消防服用织物热防护性能测试分析与研究
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在热源和皮肤模拟器 （织物） 之间设置一层预 热活动屏蔽套， 它由纯铜板、 散热管、 纤维层、 不 锈钢防护层等 4 层组成， 可控制实验的开始时间与 结束时间， 并可减小实验误差。 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wenku.baidu.com导轨 上下移动， 即关闭或者开启热源对织物辐射作用。 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地隔开， 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℃。
准则不同的是， 式 （2） 综合考虑到了这一冷却烧
伤效应。
表 1 Henriques 烧伤积分常数表
基面温度 ℃
P 1/sec
ΔE/R ℃
44 ≤T≤50 2.185×10124
93261.9
T≥50
1.823×1051
38836.8
作 者 选 择 了 新 型 Pennes 皮 肤 传 热 模 型 来 评 估 皮肤的热损伤， 其测试分析过程如下：
1） 运用皮肤模拟器表面的热电偶测量其表面 温度 T1；
2） 将 T1 值代入到 Diller 法则公式得到皮肤 模 拟器表面吸收的热流量值 q″n ；
3） q″n 作为皮肤传热 Pennes 模型方程［8］的边界 条件， 通过 Pennes 模型获得皮肤基面的温度值 T；
表层皮肤对热辐射吸收的物理属性， 而且要求热源 被隔开后， 还应具有未烧伤皮肤冷却时相似的物 性， 即烧伤后仍能恢复， 保证实验的可重复性。
根据实验要求， 我们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 1,750W·s1/2/m·K， 而且它的这些热物理性 质不随温度而改变。 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。
CPPE 防护装备技术研究
China Personal Protective Equipment
消防服用织物热防护性能 测试分析与研究
姚 波 1 朱方龙 1.2 （1. 高性能服装与个体防护装备研究中心 中原工学院 郑州 450007
2. 东华大学纺织学院 上海 200051）
【摘 要】 热防护性能 （Thermal protective performance—TPP） 是阻燃型服装或织物隔 热防护性能重要指 标。 本文在已研制的一种模拟人体皮肤及体形的高温 “圆筒仪” 上进行了改进， 并用其测试阻燃服装织物 的热防护性能。 用膜电偶测量模拟皮肤器表面温升率， 并结合烧伤积分模型的评价方法来计算达到二级烧 伤的防热时间。 与其它一维平面测试装置相比， 本装置可较为准确评估实际服装热收缩特征对服装热防护 性能的影响。 【关键词】 消防服 热防护性能 皮肤烧伤 圆筒型几何体
因此， 近些年来一些研究机 构或学者针对于消防阻燃织物的 隔热性能测试方法进行了大量的 研究工作。 目前所有方法中， 应 用最为广泛的是美国防火协会的 NFPA 1971 标准［3］ ， 该标准中热 源产生装置由一对火焰燃烧器与 辐射面板 构 成 ， 可 产 生 84kW/m2 的热源热量， 其中对流与辐射热 各占 50%。 装置中的热流传感器 由涂黑的铜块构成， 位于被测试 织物的背面， 铜块上的热电偶测 得的铜块温度曲线与著名的 Stoll 曲线相交点即为人体皮肤达到二 级烧伤所需时间 t， 时间 t 与热源 热流量值乘积即是我们所知的热 防 护 性 能 值 TPP （ Thermal Protective Performance） 。 另 一 个 比 较常用方法是美国防火协会的 NFPA 1977 标准［4］ ， 该标准主要 是测量防护织物的辐射防护性能 RPP （ Radiant Protective Performance）， 该标准中的发热装置由 5 个 500 瓦 的 石 英 灯 管 组 成 ， 热 源 发 热 量 为 21kW/m2， 与 NFPA 1971 标准原理一致， 其二级烧伤 时间也是通过 Stoll 曲线获得。 然 而， 这两个标准存在两个局限： （1） 所用 的 铜 块 热 流 计 与 人 体 真实皮肤传热属性相差太大， 不能真正达到模拟皮肤的目的； （2） 一般来说， 火灾下人体衣服 层下的微小空气厚度会因为织物
