CN110801585A - 一种能调节内空间温度的消防服及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种能调节内空间温度的消防服及其制作方法，在现有消防服的舒适内衬中设有囊袋，囊袋中充入相变温度范围为30℃～35℃的相变结晶粉体；相变结晶粉体由以下重量百分比的组分组成：硫酸钠75～78％，碳酸钾4％～7％，硼酸1％～3％，黄原胶12％～16％；然后该相变结晶粉体制作过程采用冷却结晶方式进行，使其操作简便；整个粉体混合过程中保证粉体中各组分的分布均匀，使得该粉体在吸放热过程中能反复相变，实现吸放热反应过程的可逆，相变温度范围在30℃～35℃，并且在循环放热200次以后仍能保证其90％以上的吸热效率，可以为消防服热舒适性的改善提供材料支持。
Description
技术领域
本发明涉及一种消防服及其制作方法，具体是一种能调节内空间温度的消防服及其制作方法。
背景技术
近年来，大型火灾屡屡发生，造成惨重的财产损失及大量的人员伤亡，消防救援人员在火场救援过程中也时常遭受热伤害。而消防服作为消防员在火场中的隔热屏障，对消防员的生命安全及救援效率都起到至关重要的作用。目前消防服从热防护的角度来看，由外到内主要是通过外层(表面层)、防水透气层、隔热层和舒适层，形成多层织物复合达到隔绝外部热量同时排出内部产生汗液的湿气的作用。消防员的热感主要集聚于消防服结构的内侧部分与皮肤表面之间的空间环境。消防服内空间是指人皮肤到消防服舒适内衬之间的空间范围，是消防员皮肤直接接触的空间环境，它的温度、湿度等参数影响着消防员的各项舒适度感受，直接决定消防员灭火工作的效率。通常，在火场中由于物体的燃烧温度较高，造成消防服内环境温度急剧上升，严重时会导致消防员的“热应激”，造成严重的后果。因此，在火焰(热)环境中有效地降低消防服内空间环境温度、湿度等参数就显得尤为重要。
目前解决消防服内空间环境参数的相关技术手段主要有：环路热管技术降温、太阳能储能降温以及分离冷热空气等。如公开号为CN106617371A的中国专利，公开了一种包括环路热管系统，冷却热管热端的散热系统的降温服系统，能实现对人体内环境的高效环保的降温效果，但是其内部结构复杂，制作和维修程序繁琐，不利于在实际应用中推广；另外公开号为CN104764232A的中国专利，公开了一种由流量调节阀、油水分离器和涡流导气管依次连接组成的降温装置，能实现分离冷热空气，持续调节服装内的温度且降温效果好、使用寿命长，但是其流量调节阀和涡流导气管存在有出入口堵塞造成对使用者伤害的安全隐患；公开号为CN205848743U的中国专利，公开了一种多功能太阳能环保降温服，能实现将太阳能作为能源，既环保又可持续利用，但是其依赖的太阳能在提供能源时具有不稳定性，会影响服装功能的时效性，且成本高昂。因此如何研发一种结构及制作工艺简单、时效性好、能在绝大多数火灾环境下的调节内空间温度的消防服，是本行业的亟需解决的问题。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种能调节内空间温度的消防服及其制作方法，其结构及制作工艺简单、时效性好、能在绝大多数火灾环境下自动调节内空间温度，保证消防员灭火过程中的安全及舒适性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种能调节内空间温度的消防服，由外层、防水透气层、隔热层和舒适内衬组成，还包括囊袋和相变结晶粉体，相变结晶粉体装入囊袋内，囊袋放置在舒适内衬中，所述相变结晶粉体的相变温度范围为30℃～35℃。相变结晶粉体由以下重量百分比的组分组成：硫酸钠75～78％，碳酸钾4％～7％，硼酸1％～3％，黄原胶12％～16％。
