熱防護服測試評價和研究方法

目前已研制出小規模(Bench—top tests)測試、火人測試及美國伍斯特軍事學院的熱屬性評價裝置(Thermal Properties Test Fixture，T陽F)¨J，用來評價各種熱危險環境下織物或服裝的熱防護性能。從國外所述文獻[8—11]來看，定量的評價熱防護服裝的熱防護性能過程中，需要運用皮膚傳熱模型，并結合Henriques皮膚燒傷方程，才能得到人體皮膚達到二級燒傷所需時間t：，但是所有的皮膚傳熱模型都是基于如下的Pennes傳熱方程建立的：

從物理學與生理學來說，Pennes皮膚傳熱方程的本身就存在著一些問題，尤其是在瞬間的高溫傳熱過程中。實際上，該模型是在基于經典的Fourier熱流定律基礎上建立起來的，這也就是隱含著這樣的一個假設，即認為介質中的熱傳播速度無限大，這就相當于只要介質內某處溫度發生變化，就會瞬間引起另一點的溫度變化，然而對于像人體皮膚這類生物組織來說，熱量從一點傳輸到zui近一點需要對熱擾動響應作出反映的松弛時間丁H3。，因此，在評價熱防護服熱防護性能時，需要考慮到皮膚組織傳熱速度有限的因素，以使燒傷預測值更接近實際皮膚燒傷結果。
筆者介紹一種新型皮膚傳熱方程，即考慮了熱量在皮膚傳遞速度有限的熱波皮膚模型來測量皮膚的燒傷度，從而以此熱防護服用織物層下皮膚燒傷級別來評價織物的熱性能。首先，通過模擬皮膚器表面的熱電偶測量模擬器的溫度，通過將溫度值代入Diller法則公式決定皮膚模擬器吸收的熱量值；然后，再將得到的熱量值作為熱波皮膚模型的邊界條件預測皮膚基面溫度，結合Henriques皮膚燒傷模型得到皮膚二級燒傷的時間；同時還比較了運用Pennes皮膚模型與TWMBT模型預測皮膚燒傷時間與皮膚溫度變化的結果。

1熱波皮膚模型
根據傅立葉熱流定律，并考慮皮膚生物組織傳熱速度有限的物理事實，Cattaneo。14o提出了非穩態下的一維熱流方程，即非Fourier公式的線性展開：

當7-珈，式(3)即轉化為的Pennes生物傳熱方程。由于生物組織中的熱傳播速度遠較其他材料(如金屬、液體等)為小，其熱松弛時間(如肉類下一20—30 S)遠大于金屬等的r一10。10一10。4 S，因而考慮了熱有限傳播速度的熱波模型更合理，更能反映生物傳熱的本質。
實際傳熱過程中，皮膚組織上傳熱實際上主要發生在垂直皮膚表面一維方向，并且假定容積發熱源為0，根據式(3)，那么皮膚組織上的穩態溫度值t(戈，0)分布如下：

初始條件(t=o)：
0(z)=0 (9)
式中，t，為皮膚受熱時間。數值解方程時，假定皮膚表面和體核的溫度是一個常數，分別為32．5℃和37。C。通過在整個求解皮膚區域內建立有限數目的網格，將溫度場各微分方程變換為節點方程，運用*隱式差分格式，編寫VB程序計算節點溫度和熱流量值。

2 實驗
2．1實驗裝置
實驗裝置采用的是改進的輻射防護性能(RPP)測試儀，如圖1所示，其測試基本原理同NFPA1977[1副標準方法(防野火防護服裝與裝備標準)所述類似。輻射源裝置由5根500 W的紅外石英燈管作為輻射熱源，垂直地對試樣進行熱輻射。熱源的輻射熱量由調壓變壓器控制，通過調節輸入電壓，使石英燈管輻射出規定的熱流量為0．5 caL／(cm2·s)或2．0 cal／(cm2·s)。

