基于计算机仿真的聚酰亚胺消防服的研发

万贤福,张小云,杜世仪，李俊玲，汪 军

(1.东华大学 纺织学院，上海 201620；2.中国纺织科学研究院 江南分院，浙江 绍兴 312071)

聚酰亚胺(polyimide, PI)具有优良的耐腐蚀、耐高低温、耐磨损等性能，被广泛应用于航空航天等高科技领域[1-3]。聚酰亚胺纤维是近年来纤维高分子材料领域应用广泛且发展迅速的一类高性能纤维，有望在电磁屏蔽、雷达红外隐身、建筑材料及防护用品等领域或恶劣的环境中得到广泛应用[1-3]。在消防服领域，目前世界上的功能性消防服市场广泛采用杜邦公司生产的芳纶纤维，即Nomex和Kevlar纤维[4]。聚酰亚胺纤维在消防服上的应用仍处于探索阶段[4-5]。

笔者课题组基于聚酰亚胺纤维，进行了灭火防护服外层面料的设计与开发。 在设计和开发过程中，需要对面料和服装的防护效果进行预测。 除了对面料进行热防护性能测试之外， 在服装层面的测试涉及消防假人，使用成本过于昂贵。 因此，采用计算机仿真技术来预测面料防护效果，从而为聚酰亚胺防护织物和服装的设计和开发提供依据。

1 计算机仿真模型

由于消防服涉及生命安全，多年来，科研工作者对于消防服计算机模型开展了大量的研究。 其中，绝大部分工作主要关注消防服本身的防护机理，而忽略人体与消防服的动态热湿交互作用对防护效果的影响。 然而，防护过程是环境、消防服和人体3个系统动态热湿交互的结果；除了消防服的防护性能外，防护效果还受到消防服与人体的动态热湿交互作用的影响；人体热生理调节作用也具有一定的影响。这需要将人体动态热生理模型与消防服模型结合起来，建立起消防服-人体-环境的一体化模型。

基于文献[6]建立的消防服-人体-环境的一体化模型[6]，进行聚酰亚胺消防服的研发。 为了方便读者阅读，下面对此模型进行简要阐述，具体细节参阅文献[6]。

该模型主要包括如下几个部分：人体热生理系统、消防服和皮肤烧伤模型以及各系统间的交互行为的建模。通过将这些数学模型结合起来，在交界面上互为边界条件，一起求解就得到了一体化模型。

(1) 人体热生理系统模型[7]。人体热生理系统模型把人体简化为多段(头、躯干、手臂、手、腿和脚等)，其中，除了头简化为球体之外，其他都看作圆柱体，每一段又分为4层，即内核、肌肉、脂肪和皮肤。血液循环系统简化为一个中心血池，与之前每个节点(各段的各层)通过对流的方式进行热交换，层与层之间通过导热方式进行热交换，针对每一个节点建立热平衡方程。

此外，模型以人体中性状态温度为基准，根据中枢及皮肤处的温度与基准的差确定热暖信号，产生出汗、打颤、血管收缩或扩张等4种反应量。 根据这些反应量，调节相应节点的新陈代谢率、血流量以及出汗量，从而实现体温调节。

(2) 消防服模型。消防服分3层组成，包括阻燃层、防水层和隔热层。通过一定的简化，基于热传递机理，建立多层消防服面料的热传递方程[8]，如式(1)所示。

(1)

式中：T为温度；C为材料的比热容；ρ为各层材料的密度；k为热导率；γ为热辐射衰减系数；qr(x=0)各层材料外表面的辐射热通量；x方向垂直于织物表面，从织物的外表面指向内表面。

(3) 皮肤烧伤模型。皮肤烧伤采用Henriques模型[9]，计算出皮肤烧伤指数(Ω)为烧伤预测的指标。当T(皮肤角质层与真皮层之间的界面温度)到达44 ℃之后，Ω>0.53时, 指示皮肤发生Ⅰ度烧伤，而当Ω=1.00时，则指示皮肤发生Ⅱ度烧伤。

2 聚酰亚胺消防服的仿真

为了将计算机仿真模型应用于聚酰亚胺消防服的研发，首先需要获得消防服各材料的物性参数。笔者课题组开发了一种聚酰亚胺消防服外层面料，其物性参数见表1。 为了便于分析，仿真中提供对照试样。对照试样是一件Nomex消防服[8]，其物性参数列见表1。表1中的防水层和隔热层也同样参照文献[8]。

表1 计算机仿真中各层材料的物性参数Table 1 Physical characteristics of fabric layers in the computer simulation

仿真的救灾过程如下：消防员进入火场后所处的危险环境即辐射热通量为1.5 kW/m2，对流热通量为2.0 kW/m2。救灾过程中，消防员做中等负荷(新陈代谢率为180 W/m2)的工作，15 min后撤离至安全区域。

