消防服衣下空气层的作用与测定方法研究进展

为探究消防服衣下空气层对消防服热防护性能的影响,从衣下空气层的厚度与位置、影响因素以及测量方法 3个方面综述了消防服衣下空气层研究的发展过程及最新进展,分析了现有研究中存在的问题。研究表明:衣下空气层的厚度和位置影响衣下热传递机制,从而影响消防服的热防护性能;织物的硬挺度和悬垂性、服装的合体度以及人体动作影响消防服衣下空气层的分布;目前主要使用三维人体扫描技术获取燃烧假人裸体及着装状态下的三维图像,使用图像处理软件计算衣下空气层厚度。基于当前消防服衣下空气层的研究现状认为,未来研究需深入分析衣下空气层的作用机制,建立多层消防服衣下空气层的测量方法,提高衣下空气层的测量精度。     

热辐射暴露下消防员的生理反应及皮肤烧伤预测

为优化消防服热防护性能的评价准则,基于消防服热传递规律与人体热生理调节机制,建立了消防员生理反应与皮肤烧伤预测模型,利用服装热防护性能测试平台对比分析了平均皮肤温度、核心温度的变化趋势与预测误差。结果表明:基于模型预测的平均皮肤温度与核心温度均略大于实验测量结果,但总体变化趋势与实验结果具有较高的一致性;在热暴露条件下消防员面临着皮肤烧伤与热应激的双重威胁,皮肤烧伤更多发生在热暴露阶段,热应激更可能产生在热暴露结束之后,这是由于热传递的滞后效应导致;消防服热防护性能的评价需要综合考虑皮肤烧伤与人体热应激作为评价指标,从而更加准确地标定及优化消防服的热防护性能。     

耐高温服装阻燃及热防护性能的测定

采用垂直燃烧试验仪和火焰防护性能评价试验机,对消防服外层用织物进行阻燃及热防护性能测试,研究了热流密度和微小空气层厚度对阻燃织物热防护性能的影响。结果表明,随着热流密度的减小,织物热防护性能增加,质量损失率减小;在热流密度为80(1±5%)k W/m2,空气层厚度小于9 mm的条件下,织物热防护性能随着空气层厚度增加而增加,空气层厚度为9~10 nm时,织物热防护性能降低,大于10 mm时,热防护性能随着空气层厚度增加而提高。     

低辐射热暴露下消防服热防护性能测评方法研究进展

为全面准确地评价低辐射热暴露下消防服的热防护性能,分析了现阶段的实验室测评方法和数值模拟方法。基于消防服内传热机制的研究,阐述了消防服内干态传热模型和热湿耦合传递模型的研究现状,总结了热防护性能的影响因素;分析了现阶段低辐射热暴露下织物和服装热防护性能测评方法,分别从测试方法的差异因素和局限2个角度阐述不同实验方法及实验装置对热防护性能预测的影响;总结了目前数值模拟在消防服热湿传递机理研究方面的应用;最后指出在未来的研究中,应全面准确模拟真实的低辐射热暴露环境,提高消防服热防护性能测评的准确性。     

消防服热防护性能的研究现状

为探究消防服的热防护性能,文章分析了阻燃耐高温纤维、阻燃整理的热防护材料、相变微胶囊涂层整理的热防护材料、纳米多孔气凝胶涂层整理的热防护材料的热防护机理及研究现状,概述了织物组织结构及织物物理参数对热防护性的影响,综述了热防护性能测试与评价体系,旨在为消防服的功能优化及研发提供参考。     

应用三层热防护服热传递改进模型的皮肤烧伤度预测

针对人体持续暴露在闪火环境中烧伤时间及热防护服参数对防护性能的影响情况,利用建模与模拟的方法预测达到各级烧伤的最长安全工作时间。首先,对包含外壳、防水层和隔热层的3层防火材料、皮肤及三者间的空气层组成的系统,给出了系统各层热传递微分方程以及初边值条件,改进了已有的高温条件下多层热防护服的热传递模型。接着,使用该模型计算出各固定接触面随时间变化的温度值,该计算结果与同等条件下已有模型一致,从而验证了模型的可靠性。最后,采用改进的模型预测达到一级、二级和三级烧伤所需的临界时间,分析了空气层和织物厚度对防护服防护性能的影响。研究发现,在闪火条件下,消防人员即使身穿热防护服也仅有十几秒的安全时间,且空气层和织物的厚度大小对防服性能的影响十分显著。     

