熱防護服隔熱防護性能測試方法及皮膚燒傷度評價準則2

由于織物在受熱時收縮，為了保持測試時試樣的完整性，在測量過程中需要對試樣施加一定的張力，ASTM D4108標準中選用了二種對試樣施加張力的常用方法，可根據測試的需要選擇不同的方法：
　　1）在銅片熱流計上放置1.0 kg重的金屬塊；
　　2）在試樣架上植鋼針，測試時將面料穿過鋼針，同時熱流計絕熱板上計孔與試樣架上的鋼針正好吻合，保證了熱流計與試樣背面的緊密接觸。采用這種方法可以最有效地防止織物受熱收縮，克服了放置金屬塊并不能完全消除織物熱收縮的負面影響。
　　
　　NFPA 1971建筑結構防火用防護裝備
　　
　　NFPA 1971方法應該說是ASTM D 4108標準方法的一個修改版本，因此，它們的測量原理相同，絕大部分部件相似，但是也存在不同之處。它們的主要差別是：①熱源輻射/流熱流比率不同;ASTM D4108方法中一個Meker燃燒器提供的輻射/流熱比例是3:7，而NFPA 1971方法中則改用兩個Mekei燃燒器，分別放置在與測試主體成45°的一排石英燈管兩側，如圖4所示。采用電加熱石英燈管，可調節其輸入電壓至輸出輻射熱與燃燒器火焰對流熱的比例為5：5。②測試試樣規格尺寸不同。NFPA 1971中改用試樣尺寸為150 mm × 150 mm，試樣架上開的小孔尺寸為100 mm × 100 mm。NFPA 1971方法主要用來測試建筑結構火防護服裝備的熱防護性能，各層按外殼層、氣障層和隔熱層排列，測試時外殼層面對熱源，銅片熱流計直接放置在隔熱層上，使熱流計與隔熱層直接接觸，一般結構火防護服裝的TPP值不得小于35.0 ca]/cm20試樣架與石英燈管的距離為12.7 cm。

　　NFPA 1977防野火用防護服裝與裝備---熱輻射防護性能測試方法
　　
　　該試驗是將試樣垂直放置在一排石英燈輻射源前，在規定的距離內，熱源對試樣進行熱輻射，用原理和結構與ASTM D4108所述相似的銅片熱流計測量出造成人體皮膚二級燒傷所需要的時間，并計算出二級燒傷時間與暴露熱流量的總熱流量即RPP值：
　　
　　RPP = t2×qr
　　
　　式中，qr --- 規定輻射熱流量0.5 cal/（cm2.s）或2.0 cal/（cm2.s）；
　　
　　t2引起二度燒傷所需要的時間，單位：s。
　　
　　RPP值越大，表示熱防護服的防熱輻射性能越好；反之，越差。
　　
　　NFPA 1977方法的實驗儀器主要由輻射熱源裝置、熱源預熱屏 蔽裝置、試樣夾持裝置、銅片熱流計和繪圖記錄儀組成。
　　
　　輻射源裝置由5根500 W的紅外石英燈管作為輻射熱源，垂直地對試樣進行熱輻射。熱源的輻射熱量由調壓變壓器控制，通過調節輸入電壓，使石英燈管輻射出規定的熱流量為0.5 cal/cm2 .s或2.0 cal/cm2.s。
　　
　　由于石英燈管需要經過一段時間才能達到恒定的輻射熱流量，在此預熱過程中，試樣應不受到熱輻射，因此，在熱源與試樣之間設置一預熱屏蔽裝置，防止試樣過早地受到熱輻射，從而保證試樣的準確性。試樣夾持裝置將試樣夾持并垂直放置于輻射熱源前，兩塊中間由開有長方形孔的金屬板組成。
　　
　　放置在試樣后的銅片熱流計用于測定透過試樣的熱流量，并將熱量計的溫度轉換為電壓輸出，且繪出銅片熱流計的溫度隨熱輻射作用時間的變化曲線。
　　
　　在實驗室試驗中，首先剪取尺寸為22.86 cm×10.16 cm的5塊試樣，并在標準大氣壓下調濕，然后將試樣放入試樣夾持裝置內，保持試樣夾持平整，并將其放入試驗儀中。接著，打開電源，調節變壓器的輸出電壓至規定電壓，保證紅外加熱石英燈具有規定的輻射熱量。當紅外石英燈預熱60 s后，撤去熱源預熱屏蔽裝置，使試樣垂直暴露在熱源30s后，關閉電源和記錄儀，放上預熱屏蔽裝置，取下銅片熱流計并冷卻，試驗完畢。當熱量計溫度下降至33℃時，才能進行新一次試驗。
　　
　　引起二度燒傷所需要的時間由記錄儀繪制熱流計溫度隨熱輻射時間變化曲線與二度燒傷標準曲線相交求得，最后，按式（2）計算試樣的 RPP 值。
　　
　　RPP試驗主要用于測定熱防護服的輻射熱防護性能。由于熱輻射是造成熱傷害的主要傳熱形式之一 ，所以，該方法可以從一個方面較好地測試和評價熱防護服的熱防護性能，在森林消防等領域得到了較廣泛的應用。
　　
　　服裝熱防護性能“火人”測試方法
　　
　　比起小規模測量方法，火人等大規模測試方法能提供比較全面的服裝熱防護、熱收縮等信息，但其測試費用較高，操作更為復雜，國際上有很多機構和標準化組織已經著手研制熱防護服裝測試裝置并且制訂了相應的標準。“火人”是一個裝有若干個測溫傳感器的模擬消防員或高溫工作人員的人體，每個測溫傳感器測的溫度值代表某一部分人體皮膚的表面溫度，采用了“火人”技術并配備以模擬高溫輻射環境或者火場條件，結合計算機數據采集、處理和圖像顯示技術，對工作人員防護服裝整體熱防護性能進行評價研究，既能切合熱防護服裝的特定使用情況，又能快速、直觀、定性、定量地顯示“工作人員”燒傷分布圖像。
　　
　　目前主要有3種“火人”測試系統，分別是杜邦公司的Thermo-Man假人，北卡州立大學的PyroMan“火人”以及加拿大阿爾伯特（Alberta）大學的“火人”測試裝置。這些測試裝置都能很好地模擬外界明火環境，一般模擬熱源熱能量為84kW/m2，這也是消防員滅火時處于火環境中防護服裝外層所受到的熱流量的一個評估值。實際上，消防員更多情況下暴露于熱源的熱流量比該值小。表1是一些不同火源環境下的暴露熱流量值。