将消防服物性参数和消防员救灾过程参数配置在仿真程序中，运行获得仿真结果。

3 结果与分析

3.1 烧伤情况动态预测

皮肤烧伤指数预测如图1所示。由图1可知：对照试样于13 min达到烧伤指数0.53，发生Ⅰ度烧伤，并于16 min到达烧伤指数1.00，发生Ⅱ度烧伤；而聚酰亚胺消防服则在19 min才到达Ⅱ度烧伤。 显然聚酰亚胺消防服的性能优于对照的消防服。

图1 两种消防服的皮肤烧伤指数预测对比Fig.1 Comparison of skin burn index prediction of two firefighting clothing

身体各部位烧伤指数预测如图2所示。由图2可知，呈现烧伤的先后顺序为小腿、手臂、大腿和胸，两种消防服所呈现的烧伤分布是一致的，尽管程度不同。 这或许与模型的假设有一定的关系，仿真模型假设环境的辐射热通量和对流热通量都均匀作用于各部位表面。 这与现实情况有一定的出入。

图2 两种消防服的身体各部位皮肤烧伤指数的预测Fig.2 Prediction of skin burn index in body parts for two firefighting clothing

3.2 消防员的热生理指标的动态变化

消防员的体核温度变化如图3所示。由图3可知，消防员的体核温度在4 min后呈现快速上升的趋势，但两种消防服的上升速率并不相同。 对照试样的增速快于聚酰亚胺消防服， 两者最后都进入了危险区域，其中，对照试样达到41 ℃，而聚酰亚胺则是40.5 ℃。

图3 消防员体核温度对比Fig.3 Comparison of the core temperature of firefighters

消防员皮肤平均温度随时间的变化如图4所示。

图4 消防员皮肤平均温度随时间的变化Fig.4 Comparison of the average skin temperature of firefighter over time

由图4可知，消防员皮肤平均温度在前4 min上升很快，到达41～42 ℃，后续则增速变缓，超过44 ℃，进入烧伤区域,聚酰亚胺比对照试样的皮肤平均温度低约1.5 ℃。

3.3 消防服的动态温度变化

以胸部位置为例，两种消防服的各层温度随时间的变化如图5所示。由图5可知：消防服的各层温度上升极为迅速，2 min左右就接近平衡；后续的增长相对缓慢。 温度分布从外到里递减， 聚酰亚胺比对照试样温度低10 ℃左右。

图5 两种消防服各层温度分布预测(胸部位置)Fig.5 Prediction of temperature distribution in two firefighting clothing (chest position)

3.4 理论分析

聚酰亚胺消防服的防护效果显著优于对照试样，造成的差异性原因值得探究。两种消防服的胸部皮肤显热传入量和辐射热通量对比如图6所示。由图6(a)可知，与对照试样相比，聚酰亚胺消防服传入胸部皮肤的显热通量约小30 W/m2。 这个差异性是造成两者防护效果不同的原因，但这只是中间过程中的因素，并非根本的决定性因素。

由图6(b)可知，聚酰亚胺消防服和对照试样辐射热通量的差异仅为3.5 W/m2左右。因此，两种消防服防护效果的显著差异主要是皮肤处的导热和对流引起的，而不是辐射热的差异造成的。有趣的是，与对照试样相比，聚酰亚胺热导率小一些，但是材料更薄，这些因素无法造成皮肤处两者的导热与对流传热量的较大差异性。但两者的辐射衰减系数差异很大，而皮肤处辐射热通量却差异不大。

图6 两种消防服的胸部皮肤显热传入量和辐射热通量对比Fig.6 Comparison of sensible and radiant heat flux on chest skin for two firefighting clothing

图5中两种消防服各层材料的温度差异给出了启示。热辐射在材料内传递的过程中不断地转化成材料的内能，衰减系数大的材料可阻挡住更多的热辐射，因此转化为内能的热辐射较少，从而材料温度更低。这部分内能接着又以导热和对流的形式传入皮肤。这是造成两种消防服的防护效果差异的根本原因。辐射热不是直接以辐射形式伤害人体，而是转化成内能间接作用于人体。

以上对比和分析为改善聚酰亚胺消防服的防护效果给出了方向，即通过改变面料的辐射衰减系数来提升防护效果。聚酰亚胺消防服外层面料的辐射衰减系数对皮肤烧伤的影响预测如图7所示。由图7可知：当辐射衰减系数小于12 000 m-1，随辐射衰减系数的增大，防护效果显著提高；当辐射衰减系数大于12 000 m-1时，防护效果几乎没有改善。在此基础上综合考虑其他多方面因素和成本，可以实现消防服面料防护效果优化的设计和开发。

图7 聚酰亚胺消防服外层面料的辐射衰减系数对皮肤烧伤的影响预测Fig.7 Prediction of the influence of thermal radiation extinction coefficient of the outer fabric in the polyimide firefighting clothing on skin burns

4 结 语

本文采用计算机仿真技术，比较了聚酰亚胺消防服外层面料和对照样Nomex面料的防护效果。结果显示，与Nomex消防服相比，聚酰亚胺消防服防护效果更好。通过深入分析差异性的机理，找到了材料防护效果的差异源于辐射衰减性能的不同，为优化消防服面料防护效果提供方法和依据。