第三节 圆筒形热防护测试装置
一、国外圆筒测试装置
（一）蘑菇试验方法
图2-5 蘑菇试验方法燃烧筒示意图
服装阻燃性能试验方法主要是假设穿着的衣服燃烧时，测定衣服接触火源时着火性和因火焰蔓延而衣服各部位燃烧热的传导率以及达最高热量所需的时间。这种方法又称蘑菇试验方法，此法在美国虽已作为服装类的联邦标准试验方法用于研究工作中，但尚未标准化。试验装置由燃烧器和记录仪两部分组成，燃烧部分装有热电偶传感器，试验时，将32cm×16cm的试样在燃烧筒上卷绕成圆筒状，如图2-5所示，用火焰长19mm的燃烧器，从0.5s和1s到12s，每隔1s在该筒状试样下端的不同部位，各接触火焰三次，观察试样有无着火和测定着火的时间，用以表示着火性。
（二）阿尔伯特大学的克朗（Crown）等设计的圆筒仪
加拿大阿尔伯特大学的克朗（Crown）等设计了圆筒仪来模拟服装穿着的状态，并将其与不同的测试方法（ASTM D 4108和ISO 9151 标准方法）进行对比，发现圆筒装置比平面装置，更能实际客观地评价面料的防护性能。
二、耐高温圆筒热防护测试装置研制
为了全面评价耐高温服装的整体隔热性能，本书作者开发了一套模拟人体的“圆筒”测试仪，用来测量四周皆为高温辐射环境下耐高温服装的热传递性能。
（一）模拟皮肤的选择
选择合适的模拟皮肤是测量防护服的热防护性的关键，模拟皮肤不仅要求在受热时具有类似于人体表层皮肤对热辐射吸收的物理属性，而且在热源被隔开后还具有未烧伤皮肤冷却时相似的物理属性，即模拟皮肤烧伤后还能恢复，保证测试实验可重复性。
测试装置选择与人体皮肤物理属性相似的人工微晶玻璃块作为模拟皮肤器。该种物质属陶瓷类材料，其热传导率约为1.5W/（m·K），热惯性参数为1750W·s1/2/（m·K），而且它的这些物理性质不随温度变化而变化。微晶玻璃块的表面温度上升率与热惯性参数成反比，在给定热流量辐射下，它的表面温升率比实际人体皮肤小。
图2-6 皮肤模拟器横截面形状示意图
将微晶玻璃做成内径为25mm，外径为50mm，热量由外向内传透时间约为54s，比实验中暴露测试的时间长。微晶玻璃上装有两个热电偶，一个膜电偶（膜电偶1）放置在它的外表面以测定其表面温度，另一个膜电偶（膜电偶2）内嵌于人工微晶玻璃块内，距离圆筒内表面2.5～3.5mm，其横截面形状如图2-6所示。
（二）实验装置
耐高温服装热性能测试装置见图2-7。采用加热圆筒形铜套作为高温辐射热源，内表面涂成黑体，铜套外表面及上、下两底面均与外界环境隔热。
用安装在铜套内表面的铂电阻传感器来测量温度，辐射加热体的内表面辐射热流量根据实验的需要而确定，因为采用的是电功率加热，所以可以通过调节电压来调节热流通量。由于热量只由内表面向外传输，因此可按照下面公式确定辐射热流通量qrad：
式中：V——输入电压；
I——输出电流；
S——铜套内表面面积。
高温加热体外缘均用绝热材料包覆，以保证热流沿铜套内表面径向流动。
用包有隔热层的弹性钢圈做成的试样架定位在磁性机架2上，试样被夹持在钢圈上，调节弹性钢圈的直径，从而可以调节被测试样的直径。试样与皮肤模拟器之间为空气层，空气层厚度由测试需要而确定。
图2-7 防护服热性能测试圆筒仪
为了减小测量误差，在防护服热性能测试圆筒仪的热源和皮肤模拟器（织物）之间设置一层活动预热屏蔽套，由纯铜板、散热管、纤维层、不锈钢防护层四层组成。预热屏蔽套上带有圆形导轨，在自动卷绕机构的带动下它可沿着导轨上下移动，即停止或者开始热源对织物的辐射作用。预热屏蔽套中的散热铜管在测试时通常通有循环冷却水，以使热源辐射热被有效的隔开，在600℃的高温辐射环境下，应保证预热屏蔽套背面的温度上升不超过1℃。
人工微晶玻璃块固接在恒温柱上，恒温柱内设有循环水通道，循环水通道与恒温水浴相接，保证测试时恒温柱体保持恒温，模拟人体体内温度37℃。
（三）测试技术指标
