闪火强热流条件下,当织物与热流计直接接触时热防护性能随着拉伸形变而降低,而存在6mm衣下间隙情况时织物的拉伸形变则会提高其热防护性能。2)研究和建立了燃烧模拟实验室与燃烧假人系统。该燃烧假人系统由燃烧假人本体、信息采集及传输系统、火焰生产及气体输配系统、燃烧实验室及配套设施、燃烧假人整体测控及评价软件平台等部分组成。该系统综合体现了生物物理、新材料、先进制造、人机工程、燃烧工程、信息和自动控制等多学科交叉。该燃烧假人本体阻燃、坚固耐用,并能长时间满足高温热环境条件下的测试需要;假人模型的体型及规格尺寸考虑符合国内的人体特征,能够满足最大覆盖率的人体体型和部位尺寸;燃烧假人设置了关节而具有姿态可调节功能,并增加了可以使燃烧假人旋转和滑动的控制装置,能够更为真实地模拟人体不同姿态在多种火场条件下的烧伤情况。
该系统的信息采集及传输系统的传感器测试容量范围、最小反应时间、数据采集周期以及全身设置的总数量都完全满足国内外相关测试标准的技术指标,并可以用于头盔、手套和防火靴等整体防护装备的测评;火焰生产及气体输配系统的可以提供20s燃烧时间、84kW/m2均匀分布的热流量,可以满足更长燃烧时间的极端条件;燃烧实验室的墙体结构、有效面积、通风、照明等系统都完全满足相关技术标准;并配备了足够的监测、警报、自动化处理等安全装置,完全能够确保操作者以及整套系统安全;燃烧假人系统软件平台包括了燃烧测试、传感器校对测试、假人预热测试、非燃烧实时测试等多个子系统;通过数据处理模块可得出假人各个区域的温度和热流变化,以及燃气压力、环境温湿度、通风系统的风速等信息,并能结合皮肤传热与烧伤积分模型,输出燃烧假人烧伤面积、烧伤程度、皮肤吸收总热量等一系列的图像和报表。3)燃烧假人着装衣下间隙特征的客观表征和测量。衣下间隙大小与分布对服装系统内外进行热量交换具有非常重要的作用。通过选取当前典型的热防护面料设计和制作成一系列热防护服装试样,并采用非接触式三维扫描系统和逆向工程三维处理软件,对燃烧假人着装前后三维点云数据的扫描、优化重构以及同等条件下模型比对,从而获得衣下间隙形态;并利用色谱分析的方法来表征衣下间隙大小与分布,并采用燃烧假人热流传感器相应位置衣下间隙的量取方法,不仅可以更为合理地反映衣下间隙特征,还具有直观、操作方便、误差小等优点。三种不同合体程度服装规格以及屈膝下蹲、跑步等姿势的研究结果表明,衣下间隙在人体各个部位呈不均匀分布,其中胸部和后背部位衣下间隙相对较小,而腿部和胳膊部位则相对较大;服装结构规格设计的越贴体其整体衣下间隙越小,反之则越大。
同时,着装姿势的变化会影响其衣下间隙的大小和分布;着装姿势变化幅度的增大会使其整体衣下间隙减小,其中不同姿势在前胸和背部的变化较小,而在腿部和胳膊部位的变化较大。4)燃烧假人着装热防护性能测评研究基于燃烧假人系统分别从热源暴露时间、服装结构规格、面料特征、着装姿态等方面综合考虑,采用10套热防护服装试样进行着装烧伤测评研究。研究结果表明,燃烧假人系统既可以测评纤维材料和织物组织的热防护性能,也能测评服装结构设计及其着装姿势的热防护性能;同时,燃烧假人系统还可用于着装燃烧性状的火焰续燃时间、服装收缩、面料褪色、碳化以及烟雾产生量的分析研究,综合反映服装作为一个整体的热防护性能。服装热收缩研究结果表明,热收缩形变随着热环境温度的提高而增加,随着组织结构紧密的增加而减小;同时,衣下间隙小的部位,面料的热收缩相对较小,衣下间隙大的部分,收缩更明显;服装热收缩还随着装姿势动作幅度增大而减小。服装的热收缩形变会受到热源条件、面料性能特征、服装结构规格以及着装姿态等因素的综合影响。服装热防护性能的皮肤烧伤结果表明,服装热防护性能随着燃烧时间的增加而急剧下降,着装热暴露时间越长燃烧假人皮肤二度、三度烧伤面积越大;服装面料特征会影响假人皮肤烧伤面积以及烧伤程度,面料组织结构越厚重燃烧假人的皮肤烧伤面积越小,相应的热防护性能就越好;服装款式结构设计的越合体其热防护性能就越差,随着服装合体程度的趋于宽松其热防护性能会提高,但是过于宽松的服装结构则并不利于其热防护性能继续提高。屈膝下蹲和跑步姿势的皮肤烧伤面积及其烧伤程度相对直立姿势会更大,着装姿势变化幅度加大会造成服装的热防护性能的降低。
