长期以来，我国对服装面料阻燃防护性能的测试评价主要采用纺织品垂直燃烧试验法和极限氧指数法，虽然该两种方法可以评价织物的阻燃性能，但并不足以评判织物的热防护性能。随着XF 10—2014《消防员灭火防护服》、GB 8965.1—2020 《防护服装 阻燃服》、GB/T 38302—2019 《防护服装 热防护性能测试方法》等标准的实施，国内使用Stoll人体二级烧伤曲线以及代表热传递性能的TPP值以及冷却阶段织物释放热量的TPE值来评价织物热防护性能。其虽可以用于评价织物的阻燃及热防护性能，但无法客观反映服装整体热防护性能及对着装者所能提供的保护程度，因其并没有考虑服装制作过程的裁剪、设计以及人体动作等因素。因此，要全面检测、评价服装阻燃热防护性能，应该尽可能真实地模拟人体实际穿着防护服在火场中的状况。美国、加拿大等国早已建立燃烧假人实验室及相关标准，例如美国杜邦公司与军方共同开发的Thermo⁃man，用于测试服装构造、织物单位面积质量、面料种类、样式等因素对防护性能的影响；东华大学于2011年建成我国首个燃烧假人实验室，解放军总后勤部军需装备研究所很早建立了类似的“单兵装备阻燃防护性能测试实验室”，但仅限于内部使用。GB 8965.1—2020《防护服装 阻燃服》将“成品轰燃条件下的阻燃性能”纳入测试指标，因此，非常有必要按照GB/T 23467—2009《用假人评估轰燃条件下服装阻燃性能的测试方法》开发基于轰燃条件下燃烧假人测试系统（以下简称燃烧假人测试系统），以实现通过模拟火场环境，利用分布于燃烧假人表面的传感器模拟人体皮肤表面温度变化，分析轰燃暴露时间、服装材质及着装姿势等对假人表面温度变化的影响，测试分析服装热防护性能，从而为热防护服面料开发、服装设计等提供有益参考。1 基本原理燃烧假人测试系统用于评估不同材料、款式的单件或整套服装的热防护性能。测试原理是将服装穿在仪器化假人身上，置于热通量、持续时间和火焰分布均可控的模拟轰燃条件的实验室中，通过假人表面温度传感器的检测数据，以热传导方程式预测人体真皮及皮下组织的温度，计算可能造成的人体二度、三度烧伤面积及总烧伤面积。烧伤面积越大，烧伤程度越重，则服装的热防护性能越差，反之，服装的热防护性能越好［1］。2 测试系统的设计2.1　系统整体结构由于测试系统燃烧器数量较多，瞬间燃烧时丙烷气体流量较大，因此仪器要考虑必要的防护结构以及建造专用的燃气供应系统，避免测试过程中的消防安全隐患。测试系统分为供气系统、燃烧器系统、点火装置、燃烧假人、传感器系统、数据采集系统、专用测试软件、防护结构、电控系统、报警及异常处理等子系统，整体结构见图1。.F001图1测试系统整体结构示意图1—气瓶柜；2—泄漏报警；3—排风系统；4—燃气调节阀；5—点火装置；6—温度采集线缆；7—燃烧器；8—燃气电磁阀；9—电控柜2.2　供气系统供气系统的设计应保证在至少5 s的燃烧时间内管道供气压力波动不大于10%，使6组12支燃烧器均匀燃烧，产生轰燃效果。经试验，如采用常规单储气罐和闭环反馈压力调节方式，在轰燃瞬间储气罐及压力调节装置难以应对如此大的负荷，无法实现压力稳定调节。要保证供气系统设计要求，需采用逐级缓冲、逐级降压方式提高管道压力稳定性，即通过6个容积为40 L 的丙烷气罐组成总容积为240 L的缓冲气罐组。经测试，每次轰燃过程系统耗气量约为3.0 L~4.0 L，不足缓冲罐总储气量的2%。因此，采用冗余设计方式，并通过压力调节阀及压力调节回路可轻松对供气系统进行调节，有效控制管道压力波动。供气系统管道分为燃烧气体支路、引导火气体支路、安全火气体支路，各支路燃气出口压力通过调节阀自动调节到设定压力。要使暴露期间热通量满足84 kW/m2的标准要求，经试验测得丙烷缓冲罐内压力应设定为2.0 MPa，传输管道主气路为0.4 MPa ，燃烧气体支路压力及引导火支路压力为0.2 MPa，从而可使到达燃烧器前气体压力降至0.1 MPa 左右。2.3　燃烧器系统要使燃烧气体在管道压力作用下以一定流速从燃烧器喷嘴喷出，同时从进气孔吸入空气，并在燃烧器内部与丙烷气体混合，然后从燃烧器腔内喷出，经引导火焰点火后形成轰燃效果，实现燃烧火焰对假人的包裹，关键在于控制燃气与空气的预混系数，因此，燃烧器结构上采用外壳为直径65 mm、长度120 mm的圆柱体，壳体后部设计6个进气孔，燃烧器内部喷头采用1主8辅。通过调整喷头直径及进气孔的大小可控制预混系数在0.2~0.8之间，使燃烧火焰较长且达到充分燃烧。