幾種模擬環境下防護服的性能測試

　　1 環境模擬試驗

　　技術環境模擬試驗是測試技術發展的重要方面,研究環境對技術產品的影響,是第二次世界大戰后發展起來的新學科,它的興起,對于技術產品的質量和環境適應性起著革命性變化。目前世界上各先進國家都極為重視,無論對電子電器產品和機械產品、高分子合成材料及產品、輕紡服裝產品、勞動防護用品以及防護服都必須通過規定的環境模擬試驗條件,進行適用性能檢測,為使用者提供盡可能接近實際的實驗依據。

　　人類的一切活動都是在某一特定的環境條件下進行的,氣溫、濕度、風和太陽輻射熱是組成環境氣候的四項基本要素,此外,氣壓、雨、雪、云量等天氣物理狀態的變化情況,也是環境氣候的重要因素。人們在勞動防護產品檢驗工作中,根據不同的測試要求,選擇模擬不同的要素,以保證試驗的相對可靠性。一般情況下,溫度、濕度(恒溫恒濕)是必需的條件,這類環境模擬是最普遍的起碼要求,幾乎所有物理機械性能實驗室都必須具備。

　　國外各行各業的研究與測試機構,無不擁有相當規模和相應精密的環境實驗室,如美國麻省馬薩諸塞州納蒂克城的陸軍軍需研究所(1976年改名為納蒂克研究與發展部),擁有北極模擬實驗室,模擬溫度可達-57e,最大風速為74 km/ h;熱帶模擬實驗室,最高溫度為74e;霧雨模擬實驗室,可模擬下霧及傾盆大雨;激光模擬實驗室,可作軍服染色防偵視研究用;火焰模擬實驗室,用以進行軍用被服裝具的耐燃燒性試驗;還有高空模擬實驗室,可模擬13 500 m的高空環境試驗。英軍被裝研究所擁有冷熱環境模擬實驗室,配有強光照射機;下雨模擬實驗室等。日本東麗公司在瀨田工場建立了全天候試驗室,模擬人著服裝在人工氣候的風、雨、雪的條件下檢驗紡織的服用性能。該公司掌握的產品標準高于國家JIS標準要求。日本須賀(SUGA)公司研制的耐氣候降雪試驗裝置,外形尺寸為4 m@2.2 m@12 m,樣品架的尺寸約250 mm@1 000 mm,被測試樣懸掛在循環回轉的樣品架上,人工降雪的結晶體相當于5 000~3 000 m的降雪效果。但該裝置造價昂貴,據1986年的報價為2億日元(折合130萬美元)。該公司生產的跟蹤太陽氣候日曬機,以高精度的陽光反射板及追蹤太陽裝置,使太陽光的照度集中于試樣上,并配以自動降雨周期的裝置,據稱,該機日曬20天就相當于通常360天的陽光照度。

　　我國在50年代中期,已開始重視環境模擬實驗,近10年來,建立研究環境技術的部門和實驗室已有數百家,推動著各經濟技術部門的迅速發展。特別對于勞動防護安全衛生產品,軍需產品,應當重視和發展環境模擬試驗技術,以便準確反映產品的安全性、實用性,為改進現行產品性能,開發新產品提供有力的依據。

　　在日常生活中,環境溫、濕度對人體健康、工作效率至關重要。據生理學家研究,室內溫度過高,將影響人的體溫調節功能,由于散熱不良,導致體溫升高,血管擴張,脈搏加快,心率加速。溫度過低會使人體代謝功能下降,脈搏、呼吸減慢,皮下血管收縮,皮膚過度緊張,呼吸道粘膜抵抗力減弱,容易誘發呼吸道疾病。同時,室內濕度影響亦十分重要,濕度過大,會抑制人體散熱,使人產生煩燥、悶熱感,濕度過低,會引起上呼吸道粘膜水分大量流失,感到口干舌燥,甚至咽喉腫痛、感冒、鼻腔出血。科學家把人對/冷耐受0的下限溫度定為11e,相對濕度30%,/熱耐受0的上限溫度定為32e,相對濕度80%。通過實驗測定,冬天最宜人的溫度18~25e,相對濕度30%~80%,夏天23 ~28e,相對濕度40%~60%。當然,人的舒適感受不僅限于溫度和濕度兩個氣象要素,還與人的體質、著裝、活動水平、精神狀態以及其他主客觀因素有關。防護服系列產品除了必須保證使用條件的安全防護作用外,還要盡可能地保證穿著者的舒適性能。

