热防护服测试评价和研究方法
热防护服是指对在高温条件下工作的人体进行安全保护，从而避免人体受到高温伤害的各种保护性服装，它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，许多安全防护行业要求职工工作中须穿着防护服装，以防高温辐射。即使在穿着防护服装的情况下，在极高温环境中人体也有可能被高温灼伤皮肤，因此，很多研究者就热防护服装和织物的热防护性能进行了大量的研究。
目前已研制出小规模(Bench—top tests)测试、火人测试及美国伍斯特军事学院的热属性评价装置(Thermal Properties Test Fixture，T阳F)¨J，用来评价各种热危险环境下织物或服装的热防护性能。从国外所述文献[8—11]来看，定量的评价热防护服装的热防护性能过程中，需要运用皮肤传热模型，并结合Henriques皮肤烧伤方程，才能得到人体皮肤达到二级烧伤所需时间t：，但是所有的皮肤传热模型都是基于如下的Pennes传热方程建立的：
从物理学与生理学来说，Pennes皮肤传热方程的本身就存在着一些问题，尤其是在瞬间的高温传热过程中。实际上，该模型是在基于经典的Fourier热流定律基础上建立起来的，这也就是隐含着这样的一个假设，即认为介质中的热传播速度无限大，这就相当于只要介质内某处温度发生变化，就会瞬间引起另一点的温度变化，然而对于像人体皮肤这类生物组织来说，热量从一点传输到近一点需要对热扰动响应作出反映的松弛时间丁H3。，因此，在评价热防护服热防护性能时，需要考虑到皮肤组织传热速度有限的因素，以使烧伤预测值更接近实际皮肤烧伤结果。
笔者介绍一种新型皮肤传热方程，即考虑了热量在皮肤传递速度有限的热波皮肤模型来测量皮肤的烧伤度，从而以此热防护服用织物层下皮肤烧伤级别来评价织物的热性能。首先，通过模拟皮肤器表面的热电偶测量模拟器的温度，通过将温度值代入Diller法则公式决定皮肤模拟器吸收的热量值；然后，再将得到的热量值作为热波皮肤模型的边界条件预测皮肤基面温度，结合Henriques皮肤烧伤模型得到皮肤二级烧伤的时间；同时还比较了运用Pennes皮肤模型与TWMBT模型预测皮肤烧伤时间与皮肤温度变化的结果。
1热波皮肤模型
根据傅立叶热流定律，并考虑皮肤生物组织传热速度有限的物理事实，Cattaneo。14o提出了非稳态下的一维热流方程，即非Fourier公式的线性展开：
当7-珈，式(3)即转化为著名的Pennes生物传热方程。由于生物组织中的热传播速度远较其他材料(如金属、液体等)为小，其热松弛时间(如肉类下一20—30 S)远大于金属等的r一10。10一10。4 S，因而考虑了热有限传播速度的热波模型更合理，更能反映生物传热的本质。
实际传热过程中，皮肤组织上传热实际上主要发生在垂直皮肤表面一维方向，并且假定容积发热源为0，根据式(3)，那么皮肤组织上的稳态温度值t(戈，0)分布如下：
初始条件(t=o)：
0(z)=0 (9)
式中，t，为皮肤受热时间。数值解方程时，假定皮肤表面和体核的温度是一个常数，分别为32．5℃和37。C。通过在整个求解皮肤区域内建立有限数目的网格，将温度场各微分方程变换为节点方程，运用完全隐式差分格式，编写VB程序计算节点温度和热流量值。
2 实验
2．1实验装置
实验装置采用的是改进的辐射防护性能(RPP)测试仪，如图1所示，其测试基本原理同NFPA1977[1副标准方法(防野火防护服装与装备标准)所述类似。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)。
