气凝胶隔热面料热防护性能测评

刘沙， 陈维旺

(中国民航大学 民航热灾害防控与应急重点实验室，天津 300300)

工业化和城市化进程的推进带来社会经济的繁荣和人们生活水平的提高，但同时导致过度集中的人口和密集的建筑群，进而增加火灾事故发生的概率，对人民的生命财产安全构成严重威胁。近年来，我国火灾形势整体呈下降趋势，但群死、群伤事故仍时有发生。调查数据显示，2009—2019年间发生的35起火灾事故，共导致 677 人伤亡[1]，且多发于商场、高层建筑与群租房等人员密集的区域，严重影响社会公共安全。为此，国家与民众对消防救援工作的要求和期望越来越高[2-4]。消防装备的优劣直接关乎消防人员的生命安全，影响应急救援工作的开展。提高消防服的热防护性能是保护消防员免受外界高温和热辐射危害，保障消防救援工作顺利进行，减少人员伤亡的必要途径[5-7]。

气凝胶是一种具有较高孔隙率(最高可达99%)、超轻(～0.03 g/cm3)的纳米多孔结构固体材料[8]，热量在气凝胶内部的传递可分为气相传热、固相导热和热辐射换热。气凝胶内部堆积的大量微尺度颗粒使得气凝胶的固相传热面积缩小并延长了热量的传递路径，从而降低气凝胶的固相热导率；其次，气凝胶材料具有纳米级的孔隙，气相热导率极低；另外，气凝胶内部存在无数的微孔和反射颗粒，也能降低气凝胶内部的热辐射换热。因此，气凝胶材料热导率低，具有良好的隔热性能。气凝胶因自身的特殊结构可有效抑制固相导热和气相传热，使消防服具备优异的隔热性能[9]。目前，气凝胶复合材料的制备方式主要有两种[10-11]：①在气凝胶制备过程中加入增强材料，如玻璃纤维；②将气凝胶颗粒与黏合剂等试剂复合。

近年来，研究人员发现气凝胶的添加可显著改善消防服的热防护效果。任乾乾等[12]研究了以玻璃纤维二氧化硅气凝胶毡为隔热层的新型面料组合方式，实验结果显示，各参数均优于我国现役消防服的相关标准要求；张兴娟等[13]对复合气凝胶的新型组合式消防服进行了热防护性能评价，发现新型组合式消防服的导热系数为传统消防服的1/4； JABBARI M等[14]使用涂层法将涤纶织物和气凝胶相结合，制备了轻质高隔热的聚氯乙烯涂层织物，实验结果表明，气凝胶的引入使复合材料的热防护性显著提高且不会弱化其他性能；张慧[15]将实验与建立的数学模型相结合，对气凝胶、相变材料和新型热防护面料在不同强度下的热防护性能展开了较为全面的研究和评价，为后续新型气凝胶热防护面料的研发奠定了一定的基础。近年来，相关研究人员致力于研究影响气凝胶应用于热防护服的各种因素，试图克服实际使用中存在的阻碍，在确保热防护服其他性能的同时进一步提高其热防护性能[16-21]。

目前，通过添加气凝胶改善消防服热防护性能的研究颇多[22]。对已有气凝胶隔热面料开展热防护性能对比分析与评价研究，进而评估热灾害环境下消防人员穿着气凝胶防护服的烧伤风险也就变得十分必要，这将为消防服面料的选择、性能评价等提供参考和借鉴。文中基于实验测试和皮肤烧伤计算，以无纺毡隔热层为空白对照，对3种气凝胶面料在消防服隔热层应用中所呈现的热防护效果进行评价。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1试样 消防服为多层织物结构，由外及里分别为阻燃外层、防水透气层、隔热层和舒适层[23-24]。文中热防护织物的基本物性参数见表1。选用4种规格(针刺无纺毡、1 mm AG-T-Nomex、2 mm AG-T-Nomex 和 AG-ST-POF)的热防护面料作为消防服隔热层，将其依次与阻燃外层、防水透气层和舒适层复合，得到4种不同的组合面料，分别记为S1～S4。其中：针刺无纺毡、1 mm AG-T-Nomex 和 2mm AG-T-Nomex 均由上海伊贝纳纺织品有限公司提供；AG-ST-POF 由深圳中凝科技有限公司提供。隔热层1#～4#常温下热导率分别为：0.070，0.032，0.025和0.020 W/(m·℃)。隔热层面料如图1所示。

表1 热防护服织物基本物性参数

图1 隔热层面料Fig.1 Physical picture of thermal insulation fabric

1.1.2仪器 WXD-SERIES恒温加热台，天津威迅达科技有限公司制造；OM-DAQPRO-5300数据采集仪，美国Omega Engineering公司制造；DSC-W830数码相机，无锡中关数码设备有限公司制造。

1.1.3模型计算 以Protective Clothing Performance Simulator (PCPS)软件为蓝本，采用Microsoft Visual Studio开发环境，基于Fortran编程语言实现。

