本文從熱防護性能和服用舒適性能出發,對國內外常用消防服面料的性能進行比較研究,探討影響織物熱防護性能和舒適性能的因素;并模擬消防服的多層復合系統,對各層織物進行不同的組合試驗,以尋求舒適性與功能性最佳的消防服多層織物組合系統.
文中選擇了國內外常用消防服外層織物,如NomexⅢA,PBI/Kevlar,Kermel,芳砜綸,芳綸,阻燃棉等十二種阻燃織物,防水透濕層分別為Nomex,阻燃棉與PTFE(聚四氟乙烯)膜的層壓織物,隔熱層為Nomex氈,芳砜綸氈和芳綸氈.論文首先對各層織物的阻燃性,熱穩定性,表面抗濕性能,拉伸性能,撕裂性能,透濕性,耐靜水壓等性能進行了測試. 為了模擬消防服的多層復合系統,以外層織物,防水層織物及隔熱層織物作為試樣,利用混合正交設計方法進行試樣組合.
對不同組合織物的熱防護性能(TPP值)和透濕性能(WVTR)進行了測試,并利用極差分析,方差分析方法對實驗結果進行了統計處理,以探討阻燃外層,防水透濕層和隔熱層織物對組合織物系統整體熱防護性能和舒適性能的影響.通過分析得到:對于組合織物系統的熱防護性能,各層織物的影響程度為:外層大于防水層,防水層大于隔熱層;對于組合織物系統的透濕性能,各層織物的影響程度為:防水層大于隔熱層,隔熱層大于外層.并且通過方差分析得到:在90%置信水平下,外層織物和防水層織物分別對組合織物系統的熱防護性能和透濕性能具有顯著的影響.
其次,對外層織物熱防護性能的影響因素進行了分析.對于消防服用外層阻燃織物,其纖維的極限氧指數越大,則相應的織物越不易燃燒,熱防護性能也越好.對于纖維組成相同的織物,其TPP值與織物的厚度,面密度具有顯著的線性正相關性,即織物越厚重,TPP值越大,熱防護性能也越好.除之以外,總熱流量的大小及熱源構成也對織物熱防護性能有一定的影響,總熱流量越大,造成模擬皮膚二度燒傷的時間越短;相反,總熱流量越小,造成模擬皮膚二度燒傷的時間越長.而且,在84Kw/m~2高熱量暴露下,對流/輻射(70/30)熱源下織物的TPP值大于對流/輻射(50/50)熱源下的TPP值,這說明輻射熱的比例越大,皮膚越易受到損傷. 其次,論文討論了不同熱流量下水分對多層組合織物熱防護性能的影響.以NI虛擬儀器為平臺,以圖形化編程語言Labview為工具開發了虛擬溫度測試儀,并對織物中的含水量設計了四種不同的濕潤狀態.研究了不同強度和性質的熱源下,外層織物水分的多少對多層組合織物熱防護性能的影響.通過實驗得到:在16.8 kw/m~2低輻射熱流量暴露下,對于外層不同濕潤狀態的組合織物,模擬皮膚到達二度燒傷的時間為:33%水濕潤狀態時織物到達二度燒傷的時間最短,皮膚損傷最嚴重,織物66%水濕潤狀態時,二度燒傷時間與非濕潤時相近;織物100%飽和濕潤狀態時熱防護性能較非濕潤時好.而在84 kw/m~2(50/50對流/輻射)高熱流量暴露條件下,對于所有組合試樣,濕潤狀態下的織物TPP值大于非濕潤織物,即水分使織物的熱防護性能上升.
最后,利用人工神經網絡技術,建立了基于Matlab的織物物理性能與熱防護性能之間的自適應性神經網絡預測模型,并對模型進行仿真及驗證.以外層織物的厚度,面密度,組織結構,經密,緯密,緊度,導熱系數,極限氧指數,損毀長度共九個性能指標作為BP神經網絡輸入層的輸入向量,輸出向量為織物的TPP值,建立了消防服用外層織物的熱防護性能預測模型.經過試樣的訓練和模型預測能力的驗證,實際值與預測值的相關系數為0.952,預測平均誤差為3.93%.通過比較分析得到,運用神經網絡模型比線性回歸模型能更精確地預測外層織物的熱防護性能. 對于多層組合織物系統,以外層,防水層和隔熱層織物的十二個物理指標作為BP神經網絡的輸入向量,輸出向量為多層組合織物的TPP值,中間隱含層神經元個數為六,建立了消防服用多層組合織物的熱防護性能預測模型.經過試樣的訓練和模型預測能力的驗證,實際值與預測值的相關系數為0.962,預測平均誤差為4.11%.因此,運用該模型能準確地預測多層組合織物的熱防護性能.
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