服装衣下空气层热传递性能研究进展

为探究衣下空气层对于服装系统热传递性能的影响,文章介绍了衣下空气层的热传递机制,概括了三种衣下空气层对于服装隔热性能影响的研究方法,即热平板测试、假人测试和数值模拟,论述了各研究方法的优点与不足。根据研究方法,从厚度、体积、位置、方向、非均匀形态和运动状态六方面分析了衣下空气层对服装热传递性能的影响。基于目前研究现状,针对研究方法和研究内容的不足提出两点展望,即研究非均匀衣下空气层对于服装系统热传递的影响,发展厚重服装和多层服装的衣下空气层的测量方法。     

热防护织物技术的研究进展

本文首先阐述了织物中热传递的3种方式,综述了目前热防护织物在消防服、战训服、防熔融铝液喷溅防护服、防电弧服、焊接毯等方面的性能要求和制备技术进展;针对目前热防护织物制备过程中主要依靠大量热防护性能实验的问题,本文提出基于纱线的交织结构建立织物的三维几何模型,利用数值模拟预测织物的隔热性能,具有简单、快捷、成本低、环保等优势,是热防护纺织材料设计、开发及性能评估的重要方法之一。     

形状记忆合金尺寸对消防服面料防护性能的影响

为提升嵌入形状记忆合金消防服面料组合的防护性能,构筑了3种形变高度和3种排列方式的面料组合以分析形状记忆合金尺寸对其性能的影响。在高温热接触和低辐射热灾害环境下分别测试不同面料组合的防护性能。研究结果表明：形状记忆合金有效地提高了消防服面料的防护性能,合金弹簧的形变高度影响组合面料层间空气层厚度,从而改变其防护性能;在不同的排列方式下弹簧形变高度也不同,可能与弹簧形变产生的空气层形状及分布有关;在不同的热源条件下,不同排列方式的面料组合的防护性能呈现出不同的规律,即在 2 种热源条件下,1 个合金弹簧中心排列与 3 个合金弹簧对角排列方式下全高型试样的隔热性能均明显优于减半型,而 2 个合金弹簧对角排列方式下 2 种弹簧试样隔热性能的差异较大。     

开放/封闭空气层对阻燃织物热防护性能的影响

为探究衣下空气层间的传热方式对阻燃织物外观性能和阻燃织物系统传热机制的影响,基于热防护性能(TPP) 实验装置,构建开放式和封闭式空气层以模拟实际着装时“服装-人体皮肤”的空间关系。利用彩色图像处理方法对比热暴露前后的织物外观和热收缩情况,从能量传递、TPP值和二级烧伤时间角度评估“织物-空气层”系统的传热特性和热防护性能。结果表明:空气层的介入会降低热传递效率,进而提升阻燃织物的热防护性能,但会加速织物老化,加剧织物热收缩;当打开空气层与周围环境热量交换的通路时,空气层间热量的流动路径变复杂,且织物的热防护性能进一步提升。     

空气层厚度对热防护面料蒸汽防护性能的影响

为探索防护服装与人体皮肤之间的空气层厚度对其蒸汽防护性能的具体影响,选用3种不同热防护面料系统,设计4种不同的空气层厚度(0、6、12、18 mm),分析二级烧伤时间、三级烧伤时间、吸收总热量和热流量,评价面料系统的蒸汽防护性能。研究结果表明:不同的面料系统提供不同的防护性能,增加面料系统的厚度有利于提升其防护性能,防水透气膜越靠近蒸汽热源,系统的防护性能越好;防护服装的蒸汽防护性能与空气层厚度有着显著相关性,在空气层厚度增加到12 mm及以上时,防护服的蒸汽防护性能会得到显著提升;通过分析蒸汽暴露和冷却阶段传感器热流量变化曲线,可进一步分析了解蒸汽暴露环境下织物系统内的热湿传递机制。     