上述能调节内空间温度的消防服的制作方法，具体步骤为：
A、制备相变结晶粉体：
(1)按照配比将计量后的硫酸钠晶体放入55℃的恒温水浴锅中；
(2)待硫酸钠完全溶解后，加入所需重量的碳酸钾；
(3)待碳酸钾完全溶解后，向恒温水浴锅中加入由水和甘油按照重量比为2:1形成的液体，其中溶质与液体的质量比为1:1.486；所述溶质为硫酸钠和碳酸钾，液体为甘油与水的混合物；
(4)开启搅拌桨，转速为300r/min，对恒温水浴锅内的混合液进行搅拌，同时加入所需重量的硼酸并持续搅拌10min，然后加入所需重量的黄原胶，继续搅拌15min后停止；
(5)将水浴锅温度设定为35℃，待温度降低到35℃时维持10min，此时有碳酸钾和硼酸晶体析出；
(6)将水浴锅温度设定为20℃，待温度降低到20℃时维持10min，此时有析出晶体为十水硫酸钠、碳酸钾和硼酸的混合物；
(7)持续搅拌10min后停止，过滤液体，此时形成半固态混合物，将半固态混合物倒入密封袋中不封口，放置阴凉处使其冷却干燥，从而得到性能稳定的相变结晶粉体；
B、制备消防服：采用已知方法将外层、防水透气层、隔热层和舒适内衬复合形成消防服本体，然后将相变结晶粉体充填到囊袋内并将囊袋密封，最后将已经密封的囊袋放置在舒适内衬中，完成消防服的制作过程。
与现有技术中其他相变材料相比，本发明中的相变结晶粉体解决了粉体的结晶不均匀、结块问题，其主要方法是添加了硼酸，硼酸可作为结晶生成中心的微粒，使其在凝固点时顺利结晶，减少或避免粉体结块发生；硼酸与硫酸钠水合盐具有相同晶型、相似原子排列、两者的晶格参数相差在15％以内。硼酸与硫酸钠的适应性良好，溶解也有限。通过对实验结果的分析，硼酸在整个产品中的含量为1％～3％时，结晶效果最好，改善了粉体结晶不均匀、结块的问题；
本发明利用硫酸钠与其水合晶体十水硫酸钠可互相转化的性质，使结晶粉体中的硫酸钠能在前期加入液体搅拌和冷却过程中以结晶体十水硫酸钠存在，在热环境下通过脱去结晶水的达到增强材料的降温效果。
另外在结晶粉体材料中加入适当的黄原胶，它能增强溶液的粘性，提高溶液的密度，使液体中固体颗粒能够较均匀地分布在溶液中各处而不会很快沉积在容器底部，克服相分层。同时，当十水硫酸钠脱水吸热时，黄原胶能利用其本身的吸水性吸收十水硫酸钠脱出的水，解决了硫酸钠水合物中水的储存问题，保证消防服内部的干燥舒适性。并且黄原胶吸水后会变成柔软的胶状物质，使消防服内衬能在高温环境下变得柔软，提升消防服的舒适性。在灭火作业之后将消防服置于阴凉处，胶状物质会失去水分变回粉体，实现反应的可逆性。并且黄原胶在多次吸收及释放水过程后会发生损耗，通过触摸消防服的柔软度能定性的判断消防服调节内空间的能力是否符合要求，能用于消防服的初步快速检测；若未使用时，消防服为较柔软的状态，说明此时黄原胶在常温下释放水分的能力较弱(即恢复成粉体的能力较弱)，其已经无法满足后续的使用；而若未使用时，消防服为较硬的状态，说明此时黄原胶在常温下释放水分的能力较强(即恢复成粉体的能力较强)，其仍能满足后续的使用。
本发明过掺杂碳酸钾，降低了硫酸钠的吸热温度。通过施罗德公式计算出低共熔材料的低共熔点的组成和相变温度。假设两种材料在液态下能够完全互溶，固态时保证完全不相溶。当低共熔时，混合物体系呈三相平衡：