　  皮膚燒傷度預測
　　
　　熱防護服裝與織物的熱防護性能是運用其層下模擬皮膚或熱流計測量人體皮膚達到二級燒傷所需時間t2來定量衡量，目前主要有Henriques皮膚燒傷積分模型與Stoll燒傷準則兩種方法。
　　
　　Henriques燒傷積分模型
　　目前應用最為廣泛的皮膚燒傷模型是Henriques提出的一階阿倫尼烏斯（Arrhenius）方程：

　　通過計算值確定皮膚被燒傷的程度：皮膚溫度T＞44℃且Ω=0.53時，皮膚一級燒傷；皮膚溫度T＞44℃且Ω≥1時，皮膚二級燒傷。式（4）是一個由皮膚活化能和頻率破壞因子P控制的函數式方程，且這兩個參數值與皮膚溫度有關。表2列出了不同研究者所提出的皮膚燒傷模型輸入參數值。
　　
　　由于各研究模型輸入參數值之間的差異，導致預測二級燒傷時間的不同。

　　Stoll二級燒傷準則
　　Stoll和Chianta兩位研究者根據實驗所測得銅片熱流計的溫度凈升值，找出了一種簡單的預測皮膚燒傷程度的方法。首先他們通過對動物皮膚進行大量實驗，測量動物皮膚二級燒傷時間所需吸收的熱流量值，列于表3和圖5，然后參照ASTM E457-96標準轉換方法（見式（5）），將不同入射能量下的人體裸露皮膚二級燒傷所需的時間t2轉換成以銅片熱流計溫度上升值，實驗二級燒傷熱時間和銅片熱流計溫度凈升值的原始數據如表4所示，同時繪制出如圖6所示的Stoll and Chianta曲線。測試時，若在恒定的入射熱流量下，銅片熱流計溫度歷史曲線與Stoll曲線相交，相交點的橫坐標即為二級燒傷時間t2。

　　與Henriques模型相比，Stoll方法簡便、無需大量數學計算，然而應用stoll方法首要前提是保證入射到皮膚表面熱流量是一個恒定值，任何小的波動變化都會使Stoll準則失效。包括Holcombe在內的一些研究者指出恒定熱流量經過一層或多層織物試樣后會衰減，衰減后入射到人體皮膚的熱流量值波動性較大，這樣就不符合應用stoll準則的邊界條件。

　　4 結束語
　　先進材料的制造、熱防護服裝的結構設計以及安全生產個體防護裝備的需要都迫切要求定性、定量地評價織物或成衣的熱性能。當前熱防護服的熱防護性能的實驗室測試方法主要包括小規模（Bench—Top—scale）和大規模（“火人”）測試方法，然而這兩種方法都不能提供有關防護服裝全面的防護信息；另外。在測量人體皮膚燒傷度的過程中，由于生物組織傳熱的特殊性，也需要建立與人體皮膚傳熱物理實際相符的傳熱模型。隨著經濟的發展、人們安全意識的提高，這些都對當前熱防護服裝熱性能的測試方法提出了新的挑戰，必將促進模擬現場測試技術的發展。