形状记忆智能织物系统热防护性能评价
潘梦娇1, 王丽君1, 卢业虎1,2,3, 柳素燕3    
1. 苏州大学 纺织与服装工程学院, 苏州 215021;
2. 南通纺织丝绸产业技术研究院, 南通 226300;
3. 消防应急救援装备应急管理部重点实验室, 上海 200438
摘要:为提升热防护服的防护性能,该研究基于形状记忆合金丝,开发了10种形状记忆织物,并构建适用于热防护服的温度响应型智能织物系统,探究相邻合金丝间距、形状记忆织物密度和芳纶纱线种类3个因素对形状记忆智能织物系统热防护性能的影响。结果表明:智能织物系统相较于传统热防护织物系统显著降低了织物内表层的温升速率,延长了温升12℃和温升24℃的时间。当合金丝间距为2 cm且使用芳纶1414织造的形状记忆织物纬密为20根/cm时,形状记忆智能织物系统的热防护性能最优。
关键词形状记忆合金    热防护性能    形状记忆织物    智能纺织品    
Thermal protective performance of smart fabric systems with shape memory fabrics
PAN Mengjiao1, WANG Lijun1, LU Yehu1,2,3, LIU Suyan3    
1. College of Textile and Clothing Engineering, Soochow University, Suzhou 215021, China;
2. Nantong Textile and Silk Industrial Technology Research Institute, Nantong 226300, China;
3. Key Laboratory of Fire & Emergency Rescue of Ministry of Emergency Management, Shanghai 200438, China
Abstract: Ten types of shape memory fabrics were fabricated using shape memory alloys to evaluate the thermal protective performance of these temperature-responsive smart fabric systems. Tests with these fabrics studied the effects of the shape memory alloy spacing, the shape memory fabric density and the aramid yarn type of the fabric on the thermal protective performance. The results demonstrate that the smart fabric systems significantly reduce the temperature rise, specifically prolonging the times for temperature rises of 12℃ and 24℃. The smart fabric systems provide the best thermal protection with 2 cm shape memory alloy spacings and shape memory fabrics woven using aramid 1414 with a fabric density of 20 wale/cm.
Key words: shape memory alloy    thermal protective performance    shape memory fabric    smart textile    

热防护服被广泛应用于保护穿着者免受火焰、高温气体、高温液体飞溅、辐射热、熔融金属和高压蒸汽等各种极端高温环境的危害[1],因此提高热防护服的防护性能对保障高温工作人员的生命安全具有重要意义。近年来,将形状记忆合金(shape memory alloy, SMA)制成SMA弹簧引入到热防护服中从而提供更好的热防护,受到了越来越多的关注[2-9]。SMA在外部温度达到奥氏体转变温度时会自发改变其形状,当外界温度降到马氏体转变温度以下时,SMA会恢复至原来的状态[10]。加入到热防护服中的SMA在受热变形的情况下,会在织物层间形成一定厚度的空气层,从而有望提高热防护服的防护性能。

SMA弹簧因零散分布在热防护服中,变形时产生的空气层不均匀,会导致服装舒适性和耐洗性较差。为克服这一缺陷,Heller等[11]将NiTi丝直接用于织造纬编针织物。此后,Lah等[12]设计了一种由NiTi丝织成的纬编针织物,但并没有对其热防护性能进行量化表征。虽然研究[2-12]表明SMA在热防护服中具有很高的应用价值,但目前仍缺乏有关其具体特性对于改善热防护服防护性能的作用的定量研究。此外,SMA用于热防护服的最佳配置仍然未知。

因此,本研究基于SMA开发了形状记忆织物(shape memory fabric, SMF),并构建适用于热防护服的温度响应型智能织物系统(smart fabric system, SFS),探究SMA间距、SMF密度和芳纶纱线种类3个因素对智能织物系统热防护性能的影响,为面向热防护服的智能热防护织物系统的优化设计提供了参考。

1 实验 1.1 形状记忆合金丝

为确保SMA可以实现形状记忆效应[12]从而使皮肤温度低于其出现损伤的温度(44 ℃)[13],并得到最高的形状记忆回复率[14],设置NiTi合金丝的退火温度为450 ℃,退火时间为30 min。最终制得的NiTi SMA形变后呈波幅为12.5 mm、波长为50 mm的波状,如图 1所示。

