目前国内外学者对防火服热防护性能测试方法和预测模型进行了大量研究[5-7],虽然传统的纺织品阻燃实验和 TPP实验可以评价织物的热防护性能,但却无法反映服装和服装配套作为一个整体的防火性能以及对着装者所能提供的保护程度,因为它忽视了服装制作过程的裁剪、设计及其他附加功能[8-9].客观全面地评测热防护服应该尽可能真实地模拟人体实际穿着防护服在火场中的状况[10].燃烧假人测试法采用假人置放于模拟热流量、燃烧时间和火焰分布均可控的火场环境,预测人体皮肤达到二度和三度烧伤的部位及程度,从而评估服装的整体热防护性能.其大的特点就是可以快速、精准、可重复性地模拟闪火条件下人体与服装、环境的热交换[11].国外早在20世纪60年代就开始使用燃烧假人进行各种热防护服测评,而我国对于燃烧假人系统的开发较晚,多年来一直沿用垂直燃烧法和 TPP测试法来评价面料的热防护性能,从一定程度上制约了我国热防护服的研究和发展.

民用防火服对国民消防安全有重要作用,优良的热防护性能是其重要的功能之一.基于东华大学功能防护服装研究中心的燃烧假人系统—“东华火人”,本文对民用防火服的整体热防护性能进行了测评,分析了除面料以外的其他因素如服装设计与结构、服装表面的热收缩形变对热防护性能的影响,旨在探索影响防火服热防护效能的某些相关因素,为防火服装的优化设计提供依据.

一、实 验
1.1 试 样
本实验所采用的测试服装为某企业生产的3套同款同材质的民用防火服.该服装为长大衣、立领、连袖套,胸背部设计有反光带便于识别,上背处系有安全带便于逃生.防火服外层面料为芳纶1313,隔热层采用隔热棉,面料组合的 TPP值为33.8,大于行业标准规定的热防护值.三套防火服的成品规格如表1所示.

1.2 实验方法
测试仪器为东华大学功能防护服装研究中心的燃烧假人系统“东华火人”.该系统完全满足ISO13506、ASTMF1930等燃烧假人系统测评的相关技术指标.假人本体尺寸采用中国成年男性标准体型,全身设置135个热流传感器,覆盖了躯干、头、手、足等各个部位,不仅可用于热防护服装的测评,还可满足头盔、手套、防火靴等整套热防护装备测评的需要;另外,该燃烧假人还设置了肩、肘、髋、膝和踝等关节,以及旋转、滑移系统,可以模拟人体各种姿势和活动状态[12].
实验中,将穿着防火服的燃烧假人置于实验室模拟的燃烧环境中,并暴露一定时间,通过假人身上分布的135个热传感器测量和计算透过被测服装传导到人体表面各部位的热量和温度,预测人体烧伤的情况,评价服装的热防护性能.3套防火服的测试条件如表2所示.实验前,通过标定使得平均热流达到标准所规定的84±2kW/m2,标准偏差控制在21kW/m2 以内.实验中通过视频记录燃烧过程,观察燃烧过程中服装的实时变化.着装燃烧测试场景如图1所示.

为了量化燃烧后服装的表观变化,利用软尺测量燃烧前后防火服领子、衣身、袖子等关键部位的尺寸,并在服装上对应假人热流传感器的部位盖上直径为5cm 的圆形印章.印章上有纵、横、左斜、右斜4个方向的印记,测量燃烧后各方向印记的长度变化量,即可得到服装各个方向的收缩率,收缩率α的计算方法如下式所示:α=(L-L1)/L×100% 式中:L 为燃烧前印记的长度,cm;L1 为燃烧后该印记的长度,cm.

二、结果与讨论
2.1 皮肤烧伤度评价结果
燃烧假人测试结果显示,穿着1号和2号防火服,假人表面均未达到烧伤级别,而穿着3号防火服,假人表面出现了较大程度和范围的烧伤,其烧伤分布如图2所示.假人总表面积为1.816m2,当穿着3号服装,假人表面总烧伤面积比为62.6%,其中三度烧伤面积比为28.0%,二度烧伤面积比为34.6%(一度烧伤不纳入烧伤面积统计中).烧伤为严重的部位集中在臀腹部、胸背部、大腿部、小腿部以及头部,手臂部位烧伤程度较小.另外防火衣下摆与脚套重合部分覆盖的膝关节几乎没有烧伤.