　　美國、法國、意大利、荷蘭、丹麥、匈牙利等許多國家都有專門的熱環境微氣候試驗室。其中美國堪薩斯大學的較現代化,總面積350 m2,匈牙利建筑科學研究院的微氣候室約210 m2,微氣候試驗室主要研究內容是依著狀態,人體活動程度,空氣溫度,平均輻射溫度,氣流速度,空氣相對濕度等對著裝人的熱生理影響。

　　主要測定著裝人的熱平衡狀態;血壓、脈搏、呼吸頻率、皮膚溫度和散失強度;腦力活動狀況;對聲光信號的反應時間、震顫程度、觸覺、敏感性、YYUOH頻率反應、皮膚流電反應、肌電圖和腦電圖、從事勞動的能力、體力變化、新陳代謝變化;心理狀況;記憶能力、聚精會神配合能力、對服裝和熱環境的主觀感覺等。現場研究主要是著裝人的熱平衡狀態,從事勞動的能力和主觀感覺等。

　　當然,從勞動防護與安全衛生的角度考慮,除環境氣候模擬以外,環境模擬試驗還包括高低溫、交變濕熱、熱老化、各種腐蝕性氣體影響、防毒、粉塵、振動、沖擊、噪音等環境條件的安全防護。

　　2 假人模擬試驗技術

　　先進國家研制了各種各樣的假人模擬測試系統,模擬真人,代替真人用于各種類型的勞動防護用品的研究試驗,考核和評價特種勞動防護服裝及軍用裝備品的實用性能、安全防護性能、工效性能等具有十分重要的作用。為各類防護服裝的設計定型、投產監控及產品實用提供可靠的依據是必不可少的,我國在這方面應該大力地進行開發利用,縮小與國外的差距。

　　2.1暖體假人模擬試驗裝置

　　暖體模擬人試驗裝置,目前在國外已十分普遍,前蘇聯從1946年就開始了此項研究工作,如前蘇聯列寧格勒軍事科學院早在50年代已開始第二代出汗假人的研究,美國、日本、丹麥、芬蘭等許多國家均有出汗暖體假人,我國在50年代初由軍事醫學科學院、軍需工業研究所等單位開展暖體銅人研究試驗,70年代總后軍需裝備研究所服裝功能室開展恒溫暖體假人和變溫暖體假人的研究和應用做了持續深入的工作,取得顯著的成效。上海飛達羽絨服廠花數萬美元引進了暖體假人,但利用率不高,代價昂貴。我國至今尚無出汗假人,據悉中國紡大曾列項研制,但未見研究報導。

　　服裝通常影響人的熱舒適性,為阻止熱和水分從人體擴散到周圍環境,通過艱苦的工作和環境條件,以建立人/服裝/環境相互之間關系是十分重要的。通過選擇合適的服裝系統減少熱壓應力,通過對試驗人的生理學測量,可以評價服裝的熱生理學性能。為此,推薦熱模擬人的定量測定。芬蘭技術研究中心(VTT)的紡織實驗室加入北歐聯合設計發展出汗暖體假人,開發出的第一個出汗熱模擬人,通過用此假人能夠同時測量服裝或衣服系統的熱和水汽透過性,人體不同部位的這些性能變化,以及人體運動或風對性能的影響等。

　　出汗暖體模擬人與最早的熱模擬人之間的不同處是連續濕汽供給。尤其在熱壓(應力)條件下,對人體熱生理出汗是極為重要的。出汗暖體模擬人可用于服裝設計的定量測定,適合于動態環境條件的熱舒適性試驗。

　　以芬蘭技術研究中心(VTT)研制的出汗暖體模擬人為例簡介如下,模擬人殼體及汗腺的剖面結構示意如圖1所示。

　　圖中(4)為穿過硬質泡沫塑料層小孔薄的細小導管,(5)硬質泡沫塑料成型模擬人殼體,(6)殼體外表面用電熱絲纏繞,(7)固定電熱絲的絕緣薄膜, (8)從電熱絲散熱的金屬層, (9)固定溫度傳感器線路的塑料層,(10)用來覆蓋模擬人的壓合材料,其內一邊將水從管子擴散到更大的面積,外面是微孔聚四氟乙烯膜,此膜僅擴散水汽而不擴散液體水。模擬人殼體表面材料是一種薄型網狀保護體以防止機械損傷的危險。用來測量并控制表面溫度的金屬絲溫度傳感器是在壓合材料的下面,并聯接自動程序控制柜,一臺微型計算機用來開始試驗進行結果的打印。

　　模擬人的汗腺管總數為187根,供水的最大表面為120 cm2,總出汗面積約115 m2。供水至汗腺管是通過微機控制的微型電磁伐。模擬人在不穿衣服及標準室內環境條件下,最大水輸入值為300 g/m2#h。