调节碳酸钾的加入量，使制得粉体的吸热反应温度达到人体舒适的30℃～34℃范围。
本发明的相变结晶粉体制作过程采用冷却结晶方式，操作简便，整个粉体混合过程中保证体系各组分分布均匀，在吸放热过程中能反复相变，实现吸放热反应过程的可逆，材料潜热能达到189.7J/g，反应温度范围在30℃～35℃，实验制备样品在循环放热200次以后仍能保证其90％以上的吸热效率，可以为消防服热舒适性的改善提供材料支持。
附图说明
图1是本发明实施例一的体表温度对比测试图；
图2是本发明实施例二的体表温度对比测试图；
图3是本发明实施例三的体表温度对比测试图；
图4是本发明实施例四的体表温度对比测试图。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
实施例一：
一种能调节内空间温度的消防服，由外层、防水透气层、隔热层和舒适内衬组成，还包括囊袋和相变结晶粉体，相变结晶粉体装入囊袋内，囊袋放置在舒适内衬中，所述相变结晶粉体的相变温度范围为30℃～35℃；所述相变结晶粉体由以下重量百分比的组分组成：硫酸钠78％，碳酸钾7％，硼酸3％，黄原胶12％。
一种能调节内空间温度的消防服的制备方法，具体步骤为：
A、制备相变结晶粉体：
(1)按照配比将计量后的硫酸钠晶体放入55℃的恒温水浴锅中；
(2)待硫酸钠完全溶解后，加入所需重量的碳酸钾；
(3)待碳酸钾完全溶解后，向恒温水浴锅中加入由水和甘油按照重量比为2:1形成的液体，其中溶质与液体的质量比为1:1.486；所述溶质为硫酸钠和碳酸钾，液体为甘油与水的混合物；
(4)开启搅拌桨，转速为300r/min，对恒温水浴锅内的混合液进行搅拌，同时加入所需重量的硼酸并持续搅拌10min，然后加入所需重量的黄原胶，继续搅拌15min后停止；
(5)将水浴锅温度设定为35℃，待温度降低到35℃时维持10min，此时有碳酸钾和硼酸晶体析出；
(6)将水浴锅温度设定为20℃，待温度降低到20℃时维持10min，此时有析出晶体为十水硫酸钠、碳酸钾和硼酸的混合物；
(7)持续搅拌10min后停止，过滤液体，此时形成半固态混合物，将半固态混合物倒入密封袋中不封口，放置阴凉处使其冷却干燥，从而得到性能稳定的相变结晶粉体；
B、制备消防服：采用已知方法将外层、防水透气层、隔热层和舒适内衬复合形成消防服本体，然后将相变结晶粉体充填到囊袋内并将囊袋密封，最后将已经密封的囊袋放置在舒适内衬中，完成消防服的制备过程。
试验测试：让15名身体素质良好的志愿者穿上本实施例制备的消防服，并在受试者的左右肩胛骨、后背中部、左右腰分别安装温度传感器，在设置温度为27℃的人工环境仓室中模拟消防员灭火时的劳动强度(在跑步机上进行速度为6Km/h的跑步运动)进行实验并记录数据。然后在实验结束第二天，让这15名志愿者在与前一天的同一时刻、处于相同的实验环境下穿着长裤、赤裸上半身进行同样强度的运动，并记录数据进行对比(受试者体表温度取他们身体五个部位温度的平均值，最终温度结果取15人体表温度平均值)。
表1人员是否穿着消防服运动时的体表温度对比结果