放置在防護服用織物試樣背后的皮膚模擬傳感器測量通過試樣的熱量，試樣與石英燈管的距離為55．4 mm。輻射源的發熱量依照ASTM F 1939¨叫標準方法進行校定。該裝置中的皮膚模擬器材料采用的是人工微晶玻璃，其熱傳導率為1．46 W／m·K，熱擴散率為7．3×10。m2／s，而且它的熱物理性能不隨其表面溫度改變而改變，該特點與皮膚屬性極其相似。整塊皮膚模擬器的厚度為12．8 mill，其背面附著在恒溫冷板表面，使其背面保持在恒溫37℃，恒溫冷板與恒溫水浴相連。皮膚模擬器表面裝有一只T型熱電偶，熱電偶的接線沿法向穿過模擬器接人轉換器，熱電偶的測量端用環氧樹脂膠粘于模擬器表面，環氧樹脂可耐zui高溫度380。C，適用于制作強熱流環境下的粘結劑。
2．2試樣與測試過程
該實驗中選取了3種典型應用的熱防護織物，其分別是：Metamax⑧耐火織物，阻燃棉纖維(Metamx⑩／FR Cotton)織物，聚丙烯腈預氧化纖維(Panof)織物。各織物結構參數如表1與表2所示。

測試時，首先剪取尺寸為22．86 cm X 10．16 cm的5塊試樣，并在標準環境下調濕、然后將試樣放入試樣夾持裝置內，保持試樣夾持平整，并將其放入試驗儀中。接著，打開電源，調節變壓器的輸出電壓至規定電壓，保證紅外加熱石英燈具有規定的輻射熱量。當紅外石英燈預熱60 s后，撤去熱源預熱屏蔽裝置，使試樣垂直暴露在熱源30 s后，關閉電源和記錄儀，放上預熱屏蔽裝置，取下皮膚模擬器并冷卻，試驗完畢。當熱流計溫度下降至33℃時，才能進行新一次試驗。

2．3皮膚燒傷評估準則
皮膚燒傷評價過程中，一般認為，當人體皮膚表面下80斗m處的基面溫度達到44℃以上時，皮膚開始燒傷破壞，破壞程度隨溫度上升成對數關系加深。
通常，在一定的熱暴露環境下，用銅片熱流計并借助于Stoll曲線確定“皮膚"達N---級燒傷所需的時間，然而Stoll燒傷準則是Stoll和Chianta兩位研究者通過實驗確定皮膚在4．2～16．8 kW／m2的熱暴露環境下皮膚二級燒傷時間，而暴露熱流量在此范圍之外的二級燒傷時間，則是通過外推法而得；另外，應用Stoll方法首要前提是保證人射到皮膚表面熱流量是一個恒定值，任何小的波動變化都會使Stoll準則失效。
基于以上原因，筆者采用了目前應用較廣泛的Henriques皮膚燒傷模型方程¨7|，該模型通過將皮膚溫度代人到Henriques提出的一階阿倫尼烏斯(Arrhenius)方程，即認為皮膚的燒傷破壞過程是一個化學變化的積分形式：

式(8)是一個由皮膚活化能AE和頻率破壞因子P參數控制的函數方程。式中，力是皮膚燒傷破壞程度的量化值，無量綱；R是皮膚活化能和理想氣體常數(8．31J／mol·℃)。Weaver和Stoll兩位研究者將皮膚基面溫度數據與二級燒傷時間數據進行了比較分析，得到的不同皮膚基面溫度下的AE和P值，如表3所示。
若基面溫度T>44℃且門>0．53，那么皮膚一級燒傷；若T>44。C且=1．0，那么皮膚二級燒傷。可知即使冷卻過程中，只要皮膚基面溫度T>44℃，皮膚繼續會燒傷破壞。與Stoll準則不同的是，式(8)綜合考慮到了這一冷卻燒傷效應。

筆者選擇了新型熱波皮膚模型來評估皮膚的熱損傷，其測試分析過程如下：
1)運用皮膚模擬器表面的熱電偶測量其表面溫度五。
2)將L值代入到Diller法則公式得到皮膚模擬器表面吸收的熱流量值g"。。
3)以q"。作為熱波皮膚模型的邊界條件，獲得皮膚基面的溫度值丁。
4)將皮膚基面的溫度值丁代入式(8)——Henriques皮膚燒傷模型方程，求得皮膚達到二級燒傷所需時間。
其中，q"。是運用Diller法則¨副計算而得。將整個測試時間分為n個時間步長，在某一步長t。，根據該步長前所有步長的溫度差(瓦一t一，)求和，可得該步長下的熱流量值q"。：

3結果與討論
3．1熱波皮膚模型與Pennes方程比較分析該實驗中，輻射熱流通量為21 kW／m2，通過測量Al芳綸織物試樣下的皮膚模擬器溫度，數值計算人體皮膚的溫度，每個試驗的輻射加熱時間為10 s，而整個計算時間為20 S。圖3是皮膚基面的溫度隨時間變化曲線，圖3的曲線顯示出運用熱波皮膚模型(TWMBT)與Pennes皮膚模型預測皮膚溫度值差別顯著。

