CN111537558B - 织物热防护性能评估值的测评方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种织物热防护性能评估值的测评方法。其利用传感器采集多个热暴露时间(t_exp，i)条件下被织物覆盖的模拟皮肤在热暴露阶段和冷却阶段所吸收的热量Q_i(t)，根据Stoll烧伤准则，计算皮肤达到二级烧伤时所需的热量S(t)；根据传感器在t时刻所吸收的通过织物的热量Q_i(t)与皮肤达到二级烧伤时所需的热量S(t)，计算得到多个二级烧伤判别因子f_i，根据多个二级烧伤判别因子f_i值建立织物的因变量二级烧伤判别因子f_i与自变量热暴露时间t_exp，i之间的回归方程F(t_exp，i,f_i)，基于回归方程F(t_exp，i,f_i)获取织物的热暴露认证时间，从而获得织物的热防护性能评估值。本方案可以减少传统的热防护性能评价方法中物理迭代实验的次数、降低实验误差。

Description

织物热防护性能评估值的测评方法

技术领域

本发明涉及了热防护安全技术领域，具体的是一种织物热防护性能评估值的测评方法。

背景技术

热防护性能测试方法和标准是高性能防护服装及装备研发的基础。目前，许多国家已经对热防护材料和产品的性能提出立法要求，织物热防护性能的评价方法及测试设备也在不断发展和完善。

热防护性能测试(Thermal protective performance，简称TPP)、辐射热防护性能测试(Radiation protective performance，简称RPP)是分别用于阻燃防护服、防护手套等评估其材料阻隔混合热对流/热辐射渗透能力以及100％热辐射渗透能力的早期方法，其测试标准分别为ASTM D4108-87、ASTM F1939-99a。利用TPP、RPP测试，前期对织物材料的传热性能及其影响因素进行了广泛研究，结果表明，热防护织物的防护性能从根本上与其物理性能(厚度、密度、重量、透气性、导热性和织物结构)有关。但是，传统的TPP、RPP试验只考虑暴露过程中传输的能量，却忽略了热暴露停止后测试样品中储存的热能释放。当着装人体离开热暴露环境后，面料中储存的热量便会持续释放至皮肤，从而可能引起或者加速皮肤烧伤，因此TPP、RPP测试实质上并不具备预测皮肤烧伤的功能。而在TPP、RPP测试的实际使用中，终端用户常会误认为TPP、RPP值反映的是防护材料所能提供的二级烧伤防护时间。为此，ASTM F23员会于2008年制定了新标准ASTM F2700-08、ASTM F1939-08以分别替代ASTMD4108-87和ASTM F1939-99a。新标准ASTM F2700-08、ASTM F1939-08中明确指出这些测试方法未考虑离开热源后织物的放热作用，因此没有预测皮肤烧伤的功能，此外为避免TPP、RPP继续被误用，重新定义了“热传递性能值”(Heat transfer performance value，简称HTP)和“耐热辐射性能”(Radiant heat resistance，简称RHR)，HTP、RHR测试的本质仍为传统的TPP、RPP测试，其计算方法与TPP、RPP一致。

为实现皮肤烧伤预测功能，2008年ASTM F23委员会又制定了另两个考虑热暴露结束后织物对皮肤放热作用的测试标准ASTM F 2703-08(针对热辐射和热对流混合作用的热暴露条件)、ASTM F2702-08(针对100％热辐射条件)。该类标准的测试条件与ASTM F2700-08、ASTM F1939-08一致，但要求在织物热暴露结束后继续对传感器数据进行采集，以便评估传热全程中织物的热防护和热危害作用的综合效果，进而实现烧伤预测，这与传统TPP、RPP测试相比，已经有了较大突破。标准中新定义了织物“热防护性能估计值”(Thermalperformance estimate value，简称TPE)、“热辐射性能值”(Radiant heat performancevalue，简称RHP)作为热防护性能的评价指标，其计算如下：

TPE/RHP＝t_trial×HL (公式1)