燃烧器的构造形式基本按照空气引射式燃烧器结构设计。为了实现在假人模特周围形成均匀的火焰，达到暴露热源基本稳定一致的目的，燃烧器系统以假人模特为中心设计6组燃烧器装置，在半径400 mm~500 mm圆周范围、吊装高度200 mm~300 mm、每60°放置一组；每组燃烧器装置由2支燃烧器组成，采用上下分组安装方式固定在轨道上，燃烧器角度、高度、距离任意可调，以满足系统热量调节的需要。同时在燃烧器支路上安装电磁阀、压力调节阀、电子点火器等，用于控制暴露时间、调节燃气压力等。2.4　燃烧假人燃烧假人作为测试系统的一个关键部件，材质应为阻燃、耐高温且稳定性好的非金属材料，且易于安装维护。假人模型基础材料选择树脂，针对标准要求及考虑传感器安装、内部布线空间等因素选择适合的人体各解剖段模具，然后添加玻璃纤维，经模压、固化等得到符合要求的假人模特，由于添加了玻璃纤维，其短时耐温可达到200 ℃。表面耐高温处理是假人模特制作的关键，耐高温涂层一般分为油性和水基两种。经多次试验，油性耐高温涂层固化时间较长，遇高温后存在软化及起泡等现象，而水基耐高温材料固化时间短、表面光洁，遇高温后热稳定性较好。综合测试结果，燃烧假人采用水基耐高温材料涂层，涂覆厚度为3 mm~5 mm。2.5　传感器系统传感器系统用于模拟测量暴露在轰燃环境下人体表面的温度，通过烧伤积分算法预测可能造成皮肤烧伤的程度，传感器的灵敏性、稳定性、可靠性至关重要。目前，热传感器主要分为热流计传感器、绝热传感器和嵌入式热电偶。其中，绝热传感器精度高、响应快、测量范围大、稳定性好，同时相较于其他两种热传感器体积小，更适合安装在燃烧假人表面。设计采用直径10 mm、厚度1.6 mm的铜片［2］与直径0.3 mm的K型热电偶以钎焊工艺相连的热传感器，精度可达±0.2 ℃。燃烧假人共安装传感器120个，对应人体表面皮肤分布在躯干部位60个、双臂24个、大腿20个、小腿16个。为防止传感器断裂及便于在燃烧假人表面安装，需制作支架将传感器封装起来。传感器支架材质采用耐高温PEEK材质，支架中心放置传感器，并从外部镶嵌在燃烧假人表面。2.6　数据采集系统数据采集系统要能够实时、准确、同步采集并传送传感器温度数据，用于计算人体皮肤二度、三度烧伤面积。标准要求在测试期间每个传感器的采样频率为2 Hz，而校准过程中每个传感器的采样频率为5 Hz。数据采样率越高、系统响应速度越快，越能真实模拟人体皮肤烧伤过程和计算烧伤面积，而要实现120个传感器数据采集与同步并非易事。为此数据采集系统采用15个专用8路温度采集模块预处理120个传感器温度数据，并以RS485通讯方式发送给串口服务器；配套测试软件运用多线程调度机制对100 Mb/s专用串口服务器用以太网通讯方式发送的数据进行汇总、显示、保存，并可实现每个传感器采样频率不小于7 Hz，完全满足测试要求。2.7　电控系统及异常处理电控系统及异常处理是系统在测试过程中安全可控的保障。当发生管道压力波动超界、燃气泄漏、安全火熄灭、实验室门打开等异常情况时，电控系统能自动进入异常处理模式，关闭供气系统、打开排风系统、声光报警提示，直至异常排除。电控系统及异常处理采用PLC控制电磁阀、继电器、点火器等设备，实现气路供气、点火、停气等功能。同时通过压力传感器实时采集各级管道压力，保证在轰燃时管道压力波动在10%以内，避免因气压波动造成数据偏差；配有气体泄漏装置防止燃气浓度过高或燃气残留，避免引发安全事故。3 测试软件设计配套测试软件的开发平台为DELPHI XE7，按照GB/T 23467—2009《用假人评估轰燃条件下服装阻燃性能的测试方法》的试验流程、逻辑关系和系统功能，检测喷火位置、供气压力、燃气泄漏等信号，控制电磁阀、点火器、报警灯、排气扇等硬件，实现对各软硬件设备状态采集及动作控制，并采用SQLite数据库对系统参数、测试数据、运行状态等信息加以保存。测试软件按功能分为设备校准、试样信息、启动测试、报告查询、参数设置等。通过传感器表面温度预测真皮层与皮下组织温度及皮肤烧伤算法是测试系统设计的关键。本测试系统以皮肤热传导系数不因温度变化而变化、皮肤内没有吸热为基础，且假定热通量并非全部透过皮肤内部，此时可将皮肤内部看作一维半无限固体，用非稳态一维热传导方程式来计算真皮层及皮下组织的温度分布，皮肤预测温度可由公式（1）计算得到［3］。