Prediction of thermal skin burn based on the combined mathematical model of the skin and clothing

As the result of exposed to thermal radiation and fire exposure, skin burn or even worse injuries are very common for building occupants and fire fighters. To accurately predict their skin temperature and burn situation, an assessment method of the mathematical model is developed for various thermal radiation conditions. The combined mathematical model includes the heat and moisture transfer within the skin and clothing systems. It is validated with a good agreement with the previous experimental study. The effects of thermal radiation, air gap and moisture transfer on burn prediction were also studied. The results showed that the time to the second degree burn is affected by the heat flux level, gap size and moisture location. It is expected that the developed method can be used to evaluate the thermal protective performance of protective clothing during exposure to thermal hazards and provide appropriate information to clinical observation and decision-making for skin thermal injuries.     

热防护服装热湿传递模型研究及发展趋势

 合理地评价热防护服装的热防护性能对减少消防员的皮肤烧伤具有重要的意义。本文主要回顾并评价了热防护服装的热湿传递模型国内外的研究现状,包括皮肤传热模型及其烧伤评价模型、单层或多层面料的一维和二维热湿传递以及整体服装的三维热湿传递模型等,并比较分析了这些模型的应用缺陷,预测了热防护服装热湿传递模型研究未来的发展趋势。热湿传递模型的研究不仅可以为热防护服装的使用提供科学的理论指导以减少皮肤烧伤或蒸汽烧伤,而且能够进一步推动服装热防护性能测试技术的发展,满足我国“安全发展”和“公共安全防治”的技术需要。     

Application of shape memory materials in protective clothing: a review

The development of environmental responsive and self-adjustable structure is very important for improving protective performance of protective clothing, and thus decreases burn injury chance of firefighters and emergency rescuers. Shape memory material (SMM) can be incorporated into clothing system to provide necessary thermal protection when threaten occurs. It will produce stable air gap when SMM is actuated, therefore reduces heat transfer to human body. Under normal conditions, the SMM is flat that doesn’t affect wearer’s motion ability and wearing appearance. This article overviewed and summarized the international state-of-the-art research status on the application of SMM in both thermal and cold protective clothing. The key issues in this area were discussed. Based on the above analysis, the specific direction for the application of SMM in protective clothing in the future was highlighted in terms of air gap size, heat exposure, protective clothing factors, quantity and distribution of SMM, etc. And the development trend in protective clothing incorporated with SMM was proposed from the perspective of human-clothing-environment system.     

基于最大衰减因子模型的服装热防护性能预测

为解决全尺度燃烧假人实验测试成本高、实验效率低,以及尚未与织物小样测试统一联合表征等难题,利用新型的热防护性能评估模型:二级烧伤最大衰减因子模型,对热防护服装的织物试样测试与燃烧假人实验进行同步研究,并建立基于织物试样测试的服装整体热防护性能预测模型。结果表明:防护织物的热防护性能与其服装整体的热防护性能具有显著相关性;将织物热防护性能值、服装平均衣下空气层厚度以及服装热暴露时间作为预测模型输入参数,可以实现服装热防护性能值以及人体皮肤烧伤百分比的预测;经模型验证发现,服装实测热防护性能值与其预测值间的相对误差仅为5.1%。     

热防护服蓄热防护与放热危害双重特性的研究进展

为全面评价热防护服在热暴露阶段的蓄热防护作用以及在冷却阶段因蓄热释放对人体造成的热危害效应,介绍了防护服热蓄积产生的原因,阐述了现阶段防护服热蓄积的测试方法以及数值模拟研究现状;从服装因素、环境因素以及人体因素3个方面归纳了防护服在热暴露阶段蓄热特性的影响因素;并总结了织物基本物理性能、空气层配置、织物水分、织物受压等因素对冷却阶段防护织物放热危害特性的影响。最后提出：在未来的研究中应针对多元化的热灾害环境以及冷却环境开展热防护服蓄放热双重特性的基础研究,并基于热防护服蓄放热双重效应探究其最优的配伍设计。