1.2 实验方法

以恒温加热台为热源，为面料提供温度恒定的高温接触表面；使用数据采集仪记录图1中单层及组合面料舒适层上表面温度变化情况；使用数码相机记录隔热层的外观相貌变化情况，测试平台如图2所示。

图2 热防护性能测试装置Fig.2 Device forthermal protective performance test

2 结果与讨论

2.1 外观形貌

图 3 为不同隔热层组合面料接触高温表面前后的外观变化情况。

图3 加热前后隔热层面料外观形貌Fig.3 Appearance of insulation fabrics before and after heating

由图3可以看出， 针刺无纺毡接触 200 ℃和300 ℃高温表面后无明显变化，这与Nomex的耐高温特性是一致的；接触200 ℃ 和 300 ℃ 热平板后，含有气凝胶的隔热面料 AG-ST-POF外观形貌同样没有明显改变，热稳定性也较好；而在接触 200 ℃ 高温热表面后1 mm AG-T-Nomex 出现轻微的隆起，面料平整性变差，当接触300 ℃高温热表面后面料发生收缩变形，面料面积缩小；具有相同织物成分的2 mm AG-T-Nomex 在接触 200 ℃ 高温热平面后，面料出现一些细小的波纹，但是经300 ℃高温后该面料形态发生了极大的变化，横向收缩严重并出现大量的褶皱与拱起。

2.2 热防护性能

不同面料的热防护性能测试结果如图4所示。其中：图4 (a) 为单层隔热面料在 200 ℃ 的预设温度下，热防护性能的测试结果；图4(b)和图(c)分别为 200和300 ℃ 高温环境下，不同组合面料热防护性能的测试结果。

图4 热防护性能测试结果Fig.4 Thermal protective performance test results

由图4(a) 可以看出，针刺无纺毡隔热层在测试的前 20 s 迅速升温，之后进入缓慢升温阶段直至相对平稳；1 mm AG-T-Nomex隔热面料升温速度较快；其余2种添加气凝胶的隔热面料在进入类似的缓慢升温状态前，大约经历了45 s的快速升温过程。2 mm AG-T-Nomex 与AG-ST-POF 隔热面料的外侧温度明显低于未添加气凝胶的无纺毡，这进一步验证了气凝胶的添加对面料热防护性能的提升有显著影响。对比成分一致的1 mm AG-T-Nomex和2 mm AG-T-Nomex可以发现，气凝胶隔热层厚度与面料的隔热性能成正比；另一成分的AG-ST-POF，其隔热性能介于二者之间。

由图4(b)和图4(c)可以看出，组合面料S1接触200和300 ℃ 的恒温平板后，在很短时间内即进入平稳状态，热防护效果相对较差；图4(b)中，进入平稳状态后，组合面料S3的舒适层上表面温度约比非气凝胶组合面料低20 ℃；由图4(b)可以看出，组合面料S3的舒适层上表面温度较低，热防护效果最佳，其次为S2和S4。图4(c)中，除 S1外，其余3种组合面料的温度变化规律比较相似，其中组合面料S3与S4的舒适层上表面温度在130 ℃ 之前几乎完全重叠；130 ℃ 后，组合面料S4的舒适层上表面温度进入相对平稳的状态，表明AG-ST-POF具有较好的热防护效果，而组合面料S3的舒适层上表面温度一直处于缓慢升温过程。结合图3中2 mm AG-T-Nomex 经300 ℃处理后的外观形貌，出现该现象的原因可能是气凝胶面料使用的黏合剂无法承受如此高的温度，并在热分解过程中释放出热量，导致2 mm AG-T-Nomex面料结构在高温下发生了严重破坏，舒适层上表面温度持续升高，热防护性能降低。图4(c)中，平稳状态下，当AG-ST-POF作为隔热层时，组合面料的舒适层上表面温度相比非气凝胶组合面料低 18 ℃。

2.3 皮肤烧伤预测

研究表明，运用数学模型，定量计算皮肤达到二度烧伤的时间，是评价消防织物及其服装热防护性能的重要依据[25-27]。

2.3.1皮肤传热模型 人体皮肤由表皮层、真皮层和皮下组织构成，其几何结构如图5所示。

图5 皮肤几何结构Fig.5 Structure of skin

假设人体皮肤各层是均匀的，且物性参数保持不变[28]。采用Pennes生物热平衡方程[29]计算人体皮肤的热传递。

表皮层：

(1)

真皮层：

(2)

皮下组织：

(3)

式中：(ρс)e，(ρс)d，(ρс)s和(ρс)b分别为表皮层、真皮层、皮下组织和血液的体积热容，血液的比热和密度分别为3.3×103J/(kg·K)和1.1×103kg/m3；κe，κd和κs依次为表皮层、真皮层和皮下组织的导热系数；ωb为血液灌注率；Tc为人体核心温度(℃)，取 37 ℃。皮肤各层的物性参数值见表2[30]。

