热接触暴露下多层防护服的热传递及皮肤烫伤研究_张涵.pdf

第4 9卷 第1期2 0 2 3年2月东华大学学报(自然科学版)J OUR NA L O F D ON GHUA UN I V E R S I T Y(NA TUR A L S C I E N C E)V o l.4 9,N o.1F e b.2 0 2 3 文章编号:1 6 7 1-0 4 4 4(2 0 2 3)0 1-0 0 3 9-0 6D O I:1 0.1 9 8 8 6/j.c n k i.d h d z.2 0 2 1.0 4 7 9收稿日期:2 0 2 1-0 8-1 5基金项目:国家自然科学基金(5 2 0 0 4 0 6 6);教育部人文社会科学研究青年基金(2 0 Y J C 7 6 0 0 8 7);上海市青年科技英才扬帆计划项目(1 9 Y F 1 4 0 0 6 0 0);上海市大学生创新创业项目(S 2 0 2 1 1 0 2 5 5 1 1 7)通信作者:苏云,男,副教授,研究方向为功能防护服、纺织材料热湿传递模型,E-m a i l:s u y u n 1 5 0d h u.e d u.c n引用格式:张涵,雍睿.苏云.热接触暴露下多层防护服的热传递及皮肤烫伤研究J.东华大学学报(自然科学版),2 0 2 3,4 9(1):3 9-4 4.Z HAN G H,YON G R,S U Y.S t u d y o f h e a t t r a n s f e r i n m u l t i l a y e r p r o t e c t i v e c l o t h i n g a n d s k i n s c a l d u n d e r t h e r m a l c o n t a c t e x p o s u r e J.J o u r n a l o f D o n g h u a U n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c e),2 0 2 3,4 9(1):3 9-4 4.热接触暴露下多层防护服的热传递及皮肤烫伤研究张 涵a,雍 睿a,苏 云a,b,c(东华大学 a.服装与艺术设计学院,b.功能防护服装研究中心,c.现代服装设计与技术教育部重点实验室,上海 2 0 0 0 5 1)摘要:为给高温作业人群提供更好的保护,研究多层防护服的热传递问题,以提升热防护服的防护功效。基于阻燃织物的热传递特性与皮肤生物热传递机理,构建“热接触环境-服装-人体皮肤”之间热传递模型,利用热接触防护性能试验,验证了模型预测结果的准确性,并进一步调查接触压力、织物基本参数对皮肤温度与皮肤烧伤时间的影响。结果表明:接触压力对热防护服的防护性能有较大影响,易受压部位需要更高的热防护;该模型能够准确预测不同压力状态下热防护服的防护性能,为热防护服的热功能工程设计与高性能材料研制提供理论支持。关键词:热防护性能;热传递;数值模型;防护服;热接触中图分类号:T S 9 4 1 文献标志码:AS t u d y o f h e a t t r a n s f e r i n m u l t i l a y e r p r o t e c t i v e c l o t h i n g a n d s k i n s c a l d u n d e r t h e r m a l c o n t a c t e x p o s u r eZHANG H a na,Y ONG R u ia,S U Y u na,b,c(a.C o l l ege o f F a s h i o n a n d D e s ign,b.P r o t e c t i v e C l o t h i ng R e s e a r c h C e n t e r,c.K ey L a b o r a t o ry o f C l o t h i ng D e s ign a n d T e c h n o l og y,M i n i s t ry o f E d u c a t i o n,D o ngh u a U n i v e r s i ty,S h a ngh a i 2 0 0 0 5 1,C h i n a)A b s t r a c t:T h e s t u dy o f h e a t t r a n s f e r i n m u l t i l aye r pr o t e c t i v e c l o t h i ng c a n h e lp t o i mpr o v e t h e pr o t e c t i v e pe r f o r m a n c e o f t h e r m a l pr o t e c t i v e c l o t h i ng a n d pr o v i d e b e t t e r pr o t e c t i o n f o r w o r k e r i n h o t e n v i r o n m e n t.B a s e d o n t h e b e h a v i o r o f h e a t t r a n s f e r o f f l a m e-r e t a r d a n t f a b r i c a n d t h e m e c h a n i s m o f s k i n b i o-h e a t t r a n s f e r,a h e a t t r a n s f e r m o d e l b e t w e e n“h o t c o n t a c t e n v i r o n m e n t-c l o t h i ng-h u m a n s k i n”w a s d e v e l ope d.T h e pr e d i c t i v e r e s u l t s f r