Zhongyuan Institute of Technology， Zhengzhou 450007； 2. College of Textile， Donghua University， Shanghai 200051）
【Abstract】 Thermal protective performance （TPP） is an important index of flame retardant clothing or fabric thermal exposure protection. It improves the performance based on a developed thermal cylinder apparatus， and uses it to test the thermal protection of flame retardant clothing or fabrics. Using galvanic to measure the surface temperature rising rate of simulated soft skin apparatus， then， it combines the evaluating methods of burn integral model to calculate the thermal protection time of reaching second degree burns. Compare with other testing equipment， it correctly evaluates the effect of actual clothing thermal contraction upon clothing thermal protection. 【Keywords】 firefighter protective clothing； thermal protective performance； skin burn； cylindrical geometry shape
2010 年第 3 期 中国个体防护装备 15
CPPE 防护装备技术研究 China Personal Protective Equipment
Performance— ——TPP） 的 大 小 ， TPP 值定义为到达防护服装表面 的热流量值与着装人体皮肤达到 二级 （三级） 烧伤所需时间的乘 积 。 ［1，2］
调节弹性钢圈的直径， 从而可以
调节被测试样的直径以及试样与
皮肤模拟器之间的空气层厚度，
其厚度由测试需要而定。
选择合适的模拟皮肤是测量
防护服的热防护性的关键， 不仅
要求它在受热时具有类似于人体
图 1 阻燃织物隔热性能测试圆筒仪
16 2010 年第 3 期 中国个体防护装备
CPPE 防护装备技术研究
China Personal Protective Equipment
1 前言 众多研究者已对像织物这类
薄型纤维材料在高温下的传热性 能进行了大量的研究， 其技术可 以应用于火灾防护装备、 宇航服
以及能源利用等领域。 而对于火 灾功能性服装的织物热防护性能 测试方法要求之一是要测量着装 人体的温度上升程度， 也就是测 试分析人体皮肤达到一定烧伤所
需要的时间， 从而可以测试组成 消防服装所用防护织物的隔热防 护性能。 评价一件火灾应急防护 服热防护性能的好坏是依据其热 防 护 性 能 值 （ Thermal Protective
上 原 因 ， 笔 者 采 用 了 目 前 应 用 较 广 泛 的 Henriques
皮肤烧伤模型方程［7］，该 模 型 通 过 将 皮 肤 温 度 代 入 到
Henriques 提出的一阶阿伦尼乌斯（Arrhenius）方程，
即认为皮肤的烧伤破坏过程是一个化学变化的积分
形式：
乙 乙 乙 Ω=
t
Pexp
皮肤模拟器固接在恒温柱上， 恒温柱内设有循 环水通道， 循环水通道与恒温水浴相接， 保证实验 测试时柱体保持恒温， 模拟人体体内温度 37℃。 2.2 测试程序
如前所述， 测定消防服装隔热防辐射性能的主 要目的之一就是如何正确选择消防服用织物， 测定 其防热时间 t， 以防止人体皮肤不受到烧伤破坏 。 一般认为当人体皮肤表面下 80μm 处的基面温度达 到 44℃以上时， 皮肤开始烧伤破坏， 破坏程度随温 度上升成对数关系加深。 通常， 在一定的热暴露环 境 下 ， 用 铜 片 热 流 计 并 借 助 于 Stoll 曲 线 确 定 “皮 肤 ” 达 到 二 级 烧 伤 所 需 的 时 间 ， 然 而 Stoll 烧 伤 准 则是 Stoll 和 Chianta 两位研究者通过实验确定皮肤 在 4.2～16.8kW/m2 的热暴露环境下皮肤二级烧伤时 间， 而暴露热流量在此范围之外的二级烧伤时间， 则是通过外推法而得［6］ ；另外， 应用 Stoll 方法首要 前提是保证入射到皮肤表面热流量是一个恒定值， 任 何 小 的 波 动 变 化 都 会 使 Stoll 准 则 失 效 。 基 于 以