图 1 NiTi SMA

在退火和训练过程之后,采用差示扫描量热仪(DSC250, TA Instruments, USA)对SMA进行了测试。从-40 ℃开始测试,逐渐将样品加热至160 ℃,重新冷却至-40 ℃,温度变化速率为10 ℃/min。使用差示扫描量热仪进行分析,选择满足需求的SMA,其奥氏化开始温度(As)和结束温度(Af)分别为45.1 ℃和58.1 ℃,马氏化开始温度(Ms)和结束温度(Mf)分别为39.9 ℃和34.5 ℃。

1.2 形状记忆织物

采用SGA598型全自动剑杆织机织造SMF,所用NiTi SMA和芳纶纱线的基本参数见表 1。织物结构为平纹,将SMA按一定间隔沿纬向织入SMF中。制备了10种SMF(S2—S10)及1种作为对照组的无SMA的芳纶1414织物(A),这11种织物的编号和物理性能见表 2。当SMF被加热到奥氏体转变温度时,织物会因SMA变形而收缩,而当SMF被冷却到马氏体转变温度时,织物又随着SMA的回复而恢复到最初的平整状态,见图 2

表 1 SMA和芳纶纱线的基本参数
直径/mm 成分
NiTi单丝 0.4 Ni 55%/Ti 45%
芳纶1414 0.5 聚对苯二甲
酰对苯二胺
芳纶1313 0.5 聚间苯二甲酰
间苯二胺缩聚物

表 2 11种织物的物理性能
编号 经纱/
纬纱
$\frac{\begin{array}{l} {经密}/\\ {纬密} \end{array}}{{根 \cdot {\rm{c}}{{\rm{m}}^{ - 1}}}}$ $\frac{\begin{array}{l} {\rm{SMA}}\\ {间距} \end{array}}{{{\rm{cm}}}}$ $\frac{{\rm{面密度}}}{{{\rm{g}} \cdot {{\rm{m}}^{ - 2}}}} $ $ \frac{{\rm{厚度}}}{{{\rm{mm}}}}$
A 芳纶
1414
14/20 234.3±0.2 1.03±0.03
S2 2 268.4±0.1
S3 3 243.5±0.2
S4 4 246.4±0.0
S5 5 239.2±0.2
S6 14/14 2 255.9±0.0 0.99±0.05
S7 14/10 2 247.6±0.0 0.96±0.03
S8
S9
芳纶
1313
14/20 2
5
361.0±0.0
315.9±0.1
1.02±0.04
S10
S11
芳纶1414/
芳纶1313
14/14 2
4
317.5±0.0
299.5±0.0
1.00±0.05

图 2 形状记忆织物的变形与恢复

1.3 智能织物系统

将SMF插入传统热防护织物系统中,构建由防护外层(O)、防水透气层(M)、SMF层和隔热舒适层1(T1) 4层织物组成的SFS。采用厚度较厚的隔热舒适层2(T2)所构的传统织物系统作为对照组。各层传统织物的物理性能见表 3。12种织物系统的层次组合见表 4

表 3 传统织物层的物理性能
代号 织物层 面料成分 结构 $\frac{{\rm{面密度}}}{{{\rm{g}} \cdot {{\rm{m}}^{ - 2}}}} $ $ \frac{{\rm{厚度}}}{{{\rm{mm}}}}$
O 防护外层 98%芳纶1313和2%芳纶1414 斜纹 186.7 0.41
M 防水透气层 100%芳纶1313/聚四氟乙烯膜 层压 106.3 0.69
T1 隔热舒适层1 100%芳纶1313毡和基布 针刺 200.0 0.72
T2 隔热舒适层2 100%芳纶1313毡和基布 针刺 288.0 2.06

表 4 织物系统结构
编号 结构(从最外层至最内层)
C1 O+M+A+T1
C2 O+M+S2+T1
C3 O+M+S3+T1
C4 O+M+S4+T1
C5 O+M+S5+T1
C6 O+M+T2
C7 O+M+S6+T1
C8 O+M+S7+T1
C9 O+M+S8+T1
C10 O+M+S9+T1
C11 O+M+S10+T1
C12 O+M+S11+T1

1.4 测试方案 1.4.1 样品准备

在测试前,将织物样品均裁剪成15 cm×15 cm方形。为了避免织物层间移动,面料组合在4个角处被固定。织物样品在空气温度为(20±2)℃、相对湿度为(65±4)%的标准气候室中预处理至少24 h。

