防护服的阻燃性能以及TPP值浅析
消防服是一种特殊的功能性服装，其作用是保护消防员在火场环境中免受高温伤害，一般由外层、防水透气层、隔热层和舒适层构成。本文对新型消防服用多层织物系统在高温下的综合热防护性能进行了研究，并和传统消防服的综合热防护性能进行了比较，讨论消防服的层次结构及材料对整体热防护性能的影响，为研制耐高温阻燃性能更强的消防服提供一定的借鉴。
一、试验部分
1、材料
进行l5组模拟消防服真实结构的多层织物组合试验，试样组合编号为115。外层面料为A1、B1、C1；防水透气层面料为A2、B2；隔热层面料为A3、B3、C3；舒适层面料为D。各组面料参数如表1所示。
按正交试验设计原则，取外层、防水透气层、隔热层3因子间所有水平的组合，以便考察各种组合对整体热防护性能的影响，试验安排如表2所示。第5、10和15组面料组合中用1层三维阻燃间隔织物代替传统消防服结构中的防水透气层和隔热层，其余各组模拟传统消防服的4层结构，依次为外层、防水透气层、隔热层和舒适层。15组面料组合的舒适层均采用普通阻燃棉布。
2、测试方法
①、垂直燃烧试验
利用垂直燃烧法测试纺织品的阻燃性能。采用LFY．601国家标准垂直燃烧仪，按GBT5455--1997规定的试验方法，测定阻燃织物的损毁长度、续燃时间和阴燃时间。将试样裁成300mm×80 mm，测试前将其在温度(20±2)℃，相对湿度(65±2)％的环境中平衡放置8～24h，然后放入密封器内。测试时将燃烧仪内火焰高度调至(40±2)mm，试样放入试样夹中，垂直悬挂于试验箱中，用点火器点燃试样，12s后，点火器复位，用续燃计计算试样续燃时间和阴燃时间，阴燃结束后，取出试样，测量其损毁长度。用垂直燃烧法测试外层织物阻燃性能。对3种外层面料，各准备3块试样，每种面料做3次燃烧试验，取其平均值。在做外层织物阻燃性能试验前，按GB8965--1998附录A的方法将面料在涡轮式洗衣机里洗涤5次。
②、TPP试验
TPP试验是热辐射和热对流混合作用防护性能试验，主要测试织物的综合热防护能力。其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，而置于试样另一侧的铜片热流计则测量试样背面的温度。测试时要求火焰与试样直接接触，到达织物表面的热流量达到84kW／m2。铜片热流计测量温度并得到升温曲线，将其与Stoll标准曲线比较可得到二级烧伤所需时间t2，从而可得TPP值。
TPP= t2×q (1)
式中：q=2．0 ×4．187J／(cm2·s)，为规定辐射热流量；t2为引起二度烧伤所需要的时间，s。
TPP值越大，表示织物的热防护性能越好，已得到了ASTM、ISO及NFPA的认可。
采用美国CSI公司的TPP．206热防护性能测试仪，按NFPA1976标准进行测试，试样尺寸为152mln×152mm。对各组试验的单层面料和多层试样的组合进行TPP试验。总热流量为(83±4)kW／m2，燃烧时间根据经验设为30～65s(TPP试验仪器的大燃烧时间为65s)。
在实际穿着中，消防服的舒适层紧贴人体，因此为了模拟人体出汗情况，各组面料燃烧前将舒适层放入水中完全浸湿。对15组试样，各做3次TPP测试，取3次结果的平均值。由于多层面料的外层直接接触热源，舒适层与铜片热流计紧密贴合，各层面料间基本无空气层，所以，试验未考虑织物层间空气层对整体热防护性的影响。
二、结果与分析
1、阻燃性能
