第三節 圓筒形熱防護測試裝置

一、國外圓筒測試裝置

（一）蘑菇試驗方法

圖2-5 蘑菇試驗方法燃燒筒示意圖

服裝阻燃性能試驗方法主要是假設穿著的衣服燃燒時，測定衣服接觸火源時著火性和因火焰蔓延而衣服各部位燃燒熱的傳導率以及達最高熱量所需的時間。這種方法又稱蘑菇試驗方法，此法在美國雖已作為服裝類的聯邦標準試驗方法用于研究工作中，但尚未標準化。試驗裝置由燃燒器和記錄儀兩部分組成，燃燒部分裝有熱電偶傳感器，試驗時，將32cm×16cm的試樣在燃燒筒上卷繞成圓筒狀，如圖2-5所示，用火焰長19mm的燃燒器，從0.5s和1s到12s，每隔1s在該筒狀試樣下端的不同部位，各接觸火焰三次，觀察試樣有無著火和測定著火的時間，用以表示著火性。

（二）阿爾伯特大學的克朗（Crown）等設計的圓筒儀

加拿大阿爾伯特大學的克朗（Crown）等設計了圓筒儀來模擬服裝穿著的狀態，并將其與不同的測試方法（ASTM D 4108和ISO 9151 標準方法）進行對比，發現圓筒裝置比平面裝置，更能實際客觀地評價面料的防護性能。

二、耐高溫圓筒熱防護測試裝置研制

為了全面評價耐高溫服裝的整體隔熱性能，本書作者開發了一套模擬人體的“圓筒”測試儀，用來測量四周皆為高溫輻射環境下耐高溫服裝的熱傳遞性能。

（一）模擬皮膚的選擇

選擇合適的模擬皮膚是測量防護服的熱防護性的關鍵，模擬皮膚不僅要求在受熱時具有類似于人體表層皮膚對熱輻射吸收的物理屬性，而且在熱源被隔開后還具有未燒傷皮膚冷卻時相似的物理屬性，即模擬皮膚燒傷后還能恢復，保證測試實驗可重復性。

測試裝置選擇與人體皮膚物理屬性相似的人工微晶玻璃塊作為模擬皮膚器。該種物質屬陶瓷類材料，其熱傳導率約為1.5W/（m·K），熱慣性參數為1750W·s^1/2/（m·K），而且它的這些物理性質不隨溫度變化而變化。微晶玻璃塊的表面溫度上升率與熱慣性參數成反比，在給定熱流量輻射下，它的表面溫升率比實際人體皮膚小。

圖2-6 皮膚模擬器橫截面形狀示意圖

將微晶玻璃做成內徑為25mm，外徑為50mm，熱量由外向內傳透時間約為54s，比實驗中暴露測試的時間長。微晶玻璃上裝有兩個熱電偶，一個膜電偶（膜電偶1）放置在它的外表面以測定其表面溫度，另一個膜電偶（膜電偶2）內嵌于人工微晶玻璃塊內，距離圓筒內表面2.5～3.5mm，其橫截面形狀如圖2-6所示。

（二）實驗裝置

耐高溫服裝熱性能測試裝置見圖2-7。采用加熱圓筒形銅套作為高溫輻射熱源，內表面涂成黑體，銅套外表面及上、下兩底面均與外界環境隔熱。

用安裝在銅套內表面的鉑電阻傳感器來測量溫度，輻射加熱體的內表面輻射熱流量根據實驗的需要而確定，因為采用的是電功率加熱，所以可以通過調節電壓來調節熱流通量。由于熱量只由內表面向外傳輸，因此可按照下面公式確定輻射熱流通量q_rad：

式中：V——輸入電壓；

I——輸出電流；

S——銅套內表面面積。

高溫加熱體外緣均用絕熱材料包覆，以保證熱流沿銅套內表面徑向流動。

用包有隔熱層的彈性鋼圈做成的試樣架定位在磁性機架2上，試樣被夾持在鋼圈上，調節彈性鋼圈的直徑，從而可以調節被測試樣的直徑。試樣與皮膚模擬器之間為空氣層，空氣層厚度由測試需要而確定。

圖2-7 防護服熱性能測試圓筒儀

為了減小測量誤差，在防護服熱性能測試圓筒儀的熱源和皮膚模擬器（織物）之間設置一層活動預熱屏蔽套，由純銅板、散熱管、纖維層、不銹鋼防護層四層組成。預熱屏蔽套上帶有圓形導軌，在自動卷繞機構的帶動下它可沿著導軌上下移動，即停止或者開始熱源對織物的輻射作用。預熱屏蔽套中的散熱銅管在測試時通常通有循環冷卻水，以使熱源輻射熱被有效的隔開，在600℃的高溫輻射環境下，應保證預熱屏蔽套背面的溫度上升不超過1℃。