放置在防护服用织物试样背后的皮肤模拟传感器测量通过试样的热量，试样与石英灯管的距离为55．4 mm。辐射源的发热量依照ASTM F 1939¨叫标准方法进行校定。该装置中的皮肤模拟器材料采用的是人工微晶玻璃，其热传导率为1．46 W／m·K，热扩散率为7．3×10。m2／s，而且它的热物理性能不随其表面温度改变而改变，该特点与皮肤属性极其相似。整块皮肤模拟器的厚度为12．8 mill，其背面附着在恒温冷板表面，使其背面保持在恒温37℃，恒温冷板与恒温水浴相连。皮肤模拟器表面装有一只T型热电偶，热电偶的接线沿法向穿过模拟器接人转换器，热电偶的测量端用环氧树脂胶粘于模拟器表面，环氧树脂可耐高温度380。C，适用于制作强热流环境下的粘结剂。
2．2试样与测试过程
该实验中选取了3种典型应用的热防护织物，其分别是：Metamax⑧耐火织物，阻燃棉纤维(Metamx⑩／FR Cotton)织物，聚丙烯腈预氧化纤维(Panof)织物。各织物结构参数如表1与表2所示。
测试时，首先剪取尺寸为22．86 cm X 10．16 cm的5块试样，并在标准环境下调湿、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30 s后，关闭电源和记录仪，放上预热屏蔽装置，取下皮肤模拟器并冷却，试验完毕。当热流计温度下降至33℃时，才能进行新一次试验。
2．3皮肤烧伤评估准则
皮肤烧伤评价过程中，一般认为，当人体皮肤表面下80斗m处的基面温度达到44℃以上时，皮肤开始烧伤破坏，破坏程度随温度上升成对数关系加深。
通常，在一定的热暴露环境下，用铜片热流计并借助于Stoll曲线确定“皮肤”达N---级烧伤所需的时间，然而Stoll烧伤准则是Stoll和Chianta两位研究者通过实验确定皮肤在4．2～16．8 kW／m2的热暴露环境下皮肤二级烧伤时间，而暴露热流量在此范围之外的二级烧伤时间，则是通过外推法而得；另外，应用Stoll方法首要前提是保证人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。
基于以上原因，笔者采用了目前应用较广泛的Henriques皮肤烧伤模型方程¨7|，该模型通过将皮肤温度代人到Henriques提出的一阶阿伦尼乌斯(Arrhenius)方程，即认为皮肤的烧伤破坏过程是一个化学变化的积分形式：
式(8)是一个由皮肤活化能AE和频率破坏因子P参数控制的函数方程。式中，力是皮肤烧伤破坏程度的量化值，无量纲；R是皮肤活化能和理想气体常数(8．31J／mol·℃)。Weaver和Stoll两位研究者将皮肤基面温度数据与二级烧伤时间数据进行了比较分析，得到的不同皮肤基面温度下的AE和P值，如表3所示。
若基面温度T>44℃且门>0．53，那么皮肤一级烧伤；若T>44。C且=1．0，那么皮肤二级烧伤。可知即使冷却过程中，只要皮肤基面温度T>44℃，皮肤继续会烧伤破坏。与Stoll准则不同的是，式(8)综合考虑到了这一冷却烧伤效应。
笔者选择了新型热波皮肤模型来评估皮肤的热损伤，其测试分析过程如下：
1)运用皮肤模拟器表面的热电偶测量其表面温度五。
2)将L值代入到Diller法则公式得到皮肤模拟器表面吸收的热流量值g”。。
3)以q”。作为热波皮肤模型的边界条件，获得皮肤基面的温度值丁。
4)将皮肤基面的温度值丁代入式(8)——Henriques皮肤烧伤模型方程，求得皮肤达到二级烧伤所需时间。
其中，q”。是运用Diller法则¨副计算而得。将整个测试时间分为n个时间步长，在某一步长t。，根据该步长前所有步长的温度差(瓦一t一，)求和，可得该步长下的热流量值q”。：
3结果与讨论
3．1热波皮肤模型与Pennes方程比较分析该实验中，辐射热流通量为21 kW／m2，通过测量Al芳纶织物试样下的皮肤模拟器温度，数值计算人体皮肤的温度，每个试验的辐射加热时间为10 s，而整个计算时间为20 S。图3是皮肤基面的温度随时间变化曲线，图3的曲线显示出运用热波皮肤模型(TWMBT)与Pennes皮肤模型预测皮肤温度值差别显著。
