热防护服隔热防护性能测试方法及皮肤烧伤度评价准则

[2015-01-31 18:29]

  在各类防护服中,热防护服是应用最为广泛的品种之一。其作用是保护人体不受各种热的伤害,如对流、传导热、辐射热、溶融金属溅射以及热蒸汽或热气体的伤害。热防护服不仅具有普通防护服的服用性能,更必须具备在高温条件下对人体进行安全防护的功能。热防护服的热防护性能取决于热防护服的使用场合和使用环境,包括中温和高温强热流环境,同时热防护性能也与热量传递的方式有关。
  
  热防护服能防止辐射热的侵入,促进汗液的蒸发,增进体热散发。铠甲式工作服、铝箔工作服较常用,但防热效果有限,穿着时人体感到闷热,因此,应正确选择防护服装及服装层数,使各层配伍性能达到最佳,既能阻燃隔热,又能使人穿着舒适。国内所用消热服--热防护服品种之一,通常为三层构造,由外及内分别是外壳层、蒸汽阻挡层和隔热层。图1是典型消防类热防护服装多层结构示意图。

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  热防护服主要用来减少热在人体皮肤上的积聚,从而保护皮肤不被烧伤或灼伤,因此防护服不仅要求其阻燃性好,且具有高的隔热性能。一般来说,测试防护服装的热防护性能需要在背离织物受热一面放置铜片热流计或皮肤模拟传感器,测试通过服装面料的热流量,从而通过将吸收的热量转化为皮肤烧伤的级别来判断。因此,无论是用铜片热流计还是用皮肤模拟器作为测试传感器,最后是要得到在一定热暴露条件下,量化出皮肤达到二级烧伤度的量值,才能对服用织物热防护性能进行评价。本文首先讲述热防护织物与服装的热防护性能常用的测试方法,然后再介绍人体皮肤烧伤度的确定方法。
  
  热防护织物和服装阻燃与热防护性能测试方法
  
  热防护服的热防护性能可以通过一定的试验方法进行测试和评价,国内外在该方面都开展了广泛的研究,并制订了相应的标准与方法。国内对热防护服热防护性能测试方法的研究前期着重于热防护服阻燃性能的测试与评价。目前,我国已建立了较完整的织物阻燃性能测试方法与标准,其中包括垂直法、水平法、氧指数、45°倾斜法、烟浓度法等。在热防护服阻燃性能测试中,我国借鉴国外同类标准,采用垂直法进行测试和评价,即测定织物续燃时间、阴燃时间和损毁长度等指标。同时,我国还制定了《热防护织物防热性能、抗融溶金属冲击性能的测定》国家标准。在公安部《消防员防护服、隔热服性能要求和试验方法》行业标准中,制订了防护服抗辐射热渗透性能试验方法。
  
  与国内相比,美国、欧洲等西方发达国家对热防护服的研究和开发较早,目前已制定并实施了一系列先进和完善的热防护服产品标准和测试方法标准。在热防护性能的测试研究中,除了制定和建立了较完整的评定阻燃性能的测试方法外,还建立了热防护性能其他方面的各项测试标准,如热防护服的隔热性、完整性和抗液体透过性等,以及反映综合热防护性能的TPP法、 Thermo-man法。通过这些方法,可以较全面地测试和评价热防护服的热防护性能。
  
  织物与服装阻燃性能测试方法
  
  服装材料阻燃性能评价一般的指标为:难易程度、火焰表面传播速度、发烟能见度、燃烧产物的毒性和腐蚀性。前两项指标是燃烧性能评价的最主要指标。目前国内外在阻燃织物性能测试方面尚无比较全面理想的方法,常用的方法主要有以下几种。
  
  燃烧试验法(vertical flammability test)
  
