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上海泛標(biāo)紡織品檢測(cè)技術(shù)有限公司
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目前已研制出小規(guī)模(Bench—top tests)測(cè)試、火人測(cè)試及美國(guó)伍斯特軍事學(xué)院的熱屬性評(píng)價(jià)裝置(Thermal Properties Test Fixture,，T陽(yáng)F)¨J，用來(lái)評(píng)價(jià)各種熱危險(xiǎn)環(huán)境下織物或服裝的熱防護(hù)性能。從國(guó)外所述文獻(xiàn)[8—11]來(lái)看，定量的評(píng)價(jià)熱防護(hù)服裝的熱防護(hù)性能過(guò)程中,，需要運(yùn)用皮膚傳熱模型，并結(jié)合Henriques皮膚燒傷方程,，才能得到人體皮膚達(dá)到二級(jí)燒傷所需時(shí)間t：,，但是所有的皮膚傳熱模型都是基于如下的Pennes傳熱方程建立的：
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從物理學(xué)與生理學(xué)來(lái)說(shuō),，Pennes皮膚傳熱方程的本身就存在著一些問(wèn)題，尤其是在瞬間的高溫傳熱過(guò)程中,。實(shí)際上,，該模型是在基于經(jīng)典的Fourier熱流定律基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，這也就是隱含著這樣的一個(gè)假設(shè),，即認(rèn)為介質(zhì)中的熱傳播速度無(wú)限大,，這就相當(dāng)于只要介質(zhì)內(nèi)某處溫度發(fā)生變化，就會(huì)瞬間引起另一點(diǎn)的溫度變化,，然而對(duì)于像人體皮膚這類生物組織來(lái)說(shuō),，熱量從一點(diǎn)傳輸?shù)絲ui近一點(diǎn)需要對(duì)熱擾動(dòng)響應(yīng)作出反映的松弛時(shí)間丁H3。,，因此,，在評(píng)價(jià)熱防護(hù)服熱防護(hù)性能時(shí)，需要考慮到皮膚組織傳熱速度有限的因素,，以使燒傷預(yù)測(cè)值更接近實(shí)際皮膚燒傷結(jié)果,。
筆者介紹一種新型皮膚傳熱方程，即考慮了熱量在皮膚傳遞速度有限的熱波皮膚模型來(lái)測(cè)量皮膚的燒傷度，從而以此熱防護(hù)服用織物層下皮膚燒傷級(jí)別來(lái)評(píng)價(jià)織物的熱性能,。首先,，通過(guò)模擬皮膚器表面的熱電偶測(cè)量模擬器的溫度，通過(guò)將溫度值代入Diller法則公式?jīng)Q定皮膚模擬器吸收的熱量值,；然后,，再將得到的熱量值作為熱波皮膚模型的邊界條件預(yù)測(cè)皮膚基面溫度，結(jié)合Henriques皮膚燒傷模型得到皮膚二級(jí)燒傷的時(shí)間,；同時(shí)還比較了運(yùn)用Pennes皮膚模型與TWMBT模型預(yù)測(cè)皮膚燒傷時(shí)間與皮膚溫度變化的結(jié)果,。
1熱波皮膚模型
根據(jù)傅立葉熱流定律，并考慮皮膚生物組織傳熱速度有限的物理事實(shí),，Cattaneo,。14o提出了非穩(wěn)態(tài)下的一維熱流方程，即非Fourier公式的線性展開：
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當(dāng)7-珈,，式(3)即轉(zhuǎn)化為的Pennes生物傳熱方程。由于生物組織中的熱傳播速度遠(yuǎn)較其他材料(如金屬,、液體等)為小,，其熱松弛時(shí)間(如肉類下一20—30 S)遠(yuǎn)大于金屬等的r一10。10一10,。4 S,，因而考慮了熱有限傳播速度的熱波模型更合理，更能反映生物傳熱的本質(zhì),。
實(shí)際傳熱過(guò)程中,，皮膚組織上傳熱實(shí)際上主要發(fā)生在垂直皮膚表面一維方向，并且假定容積發(fā)熱源為0,，根據(jù)式(3),，那么皮膚組織上的穩(wěn)態(tài)溫度值t(戈，0)分布如下：
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初始條件(t=o)：
0(z)=0 (9)
式中,，t，為皮膚受熱時(shí)間,。數(shù)值解方程時(shí),，假定皮膚表面和體核的溫度是一個(gè)常數(shù),，分別為32．5℃和37,。C,。通過(guò)在整個(gè)求解皮膚區(qū)域內(nèi)建立有限數(shù)目的網(wǎng)格,，將溫度場(chǎng)各微分方程變換為節(jié)點(diǎn)方程，運(yùn)用*隱式差分格式,，編寫VB程序計(jì)算節(jié)點(diǎn)溫度和熱流量值,。