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：
qrad
=
VI S
（1）
其中： V 是输入电压， I 是
输出电流， S 是铜套内表面面积。
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
性钢圈做成的试样夹定位在磁性
机架上， 试样被夹持在钢圈上，
0
R
ΔE （T+273）
dt
（2）
这是一个由皮肤活化能 ΔE 和频率破坏因子 P
参数控制的函数方程。 式中， Ω 是皮肤烧伤破坏
程度的量化值， 无量纲； R 是皮肤活化能和理想
气 体 常 数 （8.31J/mol·℃）。 Weaver 和 Stoll 两 位 研
究者将皮肤基面温度数据与二级烧伤时间数据进
行了比较分析， 得到的不同皮肤基面温度下的 ΔE
和 P 值 ， 见 表 1 所 示 。 若 基 面 温 度 T>44℃ 且 Ω>
0.53， 则 皮 肤 一 级 烧 伤 ； 若 T>44℃ 且 Ω=1.0， 则
皮肤二级烧伤。 可知即使冷却过程中， 只要皮肤
基 面 温 度 T>44℃， 皮 肤 继 续 会 烧 伤 破 坏 。 与 Stoll
热收缩而减小， 而目前国际上最 常用来评价及测定热防护服热防 护性能 TPP、 RPP 装置 ， 它 假 定 热源热量向织物表面传递是平面 一维的， 与实际服装受热情况并 不一致， 因此不能测定实际消防 服装的隔热防辐射性能。
为了全面评价消防服装的整 体隔热性能， 本文利用笔者所开 发的一套能模拟人体服装热防护 性能的测试仪器， 对现有的消防 服装做出合理的评价。 本文研制 的圆筒型测试仪能够测量四周皆 为高温辐射环境下消防服装的热 传递性能。 2 实验方法 2.1 实验装置
Analysis and Research on Thermal Protective Performance Experiment of Fabrics for Firefighter Protective Clothing
Yao Bo1 Zhu Fanglong2 （1. High Performance Clothing and Personal Protective Equipment Research Center，
阻燃消防服热性能测试装置［5］ 见图 1。 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
准则不同的是， 式 （2） 综合考虑到了这一冷却烧
伤效应。
表 1 Henriques 烧伤积分常数表
基面温度 ℃
P 1/sec
ΔE/R ℃
44 ≤T≤50 2.185×10124
93261.9
T≥50
1.823×1051
38836.8
作 者 选 择 了 新 型 Pennes 皮 肤 传 热 模 型 来 评 估 皮肤的热损伤， 其测试分析过程如下：
1） 运用皮肤模拟器表面的热电偶测量其表面 温度 T1；
2） 将 T1 值代入到 Diller 法则公式得到皮肤 模 拟器表面吸收的热流量值 q″n ；
3） q″n 作为皮肤传热 Pennes 模型方程［8］的边界 条件， 通过 Pennes 模型获得皮肤基面的温度值 T；
表层皮肤对热辐射吸收的物理属性， 而且要求热源 被隔开后， 还应具有未烧伤皮肤冷却时相似的物 性， 即烧伤后仍能恢复， 保证实验的可重复性。
根据实验要求， 我们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 1,750W·s1/2/m·K， 而且它的这些热物理性 质不随温度而改变。 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。
CPPE 防护装备技术研究
China Personal Protective Equipment
消防服用织物热防护性能 测试分析与研究
姚 波 1 朱方龙 1.2 （1. 高性能服装与个体防护装备研究中心 中原工学院 郑州 450007
2. 东华大学纺织学院 上海 200051）