如前所述，测定耐高温服装隔热防辐射性能的主要目的之一就是正确选择、搭配耐高温服装组件，测定其防热时间（t，达到二级烧伤的时间）以防止人体皮肤受到烧伤破坏。人体皮肤表面正常温度为32.5℃，但在皮肤表面下80μm（真皮层处）温度达到44℃或以上时，皮肤即发生热破坏，破坏程度Ω与暴露时间（t）及温度有关，它们之间符合Henriques烧伤积分模型这一方程式：
式中：Ω——皮肤烧伤破坏程度的量化值，无量纲；
R——摩尔气体常数，8.31J/（mol·K）；
ΔE——皮肤的活化能，J/mol；
P——皮肤组织频率因子，1/s；
T——皮肤表面80μm处温度，℃；
t——皮肤受热时间，s。
ΔE和P都随皮肤温度改变而改变，表2-1列出了在不同温度下人体皮肤的模拟皮肤器的两个参数值。当Ω等于或大于1时，皮肤即达到二级烧伤；当Ω等于0.53时，皮肤达到一级烧伤。
表2-1 Henriques烧伤积分模型常数表
要从实验获得皮肤一定热辐射强度下达到二级烧伤的时间即防热时间t，必须先测出距模拟皮肤表面80μm处的温度T，为此，本装置中在皮肤模拟器表面装有一个膜电偶，另一个热电偶嵌于距模拟皮肤表面3.0mm处，分别测出其对应点处温度T1、T2，因此T则可以运用线性插值求温度的方法获得，然后我们将得出的模拟皮肤温度值T代入皮肤烧伤方程式（2-4）中，从而获得皮肤烧伤破坏程度。测量T1、T2及计算T的时间步长均为0.1s。
由于T是一个变化的值且与时间t不构成某种函数关系式，因此方程（2-4）不能通过常规求积分方法获得，我们拟对方程（2-4）求导，获得：
同样取计算步长为0.1s，可用数值计算方法求出微分方程（2-5）在此整个计算时间t内的值，假定真皮层温度T总是在44℃以上，因此：
热源被隔开后，由于外层有一层织物包覆，模拟皮肤热量不能快速散去，此时只要“真皮层”的温度在44℃以上，皮肤烧伤破坏持续进行。采用Henriques皮肤烧伤积分模型的优势在于可以连续地测试计算并分析出皮肤达到不同程度的烧伤所需要的时间，弥补了当前测试方法中没考虑到冷却阶段皮肤继续受热并发生破坏的情况。
（四）试样及其测试方法、结果与讨论
1.试样
按照国内外耐高温服装实际使用情况，我们取三层织物组合构成耐高温服组件，即阻燃层作外壳层，湿汽层居中，内为热舒适层。湿汽层和舒适层采用市场上常用的锦/棉纺平布+PTFE层合织物和Nomex/棉50/50的混纺织物，而外壳层则选择了Dupont公司的Nomex®Ⅲa织物、阻燃棉（FR cotton）两种不同种类的织物，分别与透气层、舒适层构成了两种不同的组合，各层织物物理属性见表2-2。测试之前，将织物放在温度为20℃，湿度为65%的恒温箱内调理12h，织物厚度用KES压缩仪测量。阻燃层织物的热阻用防护箱法测定。
表2-2 织物层的物理属性
将织物裁剪成一定形状，然后将这三层织物缝合成筒状，尽量使各层之间的空气层间隙为零。
2.测试方法、结果与讨论
将试样放置于测试装置上，在这个实验中取组件舒适层与模拟皮肤之间的空气层厚度为5mm。开启电源，关闭预热屏蔽套，预热铜套达到一定的辐射热流通量，数据采集系统开始工作，再过20s后，启动卷绕机构，关闭预热屏蔽套，织物暴露于高温环境下，暴露时间视皮肤模拟器表面温度上升程度而定，保证其表面温度不超过90℃；紧接着关闭预热屏蔽套，切断加热电源，使系统冷却30min，将防护服组件从试验装置上移开。对每种组合的服装配件共进行8次试验，计算机以一定的间隔时间自动记录各传感器的值，获取各测量指标的平均值，从而分析并计算出模拟皮肤温升率，并预测皮肤烧伤度，绘制出织物、模拟皮肤表面温升及吸热曲线。
图2-8所示的是耐高温服装组件阻燃层外表面及舒适层内表面上的温度随时间变化的关系曲线。
图2-8 服装组件外壳层及舒适层内表面温度变化与时间的关系