其中，t_trial为热暴露认证时间(Certification exposure time)，单位为s；HL为热源强度，单位为cal/cm²s。

为获得织物的热暴露认证时间t_trial值，标准ASTM F2703-08、ASTM F2702-08推荐使用“迭代实验法”。这种迭代实验法要求测试人员进行多次热暴露测试，以获得织物在不同热暴露时间条件下的传感器能量响应曲线Trail 1、Trail 2、Trail 3……如图1所示。该迭代实验需持续直至热暴露认证时间被最终测定后才终止，此时传感器响应曲线与Stoll准则曲线刚好相交，即有且仅有一个交点。尽管确定热暴露认证时间的迭代技术是现有测试方法不可或缺的部分，但其存在较多缺点。首先迭代实验法需要经过多次尝试，耗费时间且浪费资源；其次实验终止时需要测试人员通过肉眼判定传感器能量响应曲线与Stoll准则曲线的唯一交点，其结果由测试人员主观判定，极大程度地受其经验影响，常常只能得到近似结果，因此TPE、RHP值与其定义十分符合，即仅为“估计值”，其准确性以及可重复性较低。

发明内容

为了克服现有技术中的缺陷，本发明实施例提供了一种织物热防护性能评估值的测评方法，其在对织物的热防护性能进行评价时，可以减少传统物理迭代实验的次数、降低实验误差。

本申请实施例公开了：一种织物热防护性能评估值的测评方法，包括以下步骤：

取n个相同的织物试样，分别对其设置各不相同的热暴露时间t_exp,i秒，将所述织物试样的正面朝向模拟热源，在所述织物试样的背面设有模拟皮肤的传感器以持续采集通过织物试样的传热数据(该传热数据可以体现为温度的变化)；其中，n＝≥3，i＝1，2，3…n，t_exp,i表示第i个织物试样热暴露的时间；在此阶段，采用传感器持续对织物试样背面的传热数据进行采集，以模拟皮肤的温度变化；

在织物试样热暴露t_exp，i秒之后，使织物试样离开所述模拟热源并进行冷却t_col秒，在此阶段，所述传感器持续对织物试样背面的传热数据进行采集(即模拟皮肤的温度变化)，具体来说，所述传感器在所述织物试样冷却的t_col秒时段内持续记录织物试样蓄热对皮肤的放热数据；

根据第i个织物试样背面的传感器的初始温度T_0，i和任意t时刻温度T_f，i，获得传感器在t时间内所吸收的通过第i个织物试样的热量Q_i(t)，其中，0＜t≤t_exp，i+t_col；

根据Stoll烧伤准则，计算皮肤达到二级烧伤时所需的热量S(t)；

根据传感器在t时间内所吸收的通过第i个织物试样的热量Q_i(t)与皮肤达到二级烧伤时所需的热量S(t)，计算得到第i个织物试样所对应的二级烧伤判别因子f_i：

式中，f_i为第i个织物试样所对应的二级烧伤判别因子，无量纲；min[S(t)-Q_i(t)]表示第i个织物试样在整个测试过程中的Stoll烧伤准则所需能量与传感器响应能量之间的最小差，单位为J/cm²；S(t)_@min表示检测到第i个织物试样所对应的最小差值时Stoll烧伤准则中的能量值，单位为J/cm²；

根据n个所述二级烧伤判别因子f_i值建立所述织物的因变量二级烧伤判别因子(f_i)与自变量热暴露时间(t_exp，i)之间的回归方程F(t_exp,i,f_i)；基于回归方程F(t_exp，i,f_i)获取织物的热暴露认证时间t_trial；

根据热暴露认证时间获得织物的热防护性能评估值，所述热防护性能评估值为TPE或RHP。

具体的，所述传感器为铜片热流计。

具体的，第i个织物试样背面的铜片热流计在t时间内所吸收的热量Q_i(t)的计算公式为：

式中，M是铜片热流计的质量，单位为克；

是铜片热流计在温度上升期间的平均热容，单位J/g℃；A为铜片热流计的表面积，单位为cm²；T_f,i为第i个织物试样背面的铜片热流计在t时刻的温度，单位为℃；T_0,i为第i个织物试样背面的铜片热流计的初始温度，单位为℃。

具体的，所述铜片热流计在温度上升期间的平均热容

的计算公式为：

式中，C_initial为铜片热流计在初始温度为T_0,i时的比热容，单位J/g℃；C_final为铜片热流计在温度为T_f,i时(t时刻)的比热容，单位J/g℃。

具体的，所述铜片热流计在温度为T(℃)时的比热容的计算公式为：

式中，T_s＝(T+273.15)/1000；A＝4.237312；B＝6.715751；C＝-7.46962；D＝3.339491；E＝0.016398。

具体的，所述Stoll烧伤准则中，皮肤达到二级烧伤时所需的热量S(t)的计算公式为：

S(t)＝5.0204×t^0.2901 (公式6)

