高温液体及蒸汽防护服装防护性能研究进展

对在消防、餐厅、发电厂、轮船、潜艇等领域工作的人员来说，高温液体和高压蒸汽是一种潜在的危害[1-3]。因接触到高温液体或蒸汽而造成的伤害是相当严重的，尤其是涉及到呼吸道问题时，有可能会导致患者死于呼吸系统疾病[4-5]。需要穿着高温液体和蒸汽防护服来保证相关工作人员在发生类似灾害时不受伤害，同时保护救援人员的生命安全及救援工作的顺利进行。在热防护服装领域，国内外的研究主要集中在高温热接触、热辐射、火焰等灾害条件下的防护性能实验室测评、热湿传递建模和防护机制的研究上，而对高温液体和蒸汽防护服装的防护性能研究较少。从热传递的角度来看，高温液体和蒸汽灾害不同于其他的热灾害，服装对此类灾害的防护机制也不同，因此，对此类防护服的防护性能进行全面研究和分析探讨，剖析各影响因素的影响程度，阐明高温液体和蒸汽防护机制具有重要的意义。

由式(1)至式(16)可解得T1,T2,T3,T4,T5,T6,T7,T8,T9,T10,T11,T12和T14，并由此可得循环的量纲-功率

近年来，针对高温液体和蒸汽防护性能的研究逐渐引起广泛关注，并开展了一定的基础性研究，主要关注织物和服装本身的防护性能。本文首先从“人体-服装-环境”系统的角度分析影响高温液体和蒸汽防护性能的主要因素，概括当前的测评技术和标准，并针对上述影响因素逐一阐述当前国内外的主要研究进展，总结现行研究的缺陷，并提出未来的研究方向及发展趋势。

1 影响因素分析

图1示出防护服性能的主要影响因素。从“服装-人体-环境”系统的角度出发，将影响高温液体和蒸汽防护性能的关键因素分为服装、人体和环境3个因子。首先，服装因子可从面料的基本性能和空气层2个方面分析，面料的基本性能又包括厚度、密度、防水性、透气性等方面，而在研究服装因素时还要从二维的面料小样测试与三维的服装整体测试2个层面开展。其次，人体因子着重考虑的是人体在动态运动过程中，可能使服装的基本性能或服装与人体间的空气层产生变化，从而影响防护性能的因素。例如在运动过程中，服装会产生拉伸、形变，空气层尺寸及分布也会发生动态变化；同时人体会出汗，汗液浸透服装，改变其基本性能；服装穿着时受到辐射损伤和机械磨损，穿着后洗涤都会使其老化，改变其基本性能，从而影响其防护性能。最后，防护服装在不同的灾害环境下所提供的防护性能也不同，环境因子主要从灾害因素、温度、距离、压力、冲击角度等方面进行探索。此外，3种主要因素之间可能产生动态交互作用，例如环境因素可能由于服装因素的变化从而影响其防护性能；人体与服装之间相互影响，即人体动作和出汗等会改变服装的基本性能，而服装有可能因尺寸和结构等问题限制人体的运动，从而引起人体出汗等；在不同的环境条件下，人体的出汗等生理反应、人体动作引起的摩擦损伤等均不同。

图1 防护服性能的主要影响因素 Fig.1 Key factors influencing thermal protection of protective clothing

2 防护性能测评技术

2.1 织物二维测评技术

现行的高温液体和蒸汽的防护性能评价标准较少，目前使用最多的高温液体防护性能测评标准为美国的ASTM F 2701—2008《接触高温液体时防护服材料的热传递性能》。液体在加热到一定的温度后倒入漏斗，漏斗上有均匀分布的小孔来控制液体流速，使得1 L的液体在10 s左右的时间里喷溅在测试台上的面料表面。测试台与水平面成45°倾角，其上有2个铜片流量计，来测量面料的热传导速率。实验中得到的数据通过数据采集器输出到电脑上，利用Stoll曲线预测皮肤二级烧伤的时间。该标准存在如下缺陷：1)在将高温液体倒入漏斗的时候，液体温度和流速无法监测，液体温度在接触面料时不能保证在一定误差范围内，液体流速不易控制，使得实验的可重复性差，结果误差大；2)无法模拟液体对服装造成的压力作用；3)测试台是固定的，无法改变角度；4)传感器的材料在实验过程中也会吸收热量和湿度，影响结果准确性[6]。

随后，Jalbani等[6]改进了液体加热、传输及喷射装置，增加了可控恒温水箱、液体传送管道、液体循环系统以及液体喷射口。主要为了方便控制喷射液体的温度和流速，从而实现实验的可重复性，并可模拟不同灾害情况。后来，Lu等[7]进一步改进了测试装置，可利用该装置来进行不同冲击角度的影响研究。