人工微晶玻璃塊固接在恒溫柱上，恒溫柱內設有循環水通道，循環水通道與恒溫水浴相接，保證測試時恒溫柱體保持恒溫，模擬人體體內溫度37℃。

（三）測試技術指標

如前所述，測定耐高溫服裝隔熱防輻射性能的主要目的之一就是正確選擇、搭配耐高溫服裝組件，測定其防熱時間（t，達到二級燒傷的時間）以防止人體皮膚受到燒傷破壞。人體皮膚表面正常溫度為32.5℃，但在皮膚表面下80μm（真皮層處）溫度達到44℃或以上時，皮膚即發生熱破壞，破壞程度Ω與暴露時間（t）及溫度有關，它們之間符合Henriques燒傷積分模型這一方程式：

式中：Ω——皮膚燒傷破壞程度的量化值，無量綱；

R——摩爾氣體常數，8.31J/（mol·K）；

ΔE——皮膚的活化能，J/mol；

P——皮膚組織頻率因子，1/s；

T——皮膚表面80μm處溫度，℃；

t——皮膚受熱時間，s。

ΔE和P都隨皮膚溫度改變而改變，表2-1列出了在不同溫度下人體皮膚的模擬皮膚器的兩個參數值。當Ω等于或大于1時，皮膚即達到二級燒傷；當Ω等于0.53時，皮膚達到一級燒傷。

表2-1 Henriques燒傷積分模型常數表

要從實驗獲得皮膚一定熱輻射強度下達到二級燒傷的時間即防熱時間t，必須先測出距模擬皮膚表面80μm處的溫度T，為此，本裝置中在皮膚模擬器表面裝有一個膜電偶，另一個熱電偶嵌于距模擬皮膚表面3.0mm處，分別測出其對應點處溫度T₁、T₂，因此T則可以運用線性插值求溫度的方法獲得，然后我們將得出的模擬皮膚溫度值T代入皮膚燒傷方程式（2-4）中，從而獲得皮膚燒傷破壞程度。測量T₁、T₂及計算T的時間步長均為0.1s。

由于T是一個變化的值且與時間t不構成某種函數關系式，因此方程（2-4）不能通過常規求積分方法獲得，我們擬對方程（2-4）求導，獲得：

同樣取計算步長為0.1s，可用數值計算方法求出微分方程（2-5）在此整個計算時間t內的值，假定真皮層溫度T總是在44℃以上，因此：

熱源被隔開后，由于外層有一層織物包覆，模擬皮膚熱量不能快速散去，此時只要“真皮層”的溫度在44℃以上，皮膚燒傷破壞持續進行。采用Henriques皮膚燒傷積分模型的優勢在于可以連續地測試計算并分析出皮膚達到不同程度的燒傷所需要的時間，彌補了當前測試方法中沒考慮到冷卻階段皮膚繼續受熱并發生破壞的情況。

（四）試樣及其測試方法、結果與討論

1.試樣

按照國內外耐高溫服裝實際使用情況，我們取三層織物組合構成耐高溫服組件，即阻燃層作外殼層，濕汽層居中，內為熱舒適層。濕汽層和舒適層采用市場上常用的錦/棉紡平布+PTFE層合織物和Nomex/棉50/50的混紡織物，而外殼層則選擇了Dupont公司的Nomex^?Ⅲa織物、阻燃棉（FR cotton）兩種不同種類的織物，分別與透氣層、舒適層構成了兩種不同的組合，各層織物物理屬性見表2-2。測試之前，將織物放在溫度為20℃，濕度為65%的恒溫箱內調理12h，織物厚度用KES壓縮儀測量。阻燃層織物的熱阻用防護箱法測定。

表2-2 織物層的物理屬性

將織物裁剪成一定形狀，然后將這三層織物縫合成筒狀，盡量使各層之間的空氣層間隙為零。

2.測試方法、結果與討論

將試樣放置于測試裝置上，在這個實驗中取組件舒適層與模擬皮膚之間的空氣層厚度為5mm。開啟電源，關閉預熱屏蔽套，預熱銅套達到一定的輻射熱流通量，數據采集系統開始工作，再過20s后，啟動卷繞機構，關閉預熱屏蔽套，織物暴露于高溫環境下，暴露時間視皮膚模擬器表面溫度上升程度而定，保證其表面溫度不超過90℃；緊接著關閉預熱屏蔽套，切斷加熱電源，使系統冷卻30min，將防護服組件從試驗裝置上移開。對每種組合的服裝配件共進行8次試驗，計算機以一定的間隔時間自動記錄各傳感器的值，獲取各測量指標的平均值，從而分析并計算出模擬皮膚溫升率，并預測皮膚燒傷度，繪制出織物、模擬皮膚表面溫升及吸熱曲線。