2 實(shí)驗(yàn)
2．1實(shí)驗(yàn)裝置
實(shí)驗(yàn)裝置采用的是改進(jìn)的輻射防護(hù)性能(RPP)測(cè)試儀,，如圖1所示，其測(cè)試基本原理同NFPA1977[1副標(biāo)準(zhǔn)方法(防野火防護(hù)服裝與裝備標(biāo)準(zhǔn))所述類似,。輻射源裝置由5根500 W的紅外石英燈管作為輻射熱源,，垂直地對(duì)試樣進(jìn)行熱輻射,。熱源的輻射熱量由調(diào)壓變壓器控制，通過(guò)調(diào)節(jié)輸入電壓,，使石英燈管輻射出規(guī)定的熱流量為0．5 caL／(cm2·s)或2．0 cal／(cm2·s),。
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放置在防護(hù)服用織物試樣背后的皮膚模擬傳感器測(cè)量通過(guò)試樣的熱量,，試樣與石英燈管的距離為55．4 mm。輻射源的發(fā)熱量依照ASTM F 1939¨叫標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行校定,。該裝置中的皮膚模擬器材料采用的是人工微晶玻璃，其熱傳導(dǎo)率為1．46 W／m·K,，熱擴(kuò)散率為7．3×10,。m2／s，而且它的熱物理性能不隨其表面溫度改變而改變,，該特點(diǎn)與皮膚屬性極其相似,。整塊皮膚模擬器的厚度為12．8 mill,，其背面附著在恒溫冷板表面，使其背面保持在恒溫37℃,，恒溫冷板與恒溫水浴相連,。皮膚模擬器表面裝有一只T型熱電偶，熱電偶的接線沿法向穿過(guò)模擬器接人轉(zhuǎn)換器,，熱電偶的測(cè)量端用環(huán)氧樹脂膠粘于模擬器表面,，環(huán)氧樹脂可耐zui高溫度380。C,，適用于制作強(qiáng)熱流環(huán)境下的粘結(jié)劑,。
2．2試樣與測(cè)試過(guò)程
該實(shí)驗(yàn)中選取了3種典型應(yīng)用的熱防護(hù)織物，其分別是：Metamax⑧耐火織物,，阻燃棉纖維(Metamx⑩／FR Cotton)織物,，聚丙烯腈預(yù)氧化纖維(Panof)織物。各織物結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1與表2所示,。
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測(cè)試時(shí)，首先剪取尺寸為22．86 cm X 10．16 cm的5塊試樣,，并在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下調(diào)濕,、然后將試樣放入試樣夾持裝置內(nèi)，保持試樣夾持平整,，并將其放入試驗(yàn)儀中,。接著，打開電源,，調(diào)節(jié)變壓器的輸出電壓至規(guī)定電壓,，保證紅外加熱石英燈具有規(guī)定的輻射熱量。當(dāng)紅外石英燈預(yù)熱60 s后,，撤去熱源預(yù)熱屏蔽裝置,，使試樣垂直暴露在熱源30 s后，關(guān)閉電源和記錄儀,，放上預(yù)熱屏蔽裝置,，取下皮膚模擬器并冷卻,，試驗(yàn)完畢,。當(dāng)熱流計(jì)溫度下降至33℃時(shí),，才能進(jìn)行新一次試驗(yàn)。
2．3皮膚燒傷評(píng)估準(zhǔn)則
皮膚燒傷評(píng)價(jià)過(guò)程中,，一般認(rèn)為，當(dāng)人體皮膚表面下80斗m處的基面溫度達(dá)到44℃以上時(shí),，皮膚開始燒傷破壞,，破壞程度隨溫度上升成對(duì)數(shù)關(guān)系加深。
通常，在一定的熱暴露環(huán)境下,，用銅片熱流計(jì)并借助于Stoll曲線確定“皮膚"達(dá)N---級(jí)燒傷所需的時(shí)間,，然而Stoll燒傷準(zhǔn)則是Stoll和Chianta兩位研究者通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定皮膚在4．2～16．8 kW／m2的熱暴露環(huán)境下皮膚二級(jí)燒傷時(shí)間,，而暴露熱流量在此范圍之外的二級(jí)燒傷時(shí)間，則是通過(guò)外推法而得,；另外,，應(yīng)用Stoll方法首要前提是保證人射到皮膚表面熱流量是一個(gè)恒定值,，任何小的波動(dòng)變化都會(huì)使Stoll準(zhǔn)則失效。
