加強個體熱防護是服裝功能性研究關注的重點之一。防火服裝的熱防護性能不僅取決于纖維材料及其織物結構,還取決于服裝的構成及其著裝態勢。客觀定量地測評服裝熱防護性能應盡可能真實地模擬實際火場情況。本論文正是以此為目標研究了防火服用織物及服裝整體的熱防護性能,課題首先從熱防護服用織物的層面,通過改進現有的織物熱防護性能測評裝置,測評了織物本身以及模擬服用過程中衣下間隙大小、衣下微環境濕度、水分以及織物拉伸形變等因素對其熱防性能的影響;并進一步從服裝整體熱防護性能層面,研究和建立了燃燒模擬實驗室與燃燒假人系統,基于該系統對不同著裝姿態、服裝結構規格的衣下間隙特征進行客觀表征和測量,以及不同熱源暴露時間、服裝結構規格、面料特征、著裝姿態等因素進行燃燒假人皮膚燒傷模型預測與評估。具體研究內容概括如下:1)防火服用織物的熱防護性能測評研究。
織物作為服裝構成的基礎,其熱防護性能的優劣起著至關重要的作用。通過選取當前國內外常用的9種熱防護服用織物試樣,研究結果表明織物纖維材料會明顯影響其熱防護性能,纖維材料的耐高溫阻燃性能越好其構成織物的熱防護性能就越好;在同等條件下,越厚重織物熱防護性能就越好。研制了模擬衣下微空間的測試裝置,綜合測評研究了熱防護用織物衣下間隙大小、衣下微環境濕度、水分等因素對熱防護性能的影響。選取當前兩種典型的熱防護服用外層織物Nomex(?)ⅢA為試樣,針對0～24mm衣下間隙的研究表明,在衣下微空間相對濕度為35%條件下,試樣的熱防護性能隨著間隙大小的增加先迅速提高,而在9-15mm衣下間隙范圍內熱防護性能不再明顯提高,之后又隨著間隙增加而提高;同時,隨著衣下微空間相對濕度從35%增加至65%、95%,其熱防護性能也相應提高;而隨著間隙從3mm增加至12mm時熱防護性能顯著提高,但隨著衣下間隙的繼續增大則呈復雜變化,12mm是較為關鍵的衣下間隙尺寸。
此外,水分對織物熱防護性能影響的研究結果表明,熱防護性能隨著濕潤程度的增加而提高;在0～12mm的衣下間隙內,熱防護性能隨著衣下間隙尺寸的逐漸增大而迅速提高;而當衣下間隙超過15mm織物不同濕潤程度的熱防護性能則呈復雜化。研制了模擬織物拉伸形變的測評裝置,可用于常態或極端條件下織物被定長拉伸形變的性能特征研究。研究結果顯示,織物透氣率隨著拉伸程度的增加而降低;在閃火強熱流條件下,當織物與熱流計直接接觸時熱防護性能隨著拉伸形變而降低,而存在6mm衣下間隙情況時織物的拉伸形變則會提高其熱防護性能。2)研究和建立了燃燒模擬實驗室與燃燒假人系統。該燃燒假人系統由燃燒假人本體、信息采集及傳輸系統、火焰生產及氣體輸配系統、燃燒實驗室及配套設施、燃燒假人整體測控及評價軟件平臺等部分組成。該系統綜合體現了生物物理、新材料、先進制造、人機工程、燃燒工程、信息和自動控制等多學科交叉。該燃燒假人本體阻燃、堅固耐用,并能長時間滿足高溫熱環境條件下的測試需要;假人模型的體型及規格尺寸考慮符合國內的人體特征,能夠滿足最大覆蓋率的人體體型和部位尺寸;燃燒假人設置了關節而具有姿態可調節功能,并增加了可以使燃燒假人旋轉和滑動的控制裝置,能夠更為真實地模擬人體不同姿態在多種火場條件下的燒傷情況。
