消防服是一種特殊的功能性服裝,其作用是保護消防員在火場環(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。本文對新型消防服用多層織物系統(tǒng)在高溫下的綜合熱防護性能進行了研究,并和傳統(tǒng)消防服的綜合熱防護性能進行了比較,討論消防服的層次結(jié)構(gòu)及材料對整體熱防護性能的影響,為研制耐高溫阻燃性能更強的消防服提供一定的借鑒。
1試驗部分
1.1材料
進行l(wèi)5組模擬消防服真實結(jié)構(gòu)的多層織物組合試驗,試樣組合編號為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。
按正交試驗設(shè)計原則,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整體熱防護性能的影響,試驗安排如表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測試方法
1.2.1垂直燃燒試驗
利用垂直燃燒法測試紡織品的阻燃性能。采用LFY.601國家標(biāo)準(zhǔn)垂直燃燒儀,按GBT5455--1997規(guī)定的試驗方法,測定阻燃織物的損毀長度、續(xù)燃時間和陰燃時間。將試樣裁成300mm×80 mm,測試前將其在溫度(20±2)℃,相對濕度(65±2)%的環(huán)境中平衡放置8~24h,然后放入密封器內(nèi)。測試時將燃燒儀內(nèi)火焰高度調(diào)至(40±2)mm,試樣放入試樣夾中,垂直懸掛于試驗箱中,用點火器點燃試樣,12s后,點火器復(fù)位,用續(xù)燃計計算試樣續(xù)燃時間和陰燃時間,陰燃結(jié)束后,取出試樣,測量其損毀長度。用垂直燃燒法測試外層織物阻燃性能。對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,取其平均值。在做外層織物阻燃性能試驗前,按GB8965--1998附錄A的方法將面料在渦輪式洗衣機里洗滌5次。
1.2.2 TPP試驗
TPP試驗是熱輻射和熱對流混合作用防護性能試驗,主要測試織物的綜合熱防護能力。其測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——熱對流和熱輻射出現(xiàn),而置于試樣另一側(cè)的銅片熱流計則測量試樣背面的溫度。測試時要求火焰與試樣直接接觸,到達織物表面的熱流量達到84kW/m2。銅片熱流計測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燒傷所需時間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間,s。
TPP值越大,表示織物的熱防護性能越好,已得到了ASTM、ISO及NFPA的認(rèn)可。
采用美國CSI公司的TPP.206熱防護性能測試儀,按NFPA1976標(biāo)準(zhǔn)進行測試,試樣尺寸為152mln×152mm。對各組試驗的單層面料和多層試樣的組合進行TPP試驗?偀崃髁繛椋83±4)kW/m2,燃燒時間根據(jù)經(jīng)驗設(shè)為30~65s(TPP試驗儀器的最大燃燒時間為65s)。
在實際穿著中,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15組試樣,各做3次TPP測試,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緊密貼合,各層面料間基本無空氣層,所以,試驗未考慮織物層間空氣層對整體熱防護性的影響。
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,本文只對外層織物的經(jīng)向進行了測試。外層織物垂直燃燒情況見表3。
從表3可以看出,這3種外層面料都不續(xù)燃,損毀長度均<100mm,其中,損毀長度最大的是B1(Kermel面料),損毀長度最小的是C1(芳砜綸面料),居中的是A1(NomexⅢA面料);3種面料的陰燃時間依次為芳砜綸面料
織物阻燃機制復(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試驗結(jié)果見表4?梢钥闯觯鹘M試樣的綜合TPP值集中在40~50之間,最高的TPP值達到了51.9,最低的TPP值也達到了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,隔熱層對多層織物的綜合熱防護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,同樣能達到很好的綜合熱防護效果,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。國產(chǎn)芳砜綸織物與國外高性能阻燃纖維織物相比,其熱防護性能相當(dāng)于NomexⅢA織物,優(yōu)于Kermel織物。熱防護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,達到了50.7。Stoll&Chinanta曲線是Stoll和Chinanta2位研究者在大量動物皮膚燒傷試驗基礎(chǔ)上,將動物皮膚達到二級燒傷所需時間轉(zhuǎn)換成銅片熱流計溫度上升值,繪制出的皮膚二級燒傷時間與銅片熱流計溫度上升值之間關(guān)系的曲線?椢锶紵與Stoll&Chinanta曲線交點的橫坐標(biāo)即為達到二級燒傷時間。圖1示出了第5組和第15組織物組合的TPP曲線。可以看出,第15組織物達到二級燒傷時間為25.8s,第5組織物達到二級燒傷時間為25.2s。雖然僅相差0.7s,但對火場中的消防員來說意義重大。因為火場中的情況危急,即使是0.4~0.5s的延遲,也足以保護消防員,增加消防員逃逸火場的幾率。
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微氣候,可以阻止?jié)駳庠谄つw表面積聚,對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性。
消防服的穿著舒適性和熱防護性同等重要。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)。芬蘭研究機構(gòu)對此進行了試驗驗證,結(jié)果表明:進行相同的消防活動后,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)激將對消防員的身心造成潛在傷害。因此,若用熱防護性、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,而液態(tài)的水則被牢牢擋在一邊,以達到透氣效果。
TPU薄膜屬無孔親水性薄膜。由于薄膜本身沒有孔隙,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的透濕主要通過其親水特性來實現(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TPU內(nèi)部的微孔把水吸收完,同時利用TPU本身的海綿特性滲透到面料的外表面,再通過外表面與空氣接觸,把水分蒸發(fā)出去,從而實現(xiàn)透濕的功能。
PTFE與TPU的另一個區(qū)別是前者為一種薄膜,在做成服裝面料的時候,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,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的組合熱防護性低于含F(xiàn)E的組合。由此可見,防護服內(nèi)的水分在很大程度上改變防護服的防護性能。
3結(jié)論
1)垂直燃燒試驗的結(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織物的損毀長度雖略大于芳砜綸,但炭化層結(jié)實,無破洞,適宜做消防服外層;Kennel織物損毀長度比芳砜綸和NomexmA織物都大,但燃燒后也無破洞,也可用于做消防服外層。
2)TPP試驗結(jié)果表明:芳砜綸織物的綜合熱防護性能與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值達到50.7。
3)三維阻燃間隔織物的熱防護性和透濕性都較好,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中起到了重要作用。
來源 李紅燕,張渭源
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