基于以上原因,，筆者采用了目前應(yīng)用較廣泛的Henriques皮膚燒傷模型方程¨7|，該模型通過(guò)將皮膚溫度代人到Henriques提出的一階阿倫尼烏斯(Arrhenius)方程,，即認(rèn)為皮膚的燒傷破壞過(guò)程是一個(gè)化學(xué)變化的積分形式：
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式(8)是一個(gè)由皮膚活化能AE和頻率破壞因子P參數(shù)控制的函數(shù)方程。式中,，力是皮膚燒傷破壞程度的量化值,，無(wú)量綱；R是皮膚活化能和理想氣體常數(shù)(8．31J／mol·℃),。Weaver和Stoll兩位研究者將皮膚基面溫度數(shù)據(jù)與二級(jí)燒傷時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較分析,，得到的不同皮膚基面溫度下的AE和P值，如表3所示。
若基面溫度T>44℃且門>0．53,，那么皮膚一級(jí)燒傷,；若T>44。C且=1．0,，那么皮膚二級(jí)燒傷?？芍词估鋮s過(guò)程中,，只要皮膚基面溫度T>44℃，皮膚繼續(xù)會(huì)燒傷破壞,。與Stoll準(zhǔn)則不同的是,，式(8)綜合考慮到了這一冷卻燒傷效應(yīng)。
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筆者選擇了新型熱波皮膚模型來(lái)評(píng)估皮膚的熱損傷,，其測(cè)試分析過(guò)程如下：
1)運(yùn)用皮膚模擬器表面的熱電偶測(cè)量其表面溫度五。
2)將L值代入到Diller法則公式得到皮膚模擬器表面吸收的熱流量值g",。,。
3)以q"。作為熱波皮膚模型的邊界條件,，獲得皮膚基面的溫度值丁,。
4)將皮膚基面的溫度值丁代入式(8)——Henriques皮膚燒傷模型方程，求得皮膚達(dá)到二級(jí)燒傷所需時(shí)間,。
其中,，q"。是運(yùn)用Diller法則¨副計(jì)算而得,。將整個(gè)測(cè)試時(shí)間分為n個(gè)時(shí)間步長(zhǎng),，在某一步長(zhǎng)t。,，根據(jù)該步長(zhǎng)前所有步長(zhǎng)的溫度差(瓦一t一,，)求和，可得該步長(zhǎng)下的熱流量值q",。：
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3結(jié)果與討論
3．1熱波皮膚模型與Pennes方程比較分析該實(shí)驗(yàn)中，輻射熱流通量為21 kW／m2，通過(guò)測(cè)量Al芳綸織物試樣下的皮膚模擬器溫度,，數(shù)值計(jì)算人體皮膚的溫度,，每個(gè)試驗(yàn)的輻射加熱時(shí)間為10 s，而整個(gè)計(jì)算時(shí)間為20 S,。圖3是皮膚基面的溫度隨時(shí)間變化曲線,，圖3的曲線顯示出運(yùn)用熱波皮膚模型(TWMBT)與Pennes皮膚模型預(yù)測(cè)皮膚溫度值差別顯著。
在加熱的開始階段,，Pennes方程預(yù)測(cè)值較TWMBT預(yù)測(cè)值大,，這是由于Pennes方程是基于Fourier熱流定律建立的，而熱波皮膚模型則考慮了熱量在皮膚組織中傳遞速度有限這一物理事實(shí),，因此,，熱量從表膚表面?zhèn)鬟f到皮膚內(nèi)部某一點(diǎn)需要一定的時(shí)間延遲或松弛，從而導(dǎo)致其溫度預(yù)測(cè)值偏低,，但是經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間后,，皮膚傳熱達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，兩個(gè)皮膚模型所預(yù)測(cè)值相近,。
事實(shí)上,，由于運(yùn)用Diller法則計(jì)算瞬間入射熱流量時(shí)，采用了類似數(shù)值差分格式,，且時(shí)間步長(zhǎng)的劃分較粗,，因此，根據(jù)皮膚模型所繪出的溫度時(shí)間曲線并不光滑,。
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由于兩個(gè)皮膚模型預(yù)測(cè)分析溫度值存在差別，必然導(dǎo)致兩者預(yù)測(cè)皮膚燒傷度的差異,。圖4是A1～A4這4種織物試樣層下的皮膚模擬器測(cè)試分析所得的皮膚二級(jí)燒傷時(shí)間柱狀圖,，在考慮了皮膚傳熱的松弛時(shí)間丁后，即由TWMBT模型方程分析得到的織物熱防護(hù)性能比Pennes方程預(yù)測(cè)得到的防護(hù)性能強(qiáng),。