式中，S(t)为根据Stoll烧伤准则预测的皮肤达到二级烧伤所需热量，单位为J/cm²；t为热暴露开始后所经历的时间，单位为秒。

具体的，模拟热源可以是强度为2cal/cm²s的混合热辐射/热对流(即热辐射和热对流混合的混合热)或100％的热辐射。

具体的，铜片热流计在织物试样冷却阶段的持续数据采集时间t_col为90秒或120秒。

具体的，当回归方程F(t_exp，i,f_i)＝0时，织物所对应的热暴露时间即为热暴露认证时间t_trial。

具体的，热防护性能评估值TPE或RHP＝热暴露认证时间t_trial×模拟热源强度(2cal/cm²s)。

本发明对同一种织物的n个试样进行实验，对n个试样设置不同的热暴露时间(t_exp，i)，从而获得同一种织物的n个二级烧伤判别因子f_i，根据n个二级烧伤判别因子f_i值建立织物的因变量二级烧伤判别因子(f_i)与自变量热暴露时间(t_exp，i)之间的回归方程F(t_exp，i，f_i)，当回归方程F(t_exp，i,f_i)＝0时，获得织物的热暴露认证时间t_trial，将该热暴露认证时间乘以模拟热源强度，即可以获得织物的TPE或RHP值。

本发明至少具有如下有益效果：

1)利用本发明所提供的新指标f_i，无需采用传统测试方法中的物理迭代实验，便可对考虑热暴露阶段织物传热作用与冷却阶段织物放热作用的综合热防护性能直接进行评价。

2)现有测试标准中所定义的TPE/RHP值，需要采用物理迭代实验来确定，较为耗时且容易造成试样浪费，另外由于测试者只能通过肉眼观测来判断传感器曲线与Stoll曲线间的关系，因此所获结果可能并不精确。利用本发明所提供的新指标，结合回归法可以直接、准确地预测织物系统的TPE/RHP值，从而可以减少传统物理迭代实验的次数、降低实验误差。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中基于Stoll准则的物理迭代实验所获得传感器响应曲线的示意图；

图2是本实施例中二级烧伤判别因子f_i与热暴露时间的关系示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例中，对两种4层织物系统S1和S2的热防护性能进行评价。该4层织物系统S1和S2均由外层、防水透气层、隔热层和舒适层构成。S1为较厚的织物系统，S2为稍薄的织物系统，其厚度分别为S1：3.8mm和S2：2.6mm。另外，为模拟织物与皮肤是否接触，实验中将铜片热流计采用两种方式置于织物背面。一种是直接与织物接触，即织物与传感器间无空气层存在；另一种是在传感器与织物间设置6.4mm的空气层。

本实施例的织物热防护性能评估值的测评方法包括以下步骤：

第一步：采用热防护性能估计值(TPE)测试仪模拟热辐射和热对流混合作用的热暴露环境，热源强度设定为2cal/cm²s。分别将S1-无空气层、S1-有空气层、S2-无空气层、S2-有空气层四个织物系统的第一个试样置于织物热防护性能测试仪上，各个织物试样的正面朝向模拟热源，各个织物试样的背面设有铜片热流计用于记录织物背面的温度。

第二步：实验开始时，将上述四个织物系统的第一个试样分别暴露于模拟热源下，织物的热暴露时间设为t_exp，1＝15秒，织物背面的铜片热流计对热暴露阶段的数据进行采集；

第三步：在织物热暴露结束后的冷却阶段，织物背面的铜片热流计仍需继续对数据进行采集，使得织物中的热蓄积释放至铜片热流计，冷却阶段的数据采集时间定为t_col＝90秒；

第四步：计算整个数据采集时间段t_exp，1+_tcol内，各织物系统的第一个试样背面的铜片热流计在t时间内所吸收的热量Q₁(t)(单位为J/cm²)，计算公式如下：

式中，M是铜片热流计的质量，单位为克；

是铜片热流计在温度上升期间的平均热容，单位J/g℃；A为铜片热流计的表面积，单位为cm²；T_f,1为第一个织物试样背面的铜片热流计在t时刻的温度，单位为℃；T_0,1为第一个织物试样背面的铜片热流计的初始温度，单位为℃。