考虑到织物经纬向燃烧性能的一致性，本文只对外层织物的经向进行了测试。外层织物垂直燃烧情况见表3。
从表3可以看出，这3种外层面料都不续燃，损毁长度均<100mm，其中，损毁长度大的是B1(Kermel面料)，损毁长度小的是C1(芳砜纶面料)，居中的是A1(NomexⅢA面料)；3种面料的阴燃时间依次为芳砜纶面料<NomexⅢA面料<Kermel面料，且芳砜纶面料燃烧后收缩小，这表明芳砜纶面料的阻燃性能比Kermel和NomexⅢA面料都好。但在燃烧过程中，芳砜纶面料的脆化现象较严重，所以不适宜直接做消防服的外层；NomexI]IA面料的炭化层结实，强度大，无破洞，适宜做消防服外层；综合来看，Kermel面料的阻燃性能略低于另2种织物。这3种织物的阻燃性能均符合GA10--2002对消防服外层织物的规定。
织物阻燃机制复杂，可考虑将芳砜纶纤维与其他纤维混纺，改善其燃烧脆化现象，这将是消防服用较理想的外层面料。
2、TPP值
TPP试验结果见表4。可以看出，各组试样的综合TPP值集中在40～50之间，高的TPP值达到了51．9，低的TPP值也达到了43．2，符合GA10--2002规定的阻燃消防服的TPP值≥28的标准。隔热层的TPP值在各层面料中大，可见，隔热层对多层织物的综合热防护性能起到了重要作用。三维阻燃间隔织物的TPP值高于Nomex毡和Kermel毡，且透湿性能良好，若用此种织物替代传统消防服的防水透气层和隔热层，同样能达到很好的综合热防护效果，且三维阻燃间隔织物的质量轻于传统消防服中防水透气层和隔热层组合的质量。国产芳砜纶织物与国外高性能阻燃纤维织物相比，其热防护性能相当于NomexⅢA织物，优于Kermel织物。热防护性能好的多层织物组合是芳砜纶、三维阻燃间隔织物和阻燃棉布。
3、TPP试验结果分析
1)第15组织物组合是芳砜纶、三维阻燃间隔织物和阻燃棉布，该组合的TPP值高，达到了51．9。第5组织物组合是NomexⅢA、三维阻燃间隔织物和阻燃棉布，该组合的TPP值仅次于第15组，达到了50．7。Stoll＆Chinanta曲线是Stoll和Chinanta2位研究者在大量动物皮肤烧伤试验基础上，将动物皮肤达到二级烧伤所需时间转换成铜片热流计温度上升值，绘制出的皮肤二级烧伤时间与铜片热流计温度上升值之间关系的曲线。织物燃烧曲线与Stoll＆Chinanta曲线交点的横坐标即为达到二级烧伤时间。图1示出了第5组和第15组织物组合的TPP曲线。可以看出，第15组织物达到二级烧伤时间为25．8s，第5组织物达到二级烧伤时间为25．2s。虽然仅相差0．7s，但对火场中的消防员来说意义重大。因为火场中的情况危急，即使是0．4～0．5s的延迟，也足以保护消防员，增加消防员逃逸火场的几率。
2)第15组和第5组织物组合均是采用三维阻燃间隔织物代替传统防水透气层和隔热层，取得了较好的热防护效果，这主要与三维阻燃间隔织物的结构和成分有关。
从结构上看三维阻燃间隔织物是一种经编双层结构织物，由2块单独的织物构成，这2块织物结构紧密，织物间用加捻的芳纶纱(间隔纱)连接，保证了织物两面间具有充分的间隔层，从而保持空气在服装与人体间形成一个微气候，可以阻止湿气在皮肤表面积聚，对湿气有很好的缓冲作用，提供了良好的隔热效果和穿着舒适性。
从三维阻燃间隔织物的纤维成分上看，上下层织物选用优化的混纺纤维，其成分为聚酯、粘胶及阻燃的Nomex纤维，本身就是高性能阻燃纤维，双层织物中间用间隔纱相连，间隔纱采用100％芳纶加捻纱。有关资料表明，间隔织物所采用材料均满足EN469标准中对消防服外层原料规定的阻燃标准，所以三维阻燃间隔织物既能透气透湿又具有良好的热防护性。