根据表1绘制成如图1所示的体表温度对比测试图，从图中可以看出，未穿着本实施例消防服的受试者在运动过程中体表温度呈不断上升趋势，而穿着装有结晶粉体的消防服的受试者随着运动时间的增加体表温度呈现先上升后逐步下降的趋势，在运动后120min时能维持在33.5℃左右，处于人体舒适温度范围。该实施例所制得的结晶粉体能在人体空间温度达到超过人体舒适温度范围34.3℃时发生吸热反应，吸收人体产生热量，且与未穿着消防服情况下运动体表温度变化趋势吻合度较高，在运动后40min之前体表温度略高于未穿着消防服的情况，这是因为此时消防服内的材料相变温度未达到一定数值以及开始相变开始时的吸热速率不能抵消人体的产热量，但在40min后，体表温度能逐渐降低到人体舒适温度范围。说明该相变结晶粉体通过脱去结合水进行吸热能有效降低内环境温度。
实施例二：
一种能调节内空间温度的消防服，由外层、防水透气层、隔热层和舒适内衬组成，还包括囊袋和相变结晶粉体，相变结晶粉体装入囊袋内，囊袋放置在舒适内衬中，所述相变结晶粉体的相变温度范围为30℃～35℃；所述相变结晶粉体由以下重量百分比的组分组成：硫酸钠78％，碳酸钾5％，硼酸1％，黄原胶16％。
制备消防服的方法与实施例一完全相同。
试验测试：测试条件及过程与实施例一相同。
表2人员是否穿着消防服运动时的体表温度对比结果
根据表2绘制成如图2所示的体表温度对比测试图，从图中可以看出，未穿着装有结晶粉体的消防服的受试者在运动过程中体表温度呈不断上升趋势，而穿着装有结晶粉体的消防服的受试者随着运动时间的增加体表温度呈现先上升后逐步下降的趋势，稳定在34℃以下，处于人体体表温度的舒适范围。该实施例所制得的降低消防服内空间温度的结晶粉体能在人体体表温度达到35.5℃时发生吸热反应，吸收人体产生热量，与未穿着消防服情况下体表温度变化趋势较吻合，在运动25～45min的时间范围内体表温度与未穿着消防服组最高差别超过了1℃，且这个温度范围较长。说明此时材料的降温反应抵消掉人体产生热量的时间还较长。
实施例三：
一种能调节内空间温度的消防服，由外层、防水透气层、隔热层和舒适内衬组成，还包括囊袋和相变结晶粉体，相变结晶粉体装入囊袋内，囊袋放置在舒适内衬中，所述相变结晶粉体的相变温度范围为30℃～35℃；所述相变结晶粉体由以下重量百分比的组分组成：硫酸钠77％，碳酸钾6％，硼酸2％，黄原胶15％。
制备消防服的方法与实施例一完全相同。
试验测试：测试条件及过程与实施例一相同。
表3人员是否穿着消防服运动时的体表温度对比结果
根据表3绘制成如图3所示的体表温度对比测试图，从图中可以看出，未穿着装有结晶粉体的消防服的受试者在运动过程中体表温度呈不断上升趋势，而穿着装有结晶粉体的消防服的受试者随着运动时间的增加体表温度呈现先上升后逐步下降的趋势，稳定在34℃左右，处于人体体表温度的舒适范围。该实施例所制得的降低消防服内空间温度的结晶粉体能在人体体表温度达到33.0℃时发生吸热反应，吸收人体产生热量，与未穿着消防服情况下运动体表温度变化趋势吻合度较高，在20～40min期间体表温度与未穿着消防服时体表温度基本重合，此时材料吸热量与人体产热量相当，在40min后，体表温度能逐渐降低到人体舒适温度范围。说明该相变结晶粉体通过脱去结合水进行吸热能有效降低内环境温度。
实施例四：
一种能调节内空间温度的消防服，由外层、防水透气层、隔热层和舒适内衬组成，还包括囊袋和相变结晶粉体，相变结晶粉体装入囊袋内，囊袋放置在舒适内衬中，所述相变结晶粉体的相变温度范围为30℃～35℃；所述相变结晶粉体由以下重量百分比的组分组成：硫酸钠75％，碳酸钾7％，硼酸3％，黄原胶15％。
制备消防服的方法与实施例一完全相同。
试验测试：测试条件及过程与实施例一相同。
表4人员是否穿着消防服运动时的体表温度对比结果
