介绍
热防护服（TPC）是一种重要的个人防护装备，能够通过阻止热暴露引起的热传递来保护工人的人身安全。1 , 2目前，消防员是意外火灾和救援受害者的第一反应者，他们的热暴露在各种可能的热危害（传导、对流、热液体、蒸汽和/或热固体）中变得复杂。TPC 由多层织物制成，通常由外壳、防潮层和热衬层组成，已在世界各地广泛装备。3 , 4由阻燃合成纤维制成的外壳是抵御入侵威胁的第一道防线。5防潮层采用与轻质阻燃纤维层粘合的薄膜，可保护人体免受热液体、蒸汽等的侵害，同时使消防员产生的汗水蒸气得以消散并减轻热应激。由棉絮织物制成的保暖衬里增强了防护服的整体隔热特性。6 , 7多层TPC在暴露过程中固然可以提供较高的热防护性能，但它也储存了大量的热能，这些热能在暴露后继续作为被动热源释放到人体皮肤上，大大降低了TPC和TPC的热防护性能。甚至可能造成更严重的皮肤烧伤。8 , 9因此，应全面研究多层TPC的双重热防护和热危害性能，以确保其可靠性。

在之前的研究中，学者们研究了暴露条件、织物性能和湿度对TPC整体热防护性能的影响。曼达尔等人。10发现热暴露类型对织物系统的热防护性能有不同的影响。He 等人的研究。11发现，织物系统存储的能量会随着热源强度和暴露时间的增加而增加，而即使暴露时间长，释放到皮肤的存储能量也会受到限制。宋等人。12研究表明，厚的多层织物系统在暴露过程中提供了更好的热防护性能，但暴露后更多储存的能量被释放到人体皮肤，从而加剧皮肤烧伤。穿着者的汗水使TPC中含有水分，关于水分对TPC热防护性能的影响。巴克等人的研究。图 13表明 15% 的水分会降低 2 nd织物系统的燃烧时间延长，TPC的防护性能也变差，这是由于水分增加了TPC的导热率。然而，当水分含量超过15%时，TPC的热防护性能会恢复甚至增加，因为水分具有更大的比热，可以在织物系统内储存更多的热能，但允许通过的热量更少。12

为了保证高温作业人员在工作时不妨碍其行动，TPC一般设计成松散的结构，在TPC与人体之间自然产生气隙。14研究表明，低导热率的静止空气在阻碍热量传递到人体皮肤方面发挥着积极作用，低于最佳尺寸的气隙可以增强 TPC 的热防护性能。15间隙的大小和位置是影响热防护性能的重要因素。TPC的热防护性能随着气隙尺寸的增加而提高，但一些研究表明，当气隙尺寸超过7mm时，TPC内部会发生更多的对流换热，气隙在增强热防护性能方面的作用TPC的作用被削弱。16、17王等人。图18表明，位于内部位置具有大气隙的多层织物系统具有更好的热防护性能。Fu等人的研究证实了这一结论，19他还发现，多层织物系统中的两个独立的气隙可以进一步增强 TPC 的热保护能力。然而，如果对具有气隙的织物系统施加压缩，则传感器接收到的热量将急剧增加。然而，这些研究仅考虑了织物在暴露过程中的热防护性能，而忽略了暴露后由于储存的能量释放而导致的热危害性能。

织物系统储存的能量有两种释放方式：自然放热和通过压缩强制放热。20 , 21工人的爬行、蹲下、弯腰、靠墙等体力活动可能会导致TPC挤压人体皮肤，加速暴露后储存能量的释放，甚至可能导致皮肤灼伤。苏等人。22研究发现，压缩显着增强了TPC的热危险性能，仅施加1.5 psi压缩，暴露后三度燃烧时间就缩短了44.6%。为了全面评估织物在暴露过程中储存的能量以及暴露后储存能量的释放情况，ASTM技术委员会推出了测试标准ASTM 2731-2018。23该标准建议，织物与传感器之间有 6.4 毫米气隙的织物在暴露于热源后应以 13.8 kPa 的压力进行压缩。

综上所述，虽然在确定 TPC 热防护性能的影响因素方面已经取得了很多突破，但现有研究气隙影响的研究很少考虑储能放电引起的 TPC 热危害性能，而且由于压缩的应用。实际使用中，气隙大小、位置和压缩程度是可变的，因此需要更全面地了解气隙大小、位置和不同压缩程度带来的双重性能变化。

