不同润湿条件下消防服用织物系统热湿传递性能研究

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消防员穿着防护服装进行长时间高强度的消防救援任务时,常常会面临因体表持续大量出汗导致的服装内部被润湿且短时间内无法完全干燥的问题,这就涉及到“环境-服装-人体”系统的非稳态热湿传递。通过预加湿方式研究水分对于热湿传递影响的方法,较难实现由初始显性出汗到织物逐渐干燥全过程的监测和分析,进而影响到大量出汗条件下对热湿传递机理的分析。出汗作为人体体温调节的有效手段,汗液对织物的润湿以及在织物系统中的滞留均会对织物系统热量的传递产生较大影响,进而影响到织物及服装的热防护能力。因此有必要采用更为优化的加湿方式对持续出汗状态下消防服用多层织物系统的热湿传递过程进行研究,并对比不同加湿方式以及不同样本在稳态与非稳态阶段热湿传递的差异。本课题以预加湿和持续加湿方式下多层织物系统内的热湿传递变化为研究点。通过搭建加湿装置实现了对织物样本的持续加湿,使用动态热板仪、水蒸汽透过率测试仪以及织物表面温度数据采集系统对两种加湿方式下25组织物的隔热性能、透湿性能以及织物层间温度的变化进行测试和分析。相关研究结论概括为以下:(1)非稳态与稳态阶段的隔热性能表征指标存在明显不同本研究中使用单位时间内的皮肤表面热流增长率HFMv来定量表征非稳态阶段下多层样本的热湿传递能力。HFMv越高,单位时间内通过织物传递的总热量越大,含湿多层织物促进体表向外散热的能力越强。选定的三组样本的测试结果显示,在非稳态传热过程中HFMv(M19)>HFMv(M15)>HFMv(M8),但三组样本在加湿前后稳态阶段的热流增幅为ΔHFMM8>ΔHFMM15>ΔHFMM19。这表明仅依据加湿前后稳态阶段的对比,不能有效表征持续加湿导致的非稳态传热过程中多层织物隔热性能的优劣。(2)各织物层样本差异对预加湿和持续加湿方式下隔热性能和水分传递性能的影响不同(1)隔热性能分析结果显示:两种加湿方式下,加湿后由于织物层间仍有水分积聚,多层样本的隔热性能皆明显下降(p<0.05)。预加湿方式下使用S1、S2、S4(机织物)的多层织物组合加湿后的热阻值均小于使用S3(针织物)的热阻值(p=0.019<0.05)。持续加湿方式下,各织物层对于热阻下降率的极差大小排序为舒适层>隔热层>外层>防水透汽层,其中隔热层和舒适层(极差分别为0.232和0.247)对于热阻变化的影响程度接近。(2)水分传递的分析结果显示:预加湿方式下,多层样本的透湿率呈先升高后降低,总体升高的趋势。持续加湿方式下,皮肤表面热流密度呈先升高后降低,总体升高的趋势。各织物层差异分析显示,预加湿方式下透湿率的大小受织物层中积聚水量的影响,其中使用不同外层以及不同舒适层的多层样本在各阶段的透湿率无显著差异(p>0.05),使用PTFE型防水透汽层的多层样本的透湿率均高于使用TPU型的样本(p=0.000>0.01)。持续加湿方式下,舒适层对于皮肤表面热流密度的变化影响显著(p<0.01),针对使用不同舒适层的四组样本,在持续加湿和水分蒸发阶段,其皮肤表面热流密度均显示HFMM20>HFMM12>HFMM16>HFMM5,对应使用的舒适层分别为S2、S1、S4、S3。(3)织物干燥过程中的层间热量传递规律相比预加湿方式,使用持续加湿方式可以监测到模拟初始出汗时各织物层表面温度的波动情况。在两种加湿方式下,织物干燥过程中的热量传递规律表现为:当舒适层达到干燥状态时,受隔热层和防水透汽层中水分积聚的影响,多层织物总体的导热系数比加湿之前大,传热加快,除S3(针织物)以外舒适层的表面温度均高于干态。在由湿转干的过程中,多层织物系统各层的表面温度都迅速升高,但由于液态水转移无法透过防水透汽层,外层面料的温升幅度相对较小。本课题的研究结果有助于深入理解消防服用多层织物系统中热湿传递的非稳态变化机理,为更全面、准确地评估消防服的热湿舒适性能提供支撑和依据,也为产品性能进一步的优化提供参考和借鉴。
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