Lu等[13]建立了喷淋假人系统，用于评价高温液体环境下服装整体防护性能。该系统包括假人本体、喷淋系统和数据采集处理系统。假人本体与燃烧假人相同，保持直立姿势悬挂，是由玻璃纤维和树脂材料制成，配置有110个皮肤模拟传感器均匀分布在假人表面。高温液体喷淋系统由4组喷淋器构成，呈正方形均匀分布，每组喷淋器有3个自上而下的喷嘴。可自动化控制高温液体从这12个喷嘴中同时喷出并喷溅到待测服装表面。数据采集与处理系统与燃烧假人相同，利用皮肤传热模型和烧伤预测模型评估服装的高温液体防护性能。

2.2 服装三维测评技术

至今为止，还没有用来评价服装蒸汽防护性能的统一测评标准，研究者们大都使用自己研制的各种简易装置来进行实验研究。例如，法国海军建立了一系列实验设备用来评价织物的蒸汽防护性能，包括2种测试条件：蒸汽喷射和蒸汽环境[8]。该设备包括蒸汽锅炉、样品架、测量单元(包含热传感器)、数据采集器和电脑。在蒸汽喷射实验中，样品支架和测量单元固定在可移动基座上。在蒸汽环境实验中，可移动基座被换成一个独立的盒子，这个盒子会产生热蒸汽构筑蒸汽环境。Ackerman等[9]设计了一种蒸汽测量仪，其操作便捷，精确性好。该仪器主要包括有加热器的锅炉、加压装置、蒸汽喷水口、皮肤传感器和数据采集器。该设备可产生压力70～620 kPa、温度95～250 ℃的蒸汽。Su等[10]研发了一种用来评估在热蒸汽和热辐射条件下织物热防护性能的设备。该设备由蒸汽锅炉、送管口、蒸汽箱、试样固定组件和数据采集系统组成。蒸汽锅炉可产生温度100～150 ℃、压强0.01～0.4 MPa的高压蒸汽。蒸汽从输送管中引入至待测样品中心，蒸汽流量可通过流量控制阀来进行调节，实验中蒸汽的冲击压力主要取决于蒸汽的流量、喷嘴的直径和试样的距离。Rossi等[11]的研究是利用煤气灯来对水箱进行加热从而产生蒸汽，再用管道输出蒸汽，使待测面料暴露于蒸汽中。Sati等[12]研发了一种圆柱形的测试设备，来模拟人体躯干部位的服装在蒸汽环境下的防护性能。实验中可模拟的蒸汽最高压力为345 kPa。

3.1.2.1 服装基本性能 法国海军医学院成立了蒸汽实验室，建立了一系列实验设备来研究热蒸汽暴露对人体生理的影响以及防护装备的防护性能影响[22]。Desruelle等[8]使用该设备测试织物的性能，探索织物厚度、防蒸汽透过等性能在蒸汽喷射环境下的防护效果，并利用暖体假人和人工气候室测试了5种防护服装在蒸汽环境下的防护效果，并分析服装厚度、透气性对防护效果的影响。结果表明较厚的服装有着更优越的防护性能，水汽不可透过的服装比可透过的服装效果更好。

3 国内外研究现状

3.1 服装因子

3.1.1 织物层面

3.1.1.1 织物基本性能 在蒸汽防护性能研究中，大量的研究表明面料的种类、透气性、结构、厚度、密度、面密度、层数等都会影响服装的防护性能[8-10]。经研究发现，织物越厚，其防护性能越好；厚度相同时，不透气的织物比透气织物具有更好的防护性能[9-11]；对相同织物采用不同的不透气处理方式时，蒸汽防护性能会有明显区别[14]；多层织物比单层织物防护效果好[8]；层压和涂层织物比没有经过该处理的织物防护性能更好[12]。

3.1.2 服装层面

MRI灌注成像技术分很多种，目前临床上最常使用的一种技术是对患者注射对比剂后行MRI灌注检查，之后利用后处理软件得到时间-信号曲线(TIC)、60 s内对比剂的浓度曲线下的初始区域(AUC)，进而计算包括达峰时间(TTP)、最大斜率(SS)、容积转移常数(Ktrans)、回流速率常数(Kep)、血管外间隙容积分数(Ve)、扩散系数(f)等在内的各个参数，以此评估MRI灌注技术在小胰腺癌早期诊断中的价值[18]。

