第一节 热防护服分类概述
在热防护服的实际应用中，针对不同的使用目的和使用环境，对热防护性能和其他性能的要求也不同。在热防护服的性能研究中，既要注重热防护服性能要求的全面性，即热防护服同时具备良好的热防护性能、服用性能和穿着舒适性能，又要根据各类热防护服的不同用途，在其性能要求上有所侧重，结合不同的使用环境增加或增强热防护服在某些性能方面的要求，使热防护服的性能要求进一步趋向全面、合理。本节主要围绕热防护服的常见品种进行叙述和展开。
一、消防服
消防服作为消防队员的重要防护装备，其作用是保护消防队员在灭火抢险作业时免受火焰、炽热物体、热蒸汽对流、辐射和热传导对人体造成的伤害，从而保护消防队员的人身安全。
（一）消防服的研究进展
从20世纪80年代开始，世界一些发达国家开始对防护服装的性能进行研究，经过几十年的发展，消防服的性能有了很大的改善和提高。克拉斯尼（Krasny）分析研究了消防服用织物应该具备的性能和需满足的要求，维迪（Veghte）讨论了消防服设计中应特别注意的一些问题，譬如火灾环境的复杂多样性，皮肤的烧伤，消防员作业中的热应激等。福奈尔（Fornell）讨论了消防服在使用方面的一些重要问题，如消防服的合体性、初步探讨了消防服上衣和裤子连体设计的防护性能和服用性能。罗特曼（Rotmann）总结了消防服的发展现状，提出了消防服需要改进的地方。在这些学者研究的基础上，国际标准化组织、美国国家标准研究院建筑与火灾研究实验室、美国消防协会都分别制定了相关的标准，对热防护服面料的性能、防护服层数、尺寸号型标准、款式设计要求、防护性能要求、标志要求及各性能的测试做了详尽的规定。
消防服通常分为三层构造，由外及内分别是阻燃层、汽障层和隔热层。图1-1是典型消防类热防护服多层结构示意图。需要指出的是，蒸汽阻挡层能使消防队员不受蒸汽或有毒化学物的伤害，但它却阻挡了人体汗液的蒸发并使热债上升，这可能使消防队员健康和安全受到威胁。因此，美国消防服中常用蒸汽阻挡层，而在一些欧洲国家却被摒弃不用。
图1-1 消防战斗服装典型三层结构示意图
与国外相比，我国消防服的研究起步较晚，在其开发、设计、生产和性能测试评价等方面尚未形成系统的标准和方法。我国消防服的发展主要经历了四个阶段：1985年之前的纯棉帆布制服；1985年后替代的85型阻燃棉防护服，其结构分两层，外层为黄绿色阻燃棉织物，内层采用纯棉绸，并经阻燃、防水、拒水处理，其透气性能良好，但不耐洗涤，强力较低；94型消防战斗服在85型基础上增加了缀钉反光标志带，其款式、结构、颜色与85型相同；97型消防战斗服在94型的基础上，参照国际相关标准，采用四层构造，由外及内构成分别是：外层、防水透汽层、隔热层和舒适层。外层采用具有较高阻燃性的本质型阻燃纤维（如Nomex®IIIA、芳纶、PBI、Kevlar、芳砜纶等），耐高温且防穿刺；防水透汽层多采用微孔膜织物，如美国Gore公司的聚四氟乙烯薄膜，阻挡外界高温液滴侵入，同时排出人体汗气，以防消防员出现中暑、热应激等影响作业效率的情况发生，保障消防作业人员的人身安全不受威胁；隔热层主要采用针刺无纺方法加工的阻燃黏胶、碳纤维毡或其他本质型阻燃毡材料；舒适层多为阻燃棉布或汗布。
值得一提的是，公安部上海消防研究所承担的公安部技术研究项目《新一代轻质高效消防员灭火防护服研制》取得了消防服新的研究成果。该项目针对如何保证消防员防护服重量轻、吸水少，提高穿着散热性和舒适性问题，将不同层次的材料（如防水透汽层和隔热层）复合在一起形成单层材料层，降低重量和吸水效果，进一步研制出具有三层结构的新一代消防灭火防护服。
消防服款式结构方面则主要分为上下连体与上下分体两种形式。分体结构的消防服的优点是运动方便，但是热量容易通过开缝进入人体造成烧伤；连体结构的特点是：封闭性较好，但易造成热蓄积。国内市场上常见的消防服结构如图1-2所示。
图1-2 国内常见的消防服结构