本研究的目的是进行实验室模拟，以研究气隙尺寸、位置和压缩对低辐射热暴露下 TPC 的双重热防护和热危害性能的影响。织物系统的双重性能通过多个指标进行量化，并引入储存热能因子来检验储存热能的贡献。建立回归分析来研究气隙、压缩和热危险性能之间的关系。研究结果将有助于了解影响双重性能的因素，并为热防护服的设计和开发提供指导。

实验
材料
选择由外壳、防潮层和保暖衬里组成的三层热防护织物系统进行测试。这些织物层是市售的，通常用于热防护服。基本性能如表1所示。外壳是佩戴者的第一道防线，由本质上防火的织物制成，具有足够的耐热阻燃性和耐磨损、切割、划伤和撕裂的机械性能。防潮层采用微孔聚四氟乙烯 (PTFE) 膜来防水并允许湿气通过。保暖衬里包含附在面布上的无纺棉絮，具有高隔热性，可防止热量从热危险环境传递到皮肤。

测试仪器
为了评估低辐射热暴露下气隙和压缩对多层织物系统的双重热防护和热危害性能的影响，对辐射防护性能测试装置进行了改进，如图1（a ）所示。这种改进的装置由低辐射热源、样品架、传感器、织物压缩装置、转移托盘和数据采集系统组成。热源采用黑色陶瓷热板，产生低辐射热通量，符合测试标准 ASTM F2731-18。23水冷传感器（Medtherm，美国）位于测试样本的背面，并安装在传感器支架的中心，以测量通过织物传递到皮肤的热通量。转移托盘设计用于在热源和压缩机组件之间移动组合式样品架和传感器，以连续控制热暴露和冷却。

织物压缩机组件的示意图如图1(b)所示。压缩装置主要由压缩块、气缸、电磁阀等组成。为了施加压缩，启动电磁阀将圆柱形压缩块推向样品。压缩机机体表面的压缩可以通过改变气缸上的空气压缩来调节。

实验变量和测试方案的设计
试验前将试样置于21℃、相对湿度65%的标准大气中24小时。为了研究气隙尺寸和位置的影响，使用不同厚度的隔热垫片进行了实验。气隙的位置如图2所示。据报道，TPC 中大约 65% 的气隙尺寸低于 20 mm。7 , 24因此，本研究中使用的气隙尺寸范围为 0-18 mm，增加了 6 mm 以模拟 TPC 中截留的不同气隙。总共为实验设计了九种气隙配置，如表 2所示。暴露过程中，将试样在强度为8.5 kW/m 2的辐射热源下连续加热120 s 。这种低辐射热的强度满足 ASTM F2731-2018 的要求。然后，通过托盘转移样品以进行强制冷却程序。根据 ASTM F2731-18，在容易热暴露的情况下，托盘将样品从热源转移开，然后压缩块立即压在样品上。应用五种不同的压缩水平(即，0kPa、3.5kPa、6.9kPa、13.8kPa和21kPa)来模拟佩戴者可能遇到的压缩。22水冷传感器在冷却过程中连续记录数据60秒。

绩效评价指标
暴露期间的热防护性能
采用二级燃烧时间（t 2nd）和暴露期间传感器吸热率（EAE）两个指标来评价TPC的热防护性能。使用皮肤生物传热模型和 Henriques 烧伤积分模型来预测皮肤烧伤时间

整个测试过程中的整体热防护性能
整个测试过程中的总能量传输 (TAE) 由 EAE 和 CAE 之和计算

结果与讨论
气隙尺寸的影响
图 3(a)比较了气隙尺寸对 t 2nd和 EAE 所示的 TPP 的影响。当织物系统暴露于低水平辐射热时，气隙尺寸对织物系统的 TPP 有显着影响 ( p < .05)。一般来说，t 2nd随着气隙尺寸的增加而增加，并且EAE随之减少。如图3(a)所示，在外部位置处具有6mm气隙的T1将t 2nd从97.5s增加到136.3s，并且将EAE降低约26.3%。随着气隙尺寸增加到12 mm，EAE进一步降低41.4%，从232.8 kJ/m 2降低到136.4 kJ/m 2。气隙的存在增强了TPP，因为静止空气的导热率相当低，这使得大量的热量难以通过而是储存在织物系统中。16 , 25然而，随着气隙尺寸从 12 mm 进一步增加到 18 mm，T3 的 EAE 并没有显着降低 ( p > .05)。先前的研究指出，较大的气隙尺寸可能会增强气隙内部的气流，增加热对流在传热中的作用，削弱气隙尺寸的积极作用。

