消防服用蜂窝夹芯结构织物的热防护性能优化研究

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消防员作为消防救援战斗第一线人员,在各种复杂的热源环境下,高强度的救援工作可能导致其产生热应激反应,严重还可能导致心血管系统和神经系统疾病,因而性能良好的消防服就显得尤为重要。目前消防服各层织物性能的优化研究以及热防护性能影响因素的深入研究等都逐步完善提升,但是消防服过度防护并导致笨重闷热的问题还没有很好的解决。蜂窝夹芯结构具备优良的隔热性能和热稳定性能,将其运用到消防服的隔热层上,对于解决消防服热防护和热舒适之间的矛盾有较明显的帮助,但蜂窝孔型结构的热防护性能还可进行更进一步的优化。针对上述问题,本课题基于热防护织物和蜂窝夹芯结构的传热机理,优化了消防服用蜂窝夹芯结构的孔型结构,并进一步考察了消防服阻燃外层面料、隔热层蜂窝芯厚和孔型结构对其热防护性能的影响,探讨优化后的蜂窝孔型结构对热防护性能的影响规律,获取最优的蜂窝夹芯结构,以满足消防领域的需求。本课题主要研究成果及结论如下:(1)热防护织物系统内主要为热辐射和热传导的耦合传热,系统与人体之间的传热可以根据空气层的厚度分为热辐射、热对流以及热传导的耦合传热和热辐射与热传导的耦合传热。蜂窝夹芯结构内的传热主要是热辐射和热传导的耦合,其有效导热系数随着蜂窝壁厚的减小而增大。(2)针对蜂窝夹芯结构的孔洞柱型结构,对蜂窝夹芯结构的孔型结构进行了优化,设计了2.0mm、2.5mm、2.9mm这三种蜂窝芯厚,以及蜂窝孔洞锥型结构、蜂窝孔洞球型结构、蜂窝孔洞斜柱型结构和蜂窝孔洞倒锥型结构这四种改进优化的蜂窝孔型结构。基于激光切割技术掌握了蜂窝夹芯结构热防护织物的定位对焦、调试切割功率和速度、导入数据切割等加工流程;并切割制备了280余片蜂窝夹芯结构中空隔热层试样。(3)根据两种阻燃外层面料、三种蜂窝芯厚和五种蜂窝孔型结构,以及实心对照组,共设计了30组闪火热防护性能测试实验方案。对闪火热防护性能测试实验的原理、仪器构造进行了研究,掌握了实验流程,对30组实验方案进行了90余次实验。(4)实验结果表明:(1)Nomex?IIIA外层的消防服热防护性能优于PBI matrix外层的消防服热防护性能,但是其热稳定性不如PBI matrix外层;(2)当阻燃外层面料和隔热层蜂窝孔型结构相同时,在本课题设置的芯厚范围内,消防服用蜂窝夹芯结构织物的热防护性能随着芯厚的增加而增大,且两者之间存在着线性相关;(3)对于各种蜂窝孔型结构的消防服用蜂窝夹芯结构织物,蜂窝孔洞锥型结构的热防护性能最好,蜂窝孔洞倒锥型结构的热防护性能最差,柱型、球型和斜柱型的热防护性能介于两者之间。其中相比于柱型结构,锥型结构和斜柱型结构对于提升消防服用蜂窝夹芯结构织物的热防护性能有显著效果;(4)当阻燃外层为PBI matrix和Nomex?IIIA时,2.9mm芯厚和蜂窝孔洞锥型结构组合为隔热层蜂窝夹芯结构最优组合方案,该组合方案下消防服热防护性能最佳。
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