　　模擬人尺寸大小是基于瑞典的研究,相當于人的尺碼C50,即高172 cm,胸圍100 cm,腰圍88 cm,體重約50 kg。體殼分為18個部分,每個部分有其自身的熱和溫度測量系統,除頭、手、腳外、所有表面均可出汗。

　　2.2結構假人模擬試驗裝置

　　這類假人種類繁多,在勞動防護用品的研制和應用試驗中已獲得廣泛的使用,如日本消防研究所研制的模擬人體下肢的裸園柱模型,配合火焰暴露試驗用臺車,可測服裝的阻燃性,多部位傳導的熱量,以及達到最高熱量所需時間。國外用下肢假人作抗休克褲、抗荷褲氣密性、壽命及強度試驗。用軀干假人作降落傘空投、安全帶強度等試驗。用人形假人作防護服裝吹拂試驗、彈射座椅系統彈射性能試驗。英國研制的羅伯特人形海上浸水假人(RAMM?),用來作防寒抗浸服在危險有風浪水域進行應用試驗。用類似假人作水上救生服裝漂浮試驗。美國空軍研制的動態模擬假人(ADAM),包含17個活動節段,用于全面有效地試驗高性能防護救生裝備。美國北卡羅來納州立大學紡織學院的暖體假人評價系統,帶有保溫出汗板,不僅可測服裝的熱舒適性,還有活動關節,能模擬人跑步的假腿評價系統,可預測著裝人體從火場中逃出的燒傷狀況。

　　2.3代射假人模擬試驗裝置

　　代謝假人模擬試驗裝置,一般分為兩類,一類為化學反應式模擬裝置,可模擬人體代射過程耗氧量、二氧化碳產生量、人體化學反應產水量和產熱量,按照氧化時生成的二氧化碳(CO2)與耗氧(O2)的克分子比值,求出一定的呼吸商下的丙酸(C2H5COOH)和乙醇(C2H5OH)5 6 8 10熱水汽47 9供水圖1模擬人殼體及汗腺的剖面示意圖的質量百分比,再按熱化學反應計算出產生的熱量,測試結果與真人相似。另一類為抽氣補氣式模擬裝置,供試驗個人高空防護置及生命保障系統。

　　加拿大的假人評價系統,其假人的人造皮膚下,模擬了血液流動狀態,據稱該系統所測出的熱防護性能TPP值(Protective PerformanceValue)更加逼真。

　　2.4等效輻射假人模擬試驗裝置

　　當今世界人們處在天燃和人為的粒子(量子)輻射和電輻射(電子煙霧)包圍之中,天然的有來自太陽產生的電離輻射紫外線,宇宙射線和天然放射性物質產生的A、B、C射線。人為的有核武器、核反應堆和放射性同位素物質以及各種各樣電磁輻射源等等。

　　電磁輻射的電子煙霧主要是微波輻射。微波是介于無線電波與紅外線之間的高頻電磁輻射。電磁波譜包括波長10-12~106cm之間的多種波,沒有一個單一的輻射源或單一的探測機構可適用于整個電磁波譜,因而這個波譜被分成很多個不太嚴格確定的波段(或譜區)。這些波段的區分,一般是根據產生、分離及探測這些輻射所采用的方法來劃分的。

　　粒子輻射與微波輻射對人體皮膚、器官及內臟起到傷害,損害人體健康,甚至造成嚴重疾病,如皮癌、白內障、心血管系統、內分泌系統、免疫系統、生殖系統等功能性損害。對于粒子輻射防護服和微波輻射防護服,可用相應的粒子輻射假人和微波輻射假人進行模擬測試評價。

　　2.5真人模擬試驗

　　例如阻燃服裝研究開發,一般都要經過五個階段,每個階段都必須進行相應的檢測,第一階段是選料,著重對服料物理機械和化學性能進行試驗。第二階段用人造皮膚假肢、假人進行模擬試驗,包括人造皮膚的發汗調溫試驗,假肢的二度燒傷試驗,以及暖體假人或發汗假人的防熱試驗。側重燒傷性能和舒適檢測,為服裝設計提供依據。第三階段是真人著裝在模擬環境中作模擬活動,應用安全人機工程學的原理對整體服裝的性能進行試驗,著重于著裝人體的熱生理檢測,為修正設計提供依據。第四階段為真人著裝在現場作典型模擬活動,驗證服裝的防護性能和舒適性能。第五階段為真人著裝進行正常活動,經相當長時間的試用性考核,檢驗其耐久性變化,收集各方面意見,為防護服定型、制定產品標準及產品投產提供依據。