3.1.1.2 空气层厚度 在蒸汽防护研究中，Su等[20]研究了在干热(热辐射)和湿热暴露(热蒸汽和热辐射)2种情况下空气层厚度对防护性能的影响。结果表明，蒸汽防护性能不仅取决于织物厚度、重量、透气性等因素，也受空气层厚度的影响。干热状态下，空气层厚度的增加能够改善服装的防护性能；在湿热状态下，较大空气层明显降低了传热速率，但空气层厚度和皮肤降温之间没有显著相关性。最后，该研究中还提出在空气层方面还没有一个定量的评价方法来具体表征防护性能与空气层厚度之间的关系，需要更深入的探索。

在蒸汽防护研究中，Sati等[12]研究了蒸汽喷射距离和压力对织物的蒸汽防护性能的影响。结果表明，蒸汽喷射距离最近且压力最大的条件下，织物的防护性能最差。

不同材料的织物提供的高温液体防护性能也不同。Jalbani[15]发现织物的基本性能和结构会影响其热水防护性能，其中织物的透气性是影响防护性能的关键因素。Barker等[16]研究了22种不同面料(包括镀铝和非铝化织物)在抵抗铁水冲击时的传热和热降解，发现织物的防护性能与其厚度、重量、透气性等基本属性有关。Lee等[17]研究了通常用于个人防护装备的36种材料的阻隔性和空气/湿气渗透性，研究了各种单层机织、针织、非织造织物在不同热源下的热防护性能，探讨了织物结构对织物防护性能的影响。结果表明，在织物厚度、重量、密度等性能中，厚度是影响防护性能的关键因素，密度、透气性对防护性能也有一定影响，这与文献[18-19]的研究结果一致。

法国海军建立的蒸汽实验室利用铜质暖体假人和人工气候室对暴露在蒸汽环境中的服装进行评测[8]。该假人被分为9个独立部分，并依靠铜管内部的水循环系统使表面温度维持在33 ℃。通过测量的水流量和温度计算总体和局部的热流量。实验中，将穿着待测服装的假人放置在气候室中央，温度设置为80 ℃，并逐步增加空气湿度至设备允许最大值，测量温度和水流量计算热流量，从而评价服装的蒸汽防护性能。

在高温液体防护研究中，Lu等[13]基于新开发的喷淋假人系统来评估防护服对热液体的防护性能，研究服装设计特征(织物性能和服装尺寸)对服装防护性能的影响，发现在不透水或半透水的服装中织物的厚度和织物结构对其防护性能有明显影响。后来，Mandal等[19]在此基础上进行了验证，得出类似的结论。

3.1.2.2 空气层厚度及分布 在高温液体防护的研究中，Lu等[23-25]采用非接触式三维人体扫描技术对防护服与人体皮肤之间存在的空气层厚度和分布进行了表征，探讨织物性能和服装尺寸对空气层分布的影响[23]。随后分析空气层厚度及分布与皮肤烧伤的关系，发现空气层厚度对服装整体的防护性能有积极的影响[24]。最后探究织物实验和假人实验间的关系，发现二者之间表现出了明显的相关性；在此基础上，结合空气层厚度分布的研究，建立了预测模型用来评价防护服防热水喷淋的整体性能[25]。

3.2 人体因子

在高温液体防护研究中，Ackerman等[16]发现高温液体的种类不同，织物所能提供的防护性能也不同。大量学者都探究过不同液体及温度条件下的防护性能，如高温碱性化学液体[29]、农药[30-31]、蒸馏水、菜籽油、钻井泥浆[20]。Lu等[32]进一步探讨液体渗透与热防护的关联性，发现液体黏度和织物表面性质决定了其渗透。Lu等[33]还研究了不同液体和温度对织物穿透性能的影响，并研究了冲击角度对液体渗透保护性能的影响，结果表明液体温度对储存和渗透的液体量具有显著影响，不同的液体可能导致织物不同程度的损坏，进而影响其防护性能。冲击角度会影响通过织物的液体传递，添加热衬里或防潮层可急剧降低液体渗透，影响防护性能。Gohlemareza等[34]也对冲击角度的影响进行了研究，发现水平状态下织物的防护性能低于在45°角的状态下的防护性能。

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3.3 环境因子

在高温液体防护研究中，Lu等[21]研究了在暴露于3种高温液体飞溅物时，空气层对不同织物的传热性能的影响。结果表明，空气层显著提高了织物的热防护性能，但该结论只适用于不透气织物，对透气织物和半透气织物，其传热模式更复杂，一方面要考虑半透气织物热量传递过程中空气层吸收水分变潮湿带来的影响，另一方面要考虑透气织物吸收水分到饱和状态时织物会直接接触人体皮肤所带来的影响。