1.4.2 测试程序

采用红外线辐射加热仪(EL-2-650, Ogden, UT, USA)作为热源。织物系统竖直放置且外层外表面距热源为11.5 cm。在织物系统的隔热层内表面安装3个直径为0.274 mm的T型热电偶(Omega Engineering, Norwalk, CT, USA; 精度为0.5 ℃)以检测温度变化。3个热电偶中的1个安装在织物正中心,其余2个安装在沿织物对角线方向距离中点5 cm处。温度信号由数据采集系统记录(National Instruments, NI 9213, Austin, TX, USA)[15],以0.5 s一次的频率采样,并计算平均温度。热暴露时间为77 s,总温度记录时间为300 s,辐射热流稳定在(0.40±0.015) cal/(cm2·s), 1 cal=4.184 J。每种样品至少重复实验3次。

1.4.3 评价指标

基于ISO 6942—2002标准,可根据温度变化曲线以及达到12 ℃和24 ℃温升的时间ht12和ht24进行热防护性能评估。分别计算300 s时的温度T300(℃)、初始温度与77 s暴露时的温度差ΔT77(℃)和初始温度与最高温度之间的温度差ΔTmax(℃)。此外,还分别根据式(1)和(2)计算了从0 s到tmax的升温速率Vr(℃/s)和从tmax到实验结束时的散热速率Vd(℃/s)。

$ {V_{\rm{r}}} = \frac{{\Delta {T_{\max }}}}{{{t_{\max }}}}, $ (1)
$ {V_{\rm{d}}} = \frac{{{T_{\max }} - {T_{300}}}}{{300 - {t_{\max }}}}. $ (2)

其中: Tmax(℃)和tmax(s)分别为最高温度和达到最高温度的时间。

1.5 统计分析

所有结果均以“平均值±标准差”表示。使用SPSS 21.0软件(SPSS Inc., Chicago, IL, USA)进行统计分析。采用单因素方差分析(analysis of variance, ANOVA)判断因变量之间的差异性,并对存在显著差异的变量使用最小显著差异(least significant difference,LSD)和Duncan检验进行分析。图表中的符号“*”表示在p < 0.05的水平上差异显著。

2 结果与讨论 2.1 SMA间距对热防护性能的影响

图 3展示了C1—C6内表面温度变化曲线。采用LSD检验各织物系统的温度在同一时间点的差异显著性,并在表 5中解释了图 3中显著性符号的含义。SFS的内表面温度在暴露于热源后迅速升高,随后持续升高直至达到最高温度,接着逐渐降低直到暴露结束。C1(Vr=0.54 ℃/s, Vd=0.24 ℃/s)与C6(Vr=0.50 ℃/s, Vd=0.24 ℃/s)的VrVd都为最高,与C2—C5有显著差异(p < 0.05)。SFS中VrVd均呈C5>C4>C3>C2的趋势,且C2与C3—C5存在显著差异(p < 0.05)。

图 3 C1—C6内表面温度变化

表 5 图 3中的显著性符号说明
显著性符号 含义
*/**/***/
****/*****
C1和C2、C1和C3、C1和C4、C1和C5、
C1和C6间分别存在显著差异(p < 0.05)
#/##/###/
####
C2和C3、C2和C4、C2和C5、C2和
C6间分别存在显著差异(p < 0.05)
∧/∧∧ C3和C5、C3和C6间分别存在
显著差异(p < 0.05)
+ C4和C6间存在显著差异(p < 0.05)
> C5和C6间存在显著差异(p < 0.05)

图 4比较了C1—C6的ht12和ht24。C2—C5的ht12显著高于没有SMF的C1(p < 0.05),C2的ht12最高(61.0 s),C6的最低(19.4 s),二者差异显著(p < 0.05)。C2温升未达到24 ℃,C6的ht24最低(42.3 s)。C3—C5的ht24(62.7~77.4 s)明显高于C1和C6(p < 0.05),且C3与C5存在显著差异(p < 0.05)。

图 4 C1—C6的ht12和ht24比较

表 6比较了C1—C6的ΔT77、ΔTmaxT300。C1和C6在3个指标上均无显著差异,且与含SMF的C2—C5在ΔT77和ΔTmax上有显著差异(p < 0.05)。C2的ΔT77和ΔTmax显著低于其他织物系统(p < 0.05)。对于ΔT77,C3与C5间存在显著差异(p < 0.05)。