消防服的穿着舒适性和热防护性同等重要。当前消防服主要采用4层结构，材料选取高密度材料。多层结构及高密度材料的使用将增加服装质量，增加消防员负荷，加大消防员的体力支出。且多层结构(尤其是防水透气层的设置)阻碍了热量的有效散发。芬兰研究机构对此进行了试验验证，结果表明：进行相同的消防活动后，穿着设有防水透气膜消防服的消防员的皮肤温度、出汗量远远高于穿着无防水透气膜消防服的消防员，不利于消防员生理热散失，大量的生理热迅速堆积在消防服内部，产生的热应激将对消防员的身心造成潜在伤害。因此，若用热防护性、透气性好且质量轻的三维阻燃间隔织物代替传统消防服中的防水透气层和隔热层，将大限度地减轻消防服带给人体的额外负担。
3)防水透气层采用热塑性聚氨酯(TPU)的组合，其综合TPP值低于采用FE的组合。这与2种膜的结构有关。FE与TPU均是防水透气材料，但由于膜结构不同，透湿机制不同。
资料显示，水蒸气分子的直径为0．0004m，而雨水中直径小的轻雾的直径为20utm。FE膜上有许多微孔，它们的孔隙直径在水蒸气分子直径和雨水分子直径之间，因此可以让气态的水自由通过，而液态的水则被牢牢挡在一边，以达到透气效果。
TPU薄膜属无孔亲水性薄膜。由于薄膜本身没有孔隙，防水效果很好，但从透气性的原理看，它和PTFE有本质上的不同。TPU的透湿主要通过其亲水特性来实现，依靠衣服内外温差把汗气冷凝在衣服面料的内表面，然后通过TPU内部的微孔把水吸收完，同时利用TPU本身的海绵特性渗透到面料的外表面，再通过外表面与空气接触，把水分蒸发出去，从而实现透湿的功能。
PTFE与TPU的另一个区别是前者为一种薄膜，在做成服装面料的时候，用特殊的黏合剂把它黏合在面料上；而TPU面料采用涂层工艺，是在熔融状态下，直接涂在面料上，不用任何的黏合剂。
由于FE防水透湿效果优于TPU，当含有水分的多层织物燃烧时，含TPU的组合导湿效果劣于含PTFE的组合，大量水分聚集在含删的组合织物内部，导致含TPU的组合传热速率高于含FE的组合，隔热效果下降，因而在湿态情况下，含TPU的组合热防护性低于含FE的组合。由此可见，防护服内的水分在很大程度上改变防护服的防护性能。
三、结论
1、垂直燃烧试验的结果表明：芳砜纶织物的阻燃性优于Nomex11IA和Kennel织物，但燃烧后表面脆化现象较严重，所以不适宜直接做消防服外层；NomexmA织物的损毁长度虽略大于芳砜纶，但炭化层结实，无破洞，适宜做消防服外层；Kennel织物损毁长度比芳砜纶和NomexmA织物都大，但燃烧后也无破洞，也可用于做消防服外层。
2、TPP试验结果表明：芳砜纶织物的综合热防护性能与NomexmA织物相当，略优于Kennel织物。多层织物组合中，芳砜纶、三维阻燃间隔织物和阻燃棉布组合的TPP值大，但由于芳砜纶不适宜做消防服外层，综合考虑，适宜的消防服多层织物组合是NomexⅢA织物、三维阻燃间隔织物和阻燃棉布，其综合TPP值达到50．7。
3、三维阻燃间隔织物的热防护性和透湿性都较好，且质量轻于传统消防服中的防水透气层和隔热层之和，可考虑将其用于消防服设计中，减轻消防员的负担。
4、隔热层在消防服的整体热防护中起到了重要作用。
更多相关测试仪器了解：http://www.refanghu.com/productlist/list-5-1.html
