单层织物湿态热防护性能测试与分析

[2017-08-14 15:36]

  消防服是防护服装中应用最为广泛的品种之一,可保护人体免受热的伤害。消防队员工作的火场现场并不是一个干燥的环境,特别是当消防队员扑灭明火时,人体大量出汗,里层服装会吸收人体大量汗液,且消防用水也可通过服装外表层传递到内层,这些水分在高温下汽化成水蒸汽传到人体皮肤表面,可将人体皮肤灼伤,因此研究含湿织物的热防护性能具有现实意义。Chen等…对暴露于纯辐射热流,含湿与干燥织物层下的模拟皮肤温度值进行了测试与分析,发现前者的温度值比后者高,但随着暴露时间延长,出现相反的增长趋势;Morse乜1研究对流受热条件下的织物热防护性能发现,织物中的水分有助于提高其热防护能;Perkins【31将防护织物暴露于16.8 kW/’m2的辐射热流量下,测试与织物有一空气层间隔的热流传感器的温度分布情况,得出含湿织物热防护性能比干燥织物热防护性能好;Lee¨。指出了织物中的水分对织物热防护性能影响的复杂性,对于单层织物,水蒸汽会显著改变织物层与铜片热流计之间空气传热特性,而且1’PP实验后发现铜片热流计有凝结水。由于测试条件以及防护织物实际受热情况的复杂性,这些研究都没有得出统一的结论。但有一点是肯定的,水分的存在必定会改变织物传热特性,特别是在辐射和对流联合传热的环境下,其影响程度更为复杂‘本文研究了强辐射和对流联合传热环境下水分对单层织物热防护性能的影响,为研制防护性能更好的消防服装提供一定的参考。
  一、实验部分
  1、材 料
  消防服结构一般分为4层,由最外层、防水透气层、隔热层和舒适层构成。9|。从适宜做消防服的各层丽料中,选取1种作为实验面料,比较不同层面料吸湿后热防护性能的变化。实验织物的基本参数。
  2、测试方法
  TPP值反映了织物对热辐射和热对流综合作用的热防护能力,其值越大,表示热防护服的热防护性能越好;反之,越差。TPP实验(热辐射和热对流综合热防护性能实验)已得到了ASTM(美国材料与试验协会)、ISO及NFPA的认可¨0|。该测试方法是将试样水平放置在特定的热源上面,在规定距离内,热源以2种不同的传热形式——热对流和热辐射出现。置于试样另一侧的铜片热流计可测量试样背面的温度。要求火焰与试样直接接触,使到达织物表面的热流量达到84 kW/m2,用试样背面的铜片热流计测量其升温曲线并与Stoll标准曲线比较,得到二级烧伤所需时间t,,并与暴露热能量q相乘得到TPP值。其计算式为TPP=£2×q (1)式中:q为规定辐射热流量(84 kW/m2);t:为引起二级烧伤所需要的时间,s。TPP实验采用美国CSI公司的TPP.206热防护性能测试仪,按照NFPAl976标准进行测试。试样规格为150 mrn×150 mill,总热流量为82.21 kW/m2,燃烧时间设为30 s。
  将试样分5组,编号分别为l~5,每组试样包括A、B、c、D 4种织物,各组中每种织物均取3块试样,将每块试样分别放置在密封塑料袋中,第l组为对比组,不添加水,第2~5组试样用喷壶均匀喷水5、10、15、20 mL。将吸湿后的试样静置在恒温恒湿的环境中(温度为20℃,相对湿度为65%)调湿24 h,使试样充分吸收水分。用TPP实验测定试样吸湿后的TPP值,每种织物取其3次的平均值作为该组试样的TPP值。
  二、实验结果与分析
  1、TPP实验结果
  不同含水率单层织物的TPP实验结果见表2。含水率的计算见式(2)。含水率=幽骂镰擎型×·00%(2)
  2、实验结果分析