气隙位置的影响
气隙位置对织物系统性能的影响如图4所示。图 4(a)显示，当气隙尺寸不超过 12 mm 时，内部气隙对 TPP 的影响明显大于外部气隙 ( p < .05)。具体而言，N1和N2的EAE结果分别比T1和T2的EAE结果低约16.6%和16.8%。这可以用傅的研究结果来解释，该研究表明远离辐射热源的内部气隙比外部气隙具有更高的热阻。26内部气隙的这种增强的积极作用也可以通过暴露期间织物系统中储存的热能来解释。内部气隙与传感器直接接触，这极大地阻碍了从热源到热衬里、防潮层和外壳的热传递，最终允许在整个织物系统内存储更多的热能。然而，靠近外壳的外部气隙可以很大程度上抵抗从热源到该织物层的热传递，并且主要在其内部储存热能。11可以得出结论，与外部气隙相比，内部气隙对 TPP 在降低 EAE 方面具有显着的积极影响。内部气隙在增强 TPP 方面的优势也可以通过 t 指数来证明图2显示N1的t 2nd (即>180s)明显高于T1的t 2nd (即136.3s)。当气隙尺寸进一步增加到 18 mm 时，N3 和 T3 之间以及 T2N1 和 T1N2 之间的 EAE 不会因气隙位置而显着差异 ( p > .05)。这表明，对于 18 毫米的总大气隙尺寸，通过织物系统的传热往往由气隙的尺寸而不是其位置决定。值得注意的是，T2N1 和 T1N2 的 EAE 均显着低于 N3 和 T3 ( p < .05)，尽管它们的总气隙尺寸均达到 18 mm。例如，T2N1的EAE为87.7 kJ/m 2，比N3低约24.4%（即116.0 kJ/m 2 )。N3和T3只有一个气隙，而T2N1和T1N2有两个气隙分布在不同的织物层中，这增强了静止气隙的积极作用。他等人。27研究了织物系统内两个独立气隙在热蒸汽暴露下对 TPP 的影响，发现内部气隙比中间气隙更显着地增强了 TPP。这与本研究获得的结果一致。因此，建议对于多层织物系统内的大气隙尺寸(例如18mm)，最好将其分成不同织物层内的单独气隙，以大大减少暴露期间皮肤的热吸收。

对于 12 mm 和 18 mm 的气隙尺寸，具有外部气隙的 T2 和 T3 的 CAE 分别显着低于 N2 和 N3。对此的一种解释是，T2 和 T3 中存储的热能量分别低于 N2 和 N3 中的热能。存储热能的减少将导致暴露后释放到传感器的存储能量减少。通过外部气隙减少 CAE 的另一种解释是，外部气隙主要导致热能存储在外壳内，这主要迫使存储的能量释放到周围环境中，而不是释放到传感器中。这表明外部气隙具有较大的气隙尺寸（即，≥12mm）更有利于减少暴露后储存的热能的释放而对织物系统造成的热危害影响。然而，应该注意的是，当气隙尺寸为6mm时，N1和T1之间的CAE差异变得不显着。T1 的t 2nd超过 120 s（即，136.3 s），这表明储存热能的释放有助于暴露后二级烧伤的发生。N1 的气隙位于传感器和热衬垫之间，它还为存储的能量从织物到传感器的释放提供热阻。然而，T1 中的导热衬里与传感器直接接触，增加了存储能量释放过程中的热传导。T2N1和T1N2的CAE结果低于N3和T3的CAE结果，总气隙尺寸为18毫米，这表明织物系统中单独气隙的存在可以显着减少存储能量在织物系统中的释放。

从图4(b)中TAE指示的OTPP结果可以看出，TAE显着增加了16.6％，从内部气隙N1的188.7kJ/m 2到外部气隙T1的220.1kJ/m 2 。这是合理的，因为冷却过程中气隙为 6 mm 的 EAE 量大约是 CAE 的 2 倍，这意味着 EAE 在 TAE 中起主导作用。然而，值得注意的是，尽管图 4(a)中观察到内部气隙对降低 EAE 具有显着的积极影响，但 N2 和 T2 之间的TAE 没有显着差异 ( p < .05) 。这表明，当单个气隙尺寸为12 mm时，气隙位置对TAE的影响如图4(b)所示和图 4(a)中的 EAE是相同的。内部气隙N2在冷却期间比图4(b)中的外部气隙T2具有显着更高的CAE ，这抵消了内部气隙在降低暴露期间的EAE方面的显着积极影响。这表明TAE指示的织物系统的OTPP比较复杂，应根据传感器在暴露和冷却过程中的吸热情况来综合评估。毫不奇怪，由于织物系统中两个独立气隙的存在可以显着降低暴露期间的 EAE 和冷却期间的 CAE，因此 N1T2 和 N2T1 的 TAE 结果显着低于 N3 和 T3 的结果，总气隙尺寸为18 毫米。