其中，铜片热流计在温度上升期间的平均热容

的计算公式为：

式中，C_initial为铜片热流计在初始温度为T_0,1时的比热容，单位J/g℃；C_final为铜片热流计在温度为T_f，1时(t时刻)的比热容，单位J/g℃。

上式中，铜片热流计在温度为T(℃)时的比热容计算公式如下：

式中，T_s＝(T+273.15)/1000；A＝4.237312；B＝6.715751；C＝-7.46962；D＝3.339491；E＝0.016398。

第五步：根据Stoll烧伤准则，计算皮肤达到二级烧伤时所需的热量：

S(t)＝5.0204×t^0.2901

其中，S(t)为根据Stoll烧伤准则预测的皮肤达到二级烧伤所需热量，单位为J/cm²；t为热暴露开始后所经历的时间，单位为秒。

第六步：将上述第四步中铜片热流计所吸收的热量Q₁(t)与上述第五步中根据Stoll烧伤准则预测的皮肤达到二级烧伤所需热量S(t)进行比较，计算S(t)与Q₁(t)差的最小值，并除以此时Stoll准则中的值S(t)，获得各织物系统第一个试样的二级烧伤判别因子f₁。

式中，f₁为各织物系统的第一个织物试样的二级烧伤判别因子，无量纲；min[S(t)-Q₁(t)]表示整个测试过程中Stoll准则所需能量与传感器响应能量之间的最小差，单位为J/cm²；S₁(t)_@min代表检测到第一个织物试样所对应的最小差值时Stoll准则中的能量值，单位为J/cm²。

第七步：根据各织物系统的第一个织物试样的f₁值的大小可以直接判断热暴露时间定为t_exp，1＝15秒时对应织物的热防护性能，如表1所示。

表1当热暴露时间为15秒且冷却时间为90秒时，织物系统的二级烧伤判别因子值

从表1可以看出，当热暴露时间t_exp，1为15秒且冷却时间为90秒时，除了S1-有空气层的织物系统之外，其余测试样本的f₁值均为负数，表明这些试样覆盖下的传感器吸收能量超过了Stoll准则能量，皮肤将发生二级烧伤。

第八步：在获得上述四个织物系统的热暴露时间t_exp，1为15秒、冷却时间t_col为90秒时的f_i值(f₁)之后，再另各取上述四个织物系统的4个试样，并分别再设定4个热暴露时间值，依次为t_exp，2＝9秒、t_exp，3＝12秒、t_exp，4＝18秒、t_exp，5＝21秒，它们的冷却时间均仍设定为90秒。利用织物背面的铜片热流计采集整个数据采集时间段(热暴露阶段+冷却阶段)的温度数据，根据第四步至第六步，依次计算各热暴露时间条件下的f_i值，即(f₂，f₃，f₄，f₅)，如表2所示。

表2当热暴露时间为9秒、12秒、18秒和21秒且冷却时间为90秒时，织物系统的二级烧伤判别因子值

结合表1和表2的f_i数据可以看出，当热暴露时间t_exp，i相同时，织物系统S1-有空气层的f_i值最大，说明该织物系统的热防护性能最好；织物系统S2-无空气层的f_i值最小，说明该织物系统的热防护性能最差。另外，当热暴露时间t_exp，i相同且与皮肤接触的条件相同时时，织物系统S1的f_i值大于S2的f_i值，说明较厚织物系统的热防护性能较好；有空气层织物系统的f_i值大于无空气层，说明空气层具有较好的隔热防护作用。

第九步：将各个织物系统由第七步和第八步获得的共5组热暴露时间t_exp，i值及其对应的f_i值，输入SPSS软件，针对不同织物系统建立因变量二级烧伤判别因子(f_i)与自变量热暴露时间(t_exp，i)之间的回归方程F(t_exp，i，f_i)，如图2所示。可以看出，f_i随着热暴露时间t_exp，i的增加而显著降低，说明热暴露t_exp，i时间越长，织物的热防护性能越差；所有回归曲线的可决系数R²均大于0.99，表明拟合良好。此外，利用本发明所提出的二级烧伤判别因子f_i值可以判断织物在任何热暴露时间条件下的热防护性能。例如，S2-无空气层的织物系统在热暴露时间t_exp，i为6秒时的f_i值为0.117，其热防护性能高于S1-无空气层的织物系统在热暴露时间t_exp，i为12秒时的热防护性能f_i＝-0.125。