（二）消防服的测试标准及测试方法
美国、欧洲等西方发达国家对消防服的研究和开发较早，目前已制订并实施了一系列先进和完善的消防服产品标准和测试方法。现在，国际上采用的主要有ASTM（美国试验与材料协会）、NFPA（美国国家防火协会）、EN（欧盟）所制订的测试方法。如ASTM D4108-87服装材料热防护性能、TPP（Thermal Protective Performance）明火测试方法、ASTM F 1930-00 Thermo-man®铜体火人测试方法、NFPA1971多层结构消防服标准、NFPA1977野外森林灭火防护服或装备的热辐射防护性能、ISO 9151消防服阻燃及隔热性能测试标准等。我国现在采用的标准主要是公安部消防研究所颁布的GA10-2014消防员灭火用防护服，GA633-2006消防员抢险救援防护服、GA634-2006消防员用隔热防护服。在这些测试方法中，都比较详细地规定了消防服的阻燃性能、隔热性能、完整性和抗液体透过性的评价标准，可以比较全面地反应和评价消防服的综合热防护性能。
（三）消防服热防护性能的影响因素分析
针对消防员作战环境的多样性和复杂性，一些学者对可能会给消防服的性能造成影响的因素进行了探讨分析。戴（M.C.Day）等模拟了长时间暴露在氙弧灯和热箱下织物性能的变化，并和原织物进行了比较分析，分析研究的结果显示光和热作用能够降低织物的强度，但对织物的阻燃和热防护性能的影响不明显。布莱恩（Bryan）和汉普顿（Hampton）等研究了存在化学物质的情况下织物强度的变化，发现某些化学物质对织物强度的影响是可测的，并且通过对热量计的对比可以测定出织物在化学物质中暴露的时间。消防员的热应激与防护服内部水分的转移密切相关，齐默利（Zimmerli）研究了在消防服内的水分对消防服内部热量传导过程的影响。另外一些学者则从生理角度测试对比了消防员穿和不穿防护服时做各种运动时的心率和体温。弗里姆（Frim）等通过实验发现消防员身着不同结构和防水透汽层的消防服时，其生理耐热参数有很大的差异。哈克（Huck）和麦卡洛（McCullough）将火人模型测试的数据与消防员的主观感受结合起来评价防护服在实际使用中的效果。维迪（Veghte）测试了在实验室制造的各种极限条件下，身着防护服消防员的热生理反应。
一般来说，在影响消防服的热防护性能的各项因素中，服装的厚度是决定其防护水平的重要因素，一般来说，厚度越厚，其防护性能越好；然而，越厚重的服装会阻碍人体汗汽的散发，会大大降低消防员的作业效率，可能会造成人体的热中暑。另外，从某种程度来说，服装的整体厚度影响人体热舒适性的程度要大大高于组成该服装的纤维种类。
二、蒸汽热防护服
蒸汽防护也是热防护的一种，防护热源是高温热蒸汽，它不同于前面的火场消防安全防护。高温蒸汽环境中，热量传递的主要方式是热对流，当蒸汽与防护材料未接触时有热辐射，接触后则有热传导，因此，蒸汽防护是对对流、传导、辐射的综合防护。蒸汽热防护服装是对高温蒸汽环境下的从业人员进行安全防护、避免其被高温热蒸汽伤害的一种个体防护装备。
（一）蒸汽防护服的性能要求
蒸汽防护服装需具备防蒸汽透过性能、耐高温性能和隔热性能等。防蒸汽透过性能是指能够防止热蒸汽在自身压力或外界压力下穿透服装的性能。蒸汽一旦透过服装，将直接对人体造成伤害。耐高温性能是指服装在高温热蒸汽环境下，能够保持织物原有的外观形态，内在质量不降低，不会发生熔融、收缩和脆化断裂等。隔热性是指防护服必须具备较好的热减缓和阻止热量传递的性能。具有良好隔热性的防护服能为穿着者在外界高温蒸汽和人体之间提供一道保护屏障，使外界热量难以通过服装，从而为穿着者提供安全防护。
优良的蒸汽防护服还须具备防断裂、防撕破、耐磨等服用功能。在此基础上，力求达到功能性和舒适性的综合平衡。
（二）蒸汽防护服的研究现状