表2 皮肤各层的物性参数

2.3.2皮肤烧伤模型 为了预测皮肤达到二度烧伤的时间，采用Henriques皮肤烧伤积分模型[31]求得烧伤参数Ω，具体如下：

(4)

对式(4)进行积分，可得

(5)

式中：ΔE为皮肤活化能(J/mol)；P为频率因子(s-1)[32]；R为理想气体常数，即8.315 J/(mol·K)；T为皮肤真皮层基质层处的温度(℃)[26]。

研究发现，皮肤烧伤一般发生在T>44 ℃的条件下。根据皮肤损伤达到的深度和皮肤表面的变化，将皮肤烧伤严重程度分为3级：一度烧伤，一般无大的风险，仅伤害表皮层；二度烧伤，危及生命安全需入院治疗，通常发生在真皮层 (50～100 μm处)；三度烧伤，皮肤将不能再生，表皮层与真皮层已完全损伤且皮下组织发生部分损伤，尤其是在皮肤深度 1000～2 000 μm 处。当烧伤积分值Ω超过 0.53，1.0，104 时，一般认为基质层位置分别发生了一度烧伤、二度烧伤和三度烧伤[30]。

2.3.3边界条件 利用皮肤烧伤模型计算皮肤达到二度烧伤时间之前，需要对计算的边界条件进行确定。根据经验数据，将舒适层面料与皮肤之间的空气层厚度设为固定值 1 mm，另外，鉴于空气层厚度太薄，忽略对流换热对空气层传热的影响，仅考虑导热和热辐射。表皮层左右边界条件因此可以记为

(6)

(7)

真皮层和皮下组织的左右边界条件为

(8)

(9)

(10)

(11)

图 6 为不同组合面料在 200和300 ℃ 的热面接触温度下，烧伤参数Ω随时间的变化曲线。

由图 6(a) 可以看出，组合面料S1，S2，S3和 S4接触200 ℃高温表面时，皮肤达到二度烧伤的时间依次为 139.1，207.3，229.0和 152.7 s。采用 2 mm AG-T-Nomex 作为消防服隔热层，人体皮肤达到二度烧伤的时间延后了 89.9 s。故在此工况下，S3面料防护下皮肤达到二度烧伤所需要的时间最长，热防护性能最好。

图6 不同温度下烧伤参数Ω随时间变化曲线Fig.6 Variations of Ω with time at different temperatures

由图 6(b)可知，组合面料S1，S2，S3和S4接触300 ℃高温表面时，皮肤达到二度烧伤的时间分别为 69.2，93.3，106.3和 103.9 s。其中，组合面料S3防护下皮肤达到二度烧伤所需要的时间最长，然而图 2(c)中2 mm AG-T-Nomex 发生了严重的收缩变形，影响到面料的热防护性能，致使舒适层上表面温度持续上升。AG-ST-POF作为隔热层时，人体皮肤达到二度烧伤的时间延后了 34.7 s。综合来看，组合面料S4的整体热防护性能更好。

3 结语

文中以无纺毡消防服隔热层为对照，选取了3种不同规格的气凝胶隔热面料开展性能对比分析，利用热平板法研究了不同组合面料的热防护性能以及各织物作为隔热层使用时的外观形貌变化，结合皮肤传热和烧伤模型进行了皮肤烧伤预测，根据皮肤二度烧伤所需时间对比不同隔热层面料的热防护效果。实验与计算结果表明：

1)组合面料接触较低温度的热平面(200 ℃)时，采用 2 mm AG-T-Nomex 作为消防服隔热层，可以提供最佳的热防护性能，舒适层上表面温度约比非气凝胶组合面料低 20 ℃，使人体皮肤达到二度烧伤的时间延后了 89.9 s；

2)组合面料接触较高温度(300 ℃)的热平面时，尽管 2 mm AG-T-Nomex 作为隔热层时组合面料的舒适层上表面温度较低，但该面料发生严重收缩变形，且舒适层上表面温度持续上升，因而不适合作为消防服隔热面料使用。相比之下，AG-ST-POF 作为隔热层的组合面料综合性能相对更好，舒适层上表面温度相比非气凝胶组合面料低 18 ℃，使人体皮肤达到二度烧伤的时间延后 34.7 s。

需要说明的是：①AG-T-Nomex系列气凝胶隔热面料在较低温度下使用时具有比较出色的热防护性能，但由于所添加的黏合剂耐热性较差，致使该面料在高温下易发生收缩变形。因此，AG-T-Nomex系列不适合作为消防服隔热层面料使用。若想改善这一系列面料的热防护性能，首先需要解决面料所含成分(如黏合剂)的耐高温问题。②AG-ST-POF面料在不同的工况下，其热防护性能存在显著差异，未来需进一步探讨分析，揭示发生这一现象的原因和气凝胶面料差异性应用的可能。