【摘 要】 热防护性能 （Thermal protective performance—TPP） 是阻燃型服装或织物隔 热防护性能重要指 标。 本文在已研制的一种模拟人体皮肤及体形的高温 “圆筒仪” 上进行了改进， 并用其测试阻燃服装织物 的热防护性能。 用膜电偶测量模拟皮肤器表面温升率， 并结合烧伤积分模型的评价方法来计算达到二级烧 伤的防热时间。 与其它一维平面测试装置相比， 本装置可较为准确评估实际服装热收缩特征对服装热防护 性能的影响。 【关键词】 消防服 热防护性能 皮肤烧伤 圆筒型几何体
因此， 近些年来一些研究机 构或学者针对于消防阻燃织物的 隔热性能测试方法进行了大量的 研究工作。 目前所有方法中， 应 用最为广泛的是美国防火协会的 NFPA 1971 标准［3］ ， 该标准中热 源产生装置由一对火焰燃烧器与 辐射面板 构 成 ， 可 产 生 84kW/m2 的热源热量， 其中对流与辐射热 各占 50%。 装置中的热流传感器 由涂黑的铜块构成， 位于被测试 织物的背面， 铜块上的热电偶测 得的铜块温度曲线与著名的 Stoll 曲线相交点即为人体皮肤达到二 级烧伤所需时间 t， 时间 t 与热源 热流量值乘积即是我们所知的热 防 护 性 能 值 TPP （ Thermal Protective Performance） 。 另 一 个 比 较常用方法是美国防火协会的 NFPA 1977 标准［4］ ， 该标准主要 是测量防护织物的辐射防护性能 RPP （ Radiant Protective Performance）， 该标准中的发热装置由 5 个 500 瓦 的 石 英 灯 管 组 成 ， 热 源 发 热 量 为 21kW/m2， 与 NFPA 1971 标准原理一致， 其二级烧伤 时间也是通过 Stoll 曲线获得。 然 而， 这两个标准存在两个局限： （1） 所用 的 铜 块 热 流 计 与 人 体 真实皮肤传热属性相差太大， 不能真正达到模拟皮肤的目的； （2） 一般来说， 火灾下人体衣服 层下的微小空气厚度会因为织物
Zhongyuan Institute of Technology， Zhengzhou 450007； 2. College of Textile， Donghua University， Shanghai 200051）
【Abstract】 Thermal protective performance （TPP） is an important index of flame retardant clothing or fabric thermal exposure protection. It improves the performance based on a developed thermal cylinder apparatus， and uses it to test the thermal protection of flame retardant clothing or fabrics. Using galvanic to measure the surface temperature rising rate of simulated soft skin apparatus， then， it combines the evaluating methods of burn integral model to calculate the thermal protection time of reaching second degree burns. Compare with other testing equipment， it correctly evaluates the effect of actual clothing thermal contraction upon clothing thermal protection. 【Keywords】 firefighter protective clothing； thermal protective performance； skin burn； cylindrical geometry shape
2010 年第 3 期 中国个体防护装备 15
CPPE 防护装备技术研究 China Personal Protective Equipment
Performance— ——TPP） 的 大 小 ， TPP 值定义为到达防护服装表面 的热流量值与着装人体皮肤达到 二级 （三级） 烧伤所需时间的乘 积 。 ［1，2］
调节弹性钢圈的直径， 从而可以
调节被测试样的直径以及试样与
皮肤模拟器之间的空气层厚度，
其厚度由测试需要而定。
选择合适的模拟皮肤是测量
防护服的热防护性的关键， 不仅
要求它在受热时具有类似于人体
图 1 阻燃织物隔热性能测试圆筒仪
16 2010 年第 3 期 中国个体防护装备
CPPE 防护装备技术研究
