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热保护 服保温 性能 测试方法 及皮肤 烧伤 评价

发布日期:2021-04-14 07:07:46
    热防护服是各类防护服装中应用最为广泛的一种。其作用是保护人体免受各种热损伤,如对流、传热、辐射热、溶解金属溅射、热蒸汽或热气体损伤。热敏防护服不仅具有一般防护服的使用性能,而且在高温环境下也有一定的防护作用。热保护服的热保护性能取决于热保护服的使用场合和使用环境,包括中温高温强热流环境,热保护性能也与传热方式有关。
 
    热保护服可以防止辐射热的侵入,促进汗液蒸发,增加体热。铠甲工作服和铝箔工作服比较常用,但是防热效果有限,穿着时人体会觉得闷热。所以要正确选择防护服和服装的层数,使各层的配伍性能达到最佳,既能阻燃隔热,又能使人穿着舒适。国产消热服-热保护服品种之一,一般为三层结构,外层和内层为壳体层、蒸汽阻挡层和保温层。图1是典型消防热保护服的多层结构图。
 
    热保护服主要用于减少人体皮肤热量的积累,保护皮肤免受烧伤和烧伤,热保护服不仅阻燃性能好,而且保温性能高。一般来说,防护服的热保护性能需要将铜片热流计或皮肤模拟传感器放置在偏离织物受热的一面,通过测试服装面料的热流,将吸收的热转化为皮肤烧伤的等级来判断。因此,无论是使用铜片热流计还是使用皮肤模拟器作为测试传感器,最要在一定的热暴露条件下,量化皮肤,达到二次烧伤的量值,才能评价服用织物的热保护性能。本文首先介绍了热保护织物和服装常用的热保护测试方法,然后介绍了人体皮肤烧伤的确定方法。
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热保护服主要用于减少人体皮肤热量的积累,保护皮肤免受烧伤和烧伤,热保护服不仅阻燃性能好,而且保温性能高。一般来说,防护服的热保护性能需要将铜片热流计或皮肤模拟传感器放置在偏离织物受热的一面,通过测试服装面料的热流,将吸收的热转化为皮肤烧伤的等级来判断。因此,无论是使用铜片热流计还是使用皮肤模拟器作为测试传感器,最要在一定的热暴露条件下,量化皮肤,达到二次烧伤的量值,才能评价服用织物的热保护性能。这篇文章首先讲的是热保护织物和服装的热保护性常用测试方法,然后再介绍人体皮肤烧伤的确定方法。
 
热防护
织物和服装阻燃与热防护性能测试方法
 
    热保护服的热保护性能可以通过一定的测试方法进行测试和评估。国内外在这方面做了广泛的研究,制定了相应的标准和方法。国内热保护服热保护性能测试方法的研究,前期重点是热保护服阻燃性能的测试和评价。目前,我国已经建立了相对完整的织物阻燃性能测试方法和标准,包括垂直法、水平法、氧指数法、45°倾斜法、烟雾浓度法等。在热防护服阻燃性能的测试中,中国借鉴国外同类标准,采用垂直方法进行测试和评价,即测试织物的续燃时间、阴燃时间和损坏长度。我国还制定了《关于热防护织物抗热、抗金属熔融冲击性能测试的国家标准》。根据公安部《消防员防护服、热服性能要求和测试方法》的行业标准,制定了防护服抗辐射热渗透性能测试方法。
 
    开发初期,美国、欧洲等西方发达国家较早开发出了热保护服,制定并实施了一系列先进完善的热保护服产品标准和试验方法标准。在热保护性能的测试研究中,除了制定和建立更完整的阻燃性能测试方法外,还建立了热保护性能的其他测试标准,如热保护服的保温性、完整性和抗液体渗透性,以及反映综合热保护性能的TPP法和Thermo-man法。通过这些方法,可以更全面地测试和评估热保护服的热保护性能。