  该方法主要用于测试材料的燃烧广度(炭化面积和损毁长度)、续燃时间、阴燃时间。其方法是将一定尺寸的试样在规定的燃烧箱里用规定的火源点燃12 s,除去火源后测定试样的续燃时间、阴燃时间,阴燃停止后,按规定方法测出损毁长度(炭化长度)。这是一种基本的测试方法,各国均有相应的测试标准,如:美国标准AATCC 34-66、NFPA 701-1966、德国标准DIN 53906、英国标准BS 2963A和我国标准GB 5455-1997等。
  
  限氧指数(LOI)
  
  该方法简称氧指数法,是指在规定的试验条件下,使材料恰好能保持燃烧状态所需氧氮混合气体中氧的最低体积浓度。试验在氧指数测定仪上进行。其方法是将一定尺寸的试样置于燃烧筒中的试样夹上,调节氧气和氮气比例,用特定的点火器点燃试样,使之燃烧一定时 间自熄或损毁长度为一定值时自熄,根据此时的氧、氮流量从表中查出氧指数值,即为该试样的氧指数。
  
  我国标准GB 5454-1997规定,试样恰好燃烧2 min自熄或损毁长度恰好为40 mm时所需氧的百分含量即为试样的氧指数值。
  
  服装阻燃性能试验方法主要是当穿着的衣服燃烧时,测定衣服接触火源时的着火性和因火焰蔓延而衣服各部位燃烧热的传导率,以及达到最高热量所需的时间。此法在美国虽已作为服装类的联邦标准试验方法用于研究工作中,但尚未标准化。这种方法又称蘑菇试验方法,如图2所示。
  试验装置由燃烧器和记录仪两部分组成,燃烧部分装有热电偶传感器。试验时,将32cmx 16 cm的试样在燃烧筒上卷绕成圆筒状(如图所示),用火焰长19 mm 的燃烧器,从0.5 s、1 s到12 s,每隔1 s在该筒状试样下端的不同部位各接触火焰3次,观察试样有无着火并测定着火的时间,用以表示着火性。

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  目前国际上常用的热防护织物的热防护性能小规模标准测试方法主要有3种:ASTM D 4108,NFPA 1971和NFPA 1977,下文分别进行叙述。
  
  织物与服装热防护性能测试方法
  
  ASTM D4108明火法测试防护材料的热防护性能
  这种标准从1995年以后就已经不再出版了,但后来的NFPA标准都是参照此标准而制订的。如图 3所示,将规格为100 mmX100 mm的织物试样水平放置在中间开有50 mmx50 mm小孔的试样架上,采用铜片热流计测量试样背面的温度,铜片热流计安装在一块绝热板内,其表面与绝热板表面平齐。 要求被测试的织物暴露于Meker燃烧器产生的火焰对流热,火焰与试样直接接触,使到达织物表面的热流量达到(84±2)kW/m2或(2.00±0.05)cal/cm2.s,用试样后面的铜片热流计测试其温升曲线并与Stoll曲线比较得出二级烧伤所需时间,并与暴露热能量q相乘,得到TPP值,其计算式为
  
  TPP=t2 X q
  
  TPP值越大,表示热防护服的热防护性能越好;反之越差。

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  由于织物在受热时收缩,为了保持测试时试样的完整性,在测量过程中需要对试样施加一定的张力,ASTM D4108标准中选用了二种对试样施加张力的常用方法,可根据测试的需要选择不同的方法:
  1)在铜片热流计上放置1.0 kg重的金属块;
  2)在试样架上植钢针,测试时将面料穿过钢针,同时热流计绝热板上计孔与试样架上的钢针正好吻合,保证了热流计与试样背面的紧密接触。采用这种方法可以最有效地防止织物受热收缩,克服了放置金属块并不能完全消除织物热收缩的负面影响。
  