在加热的开始阶段，Pennes方程预测值较TWMBT预测值大，这是由于Pennes方程是基于Fourier热流定律建立的，而热波皮肤模型则考虑了热量在皮肤组织中传递速度有限这一物理事实，因此，热量从表肤表面传递到皮肤内部某一点需要一定的时间延迟或松弛，从而导致其温度预测值偏低，但是经过较长时间后，皮肤传热达到稳态后，两个皮肤模型所预测值相近。
事实上，由于运用Diller法则计算瞬间入射热流量时，采用了类似数值差分格式，且时间步长的划分较粗，因此，根据皮肤模型所绘出的温度时间曲线并不光滑。
由于两个皮肤模型预测分析温度值存在差别，必然导致两者预测皮肤烧伤度的差异。图4是A1～A4这4种织物试样层下的皮肤模拟器测试分析所得的皮肤二级烧伤时间柱状图，在考虑了皮肤传热的松弛时间丁后，即由TWMBT模型方程分析得到的织物热防护性能比Pennes方程预测得到的防护性能强。
如表1数据和图4柱状体所示，可知厚度或重量相似的条件下，织造系数高的织物(A2)的热防护性能比织造系数低的织物(A3和A4)的防护性能强，这是由于织造系数高，织物紧度高，热量不易透过织物，导致织物热防护性能增强。21 kW／m2热流辐射过程中，大约在8 s后A2与A3试样有焦化现象发生。
3．2 Henriques烧伤模型与Stoll准则方法比较当前小规模(Bench—top—scale)的热防护性能测试要求被测纺织品暴露于一定的热流量环境，采用铜片热量计测量通过织物试样的热量，借助于Stoll准则获得皮肤二级烧伤时间。为了比较Henriques方法与Stoll方法，这里按照TPP(Thermal ProtectivePerformance)热流计技术制作了一只铜片热流计，在相同的辐射热流环境(21 kW／m2)下，分别运用皮肤模拟器与铜片热流计测量同一种试样的防热时问，以进行横向比较。
从表4可知，3种测试方法的CV值都不大于10％，表明、狈0量热防护服用织物热防护性能时，这3种方法的可信度高，稳定性好。显然，图5中3条曲线不同位置又表明Henriques与Stoll方法在测试热性能值时存在差异，但曲线的变化趋势一致。通过对Stoll方法与TWMBT皮肤模型方法(Henriques)进行相关分析，得到其相关系数为0．8054，如图6所示，表明Henriques烧伤方程并结合TWMBT皮肤模型的皮肤烧伤评价方法适合于评价热防护织物热防护性能。
相同测试条件下，结合Pennes方程的Henriques皮肤烧伤评价方法得到皮肤二级烧伤时间短，Stoll次之，而TWMBT长(见图6)。
导致Stoll方法与Pennes方程(结合Henriques方程)评价差别是由于这两个吸热计的吸热性质的差异，同等受热条件下，皮肤模拟器升温更快，吸收热量更多，运用Pennes方程预测皮肤的温度时，没有考虑热松弛时间这一因素，相应的其皮肤预测温度上升快，吸收热量多，达到二级烧伤时间短；但TWMBT方程则综合考虑了皮肤生物组织传热速度有限这一因素，其预测二级烧伤时间长。
4结 论
1)笔者提出了在高温安全防护领域一种评价热防护织物热防护性能的新型皮肤传热模型——皮肤热波模型(TWMBT)，并采用了实验与模型分析的“两步法”来预测皮肤烧伤度，该模型考虑了强热流环境中热防护织物层下皮肤组织传热的热波影响因素。
2)在加热的初始阶段，运用TWMBT模型预测的皮肤基面温度比Pennes方程预测低。
3)相同测试条件下，结合Pennes方程的Henr—iques皮肤烧伤评价方法得到皮肤二级烧伤时间短，Stoll次之，而TWMBT长。
4)Henriques烧伤方程并结合TWMBT皮肤模型的皮肤烧伤评价方法适合于评价热防护织物热防护性能。
更多关于 热防护服性能测试仪：http://www.refanghu.com/productlist/list-5-1.html