China Personal Protective Equipment
1 前言 众多研究者已对像织物这类
薄型纤维材料在高温下的传热性 能进行了大量的研究， 其技术可 以应用于火灾防护装备、 宇航服
以及能源利用等领域。 而对于火 灾功能性服装的织物热防护性能 测试方法要求之一是要测量着装 人体的温度上升程度， 也就是测 试分析人体皮肤达到一定烧伤所
需要的时间， 从而可以测试组成 消防服装所用防护织物的隔热防 护性能。 评价一件火灾应急防护 服热防护性能的好坏是依据其热 防 护 性 能 值 （ Thermal Protective
上 原 因 ， 笔 者 采 用 了 目 前 应 用 较 广 泛 的 Henriques
皮肤烧伤模型方程［7］，该 模 型 通 过 将 皮 肤 温 度 代 入 到
Henriques 提出的一阶阿伦尼乌斯（Arrhenius）方程，
即认为皮肤的烧伤破坏过程是一个化学变化的积分
形式：
乙 乙 乙 Ω=
t
Pexp
皮肤模拟器固接在恒温柱上， 恒温柱内设有循 环水通道， 循环水通道与恒温水浴相接， 保证实验 测试时柱体保持恒温， 模拟人体体内温度 37℃。 2.2 测试程序
如前所述， 测定消防服装隔热防辐射性能的主 要目的之一就是如何正确选择消防服用织物， 测定 其防热时间 t， 以防止人体皮肤不受到烧伤破坏 。 一般认为当人体皮肤表面下 80μm 处的基面温度达 到 44℃以上时， 皮肤开始烧伤破坏， 破坏程度随温 度上升成对数关系加深。 通常， 在一定的热暴露环 境 下 ， 用 铜 片 热 流 计 并 借 助 于 Stoll 曲 线 确 定 “皮 肤 ” 达 到 二 级 烧 伤 所 需 的 时 间 ， 然 而 Stoll 烧 伤 准 则是 Stoll 和 Chianta 两位研究者通过实验确定皮肤 在 4.2～16.8kW/m2 的热暴露环境下皮肤二级烧伤时 间， 而暴露热流量在此范围之外的二级烧伤时间， 则是通过外推法而得［6］ ；另外， 应用 Stoll 方法首要 前提是保证入射到皮肤表面热流量是一个恒定值， 任 何 小 的 波 动 变 化 都 会 使 Stoll 准 则 失 效 。 基 于 以
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：
qrad
=
VI S
（1）
其中： V 是输入电压， I 是
输出电流， S 是铜套内表面面积。
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
性钢圈做成的试样夹定位在磁性
机架上， 试样被夹持在钢圈上，
0
R
ΔE （T+273）
dt
（2）
这是一个由皮肤活化能 ΔE 和频率破坏因子 P
参数控制的函数方程。 式中， Ω 是皮肤烧伤破坏
程度的量化值， 无量纲； R 是皮肤活化能和理想
气 体 常 数 （8.31J/mol·℃）。 Weaver 和 Stoll 两 位 研
究者将皮肤基面温度数据与二级烧伤时间数据进
行了比较分析， 得到的不同皮肤基面温度下的 ΔE
和 P 值 ， 见 表 1 所 示 。 若 基 面 温 度 T>44℃ 且 Ω>
0.53， 则 皮 肤 一 级 烧 伤 ； 若 T>44℃ 且 Ω=1.0， 则
皮肤二级烧伤。 可知即使冷却过程中， 只要皮肤
基 面 温 度 T>44℃， 皮 肤 继 续 会 烧 伤 破 坏 。 与 Stoll
热收缩而减小， 而目前国际上最 常用来评价及测定热防护服热防 护性能 TPP、 RPP 装置 ， 它 假 定 热源热量向织物表面传递是平面 一维的， 与实际服装受热情况并 不一致， 因此不能测定实际消防 服装的隔热防辐射性能。
为了全面评价消防服装的整 体隔热性能， 本文利用笔者所开 发的一套能模拟人体服装热防护 性能的测试仪器， 对现有的消防 服装做出合理的评价。 本文研制 的圆筒型测试仪能够测量四周皆 为高温辐射环境下消防服装的热 传递性能。 2 实验方法 2.1 实验装置
Analysis and Research on Thermal Protective Performance Experiment of Fabrics for Firefighter Protective Clothing
Yao Bo1 Zhu Fanglong2 （1. High Performance Clothing and Personal Protective Equipment Research Center，
阻燃消防服热性能测试装置［5］ 见图 1。 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