国外为提高高温蒸汽环境下工作人员的安全系数，很早就开始进行蒸汽防护服的研究。其中，美国、法国、日本在这方面的研究成果较为显著。
1.美国杜邦（Dupont）蒸汽防护服装
美国杜邦公司于1994年开发了一种由Nomex织物、Sontara仿丝织物夹芯、Kevlar/Nomex混纺织物以及蒸汽阻挡膜等多层材料复合而成的民用蒸汽防护服装。该套蒸汽防护服装能全部遮盖身体，头巾、围嘴很长，能遮住胸部，有利于护颈；手套袖筒较长，能覆盖袖口，有利于护腕；另外，还安装有旋风冷却系统，增加整套服装的穿着舒适性。适用于发电厂蒸汽轮机工作人员、蒸汽管道检修人员和仪表安装人员使用。
2.美国海军蒸汽防护服装
美国海军为潜艇装备了全套蒸汽防护装备，使工作人员能够安全进入充满蒸汽的潜艇舱室实施紧急修理或人员救援。整套装备由蒸汽防护服［图1-3（a）］、隔热头套［图1-3（b）］、蒸汽防护手套［图1-3（c）］和蒸汽防护靴4部分组成。服装内必须配备连体消防服并佩戴自携式呼吸器，以配合蒸汽防护服同时使用。
图1-3 美国海军蒸汽防护装备
3.日本过热蒸汽防护服
日本专利JP20079380于2007年1月18日公开了一种过热蒸汽防护面料和由该面料制成的过热防护服。该套服装能耐受180℃过热蒸汽，防护时间可达10min以上。蒸汽防护复合面料由表面层、中间层和衬里层组成，如图1-4所示。图1-5是采用该面料制作的过热蒸汽防护服，由连体服和防护帽组成，连体服由裤子和上衣组成，有两袖口、两裤脚口和后背穿脱直开口共计5个开口，这些开口处用注塑拉链和拉链盖或内侧缝制松紧带的方式形成无缝隙结构，缝制时形成的针孔用耐热性防水剂堵死，这样就可防止过热蒸汽由上部、下部和针孔侵入。
图1-4 日本过热蒸汽防护面料
图1-5 过热蒸汽防护服
4.法国蒸汽防护研究
法国为保护海军工作人员特别是核潜艇工作人员，避免其意外暴露在热蒸汽中造成危害，在法国海军医学研究所建立了蒸汽实验室，通过搭建一系列特殊试验设备来研究热蒸汽暴露对人的热生理影响，从而可以评价纺织品和防护服装的蒸汽防护能力，以此来满足法国海军的蒸汽防护需求，保护法国海军工作人员免受意外蒸汽暴露造成的伤害。研究表明：同种厚度情况下，不透汽织物比透汽织物能更有效地限制蒸汽的热传递。开始暴露于蒸汽喷射环境时，透汽织物因为水分的凝聚、分散和织物对水分的吸收散热可能有热流量峰值。对透汽织物进行涂层处理后此现象消失；材料越厚，它的热防护性能越好，但存在最大值。在织物里侧增加同样厚度的材料，不透汽织物复合材料的防护性能更好；服装和织物的蒸汽防护性能存在一致性。具有一定厚度、多层、不透汽的服装能够提供理想的蒸汽防护；服装的松紧程度对防护性能也有影响。宽松式裁剪使服装和皮肤之间的空气层变厚，则更有利于蒸汽防护。
5.我国的蒸汽防护服装研究现状
目前，我国对人体暴露于热蒸汽的生理变化及对蒸汽灼伤后的医学处理研究较多，但对蒸汽防护服的研究还处于初级阶段，主要有海军医学研究所的张富丽针对芳砜纶复合材料的蒸汽防护性能进行了探索性的研究，而服装的蒸汽防护机理、织物及服装的蒸汽防护性能仿生模拟评价等方面的研究还有待深入。
三、电弧防护服
电弧是高压电器在短路或介质被击穿情况下的瞬间放电，将产生巨大的热量和热冲击。电弧产生的能量可高达8～60MW。电弧发生速度快，持续时间短，产生的总能量非常大，核心温度可达2000℃，短时间内高能量的聚集会对电弧界面附近的工人产生致命伤害。电弧事故中，辐射热高达90%，即使事故中只产生一点火焰或根本没有火焰也会引起严重的伤害。
（一）电弧防护服的性能要求
电弧所产生的爆炸或震荡力会使日常衣服崩裂开，使工作人员的身体直接暴露于高热、火焰或熔滴的金属当中，因此防电弧面料要具备很好的热防护性能，抗爆裂能力，抗静电性能、良好的舒适性和优良的耐用性。
（二）电弧防护服的研究现状
