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基于灰色关联和模糊综合评判的消防服用多层织物组合

陈诚毅 王利君




摘要: 针对消防服用织物如何进行配伍组合的问题,文章选取10种国内常用消防服用织物并对其进行组合,测试其结构参数、基本服用性能和热防护性能;利用灰色关联分析研究了各织物参数和性能对整体织物组合热防护性能的影响程度,并利用验证实验得出实验试样的灰色关联度不具有偶然性;最后,根据灰色关联分析得到的影响趋势对各参数和性能进行权重赋值,通过模糊综合评判选出综合性能最优的织物组合。结果表明:织物组合的透湿率和外层织物的阻燃性对整体织物组合的热防护性能影响最大;由芳纶1414(200 g/m2)、无纺布+PTFE膜(90 g/m2)、芳纶无纺布和芳纶阻燃黏胶构成的织物组合S2的综合性能最佳。

关键词: 消防服用织物;多层织物组合;热防护性能;灰色关联分析;模糊综合评判

中图分类号: TS101.1

文献标志码: A

文章编号: 10017003(2021)01004007

引用页码: 011107

DOI: 10.3969/j.issn.1001-7003.2021.01.007(篇序)

Multi-layered fabric combination for firefighter clothing based on greycorrelation analysis method and fuzzy comprehensive evaluation

CHEN Chengyi1, WANG Lijun1,2

(1.School of Fashion Design and Engineering, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China;2.Zhejiang Provincial Research Center of Clothing Engineering Technology, Hangzhou 310018, China)

Abstract:

Aiming at the problem of how to combine fabrics for firefighter clothing, 10 kinds of common fabrics for firefighter clothing were combined and the parameters, basic wearability and thermal protective performance were tested. The influence of fabric parameters and properties on thermal protective performance of fabric combination was studied through grey correlation analysis method, and the grey correlation degree of test sample was not accidental according to the verification test. At last, according to grey correlation analysis method, the weights of parameters and properties were assigned according to the influence trend and the fuzzy comprehensive evaluation was used to select the optimal combination. The result showed that the moisture permeability of fabric combination and flame retardant performance of outer fabric had the greatest influence on the thermal protective performance. The S2 fabric combination of aramid fiber 1414(200 g/m2), non-woven fabric and PTFE membrane(90 g/m2), aramid fiber non-woven fabric and flame retardant viscose had the best comprehensive performance.

Key words:

firefighter clothing fabric; multi-layered fabric combination; thermal protective performance; grey correlation analysis method; fuzzy comprehensive evaluation

消防防護服是消防员进行灭火救援最重要的防护装备[1],不仅需要有对火焰的阻燃性,也需要具备对热通量的防护性,这一重要性能又受到织物各种结构参数及服用性能的影响,与其他性能指标相辅相成。消防服目前广泛采用图1所示的多层织物组合(由外层、防水透湿层、隔热层、舒适层构成),除了四层织物系统也存在能达到防护服标准的三层结构[2](除去隔热层或防水层)。多层织物组合的综合性能主要取决于各种不同种类、参数的织物组合配伍方式,各层织物对整体织物组合的各性能影响主次顺序也不同[3]。国内外学者对织物的各种结构参数进行测试,分析织物的成分、厚度、紧度、面密度等对其热学性能的影响规律,并建立模型进行预测[4-6]。为了适应更高的防护需求,业界为消防服所制定的相关标准一再提升及扩展,为此防护服的多层织物组合选择一直以来都为学者所持续研究。

在消防服多层织物组合的选择研究方面,大多学者一般通过热防护性指标对正交组合设计的多层织物组合进行最佳选择,再分析热防护性的影响因素[7]。李俊等[8]利用两步法筛选出性能优良的各层织物,再通过正交组合设计和极差分析选出最优的多层織物组合。李甜等[9]通过垂直燃烧法和热防护性实验,以TPP值和织物燃烧后状态为依据,得出最适用于消防服的多层织物组合。杨柳等[10-11]结合热防护性能与织物燃烧后表面性状,选出最适用于作为消防服面料的织物组合方案,后来又通过透气性比较得出最优的多层织物组合。这些学者仅在正交组合设计的基础上,通过对比热防护性等单一指标的优劣来对多层织物组合进行优选,且结合舒适性等相关性能较少,所以难以综合评价多层织物组合的整体性能。

为了优化多层织物组合的配伍方法,利用数学分析方法深入分析,进一步探究织物结构参数对热防护性的影响并进行优选评判。灰色关联分析法是以灰色关联度大小来分析各个子因素对主因素的贡献程度的一种简单可靠的数学分析方法,对样本容量大小无要求,且计算量小、用时短[12],对比单因素相关性或回归分析,更系统地联合所有性能参数进行研究、更定性地描述性能参数对热防护性的影响,有利于解决织物热学中许多不确定性的问题[13]。在热学领域,蔡薇琦等[14-15]通过灰色聚类或灰色关联对多种阻燃织物的数个指标进行对比,对其热学性能进行了优劣评价。在消防服的实际使用中,通常需要考虑多种性能的需求,因此织物组合的综合分析显得尤为重要。模糊综合评价通过将织物评价中多种指标不同、不易定量、边界模糊的因素分别进行量化排序比较,从多个因素统筹考虑织物总体性能的优劣[16],已多被应用于纺织领域中解决织物风格和舒适性等问题[17-18]。翟胜男等[19-20]分别选用包括热防护性的三种指标,通过综合评价找出综合性能最佳的外层阻燃面料。前人所采取的消防织物综合评价对象多为单层阻燃织物,或是选用性能指标较少,侧重于厚度及面密度,而权重系数多由主观经验或专家给出,主观性较强,未与织物各参数和性能的客观影响规律相结合。