該系統的信息采集及傳輸系統的傳感器測試容量范圍、最小反應時間、數據采集周期以及全身設置的總數量都完全滿足國內外相關測試標準的技術指標,并可以用于頭盔、手套和防火靴等整體防護裝備的測評;火焰生產及氣體輸配系統的可以提供20s燃燒時間、84kW/m2均勻分布的熱流量,可以滿足更長燃燒時間的極端條件;燃燒實驗室的墻體結構、有效面積、通風、照明等系統都完全滿足相關技術標準;并配備了足夠的監測、警報、自動化處理等安全裝置,完全能夠確保操作者以及整套系統安全;燃燒假人系統軟件平臺包括了燃燒測試、傳感器校對測試、假人預熱測試、非燃燒實時測試等多個子系統;通過數據處理模塊可得出假人各個區域的溫度和熱流變化,以及燃氣壓力、環境溫濕度、通風系統的風速等信息,并能結合皮膚傳熱與燒傷積分模型,輸出燃燒假人燒傷面積、燒傷程度、皮膚吸收總熱量等一系列的圖像和報表。3)燃燒假人著裝衣下間隙特征的客觀表征和測量。衣下間隙大小與分布對服裝系統內外進行熱量交換具有非常重要的作用。通過選取當前典型的熱防護面料設計和制作成一系列熱防護服裝試樣,并采用非接觸式三維掃描系統和逆向工程三維處理軟件,對燃燒假人著裝前后三維點云數據的掃描、優化重構以及同等條件下模型比對,從而獲得衣下間隙形態;并利用色譜分析的方法來表征衣下間隙大小與分布,并采用燃燒假人熱流傳感器相應位置衣下間隙的量取方法,不僅可以更為合理地反映衣下間隙特征,還具有直觀、操作方便、誤差小等優點。三種不同合體程度服裝規格以及屈膝下蹲、跑步等姿勢的研究結果表明,衣下間隙在人體各個部位呈不均勻分布,其中胸部和后背部位衣下間隙相對較小,而腿部和胳膊部位則相對較大;服裝結構規格設計的越貼體其整體衣下間隙越小,反之則越大。
同時,著裝姿勢的變化會影響其衣下間隙的大小和分布;著裝姿勢變化幅度的增大會使其整體衣下間隙減小,其中不同姿勢在前胸和背部的變化較小,而在腿部和胳膊部位的變化較大。4)燃燒假人著裝熱防護性能測評研究基于燃燒假人系統分別從熱源暴露時間、服裝結構規格、面料特征、著裝姿態等方面綜合考慮,采用10套熱防護服裝試樣進行著裝燒傷測評研究。研究結果表明,燃燒假人系統既可以測評纖維材料和織物組織的熱防護性能,也能測評服裝結構設計及其著裝姿勢的熱防護性能;同時,燃燒假人系統還可用于著裝燃燒性狀的火焰續燃時間、服裝收縮、面料褪色、碳化以及煙霧產生量的分析研究,綜合反映服裝作為一個整體的熱防護性能。服裝熱收縮研究結果表明,熱收縮形變隨著熱環境溫度的提高而增加,隨著組織結構緊密的增加而減小;同時,衣下間隙小的部位,面料的熱收縮相對較小,衣下間隙大的部分,收縮更明顯;服裝熱收縮還隨著裝姿勢動作幅度增大而減小。服裝的熱收縮形變會受到熱源條件、面料性能特征、服裝結構規格以及著裝姿態等因素的綜合影響。服裝熱防護性能的皮膚燒傷結果表明,服裝熱防護性能隨著燃燒時間的增加而急劇下降,著裝熱暴露時間越長燃燒假人皮膚二度、三度燒傷面積越大;服裝面料特征會影響假人皮膚燒傷面積以及燒傷程度,面料組織結構越厚重燃燒假人的皮膚燒傷面積越小,相應的熱防護性能就越好;服裝款式結構設計的越合體其熱防護性能就越差,隨著服裝合體程度的趨于寬松其熱防護性能會提高,但是過于寬松的服裝結構則并不利于其熱防護性能繼續提高。屈膝下蹲和跑步姿勢的皮膚燒傷面積及其燒傷程度相對直立姿勢會更大,著裝姿勢變化幅度加大會造成服裝的熱防護性能的降低。