在加熱的開始階段，Pennes方程預測值較TWMBT預測值大，這是由于Pennes方程是基于Fourier熱流定律建立的，而熱波皮膚模型則考慮了熱量在皮膚組織中傳遞速度有限這一物理事實，因此，熱量從表膚表面傳遞到皮膚內部某一點需要一定的時間延遲或松弛，從而導致其溫度預測值偏低，但是經過較長時間后，皮膚傳熱達到穩態后，兩個皮膚模型所預測值相近。
事實上，由于運用Diller法則計算瞬間入射熱流量時，采用了類似數值差分格式，且時間步長的劃分較粗，因此，根據皮膚模型所繪出的溫度時間曲線并不光滑。

由于兩個皮膚模型預測分析溫度值存在差別，必然導致兩者預測皮膚燒傷度的差異。圖4是A1～A4這4種織物試樣層下的皮膚模擬器測試分析所得的皮膚二級燒傷時間柱狀圖，在考慮了皮膚傳熱的松弛時間丁后，即由TWMBT模型方程分析得到的織物熱防護性能比Pennes方程預測得到的防護性能強。

如表1數據和圖4柱狀體所示，可知厚度或重量相似的條件下，織造系數高的織物(A2)的熱防護性能比織造系數低的織物(A3和A4)的防護性能強，這是由于織造系數高，織物緊度高，熱量不易透過織物，導致織物熱防護性能增強。21 kW／m2熱流輻射過程中，大約在8 s后A2與A3試樣有焦化現象發生。
3．2 Henriques燒傷模型與Stoll準則方法比較當前小規模(Bench—top—scale)的熱防護性能測試要求被測紡織品暴露于一定的熱流量環境，采用銅片熱量計測量通過織物試樣的熱量，借助于Stoll準則獲得皮膚二級燒傷時間。為了比較Henriques方法與Stoll方法，這里按照TPP(Thermal ProtectivePerformance)熱流計技術制作了一只銅片熱流計，在相同的輻射熱流環境(21 kW／m2)下，分別運用皮膚模擬器與銅片熱流計測量同一種試樣的防熱時問，以進行橫向比較。

從表4可知，3種測試方法的CV值都不大于10％，表明、狽0量熱防護服用織物熱防護性能時，這3種方法的可信度高，穩定性好。顯然，圖5中3條曲線不同位置又表明Henriques與Stoll方法在測試熱性能值時存在差異，但曲線的變化趨勢一致。通過對Stoll方法與TWMBT皮膚模型方法(Henriques)進行相關分析，得到其相關系數為0．8054，如圖6所示，表明Henriques燒傷方程并結合TWMBT皮膚模型的皮膚燒傷評價方法適合于評價熱防護織物熱防護性能。

相同測試條件下，結合Pennes方程的Henriques皮膚燒傷評價方法得到皮膚二級燒傷時間zui短，Stoll次之，而TWMBTzui長(見圖6)。
導致Stoll方法與Pennes方程(結合Henriques方程)評價差別是由于這兩個吸熱計的吸熱性質的差異，同等受熱條件下，皮膚模擬器升溫更快，吸收熱量更多，運用Pennes方程預測皮膚的溫度時，沒有考慮熱松弛時間這一因素，相應的其皮膚預測溫度上升快，吸收熱量多，達到二級燒傷時間短；但TWMBT方程則綜合考慮了皮膚生物組織傳熱速度有限這一因素，其預測二級燒傷時間zui長。

4結 論
1)筆者提出了在高溫安全防護領域一種評價熱防護織物熱防護性能的新型皮膚傳熱模型——皮膚熱波模型(TWMBT)，并采用了實驗與模型分析的“兩步法"來預測皮膚燒傷度，該模型考慮了強熱流環境中熱防護織物層下皮膚組織傳熱的熱波影響因素。
2)在加熱的初始階段，運用TWMBT模型預測的皮膚基面溫度比Pennes方程預測低。
3)相同測試條件下，結合Pennes方程的Henr—iques皮膚燒傷評價方法得到皮膚二級燒傷時間zui短，Stoll次之，而TWMBTzui長。
4)Henriques燒傷方程并結合TWMBT皮膚模型的皮膚燒傷評價方法于評價熱防護織物熱防護性能。

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