在防电弧方面，1981年拉尔夫·李（Ralph Lee）发表电弧危害计算方法；1986年杜邦实行电弧个人防护设备（PPE）计划；1994年，美国职业健康与安全组织发布电弧防护要求OSHA 1910.269（1994）；1995年，美国国家防火协会在NFPA70E标准中确定了电弧分级标准（1995）；1996年，杜邦开始发行电弧相关研究报告；1997年，杜邦开始发布电弧防护服相关研究报告；美国材料试验协会（ASTM）颁布电弧防护装备PPE测试标准（1997）；2002年，美国电力规范（NEC）要求提供电弧危害警示标签；电子和电机工程协会（IEEE）1584授权使用电弧计算方法；2004年，美国国家防火协会NFPA 70E发布（04版）；NFPA 70E对电弧危害的防护进行了系统性的介绍，包括如何进行电弧危害分析，如何确定电弧防护所用界面以及最后如何选择合适的电弧防护服；2006年，杜邦研制出新一代电弧防护面料。
防电弧的标准主要有：ASTM F1959面料电弧火焰性能的标准测试方法；ASTM F2178-06防电弧面罩产品的电弧级别和标准规格的测试方法；IEC 61482-1-1带电作业防护服-防电弧热损伤；IEC 61482-1-2带电作业防护服-防电弧热损伤；IEC 61482-2带电作业防护服-抗电弧热损伤；ASTM F1958用人体模型模拟在电弧暴露情况下非阻燃面料的可燃性的标准测试方法；ASTM F1506暴露于瞬时电弧和有关热力危害中的电工穿着的阻燃防护服所采用的纺织品材料的性能标准规范。
四、防熔融金属飞溅防护服
防熔融金属飞溅防护服主要应用在焊接行业，它是焊接（包括熔融切割）作业必备的个人防护装备。在焊接过程中，飞溅的金属熔滴、火红的熔渣、灼热的焊件等都会造成人员烫伤。焊接防护服必须考虑到对焊接这一独特工艺进行有效防护。焊接过程中的最大危害不在于明火的产生，而在于熔滴金属滴的冲击，四散飞溅的熔滴金属滴凝固释放的潜热会透过服装而渗入皮肤造成局部严重灼伤。因此，防熔融金属飞溅防护服应具备良好的抗熔融金属冲击性能、阻燃性能、热防护性能、舒适性能和耐用性能。
国外防熔融金属飞溅产品的标准有：EN348-1992防护服材料抗熔融金属少量喷溅影响的性能测定；EN 373材料受到熔化金属飞溅物碰触后的阻燃特性；BS EN 470-1焊接操作过程中操作工身着的防护服阻燃标准；BS EN ISO 11611-2000焊工及其相似场所防护服；ISO 9150∶1988防护服防熔融金属飞溅物性能测试；ISO 9185∶1990防护服材料抗金属溶液穿透性的评定。
我国的相关标准主要有：GB15701-1995焊接防护服；GB/T 17599-1998防护服用织物防热性能、抗熔融金属滴冲击性能的测定；2007年修订的GB 8965.2防护服装阻燃防护第2部分：焊接服；GB8965.1-2009焊接防护服，标准中热防护性能采用了TPP测试，A级要求皮肤直接接触的面料TPP≥126KW·S/m2，皮肤与服装有间隙的面料TPP≥250KW·S/m2。对熔融金属的防护测试标准要求是织物背面的传感器温升40℃时，熔滴数需大于15滴。
五、热辐射防护服
热防护服的实际应用中，辐射热是造成受害者伤害的主要传热形式之一，即使是具有火焰的燃烧，其能量中也可能包括高达80%的热辐射。在热防护服防热辐射性能的测试中，常将织物垂直暴露在辐射热源下，在规定的距离内，热源对织物试样进行热辐射，在规定时间内通过织物试样的热通量可反映试样的防热辐射性能。通过织物试样热通量的大小可由织物试样背面的温度高低来表示，温度越高，表示通过织物试样的热通量越大，织物的防热辐射性能越差；反之，织物的防热辐射性能越好。也可通过测定造成织物背面人体皮肤二度烧伤所需要的时间来评价织物的防热辐射性能。