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如表1數(shù)據(jù)和圖4柱狀體所示，可知厚度或重量相似的條件下,，織造系數(shù)高的織物(A2)的熱防護(hù)性能比織造系數(shù)低的織物(A3和A4)的防護(hù)性能強(qiáng),，這是由于織造系數(shù)高，織物緊度高，熱量不易透過(guò)織物,，導(dǎo)致織物熱防護(hù)性能增強(qiáng),。21 kW／m2熱流輻射過(guò)程中，大約在8 s后A2與A3試樣有焦化現(xiàn)象發(fā)生,。
3．2 Henriques燒傷模型與Stoll準(zhǔn)則方法比較當(dāng)前小規(guī)模(Bench—top—scale)的熱防護(hù)性能測(cè)試要求被測(cè)紡織品暴露于一定的熱流量環(huán)境,，采用銅片熱量計(jì)測(cè)量通過(guò)織物試樣的熱量，借助于Stoll準(zhǔn)則獲得皮膚二級(jí)燒傷時(shí)間,。為了比較Henriques方法與Stoll方法,，這里按照TPP(Thermal ProtectivePerformance)熱流計(jì)技術(shù)制作了一只銅片熱流計(jì)，在相同的輻射熱流環(huán)境(21 kW／m2)下,，分別運(yùn)用皮膚模擬器與銅片熱流計(jì)測(cè)量同一種試樣的防熱時(shí)問(wèn)，以進(jìn)行橫向比較,。
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從表4可知，3種測(cè)試方法的CV值都不大于10％,，表明,、狽0量熱防護(hù)服用織物熱防護(hù)性能時(shí)，這3種方法的可信度高,，穩(wěn)定性好,。顯然，圖5中3條曲線不同位置又表明Henriques與Stoll方法在測(cè)試熱性能值時(shí)存在差異,，但曲線的變化趨勢(shì)一致,。通過(guò)對(duì)Stoll方法與TWMBT皮膚模型方法(Henriques)進(jìn)行相關(guān)分析，得到其相關(guān)系數(shù)為0．8054,，如圖6所示,，表明Henriques燒傷方程并結(jié)合TWMBT皮膚模型的皮膚燒傷評(píng)價(jià)方法適合于評(píng)價(jià)熱防護(hù)織物熱防護(hù)性能。
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相同測(cè)試條件下,，結(jié)合Pennes方程的Henriques皮膚燒傷評(píng)價(jià)方法得到皮膚二級(jí)燒傷時(shí)間zui短，Stoll次之,，而TWMBTzui長(zhǎng)(見圖6),。
導(dǎo)致Stoll方法與Pennes方程(結(jié)合Henriques方程)評(píng)價(jià)差別是由于這兩個(gè)吸熱計(jì)的吸熱性質(zhì)的差異，同等受熱條件下，皮膚模擬器升溫更快,，吸收熱量更多,，運(yùn)用Pennes方程預(yù)測(cè)皮膚的溫度時(shí)，沒(méi)有考慮熱松弛時(shí)間這一因素,，相應(yīng)的其皮膚預(yù)測(cè)溫度上升快,，吸收熱量多，達(dá)到二級(jí)燒傷時(shí)間短,；但TWMBT方程則綜合考慮了皮膚生物組織傳熱速度有限這一因素,，其預(yù)測(cè)二級(jí)燒傷時(shí)間zui長(zhǎng)。
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4結(jié) 論
1)筆者提出了在高溫安全防護(hù)領(lǐng)域一種評(píng)價(jià)熱防護(hù)織物熱防護(hù)性能的新型皮膚傳熱模型——皮膚熱波模型(TWMBT),，并采用了實(shí)驗(yàn)與模型分析的“兩步法"來(lái)預(yù)測(cè)皮膚燒傷度，該模型考慮了強(qiáng)熱流環(huán)境中熱防護(hù)織物層下皮膚組織傳熱的熱波影響因素,。
2)在加熱的初始階段,，運(yùn)用TWMBT模型預(yù)測(cè)的皮膚基面溫度比Pennes方程預(yù)測(cè)低。
3)相同測(cè)試條件下,，結(jié)合Pennes方程的Henr—iques皮膚燒傷評(píng)價(jià)方法得到皮膚二級(jí)燒傷時(shí)間zui短,，Stoll次之，而TWMBTzui長(zhǎng),。
4)Henriques燒傷方程并結(jié)合TWMBT皮膚模型的皮膚燒傷評(píng)價(jià)方法于評(píng)價(jià)熱防護(hù)織物熱防護(hù)性能,。
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