对比3套服装的测试条件,3号防火服在12支喷火器共同作用的环境中燃烧了6s,无论是燃烧时间还是火焰作用面积都明显大于1号和2号服装.此外宽大的下摆使得火苗迅速上窜到服装内,火焰在阻燃性相对较差的服装内表面持续燃烧将近10s才熄灭,从而使得实验中燃烧假人穿着3号防火服时体表出现了较大程度的烧伤.而将1号和2号防火服的下摆利用省道减小开口后,火苗并没有窜入防火服内部,防火服也没有发生续燃现象.因此减小服装关键部位的开口,提高服装内层材料的阻燃性能更有利于提高其热防护效能.另外实验中还观察到服装胸部的反光带续燃和熔融现象比较严重.虽然 TPP测试中,该服装满足相关要求,但反光带的性能并没有得到反映.这也说明服装的热防护性能不仅与面料的性能有关,服装的款式结构设计,服装的辅料及配件如纽扣、魔术贴、反光带以及服装的使用环境对于防护服的整体热防护性能同样重要.

2.2 服装的热收缩形变
3号服装燃烧实验后发生明显的收缩,且多处出现破洞,露出了隔热层.由于3号防火服燃烧后受损严重,以致不能准确测量燃烧实验后服装关键部位的尺寸,因而在分析燃烧后服装表面的收缩形变时,主要针对1号和2号防火服.根据表3,对于1号和2号服装,燃烧后衣身各部位的收缩量普遍大于袖子各部位的收缩量.衣身上收缩量大的部位为臀宽,平均在11cm 左右,其次为腰宽,收缩量由臀部向胸部方向逐渐减少.另外,衣身纵向总长度的收缩量也较大,达到7cm 左右.穿着1号服装时立领外围的收缩量达到8cm,明显大于2号服装立领外围的收缩量,这可能与实验中1号防火服配备了防火面罩有关.穿着1号防火服时颈部的立领需与面罩外壁紧密贴合,从而使燃烧实验中立领接触火焰的面积增大.对1号和2号服装的关键部位尺寸收缩率进行方差分析,发现两者没有显著性差异,p>0.05.1号和2号服装为材质、款式和大小完全相同的两件服装,服装的收缩率差异不显著说明两次燃烧热源分布一致,实验结果稳定,可重复性强.

根据公式(1),计算服装上每个印章在纵、横、左斜、右斜4个方向的收缩率,然后取平均值,得到服装上对应传感器部位的收缩率,其分布如图3所示.可以看出,正面收缩率在5%以上的部位多于背面,同时正面的严重形变部分较背面处于偏下位置,正面主要形变区域为臀线上3cm 至膝下,背面主要形变区域为胸线至臀线下3cm 左右,这可能与燃烧假人站立时衣下空气层的分布和该部位获得的热流量大小有关.服装正反两面均在腹臀部收缩大,收缩率在15%~20%之间.以服装左片腹臀部上的印章形变为例,得出印章在各方向上的形变率,如表4所示.根据SPSS16.0的统计分析结果,同一印章部位在横、纵和斜向的形变率无显著差异,p>0.05.说明对于该实验服装,同一部位在不同方向收缩较为均匀.

综上所述,在燃烧假人测试中,1号和2号防火服的主要形变范围为胸部至膝下区域,其中形变为严重的部位为腹臀部.形变不仅影响服装的结构尺寸还会破坏服装的完整性,降低服装对人体的防护能力.当服装继续暴露在火焰中,假人胸部至膝下的区域发生烧伤的机率将会显著增加,因此服装表面的收缩形变在一定程度上也会影响服装的热防护性能.

三、 结 论
本文利用燃烧假人评价了民用防火服的整体热防护性能.结果表明,服装的热防护性能不仅取决于面料的热防护性能,还与服装的款式结构设计、辅料的性能及服装的使用环境密切相关.穿着3号服装时假人总烧伤面积达到62.6%,出现二度烧伤和三度烧伤的部位集中在腹臀部、胸背部和大腿部.将1号和2号服装下摆收拢后,火焰并未窜入服装内部导致持续燃烧.减小服装关键部位开口,更有利于提高服装热防护性能.
利用燃烧假人能够定量评估服装的整体热防护性能,预测人体皮肤受到二度和三度烧伤的部位及程度,服装表面的收缩形变在一定程度上也可反映服装的热防护效能.虽然1号和2号服装测试中假人表面并未预测受到烧伤,但胸部至膝下区域表现出较大收缩形变,腹臀部甚至达到15%~20%.探讨高温下服装表面的热收缩机制及其对热防护性能的影响,对于服装热防护性能研究具有重要意义.

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