  NFPA 1971建筑结构防火用防护装备
  
  NFPA 1971方法应该说是ASTM D 4108标准方法的一个修改版本,因此,它们的测量原理相同,绝大部分部件相似,但是也存在不同之处。它们的主要差别是:①热源辐射/流热流比率不同;ASTM D4108方法中一个Meker燃烧器提供的辐射/流热比例是3:7,而NFPA 1971方法中则改用两个Mekei燃烧器,分别放置在与测试主体成45°的一排石英灯管两侧,如图4所示。采用电加热石英灯管,可调节其输入电压至输出辐射热与燃烧器火焰对流热的比例为5:5。②测试试样规格尺寸不同。NFPA 1971中改用试样尺寸为150 mm × 150 mm,试样架上开的小孔尺寸为100 mm × 100 mm。NFPA 1971方法主要用来测试建筑结构火防护服装备的热防护性能,各层按外壳层、气障层和隔热层排列,测试时外壳层面对热源,铜片热流计直接放置在隔热层上,使热流计与隔热层直接接触,一般结构火防护服装的TPP值不得小于35.0 ca]/cm20试样架与石英灯管的距离为12.7 cm。

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  NFPA 1977防野火用防护服装与装备---热辐射防护性能测试方法
  
  该试验是将试样垂直放置在一排石英灯辐射源前,在规定的距离内,热源对试样进行热辐射,用原理和结构与ASTM D4108所述相似的铜片热流计测量出造成人体皮肤二级烧伤所需要的时间,并计算出二级烧伤时间与暴露热流量的总热流量即RPP值:
  
  RPP = t2×qr
  
  式中,qr --- 规定辐射热流量0.5 cal/(cm2.s)或2.0 cal/(cm2.s);
  
  t2引起二度烧伤所需要的时间,单位:s。
  
  RPP值越大,表示热防护服的防热辐射性能越好;反之,越差。
  
  NFPA 1977方法的实验仪器主要由辐射热源装置、热源预热屏 蔽装置、试样夹持装置、铜片热流计和绘图记录仪组成。
  
  辐射源装置由5根500 W的红外石英灯管作为辐射热源,垂直地对试样进行热辐射。热源的辐射热量由调压变压器控制,通过调节输入电压,使石英灯管辐射出规定的热流量为0.5 cal/cm2 .s或2.0 cal/cm2.s。
  
  由于石英灯管需要经过一段时间才能达到恒定的辐射热流量,在此预热过程中,试样应不受到热辐射,因此,在热源与试样之间设置一预热屏蔽装置,防止试样过早地受到热辐射,从而保证试样的准确性。试样夹持装置将试样夹持并垂直放置于辐射热源前,两块中间由开有长方形孔的金属板组成。
  
  放置在试样后的铜片热流计用于测定透过试样的热流量,并将热量计的温度转换为电压输出,且绘出铜片热流计的温度随热辐射作用时间的变化曲线。
  
  在实验室试验中,首先剪取尺寸为22.86 cm×10.16 cm的5块试样,并在标准大气压下调湿,然后将试样放入试样夹持装置内,保持试样夹持平整,并将其放入试验仪中。接着,打开电源,调节变压器的输出电压至规定电压,保证红外加热石英灯具有规定的辐射热量。当红外石英灯预热60 s后,撤去热源预热屏蔽装置,使试样垂直暴露在热源30s后,关闭电源和记录仪,放上预热屏蔽装置,取下铜片热流计并冷却,试验完毕。当热量计温度下降至33℃时,才能进行新一次试验。
  
  引起二度烧伤所需要的时间由记录仪绘制热流计温度随热辐射时间变化曲线与二度烧伤标准曲线相交求得,最后,按式(2)计算试样的 RPP 值。
  
  RPP试验主要用于测定热防护服的辐射热防护性能。由于热辐射是造成热伤害的主要传热形式之一 ,所以,该方法可以从一个方面较好地测试和评价热防护服的热防护性能,在森林消防等领域得到了较广泛的应用。
  