表 6 C1—C6的ΔT77、ΔTmaxT300比较
编号 ΔT77/℃ ΔTmax/℃ T300/℃
C1 45.6 (0.8)a 49.9 (0.9)a 35.7 (0.7)a
C2 17.0 (1.6)d 19.1 (3.4)c 32.5 (0.7)b
C3 22.9 (2.3)c 28.9 (0.6)b 33.1 (1.5)b
C4 28.0 (4.7)bc 31.2 (3.8)b 33.9 (0.9)ab
C5 31.8 (1.1)b 33.4 (1.2)b 34.5 (0.7)ab
C6 44.5 (0.4)a 48.7 (0.4)a 35.4 (0.9)a
注:abc根据Duncan检验结果,标有相同字母的测试样品之间无显著差异(p>0.05),标有不同字母的测试样品之间存在显著差异(p < 0.05)。括号内数值为标准差。

结果表明,相比于芳纶织物系统(C1)和传统热防护织物系统(C6),SFS(C2—C5)在热防护性能上表现出明显的优势。这主要是由于在热暴露和冷却阶段,当温度超过As(45.1 ℃)时,SMF在隔热层和防水透气层间产生了额外的空气层,有效减少了从外部向人体皮肤传递的热量。其中,SMA间距为2 cm的SFS将ht12提高了164%~215%,将ΔT77和ΔTmax降低了61%~63%。其次,间距为3 cm的SFS将ht12和ht24分别提高了100%~139%和65%~83%,将ΔT77和ΔTmax降低了40%~50%。C4及C5的热防护性能提升较少,但其ht12和ht24也分别延长了72%~109%和34%~69%,ΔT77和ΔTmax降低了28%~39%。由此可见,SFS的热防护性能随着SMA间距的增加而逐渐减小,即2 cm SMA间距的SFS表现出最优的热防护性能。这是因为SMA间距越大的织物,其形变产生空气层的纵横比(长度和高度之比)也越大。根据Udayraj等[16]的数值研究,这可能导致织物层之间的热辐射增强,引起热防护性能下降。此外,SFS间热防护性能差异的显著性也随间距的增加而减小,因此C2(2 cm)的ht12与C3—C5(3~5 cm)存在显著差异(p < 0.05),而C4(4 cm)与C5(5 cm)无显著差异。

2.2 SMF密度对热防护性能的影响

图 5比较了C2、C7和C8的ht12和ht24。纬密较大的C2(20根/cm)在300 s内温升未达到24 ℃,且其ht12显著高于C7(14根/cm)及C8(10根/cm)(p < 0.05)。C7的ht12、ht24略高于C8,但差异未达到显著水平。

图 5 C2、C7和C8的ht12和ht24比较

表 7比较了C2、C7和C8的ΔT77、ΔTmaxT300。C2在ΔT77和ΔTmax上都显著低于C7和C8 (p < 0.05),而C7与C8在这两个指标上都无显著差异。测试结束时,3种SFS的T300均无明显差异。

表 7 C2、C7和C8的ΔT77、ΔTmaxT300比较
编号 ΔT77/℃ ΔTmax/℃ T300/℃
C2 17.0 (1.6)a 19.1 (3.4)a 32.5 (0.7)a
C7 22.4 (1.5)b 26.7 (3.1)b 33.6 (0.4)a
C8 25.1 (0.9)b 29.3 (0.3)b 33.5 (0.1)a
注:ab根据Duncan检验结果,标有相同字母的测试样品之间无显著差异(p>0.05),标有不同字母的测试样品之间存在显著差异(p < 0.05)。括号内数值为标准差。

当SMA间距相同时,SFS的热防护性能随着SMF密度的增加而更优。这可能由于织物纱线间的孔隙越紧密,对热量的阻隔能力越好[10],因此SMF纬密为20根/cm的C2相较于低纬密的C7和C8,其ht12延长了23%~30%,ΔT77和ΔTmax降低了24%~35%,T300降低了3%。当SMF纬密降低到14根/cm及以下时,SFS的隔热性能无显著差异。这可能由于透过织物的热量逐渐达到最大值并趋于稳定,此时孔隙增加不能显著影响透过面料的热量,这与之前Lee等[17]的研究结果一致。因此,相较于SMF纬密为14或10根/cm的SFS,纬密为20根/cm的SFS表现出最优的热防护性能。