压缩效果
仅压缩效果
如上所述，根据ASTM F2731-18，仅在暴露后对织物系统施加压缩，因此，仅使用t 2nd以及CAE和TAE的指数来讨论压缩的效果，如图5所示。压缩对暴露期间的 t 2nd和 CAE有显着影响( p < .05)，如图5(a)所示。当压缩力从0 kPa变化到21 kPa时，N1的CAE从45.7 kJ/m 2大幅增加到137.9 kJ/m 2 ，增加了201.8% ，t 2nd减少到 124.4 秒。这种增强的传热应归因于三个因素。首先，压缩迫使空气从织物系统中溢出。空气是良好的绝缘体，空气含量的减少意味着织物系统导热性的增加。其次，压缩减少了织物系统的厚度，最终减少了从织物系统到传感器的热传导距离。19第三，压缩降低了织物系统和传感器之间的接触热阻。值得注意的是，对于 N1，所有压缩级别在大约 125 秒时都会导致 2 度皮肤烧伤。这表明压缩通过加速储存的热能的释放而加速皮肤烧伤，因此，即使在逃离热暴露后，消防员也应避免防护服压在皮肤上。

由于压力增加，TAE 也显着增加 ( p < .05)。随着压缩从0 kPa增加到3.5 kPa，织物系统的TAE增加了22.2%，这表明压缩降低了织物系统的OTPP。值得注意的是，随着压缩继续增加，TAE 的增加程度减小。当压力从3.5 kPa增加到6.9 kPa、6.9 kPa增加到13.8 kPa、13.8 kPa增加到21 kPa时，N1的TAE分别增加了7.0%、6.7%和6.8%。Su 等人的研究证实了这一结论，9其中热防护织物在 0.5-3 kPa 压缩下表现出高传热率。另外，图5(b)结果表明，随着压缩从0 kPa增加到3.5 kPa，CAE与EAE的比例从32.0%增加到61.2%，这表明压缩大大增强了存储热能排放对传感器总得热的贡献。

气隙和压缩的综合作用
首先，为了进一步探讨气隙尺寸和压缩的综合影响，引入α指数（称为储存热能因子）来检查储存热能对OTPP的贡献

结论
本研究研究了在强度为 8.5 kW/m 2的低辐射热源下，0 mm 至 18 mm 的气隙尺寸、气隙位置和压缩对多层织物系统双重性能的影响。对于气隙尺寸的影响，结果表明，当气隙尺寸不超过12 mm时，气隙尺寸对TPP、THP和OTPP都有显着影响。增加气隙尺寸不仅可以通过阻碍暴露期间从热源到织物系统的热传递来增强 TPP，还可以通过在自然和强制散热过程中减少从织物系统到传感器的热量排放来降低 THP。随着气隙尺寸从 12 mm 进一步增加到 18 mm，TPP、THP 和 OTPP 没有观察到显着变化。

对于气隙位置的影响，与低于 18 mm 的外部气隙相比，靠近测试样本最内表面的内部气隙通过阻碍织物的热传递对 TPP 产生更积极的影响曝光期间到传感器。然而，对于自然存储的能量放电过程，THP更容易受到外部气隙尺寸的影响。具体来说，增加外部气隙会显着降低曝光后从织物系统排放到传感器的 CAE，而增加内部气隙尺寸不会显着降低 CAE。由于气隙位置在暴露期间和自然冷却期间对阻止热传递具有相反的影响，

针对气隙和压缩的综合影响，建立回归模型来探讨不同气隙位置的气隙尺寸、压缩和THP之间的关系。这表明增加对织物的压力会显着加速储存能量的释放并加速皮肤烧伤的发生。尽管内部气隙比外部气隙在暴露期间对增加TPP的贡献更大，但它也可能在压缩下带来严重的存储能量放电。此外，这项研究的结果表明，应将较大的气隙划分为不同织物层内单独的气隙，以减少暴露期间的传热，并降低暴露后储存的热能排放。