    织物和服装阻燃测试方法。
 
    服装材料阻燃性能评价的一般指标是难易度、火焰表面传播速度、烟雾可见度、燃烧产品毒性和腐蚀性。前两个指标是燃烧性能评价的最重要指标。当前,国内外对阻燃织物性能的测试方法尚无较为全面、理想的方法,常用的方法主要有以下。
 
    燃烧器测试法(verticalflammabilitytest)
 
    本发明主要用于测试材料的燃烧广度(炭化面积和损坏长度)、续燃时间和阴燃时间。方法是在指定的燃烧箱中用指定的火源点燃一定尺寸的样品,去除火源后测量样品的继续燃烧时间和阴天燃烧时间,阴天燃烧停止后测量破损长度(炭化长度)。这是一种基本的测试方法,各国都有相应的测试标准,如美国AATCC34-66、NFPA701-1966、德国DIN53906、英国BS2963A、中国GB5455-1997等。
 
    氧气限制指数(LOI)
 
    该方法简称氧指数法,是指在规定的试验条件下,使材料正好处于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样品放入燃烧筒的样品夹中,调节氧与氮的比例,用特定的点火器点燃样品,在一定时间内自我熄灭或破损长度达到一定值时自我熄灭,此时的氧、氮流量从表中检测出氧指数值,即样品的氧指数值。
 
    GB5454-1997国家标准规定,样品燃烧2分钟后自熄或损坏长度正好为40毫米时所需氧气的百分比为样品氧指数值。
 
    服装阻燃试验方法主要是测量服装接触火源时的着火性能,以及由于火焰蔓延而在服装各部位燃烧热量的传导率,以及达到最高热量所需的时间。虽然这种方法在美国已经被用作服装联邦的标准测试方法,但研究没有标准化。这种方法也称为蘑菇测试方法,如图2所示。
 
    测试装置由燃烧器和记录仪组成,燃烧部分配有热电偶传感器。试验时,将32cmx16cm的样品在燃烧筒上卷成圆筒状(如图),使用长度为19mm的燃烧器,从0。5s,1s到12s,每隔1s在样品下端的不同部位接触3次,观察样品是否着火,着火时间,以表示着火性能。
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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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    由于织物在加热过程中收缩,为了保持样品在测试过程中的完整性,在测量过程中需要对样品施加一定的张力。ASTMD4108标准采用两种常用的样品张力方法,可根据试验需要选择不同的方法:
 
    将重1.0kg的金属块放在铜片热流计上;
 
    2)将钢针植入样品架,测试时将织物穿过钢针。同时,热流计绝热板上的计孔与样品架上的钢针正好一致,保证了热流计与样品背面的紧密接触。该方法最有效地防止织物受热收缩,克服了放置金属块不能完全消除织物热收缩的负面影响。
 
    NFPA1971建筑防火设备
 
    NFPA1971应该说是ASTMD4108标准方法的修改版。因此,它们的测量原理相同,大多数部件相似,但也不同。它们的主要区别是:①热源辐射/流热流比不同;ASTMD4108方法中,一个Meker燃烧器提供的辐射/流热比为3:7,而NFPA1971方法改为两个Mekei燃烧器,分别放置在与测试主体成45°的一排应时灯管两侧,如图4所示。采用电加热时,灯管的输入电压可调至输出辐射热与燃烧器火焰对流热的比例为5:5。②测试样品的规格和尺寸不同。样品尺寸为150mm×150mm,样品架上的小孔尺寸为100mm×10mm。该方法主要用于测试建筑结构火焰保护装置的热保护装置。NFPA1971971971971样品与壳体保护装置的保护装置
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    NFPA1977防火服和设备-防热辐射性能试验方法
 
    本实验是将样品垂直放置在应时灯辐射源前,在规定距离内,热源对样品进行热辐射,用原理和结构类似ASTMD4108的铜片热流计测量人体皮肤二次烧伤所需的时间,计算二次烧伤时间和暴露热流的总热流RPP值。
 