  服装热防护性能“火人”测试方法

  
  比起小规模测量方法,火人等大规模测试方法能提供比较全面的服装热防护、热收缩等信息,但其测试费用较高,操作更为复杂,国际上有很多机构和标准化组织已经着手研制热防护服装测试装置并且制订了相应的标准。“火人”是一个装有若干个测温传感器的模拟消防员或高温工作人员的人体,每个测温传感器测的温度值代表某一部分人体皮肤的表面温度,采用了“火人”技术并配备以模拟高温辐射环境或者火场条件,结合计算机数据采集、处理和图像显示技术,对工作人员防护服装整体热防护性能进行评价研究,既能切合热防护服装的特定使用情况,又能快速、直观、定性、定量地显示“工作人员”烧伤分布图像。
  
  目前主要有3种“火人”测试系统,分别是杜邦公司的Thermo-Man假人,北卡州立大学的PyroMan“火人”以及加拿大阿尔伯特(Alberta)大学的“火人”测试装置。这些测试装置都能很好地模拟外界明火环境,一般模拟热源热能量为84kW/m2,这也是消防员灭火时处于火环境中防护服装外层所受到的热流量的一个评估值。实际上,消防员更多情况下暴露于热源的热流量比该值小。表1是一些不同火源环境下的暴露热流量值。

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   皮肤烧伤度预测
  
  热防护服装与织物的热防护性能是运用其层下模拟皮肤或热流计测量人体皮肤达到二级烧伤所需时间t2来定量衡量,目前主要有Henriques皮肤烧伤积分模型与Stoll烧伤准则两种方法。
  
  Henriques烧伤积分模型
  目前应用最为广泛的皮肤烧伤模型是Henriques提出的一阶阿伦尼乌斯(Arrhenius)方程:

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  通过计算值确定皮肤被烧伤的程度:皮肤温度T>44℃且Ω=0.53时,皮肤一级烧伤;皮肤温度T>44℃且Ω≥1时,皮肤二级烧伤。式(4)是一个由皮肤活化能和频率破坏因子P控制的函数式方程,且这两个参数值与皮肤温度有关。表2列出了不同研究者所提出的皮肤烧伤模型输入参数值。
  
  由于各研究模型输入参数值之间的差异,导致预测二级烧伤时间的不同。

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  Stoll二级烧伤准则
  Stoll和Chianta两位研究者根据实验所测得铜片热流计的温度净升值,找出了一种简单的预测皮肤烧伤程度的方法。首先他们通过对动物皮肤进行大量实验,测量动物皮肤二级烧伤时间所需吸收的热流量值,列于表3和图5,然后参照ASTM E457-96标准转换方法(见式(5)),将不同入射能量下的人体裸露皮肤二级烧伤所需的时间t2转换成以铜片热流计温度上升值,实验二级烧伤热时间和铜片热流计温度净升值的原始数据如表4所示,同时绘制出如图6所示的Stoll and Chianta曲线。测试时,若在恒定的入射热流量下,铜片热流计温度历史曲线与Stoll曲线相交,相交点的横坐标即为二级烧伤时间t2。

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  与Henriques模型相比,Stoll方法简便、无需大量数学计算,然而应用stoll方法首要前提是保证入射到皮肤表面热流量是一个恒定值,任何小的波动变化都会使Stoll准则失效。包括Holcombe在内的一些研究者指出恒定热流量经过一层或多层织物试样后会衰减,衰减后入射到人体皮肤的热流量值波动性较大,这样就不符合应用stoll准则的边界条件。

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  4 结束语
  先进材料的制造、热防护服装的结构设计以及安全生产个体防护装备的需要都迫切要求定性、定量地评价织物或成衣的热性能。当前热防护服的热防护性能的实验室测试方法主要包括小规模(Bench—Top—scale)和大规模(“火人”)测试方法,然而这两种方法都不能提供有关防护服装全面的防护信息;另外。在测量人体皮肤烧伤度的过程中,由于生物组织传热的特殊性,也需要建立与人体皮肤传热物理实际相符的传热模型。随着经济的发展、人们安全意识的提高,这些都对当前热防护服装热性能的测试方法提出了新的挑战,必将促进模拟现场测试技术的发展。


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