第十步：利用第九步所获得的回归方程F(t_exp，i，f_i)，预测回归方程F(t_exp，i，f_i)＝0时织物系统的热暴露时间，该时间即为公式1中织物的“热暴露认证时间”，将该时间乘以热源强度(2cal/cm²s)即可获得织物系统的TPE值。表3对比了采用本实施例的回归法预测的TPE值与现有技术中通过物理迭代实验获得的实测TPE值。可以看出，预测值与实测值间的差异范围仅为0.02％～1.31％，表明利用回归分析法所预测的TPE值与物理迭代法的测试结果具有较高的一致性。

表3采用回归法预测的TPE值与实测TPE值

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种织物热防护性能评估值的测评方法，其特征在于，包括以下步骤：

取n个相同的织物试样，分别对其设置各不相同的热暴露时间t_exp,i秒，将所述织物试样的正面朝向模拟热源，所述织物试样的背面设有模拟皮肤的传感器，所述传感器在t_exp,i秒时段内持续采集通过对应织物试样的传热数据，其中n≥3，i＝1，2，3…n，t_exp,i表示第i个织物试样的热暴露时间；

在所述织物试样热暴露t_exp,i秒之后，使所述织物试样离开所述模拟热源并进行冷却t_col秒，所述传感器在所述织物试样冷却的t_col秒时段内持续采集织物试样蓄热对模拟皮肤的放热数据；

根据第i个所述织物试样背面传感器的初始温度T_0，i和任意t时刻温度T_f，i，获得所述传感器在t时间内所吸收的通过第i个所述织物试样的热量Q_i(t)，其中，0＜t≤t_exp,i+t_col；

根据Stoll烧伤准则，计算皮肤达到二级烧伤时所需的热量S(t)；

根据传感器在t时间内所吸收的通过第i个所述织物试样的热量Q_i(t)与皮肤达到二级烧伤时所需的热量S(t)，计算得到第i个织物试样所对应的二级烧伤判别因子f_i：

式中，f_i为第i个织物试样所对应的二级烧伤判别因子，无量纲；min[S(t)-Q_i(t)]表示第i个织物试样在整个测试过程中的Stoll烧伤准则所需能量与传感器响应能量之间的最小差，单位为J/cm²；S_i(t)_@min表示检测到第i个织物试样所对应的最小差值时Stoll烧伤准则中的能量值，单位为J/cm²；

根据n个所述二级烧伤判别因子f_i值建立所述织物的因变量二级烧伤判别因子f_i与自变量热暴露时间t_exp，i之间的回归方程F(t_exp,i,f_i)；

基于所述回归方程F(t_exp,i,f_i)获取所述织物的热暴露认证时间t_trial；

根据所述热暴露认证时间获得织物的热防护性能评估值，所述热防护性能评估值为TPE或RHP。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述传感器为铜片热流计。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，第i个所述织物试样背面的铜片热流计在t时间内所吸收的热量Q_i(t)的计算公式为：

式中，M是铜片热流计的质量，单位为克；

是铜片热流计在温度上升期间的平均热容，单位J/g℃；A为铜片热流计的表面积，单位为cm²；T_f,i为第i个织物试样背面的铜片热流计在t时刻的温度，单位为℃；T_0,i为第i个织物试样背面的铜片热流计的初始温度，单位为℃。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述铜片热流计在温度上升期间的平均热容

的计算公式为：

式中，C_initial为铜片热流计在初始温度为T_0,i时的比热容，单位J/g℃；C_final为铜片热流计在温度为T_f,i时(t时刻)的比热容，单位J/g℃。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述铜片热流计在温度为T(℃)时的比热容的计算公式为：

式中，T_s＝(T+273.15)/1000；A＝4.237312；B＝6.715751；C＝-7.46962；D＝3.339491；E＝0.016398。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述Stoll烧伤准则中，皮肤达到二级烧伤时所需的热量S(t)的计算公式为：

S(t)＝5.0204×t^0.2901

式中，S(t)为根据Stoll烧伤准则预测的皮肤达到二级烧伤所需热量，单位为J/cm²；t为热暴露开始后所经历的时间，单位为秒。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述模拟热源是强度为2cal/cm²s的混合热辐射/热对流或100％的热辐射。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述t_col为90秒或120秒。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述回归方程F(t_exp,i,f_i)＝0时，所述织物所对应的热暴露时间即为所述热暴露认证时间t_trial。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热防护性能评估值TPE或RHP＝热暴露认证时间t_trial×模拟热源强度。

Images