o m t h e m o d e l w e r e v a l i d a t e d by a t h e r m a l-c o n t a c t pr o t e c t i v e pe r f o r m a n c e t e s t.T h e e f f e c t s o f c o n t a c t pr e s s u r e a n d f a b r i cs b a s i c pr ope r t i e s o n s k i n t e mpe r a t u r e a n d s k i n b u r n t i m e w e r e f u r t h e r i n v e s t iga t e d.T h e r e s u l t s d e m o n s t r a t e t h a t t h e c o n t a c t pr e s s u r e h a s a n i mpo r t a n t e f f e c t o n t h e t h e r m a l pr o t e c t i v e pe r f o r m a n c e,a n d i t i s n e c e s s a ry t o pr o v i d e h igh e r t h e r m a l pr o t e c t i o n f o r t h e s e e a sy-c o mpr e s s e d b o dy s e c t i o n s.T h e m o d e l a c c u r a t e ly pr e d i c t s t h e pr o t e c t i v e pe r f o r m a n c e o f t h e r m a l pr o t e c t i v e c l o t h i ng u n d e r d i f f e r e n t pr e s s u r e c o n d i t i o n s,a n d pr o v i d e s t h e o r e t i c a l s up po r t f o r t h e r m a l f u n c t i o n a l e ngi n e e r i ng d e s ign o f t h e r m a l pr o t e c t i v e c l o t h i ng a n d d e v e l opm e n t o f h igh-pe r f o r m a n c e m a t e r i a l s.东华大学学报(自然科学版)第4 9卷 K e y w o r d s:t h e r m a l pr o t e c t i v e pe r f o r m a n c e;h e a t t r a n s f e r;n u m e r i c a l m o d e l;pr o t e c t i v e c l o t h i ng;t h e r m a l c o n t a c t 日常生活存在许多高温作业工种,尽管有服装、手套等一系列防护装备,但从业人员依旧面临生命安全的威胁。高温作业对人体循环系统、消化系统、泌尿系统乃至神经系统都有不同程度的影响:轻度可导致体温调节障碍、头晕、心慌、疲倦不适等;中重度可导致昏迷、烧伤等。为了保障高温从业人员的身体健康以及生命安全,研究者们积极研发不同种类的热防护服以适应需求。热防护服是用于提升高温作业的安全性、延长高温作业时间防护性的服装,可以有效地减少热量在人体皮肤上的积聚,保护皮肤免受烧伤1。热防护服的研究最早起源于欧美国家,现在已经拥有了较为完善的理论体系、测试方法和质量标准。国内的研究起步较晚,主要关注热防护服的阻燃性能,并制定了GA 1 02 0 1 4 消防员灭火防护服 等一系列标准,该标准要求热防护服由外层、防水透气层、隔热层、舒适层等多层构成,但多层织物结构提升了防护服质量,使用过程中更易造成使用者体力消耗,不利于开展高温环境作业2。在接触热防护研究方面,美国已经建立了A S TM F 1 0 6 0 表面接触热的防护服装材料热防护性能的标准试验方法,但由于实际高温作业环境下,作业人员所面临的高温热接触与标准有所出入,这套标准测试设备并未普及。现有接触热防护领域的标准制定具有局限性,还有待完善。除了热防护服装的试验测试,近年来,有研究学者利用热传递数值模型进行热防护服装性能评定的研究。文献3-5 提出了单层阻燃织物的热传递模型,预测火灾环境下服装的热防护性能,但未考虑多层服装的影响;文献6-7 进一步优化单层织物热传递模型并建立多层织物热传递模型,研究表明多层织物热传递模型能够更准确表征服装的热防护性能。F u等8研发了低辐射环境下热防护服的热湿传递模型,考虑水分对热防护服热传递的影响,并对衣下空气层的热湿传递进行预测。H u等9建立“织物-空气层-皮肤”的热湿传递耦合模型,考虑各层织物之间空气层的热传递,发现相变材料的应用能够优化消防服防护性能。文献1 0-1 2 基于计算流体力学相关技术,构建了燃烧假人的仿真模型,模拟火灾环境中着装人体的三维热传递过程。然而,以上研究大都模拟了无压力作用下的热辐射暴露织物热传递与皮肤烫伤,对受到压力作用下织物热接触模型的研究相对较少。在热接触作业过程中,人体会受到外力的挤压,防护服的热防护效果会随之改变。因此,基于多孔介质热传递机理,提出热接触暴露条件下多层热防护服的热传递模型、耦合P e n n e s生物热传递模型与H e n r i q u e s烧伤积分模型,预测人体在不同接触压力下的烧伤情况,以此来实现对热防护服防护能力的评定。1 数值模型1.1 三层织物热传递模型 根据热传递关系,环境、多层服装以及皮肤之间的物理模型如图1所示。为了简化模型,做出如下假设:(1)织物及皮肤的热传递沿厚度方向进行,将其视