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在蒸汽防护研究中，为了模拟人体形态，Rossi等[11]提出了圆筒模型，同时进行出汗模拟，来评估人体出汗对热湿传递性能的影响。结果表明，织物在湿润状态下，其蒸汽防护性能会降低。Keiser等[26]用具有成人人体躯干尺寸的圆柱体来模拟人体，发现在多层防护服装中不同层之间的水分输送能力对水分分布有影响，水分分布受亲水织物层与疏水织物层的不同组合影响。Zhang等[27]研究了6种织物体系中水分及其分布对储存热的影响，发现水分含量及其分布对热防护性能具有复杂的影响。总的来说，随着内层面料中水分的增加，织物的热防护性能有所下降，但在某些极端情况下(100%湿度)，性能有所改善。然而，在内层面料及水分含量相同时，外层织物中的水分对热防护性能有促进作用。除了模拟人体出汗，Su等[28]探讨了人体运动对服装防护性能的影响。结果表明人体的运动速度对二度烧伤和三度烧伤有着复杂的影响。一般来说，随运动速度的增加，二度烧伤的时间先减少，后有上升的趋势，而运动速度的增加可减少三度烧伤的时间。

4 研究不足与展望

尽管针对高温液体和蒸汽防护服装的研究取得了阶段性进展，但仍缺乏系统的三维测评技术和研究成果，在动态防护性能研究方面仍有不足，其未来的发展趋势可从以下几个方向考虑。

4.1 服装整体防护性能的研究缺乏

相比于织物小样测试，三维的服装整体测试在蒸汽防护领域还很缺乏，大量在二维织物小样测评研究中得到的结论并未在服装整体的测评研究中加以验证，更未对二者进行对比分析，建立相关关系及预测模型，需要在后面的研究中深入探索，从而为服装蒸汽防护性能的预测评价奠定基础。除此以外，现阶段的研究主要都集中在织物的基本性能，如厚度、层数、透气性等，而对空气层的研究相对较少。在研究高温液体防护时对服装与人体间空气层进行了量化，并建立了皮肤烧伤预测模型来评估防护服性能，而在蒸汽防护服的研究中，其中没有涉及，还需要对空气层的影响做更深入的研究。

做好口腔护理，及时吸出口腔及咽喉部分泌物，避免细菌吸入，口腔溃疡，感染等。动态观察口腔情况，每日4次洗必泰漱口液口腔刷洗，并且每四小时用新境界喷式口腔一次。做好口腔护理可降低老年人发生吸入性肺炎的危险。刷洗时注意气囊压力防止气囊压力过低造成误吸。

4.2 人体活动影响防护性能的探究甚浅

人体活动对服装防护性能的影响涉及到很多因素(见图1)，现有研究仅简单地模拟了人体出汗状态。除了人体出汗外，在运动过程中，服装受力作用弯曲、拉伸产生形变，可能会改变防护性能[35]，并使得人体与服装间的空气层发生动态变化[36]，从而影响服装的防护性能。服装在穿着过程中，不可避免的会发生磨损，例如水洗老化、服装与身体部位或物体等发生摩擦、受辐射造成老化等，都可能会削减其防护性能[37]。目前对这些因素的影响研究较少，有待下一步探索，从而为更准确地评价防护服装的动态防护性能奠定基础。

4.3 环境因素影响防护性能方面探索不足

蒸汽防护实验中，环境因素主要有蒸汽的种类、温度、压力、距离、冲击角度等。尽管Sati等[12]研究了蒸汽喷射距离和压力对织物的蒸汽防护性能的影响，但在蒸汽种类、温度和冲击角度等方面都未进行探索，在高温液体防护性能测试中，已经证实液体种类、温度的不同对服装防护性能具有明显的影响，因此，非常有必要探索这些因素对蒸汽防护性能的影响，开发新的测试设备势在必行。

5 结束语

对高温液体和高压蒸汽防护服装的研究刚刚起步，从简单的织物小样测试到整体的服装预测还需要进一步的探索。本文首先总结了当前常用的评价高温液体和蒸汽防护性能的测评技术，其次从服装、人体、环境3个因素方面详细分析了国内外研究学者的已取得的成果，并提出未来研究的发展趋势及方向。目前关于高温液体和蒸汽防护性能的研究主要针对的还是织物，各项评测技术、仪器、标准还需进一步的统一和完善，来增强各研究之间的关联性；有关蒸汽防护性能方面的研究还很少，建立蒸汽防护性能的预测模型及评价方法势在必行。高温液体和蒸汽防护性能的研究可减轻职业工人和应急救援人员在灾害环境中受到的伤害，减少潜在危险，保障其生命安全，提高工作效率。

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结合现阶段工程造价工作的信息化发展，虽然已经得到了绝大部分企业的认同，也积极进行了多方面的尝试，但是在具体落实中却同样也存在着多方面的缺陷和不足，具体问题表现如下。

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