织物防热辐射性能与织物重量、厚度、密度以及织物表面状况有直接关系。除了织物材料本身的隔热性能外，提高织物的厚度和紧度，降低织物的透气性将有利于织物防热辐射性能的提高。此外，热辐射防护服面料通常采用表面涂铝、高表面反射率的织物，或者采用导电性和树脂整理相结合的织物，能更好地防护辐射热。在辐射热防护服中，涂铝织物比相应的不涂铝织物效果好，但涂铝织物不适于有火舌存在场合的热防护，如进入火区；但适用于当灭火者与火区有一定距离时热辐射防护。
六、防液体喷溅防护服
从家庭到工业范围内，许多职业从业人员可能时常遭受高温液体喷溅的灾害。例如：热水管道的破裂；烹饪以及食品加工过程中，高温食用油飞溅；石油化工等行业液体的喷溅等，这些高温液体飞溅物可以迅速的穿透服装并释放大量的热量，严重地破坏人体皮肤组织，造成严重的事故。实际工作环境中，着装者遭受的高温液体的种类、温度、流量、压力、面积与液体的冲击角度复杂多变，传统的热防护服很难提供有效的高温液体飞溅的防护。因此，理解高温液体防护性能的防护机理和影响因素，开发研制系统的防液体喷溅的高性能防护服刻不容缓。
（一）高温液体喷溅热防护的研究现状
目前，常用的标准为美国的ASTM F 2701防护服装用材料接触高温液体飞溅物时热传递性能测试标准。该测试标准可以判断在可控的高温液体飞溅物暴露下，是否有足够的热量通过防护织物系统并引起皮肤烧伤，标准中规定的测试装置如图1-6所示。实验过程中，将传感器测得的数据连接至数据采集器上，采集的温度变化曲线与Stoll曲线相交后得到皮肤产生二级烧伤的时间，如图1-7所示，也可以计算传感器吸收的总能量。后来，阿尔伯特大学的研究者们为了便于实验操作和控制，改进了该仪器的液体加热、传输和喷射装置，改进后测试装置如图1-8所示。
图1-6 ASTM F 2701标准规定的高温液体飞溅物测试原理及装置
图1-7 Stoll准则曲线示意
图1-8 改进的高温液体飞溅物测试仪器
国内卢业虎等人在原有测试设备的基础上研发了新型的高温液体防护性能测试仪，如图1-9所示。该测试仪主要创新在于可以通过循环流量控制阀调节高温液体的流量，实现多种灾害的模拟。此外，恒温液体循环箱和传送管道系统提供了准确的液体温度控制，极大地改进了原有装置的操作灵活性和准确性；它还可实现多种连续的高温液体暴露测试方案，预测各种防护系统皮肤达到二级烧伤的时间；喷口处安装了热电偶，用以检测液体的温度和辨别实验的开始。
图1-9 高温液体测试设备示意图
（二）高温液体喷溅热防护的影响因素
防液体喷溅防护服是供消防人员进行液态化学物品事故处置时穿着的防护服。织物暴露在高温液体飞溅物时，热传递方式主要包括织物表面的对流传导、织物内的热传导和湿传递（液体和蒸汽传递）引起的能量传递。防液体喷溅防护服所用面料的基本性能和液体性能（动力黏度、比热容和热传导率）对防护性能影响较大。高温液体暴露过程中，热防护面料会吸收大量液体，这些储存的液体在冷却阶段会不断地释放储存热，产生潜在的皮肤烧伤。因此，降低液体的吸收和传递能力也是防护此类灾害的热防护服系统必须具备的条件。另外，服装系统应具有较高的隔热性能，降低热传递至皮肤的速率。高温液体喷射到服装面料表面，会对面料产生一定的冲击力，可能改变面料的结构特征和基本性能，使得高温液体可以迅速地通过外层面料。卢业虎等人的研究表明：不透性和半透性面料的防护性能明显优于可透性面料，对于不透性面料和半透性面料，面料的厚度决定了其热防护性能；对于可透性面料，减少液体冲击渗透性可以明显提高其热防护性能。
防液体喷溅防护服除具备消防服的基本性能外，水密性能和防液体化学物质渗透是其重要的技术指标。许多研究证明液体的渗透性也是影响热传递和皮肤烧伤的关键因素之一。面料表面性能和液体的黏度影响液体在织物中的渗透性。液体的热扩散性能、湿传递的速率和传递的总量也是影响织物系统热防护性能的重要因素，直接暴露在高温液体流位置的皮肤烧伤比其他位置的烧伤严重，这可能与面料受到的冲击压力和液体的渗透性等有关。可见，保证热防护服装面料系统的结构完整性也尤为重要。