每个实验到达外壳层上的总辐射热流量均为0.21W/cm2，热辐射作用时间为200s，由图中温升曲线可以看出热传入皮肤模拟器表面大约100～110s后即可达到稳定状态。在相同的热辐射强度下，不同耐高温服组件的搭配导致其温升曲线有差异，这是由于外壳层隔热性能不同，但每种织物的温度上升趋势及冷却过程相似，可以看出这两种防护服组件的吸、放热曲线相似。温度上升到稳定状态后，组件最外层与最内层温差达到了80℃，可见多层耐高温服能有效地减少热量向服装内的传递，无论在辐射加热阶段还是在冷却阶段，外壳层“温度——时间”曲线都比内层陡峭，因此内层温度上升和下降的速度均较外壳层表面慢得多，缓冲了热量的传递。
图2-9所示是单层阻燃棉织物外表面暴露于0.25kW/m2的热流量20s后，织物内表面及模拟皮肤表面温度变化与时间的关系，每秒钟收集一次数据。就这里的热辐射通量、防护织物及空气层厚度而言，我们假定热在空气层内是以传导的形式传递的，而忽略了织物内表面向人体辐射的热量。由温度上升、下降趋势可以看出，人体皮肤下的空气层也可以提供有效的热保护，温度从织物内表面到皮肤外表面下降了近10℃。实际消防员身着消防服时，防护服与消防员之间的空气间隙内的表观温度将因消防员所处的位置、运动状态及环境温度的不同而有所不同，但是服装层下的微小空气层降低热传导率的作用是显而易见的。
图2-9 模拟皮肤表面、织物内表面温度变化与时间的关系
运用Stoll曲线来确定防护服的防热时间t的前提假设条件是要求入射到模拟皮肤表面的热流强度保持不变，但是一旦在热源和模拟皮肤器之间放置一层（多层）织物时，热流强度会有变化，此时就会给实验计算带来很大误差，因此本实验中取Henriques的皮肤烧伤积分模型来预测皮肤烧伤度。选择表2-2中两种防护服组件的阻燃层进行单层实验，热源入射到织物外壳层的热流强度为8.1W/cm2，暴露时间为20s，整个测试时间为100s。实验中空气层厚度从1mm到9mm变化，图2-10给出了不同的空气层厚度下的模拟皮肤达到二级烧伤所需时间（防热时间）t的条形图。
图2-10 空气层厚度——防热时间条形图
在8.1W/cm2热辐射强度下，Nomex®Ⅲa与6mm厚的空气层搭配有最大的防热时间，约为7.8s；空气层厚度为7mm时，阻燃棉织物有最大的热防护时间7.2s，这可能与织物的紧度有关，我们称最长防热时间所在的空气层厚度为临界点。在临界点以下，因为空气的热传导率低，空气层厚度增加，入射到模拟皮肤的热量减小，因此其防热时间增加。然而，当空气层厚度增加到一定数值时，空气层中热传递则会以对流形式存在，从而入射到模拟皮肤的热量增加，防热时间减少。从图2-10可以看出，Nomex®Ⅲa织物的防热时间比阻燃棉的小，故Nomex®Ⅲa织物的防护效果反而没有阻燃棉的好。
（五）小结
高温“圆筒仪”是一种能够评价高温下防护织物（服装）瞬态热传递性能的测试仪器。它采用了内置膜电偶的人工晶体微晶玻璃块作为模拟皮肤器，能测试出各种热环境下皮肤受到不同烧伤程度所用时间（即防热时间）非常适合于测量石油、冶金、化工等室内高温环境及建筑消防的耐高温服装的热防护性能的测试。
由于这里所有的测试都是在皮肤干态下进行的，因此没有考虑到皮肤出汗对人体散热的影响，不过在人体暴露于非常高的辐射或对流热流强度下，皮肤烧伤所需时间也许只有几秒钟，在这几秒人体还来不及出汗，因此这时候就无须要考虑出汗对防热时间的影响。
需要指出的是这里所用高温辐射源为圆筒形，模拟了室内高温环境，即人体处于四周皆为热辐射包围。实际消防灭火时，由于辐射源相对于人体面积大得多，可假设人处在筒形辐射源中，从而将来可以方便地建立一维径向传热模型，进而可以预测耐高温服装的热防护性能。
进一步工作将研究运用高温“圆筒仪”对低热流量环境下——正常工作状态下消防员及其他高温作业工人持续工作较长时间的热应力测试，出汗及织物中含湿量对耐高温服装的隔热防护性能影响。