  ①、单层织物含水率对热防护性能的影响由表2可以看出,4种织物中,B织物含水率最低,均在3%以下,与未吸湿前相比基本上无变化,所以B织物吸湿后的二级烧伤时间及TPP值与未吸湿前相比变化不大。这是由于B织物为聚四氟乙烯薄膜,它是一种性能极好的防水透湿织物,表面基本没有凝结水,所以含水率极低。由于舒适层阻燃棉织物D吸水性很好,所以含水率最大,其次是外层NomexBD602织物A,吸湿性居中的是隔热层Kermel隔热毡C。这3层织物的吸湿性都随着水添加量的增多而增大,并且他们的二级烧伤时间和TPP值均随着含水率的增加而增大。通过SPSS软件分析,得到含水率对单层织物TPP值、二级烧伤时间影响的关系三维图,结果见图l。由图可看出,单层织物的含水率与二级烧伤时间和TPP值之间的正相关性极高,含水率越大,织物TPP值也越大,相应皮肤达到二级烧伤的时间也将延长,所以含水率对TPP值的影响趋势与它对二级烧伤时间影响趋势基本一致。
  ②、TPP值和二级烧伤时间线性回归模型分别以TPP值和二级烧伤时问为因变量,含水率为回归自变量,采用SPSS软件建立一元线性回归模型。
  TPP值与含水率的一元线性回归模型为TPP值=10.732+0.072×含水率 (3)二级烧伤时间与含水率的一元线性回归模型为二级烧伤时间=5.164+0.062×含水率 (4)下面对式(3)、(4)分别进行统计检验。由于本文实验的样本量较少,因此式(3)、(4)还需要进一步进行验证。
  式(3)的统计检验过程如下。1)拟合优度检验:调整的判定系数R=0.696,接近于1。因此,式(3)的拟合优度较高,表明TPP值的变化有69.6%是随含水率的变化而改变的,含水率与TPP值之间有较强的线性关系,含水率越高,织物的TPP值越大。2)回归方程的显著性检验:F=16.884,对应的概率P=0.001,近似为0。如果显著性水平口=0.05,则方程总体显著,自变量与因变量之间可建立线性模型。3)回归系数的显著性检验:如果显著性水平口=0.05,含水率t检验的概率P值为0.001<口,所以回归系数显著,应保留在方程中。4)残差分析:图2为标准化残差的正态P-p概率图。可以看出,各散点基本在直线上或靠近直线,因此标准化残差呈正态分布。说明模型对于数据的拟合效果较好。由以上分析证明,式(3)是一个合理的线性回归模型,因此单层织物含湿状态下TPP值与含水率之间的关系模型即为式(3)。式(4)的统计检验过程同理,可验证含湿状态下单层织物二级烧伤时间与含水率之间的关系模型为式(4)。
  三、结 论
  由以上分析过程可知,单层织物含水率与二级烧伤时间及TPP值之间显著相关,二级烧伤时间、,IPP值与含水率之间存在着显著的线性回归关系。含水率每增加1%,二级烧伤时间延长0.062 s,TPP值增JJn0.072 kJ/cm2,二级烧伤时间和TPP值均随含水率的增大而增大。在强辐射和对流(82.21 kW/m2)联合传热条件下,对于单层面料,水分有助于提高其热防护性能,含水量越多,单层织物的热防护性能越强,在标准环境下,含水织物的热防护性能优于干态织物。随着含水率从0增大至50%,除防水透气层织物热防护性能基本无变化,外层织物TPP值比干态时增加0—28%,二级烧伤时间延长0—1.3 s;隔热层TPP值增大0.30%,二级烧伤时间延长0.2.2 s;舒适层TPP值增大O一24%,二级烧伤时间延长0—2.8 s。这是因为实验条件(燃烧时间为30 s,热流量为82.21 kW/m2)属高热流强度且短时间作用,在这种条件下,织物中的水分将迅速蒸发,辐射/对流热还来不及传递到面料背面,就被蒸汽带走一部分热量,到达人体的热量减少,从而使单层织物热防护性能提高。含水率越大,蒸发的水分越多,带走的热量越多,散热速度加快,织物的热防护性能进一步增强。此结论适用于含水率小于50%的情况。
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