根据表4绘制成如图4所示的体表温度对比测试图，从图中可以看出，未穿着装有结晶粉体的消防服的受试者在运动过程中体表温度呈不断上升趋势，而穿着装有结晶粉体的消防服的受试者随着运动时间的增加体表温度呈现先上升后逐步下降的趋势，稳定在33.5℃左右，处于人体体表温度的舒适范围。该实施例所制得的降低消防服内空间温度的结晶粉体能在人体体表达到30.5℃时发生吸热反应，吸收人体产生热量，随着运动时间增加，体表温度在接近人体热舒适性临界温度时(20min之后)始终比未穿着消防服情况时体表温度低，说明此配比下，材料初始的吸热速率能超出人体产热速率，缓解了材料相变过程中出现的高温区，为材料最优配比。
Claims (5)
1.一种能调节内空间温度的消防服，由外层、防水透气层、隔热层和舒适内衬组成，其特征在于，还包括囊袋和相变结晶粉体，相变结晶粉体装入囊袋内，囊袋放置在舒适内衬中，所述相变结晶粉体的相变温度范围为30℃～35℃。
2.根据权利要求1所述能调节内空间温度的消防服，其特征在于，所述相变结晶粉体由以下重量百分比的组分组成：硫酸钠75～78％，碳酸钾4％～7％，硼酸1％～3％，黄原胶12％～16％。
3.根据权利要求2所述能调节内空间温度的消防服，其特征在于，所述相变结晶粉体由以下具体的重量百分比组分组成：硫酸钠75％，碳酸钾7％，硼酸3％，黄原胶15％。
4.一种根据权利要求1至3任一项所述能调节内空间温度的消防服的制作方法，其特征在于，具体步骤为：
A、制备相变结晶粉体：
(1)按照配比将计量后的硫酸钠晶体放入55℃的恒温水浴锅中；
(2)待硫酸钠完全溶解后，加入所需重量的碳酸钾；
(3)待碳酸钾完全溶解后，向恒温水浴锅中加入由水和甘油按照重量比为2:1形成的液体，其中溶质与液体的质量比为1:1.486；所述溶质为硫酸钠和碳酸钾，液体为甘油与水的混合物；
(4)开启搅拌桨，转速为300r/min，对恒温水浴锅内的混合液进行搅拌，同时加入所需重量的硼酸并持续搅拌10min，然后加入所需重量的黄原胶，继续搅拌15min后停止；
(5)将水浴锅温度设定为35℃，待温度降低到35℃时维持10min，此时有碳酸钾和硼酸晶体析出；
(6)将水浴锅温度设定为20℃，待温度降低到20℃时维持10min，此时有析出晶体为十水硫酸钠、碳酸钾和硼酸的混合物；
(7)持续搅拌10min后停止，过滤液体，此时形成半固态混合物，将半固态混合物倒入密封袋中不封口，放置阴凉处使其冷却干燥，从而得到性能稳定的相变结晶粉体；
B、制备消防服：采用已知方法将外层、防水透气层、隔热层和舒适内衬复合形成消防服本体，然后将相变结晶粉体充填到囊袋内并将囊袋密封，最后将已经密封的囊袋放置在舒适内衬中，完成消防服的制作过程。
5.一种根据权利要求1至3任一项所述能调节内空间温度的消防服的使用方法，其特征在于，具体步骤为：消防员先穿上该消防服，在进入火灾现场进行灭火救援时，随着周围环境的温度升高超过相变温度后，相变结晶粉体中的十水硫酸钠脱水吸热，降低消防服内空间的温度，此时黄原胶能吸收十水硫酸钠脱出的水，保证消防服内部的干燥度，并且黄原胶吸水后由粉体会变成胶状物质，使得与消防员直接接触的舒适内衬能在高温环境下变得柔软，提升消防服的舒适性；当消防员完成灭火工作后，将消防服脱下置于阴凉处，当温度降低到相变温度以下后，黄原胶会释放水分，并由胶状物质变回粉体，同时硫酸钠会重新与水分结合形成十水硫酸钠的结晶粉体，便于消防服的后续使用。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20200218 |