圖2-8所示的是耐高溫服裝組件阻燃層外表面及舒適層內表面上的溫度隨時間變化的關系曲線。

圖2-8 服裝組件外殼層及舒適層內表面溫度變化與時間的關系

每個實驗到達外殼層上的總輻射熱流量均為0.21W/cm²，熱輻射作用時間為200s，由圖中溫升曲線可以看出熱傳入皮膚模擬器表面大約100～110s后即可達到穩定狀態。在相同的熱輻射強度下，不同耐高溫服組件的搭配導致其溫升曲線有差異，這是由于外殼層隔熱性能不同，但每種織物的溫度上升趨勢及冷卻過程相似，可以看出這兩種防護服組件的吸、放熱曲線相似。溫度上升到穩定狀態后，組件最外層與最內層溫差達到了80℃，可見多層耐高溫服能有效地減少熱量向服裝內的傳遞，無論在輻射加熱階段還是在冷卻階段，外殼層“溫度——時間”曲線都比內層陡峭，因此內層溫度上升和下降的速度均較外殼層表面慢得多，緩沖了熱量的傳遞。

圖2-9所示是單層阻燃棉織物外表面暴露于0.25kW/m²的熱流量20s后，織物內表面及模擬皮膚表面溫度變化與時間的關系，每秒鐘收集一次數據。就這里的熱輻射通量、防護織物及空氣層厚度而言，我們假定熱在空氣層內是以傳導的形式傳遞的，而忽略了織物內表面向人體輻射的熱量。由溫度上升、下降趨勢可以看出，人體皮膚下的空氣層也可以提供有效的熱保護，溫度從織物內表面到皮膚外表面下降了近10℃。實際消防員身著消防服時，防護服與消防員之間的空氣間隙內的表觀溫度將因消防員所處的位置、運動狀態及環境溫度的不同而有所不同，但是服裝層下的微小空氣層降低熱傳導率的作用是顯而易見的。

圖2-9 模擬皮膚表面、織物內表面溫度變化與時間的關系

運用Stoll曲線來確定防護服的防熱時間t的前提假設條件是要求入射到模擬皮膚表面的熱流強度保持不變，但是一旦在熱源和模擬皮膚器之間放置一層（多層）織物時，熱流強度會有變化，此時就會給實驗計算帶來很大誤差，因此本實驗中取Henriques的皮膚燒傷積分模型來預測皮膚燒傷度。選擇表2-2中兩種防護服組件的阻燃層進行單層實驗，熱源入射到織物外殼層的熱流強度為8.1W/cm²，暴露時間為20s，整個測試時間為100s。實驗中空氣層厚度從1mm到9mm變化，圖2-10給出了不同的空氣層厚度下的模擬皮膚達到二級燒傷所需時間（防熱時間）t的條形圖。

圖2-10 空氣層厚度——防熱時間條形圖

在8.1W/cm²熱輻射強度下，Nomex^?Ⅲa與6mm厚的空氣層搭配有最大的防熱時間，約為7.8s；空氣層厚度為7mm時，阻燃棉織物有最大的熱防護時間7.2s，這可能與織物的緊度有關，我們稱最長防熱時間所在的空氣層厚度為臨界點。在臨界點以下，因為空氣的熱傳導率低，空氣層厚度增加，入射到模擬皮膚的熱量減小，因此其防熱時間增加。然而，當空氣層厚度增加到一定數值時，空氣層中熱傳遞則會以對流形式存在，從而入射到模擬皮膚的熱量增加，防熱時間減少。從圖2-10可以看出，Nomex^?Ⅲa織物的防熱時間比阻燃棉的小，故Nomex^?Ⅲa織物的防護效果反而沒有阻燃棉的好。

（五）小結

高溫“圓筒儀”是一種能夠評價高溫下防護織物（服裝）瞬態熱傳遞性能的測試儀器。它采用了內置膜電偶的人工晶體微晶玻璃塊作為模擬皮膚器，能測試出各種熱環境下皮膚受到不同燒傷程度所用時間（即防熱時間）非常適合于測量石油、冶金、化工等室內高溫環境及建筑消防的耐高溫服裝的熱防護性能的測試。

由于這里所有的測試都是在皮膚干態下進行的，因此沒有考慮到皮膚出汗對人體散熱的影響，不過在人體暴露于非常高的輻射或對流熱流強度下，皮膚燒傷所需時間也許只有幾秒鐘，在這幾秒人體還來不及出汗，因此這時候就無須要考慮出汗對防熱時間的影響。

需要指出的是這里所用高溫輻射源為圓筒形，模擬了室內高溫環境，即人體處于四周皆為熱輻射包圍。實際消防滅火時，由于輻射源相對于人體面積大得多，可假設人處在筒形輻射源中，從而將來可以方便地建立一維徑向傳熱模型，進而可以預測耐高溫服裝的熱防護性能。

進一步工作將研究運用高溫“圓筒儀”對低熱流量環境下——正常工作狀態下消防員及其他高溫作業工人持續工作較長時間的熱應力測試，出汗及織物中含濕量對耐高溫服裝的隔熱防護性能影響。