ρCp∂T∂t=k∂2T∂x2 （1）式中：T为在t时距皮肤表面深度为x处的皮肤温度（K）；k为在t时皮肤深度x的热传导系数［W/（m·K）］；ρCp为皮肤的体积比热容［J/（m3·K）］；t为经过的时间（s）；x为距离皮肤表面的深度（m）。温度、时间与皮肤烧伤程度存在一定关系，较低的温度、较长时间接触可以导致皮肤的深度烧伤；而较高的温度、极短接触时间，仅仅导致一度烧伤。皮肤烫伤温度⁃时间曲线见图2。.F002图2皮肤烫伤温度⁃时间曲线由图2可知，当人体表面皮肤温度达到44 ℃时，导致不可逆转烧伤即大于一度烧伤大致需要3 h，而当表面皮肤温度达到70 ℃时，导致不可逆转烧伤时间小于1 s。同时，当皮肤表面温度高于44 ℃时，不论暴露时间多长皮肤组织都可能出现损伤，其伤害率随着皮肤表面温度的升高而按指数上升。皮肤烧伤算法可由公式（2）计算得到。Ω=∫0tPe-ΔERTdt （2）式中：Ω为烧伤程度；P为常数3.1×1098（s-1）；e为自然常数（2.7183）；ΔE为皮肤的活化能（627 kJ/mol）；R为普通气体常量［8.36 J/（℃·mol）］；T为皮肤层绝对温度值（K）；t为升到44 ℃（317.15 K）后的总时间（s）。当Ω≤0.5时，皮肤未损伤；若皮肤层温度T大于44 ℃且0.5Ω1.0时，则皮肤一度烧伤；若T大于44 ℃且Ω1.0时，皮肤二度烧伤或三度烧伤［4］。4 测试情况及结果分析燃烧假人测试系统进行检测操作时，首先，检查实验室环境、供气、排风等系统有无异常，确认无异常才可启动检测报警系统，开启供气系统，点燃安全火，并确保安全火在整个校准及测试期间不能熄灭；否则应立即停止测试、开启排风、检查问题。其次，通过调整燃烧器高度、角度、位置以及燃气缓冲罐出口压力等参数，使120个传感器平均热通量的标准差不超过2.1 kW/m2，完成燃烧器及传感器的校准。然后，按要求将服装穿着在测试假人上，启动测试系统同时点燃燃烧器，使穿着服装的假人在轰燃环境中暴露4 s，蓄热持续时间60 s。在此期间，测试系统实时采集120个传感器温度数据，以此计算人体皮肤二度、三度烧伤面积及总烧伤面积，一度烧伤未破坏皮肤完整性，不计入总烧伤面积。测试完成后关闭供气系统、开启排风系统。采用研发的燃烧假人测试系统对芳纶阻燃消防服A和纯棉劳保工作服B试样进行成品轰燃条件下的阻燃性能测试，测试结果见表1和图3。.T001表1燃烧假人测试系统对成品阻燃性能检测结果服装编号织物成分组织结构织物单位面积质量/（g·m-2）二度烧伤面积/%三度烧伤面积/%总烧伤面积/%A间位芳纶/对位芳纶/防静电纤维 93/5/2平纹235191029B棉100斜纹248451762图3测试系统假人烧伤面积.F3a1（a）服装A.F3a2（b）服装B从表1、图3可以看出，A、B两种服装面料单位面积质量接近，纤维原料不同，在相同的轰燃测试环境下服装B的烧伤面积明显高于A。通过试验可以得知，服装B由于纤维及面料的阻燃性能不高，且耐高温性能不足，测试时服装部分区域被点燃，所以造成大面积的二度及三度烧伤。服装A由于采用高性能芳纶制成，表现出良好的阻燃及耐高温性能，二度及三度烧伤面积指标明显优于服装B，测试结果与面料所应表现的性能吻合，直观反映出服装在火场环境下的性能表现。使用同款服装在国外测试系统进行比对试验，测试数据存在差异。究其原因：一是传感器准确性及温度校准过程存在诸多影响因素（例如传感器灵敏度、分布位置差异等）；二是供气系统压力的波动范围为±10%，可造成测试数据的差异；三是热传导方程及烧伤算法，国内外标准中虽然都提出使用热传导方程进行温度预测，但未提及具体算法，造成不同系统的测试数据存在差异。因此，目前不同燃烧假人系统间数据可比性不强，但不同系统自身完全可进行不同防护服热防护性能的测试比对。5 结语设计开发的轰燃条件下燃烧假人测试系统完全依照GB/T 23467—2009《用假人评估轰燃条件下服装阻燃性能的测试方法》标准要求设计。系统通过逐级缓冲、逐级降压等技术，配合采用冗余设计，实现供气系统的闭环控制；利用多线程、并发处理机制应对轰燃瞬间的大数据流；同时融入异常报警、燃气泄漏报警、报警切断气源等安全措施，实现了系统操作安全可靠。试验表明，测试系统可以直观反映出服装在火场环境下的性能，测试结果与面料性能表现吻合，提供的指标数据可作为热防护纺织品开发、性能评价的参考依据。轰燃条件下燃烧假人测试系统为相关检测机构、实验室及企业进行防护服热防护性能检测和技术研究提供了必要的设备支撑。