2.3 纱线种类对热防护性能的影响

图 6比较了C2、C5和C9—C12的ht12和ht24。当SMA间距为2 cm时,芳纶1414织物系统(C2)在ht12上显著高于芳纶1313(C9)和两者的交织织物(C11)(p < 0.05),但C9与C11间无显著差异。除了C11,其余间距为2 cm的SFS均未升温24 ℃。SMA间距为4 cm的芳纶1414与1313的交织织物(C12)的ht24高于间距为5 cm的纯芳纶织物系统,而低于间距为2 cm的织物系统,但差异未达到显著水平。此外,C12的ht12显著低于其他织物系统(p < 0.05)。当SMA间距为5 cm时,芳纶1313织物系统(C10)的ht12和ht24都略高于芳纶1414(C5),但差异未达到显著水平。

图 6 C2、C5和C9—C12的ht12和ht24比较

表 8比较了C2、C5和C9—C12的ΔT77、ΔTmaxT300。C2和C11的3个指标都略低于C9,但仅T300差异显著(p < 0.05),且C2的T300显著高于C11。C5的ΔT77显著高于C10和C12(p < 0.05),其ΔTmaxT300也略高,这与ht12和ht24的差异一致。

表 8 C2、C5和C9—C11的ΔT77、ΔTmaxT300比较
编号 ΔT77/℃ ΔTmax/℃ T300/℃
C2 17.0 (1.6)a 19.1 (3.4)a 32.5 (0.7)a
C9 20.9 (2.6)ac 24.1 (3.8)ab 34.9 (0.7)b
C11 16.9 (0.5)a 23.7 (1.0)ab 30.5 (0.6)c
C5 31.8 (1.1)b 33.4 (1.2)c 34.5 (0.7)b
C10 24.6 (4.7)c 27.4 (4.9)abc 34.2 (0.2)b
C12 24.5 (0.0)c 30.7 (0.4)bc 30.7 (0.1)c
注:abc根据Duncan检验结果,标有相同字母的测试样品之间无显著差异(p>0.05),标有不同字母的测试样品之间存在显著差异(p < 0.05)。括号内数值为标准差。

芳纶1414在隔热性能和纱线强度上都优于芳纶1313[18],在SMA间距为2 cm的SFS中,纱线性能的优势表现明显,故C2热防护性能优于C9和C11。然而,两者交织构建的C11的热防护性能并未优于纯芳纶1313构建的C9,可能是由于C9和C11的厚度相似,当交织织物的SMA间距增大至4 cm时,C12表现出较差的热防护性能;也可能是两种芳纶纱线交织对改善织物系统热防护性能的积极作用本来就不明显,而增大SMA间距进一步削弱了这种积极作用。当SMA间距为5 cm时,性能强的芳纶1414所构建的C5反而表现出较弱的热防护性能。这可能因为芳纶1414比1313的纱线柔软度差,所织成的织物较硬挺。当SMA数量较少时,合金丝的形变受到芳纶纱线的约束,致使其形变较慢且空气层不均匀,热防护性能稍有下降。5 cm间距的芳纶1313织物(S9)虽表现出较优的隔热性能,但测试结束后的S9出现了明显的损伤,且2 cm间距的芳纶1313织物(S8)也在局部出现了不同程度的损伤。这说明芳纶1313在上述强度和时长的热辐射暴露下,织物整体的物理性能受到明显损伤,随着测试次数的增加,其隔热性能大幅下降。尽管芳纶1414织物相对硬挺,但其隔热性和耐用性因芳纶1414的高燃点和高强度而增强。因此,采用芳纶1414纱线织造SMF时,织物系统的热稳定性和热防护性能均更优异。

3 结束语

本研究基于形状记忆合金丝和芳纶纱线开发了10种形状记忆织物,并构建了适用于热防护服的温度响应型智能织物系统,探究了SMA间距、SMF密度和芳纶纱线种类3个因素对织物系统热防护性能的影响。结果表明:在传统的3层织物系统中加入SMF,由于SMF变形产生了额外的空气层,使构建的SFS相较于传统热防护织物系统显著降低了织物内表层的温升速率,延长了温升12 ℃和24 ℃的时间。当织物的SMA间距为2 cm、纬密为20根/cm时,构建的SFS的热防护性能较优。随着SMA间距的增大或SMF密度的减小,织物系统的热防护性能及其差异性均减小。此外,采用芳纶1414纱线织造的SMF的隔热性和耐用性均高于芳纶1313纱线或两者的交织织物。综上所述,采用芳纶1414纱线织造SMF,且SMA间距为2 cm、纬密为20根/cm时,SFS表现出最优的热防护性能。本研究为智能热防护服的优化设计提供了参考。

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