    低温热水加热终端设备的供水温度为30~60℃。当热源提供的水温满足这个要求时,热水可以直接送到终端;当热源能提供的水温低于此范围时,需要采取措施提高水温,或者当热水温度虽然位于30~60℃但较低时,也可以通过提高水温来提高散热性能。
 
    RPP=t2×qr
 
    公式中,qr-规定辐射热流为0.5cal/(cm2.s)或2.0cal/(cm2.s);
 
    造成二度烧伤所需时间,单位:s。
 
    RPP值越大,热保护服的防热辐射性能越好,反而越差。
 
    采用NFPA1977方法的实验仪器主要由辐射热源仪、预热屏蔽器、试样夹持器、铜管热流计和绘图记录器组成。
 
    辐射源装置以5根500W红外应时灯为辐射热源,垂直辐射样品。热源的辐射热量由调压变压器控制,通过调节输入电压,应时灯辐射规定的热流量为0.5厘米/厘米2.s或2.0厘米/厘米2.s。
 
    应时灯管需要一段时间才能达到一定的辐射热流,所以在这个预热过程中,样品应该不会受到热辐射,所以在热源和样品之间设置预热屏蔽装置,防止样品过早受到热辐射,保证样品的准确性。样品夹紧装置将样品夹紧并垂直放置在辐射热源前,两个中间由带有矩形孔的金属板组成。
 
    放置在样品中的铜片热流计用于测量通过样品的热流量,将热量计的温度转换成电压输出,并绘制铜片热流计的温度随热辐射时间而变化的曲线。
 
    在实验室试验中,首先切割5个尺寸为22.86厘米×10.16厘米的样品,在标准大气压下调湿,然后将样品放入样品夹紧装置,保持样品夹紧平整,放入试验仪。接着,打开电源,将变压器的输出电压调整到规定的电压,以确保红外加热应时灯具有规定的辐射热。红外线应时灯预热60s后,取出热源预热屏蔽装置,使样品垂直暴露在热源30s后,关闭电源和记录仪,放置预热屏蔽装置,取出铜热流计,冷却试验结束。新的测试只能在量热器温度降到33℃时才能进行。
 
    造成二次烧伤所需时间由记录仪绘制热流计温度随热辐射时间变化而变化的曲线与二次烧伤标准曲线相交,最后按式(2)计算样品的RPP值。
 
    RPP试验主要用于测量热保护服的辐射热保护性能。由于热辐射是热损伤的主要传热形式之一,该方法可以从一个方面更好地测试和评价热保护服的热保护性能,广泛应用于森林消防等领域。
 
    服装热保护性能火人测试方法
 
    与小规模测量方法相比,火人等大规模测试方法可以提供相对全面的服装热保护、热收缩等信息,但测试成本更高,操作更复杂。世界上许多组织和标准化组织已经开始开发热保护服装测试装置,并制定了相应的标准。火人是一种模拟消防员或高温工作人员的身体,配有几个测温传感器。每个温度传感器测量的温度值代表人体皮肤的一部分表面温度。采用火人技术,具有模拟高温辐射环境和火灾条件的人体。结合计算机数据采集、处理和图像显示技术,评估和研究工人防护服装的整体热保护性能,不仅可以满足热保护服装的特定使用,还可以快速、直观、定性、定量地显示工人烧伤分布图像。
 
    现在主要有三种火人测试系统,分别是杜邦公司的Thermo-Man假人、北卡州立大学的PyroMan火人和加拿大阿尔伯特(Alberta)大学的火人测试设备。两者都能很好地模拟外部明火环境,一般模拟热源热能为84kW/m2,这也是消防队员在灭火过程中对服装外部热量保护的评估值。实际上,在更多的情况下,消防队员暴露在热源中的热量低于这个值。表1是某些不同火源环境下暴露的热流值。
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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。

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