本文选取国内常用消防服用织物,测试其结构参数及服用性能,并对所选织物进行组合,测试其基本性能和热防护性。采用统计软件Excel,利用灰色关联分析法探讨厚度、平方米质量、机械性能、阻燃性和舒适性等多种性能指标对多层织物组合热防护性的影响程度并进行验证比较,以此为基础推算出权重系数。通过模糊综合评判评选出综合性能最优的多层织物组合,结合这两种方法能够有效排除主观影响,使结果更加客观准确,为消防服用多层织物组合的配伍选择提供一定理论基础。

1 实 验

1.1 材 料

选用国内消防防护服常用的6种外层织物(A1~A6)、2种防水透气层织物(B1、B2)、1种隔热层织物(C)、1种舒适层织物(D)作为实验试样,各层织物材料所对应的物理参数见表1。平方米质量和厚度分别根据GB/T 4669—2008《纺织品机织物单位长度质量和单位面积质量的测定》和GB/T 3820—1997《纺织品和纺织制品厚度的测定》进行测量。利用外层和防水透气层为因子混合水平正交表设计6种组合作为多层织物组合的实验试样,织物组合方式及基本参数如表2所示。

1.2 织物性能测试

1.2.1 阻燃性测试

根据GA 10—2014《消防员灭火防护服》标准,使用垂直燃烧仪(温州大荣纺织仪器有限公司)对尺寸为300 mm×80 mm的样本织物进行实验。点燃时间12 s后观察织物是否有熔融滴落现象,并先后进行续燃和阴燃的计时,测量试样撕裂长度即损毁长度。

1.2.2 断裂强力测试

根据GB/T 3923.1—2013《纺织品织物拉伸性能第1部分:断裂强力和断裂伸长率的测定(条样法)》实验标准,使用YG026PC-250多功能电子织物强力机(温州方圆仪器有限公司)对尺寸为300 mm×50mm的样本织物进行实验。设定织物断裂伸长率所对应的夹距(200 mm)和拉伸速度(100 mm/min),下端采用织物平方米质量所对应的预加张力(5 N),拉伸试样至断裂。

1.2.3 透气性测试

根据GB/T 5453—1997《纺织品织物透气性的测定》实验标准,使用FX 3300 IV透气性测试仪(理宝科学器材有限公司)对尺寸不小于25 cm×25 cm的样本织物进行实验。设定对应的试样面积(20 cm2)、测量压力(100 Pa)和单位(mm/s),织物四周不该有拉力。

1.2.4 热防护性测试

根据NFPA—1971《Standard on Protective Ensemble for Structural Fire Fighting》和ISO-17492《Technical Corrigendum 1-2004耐热和火焰的防护服暴露于火焰和辐射热的热力传输的测定》实验标准,使用CSI-206 TPP测试仪(美国Custom Scientific Instrument公司)对尺寸为150 mm×150 mm的样本织物进行试样。试样需提前24 h在标准气候环境(20±2) ℃和(65±3)%相对湿度的环境下进行预调湿。总热通量为(84±2) kW/m2,热暴露时间依主观经验为20~30 s。

1.2.5 透湿率测试

根据GB/T 12704.1—2009《纺织品织物透湿性试验方法第1部分:吸湿法》实验标准,使用织物透湿量仪(温州大荣纺织仪器有限公司)对直径为7 cm的圆形样本织物进行实验。调控实验箱温度使之达到温度(38±2) ℃,相对湿度(90±3)%,试样放置在装有干燥剂的透湿杯上放入实验箱内经过1 h后取出称重,再放入实验箱内经过1 h后取出称重。通过下式计算透湿率:

WVT=Δm-Δm′A·t(1)

式中:WVT为透湿率,g/(m2·h);Δm为同一实验组合体两次称量之差,g;Δm′为空白试样的同一实验组合体两次称量之差,g;A为有效实验面积(本部分中的装置为0.002 83 m2),m2;t为实验时间,h。

2 结果与分析

2.1 织物性能直观分析

外层织物的阻燃性能和断裂强力的测试结果如表3所示,所有外层织物在阻燃性能和机械性能上均达到国家标准。试样中芳纶1414织物的阻燃性能和机械性能最好,其厚度和平方米质量较大、纤维较粗,结构紧实[21];芳纶1313与耐高温纤维混纺的织物的阻燃性能和力学性能都较差。

多层织物组合的各性能测试结果如表4所示,透气性和透湿率主要表现织物舒适性方面的性能。由表4可知,由于芳纶1414织物的结构紧实,以其为外层的织物组合的热防护性能普遍较好、但舒适性较低,而相比较而言外层为芳纶IIIA(200 g/m2)的织物组合的舒适性能较好、但热防护性较低。

2.2 织物结构参数、服用性能与织物组合热防护性能的关系

为了深入探讨织物的结构参数和服用性能对多层织物组合热防护性能的影响,找出织物及组合各性能参数对热防护性的影响程度主次关系,利用统计软件通过灰色关联分析法进行具体分析。

2.2.1 关联分析具体应用

1)根据表3和表4的测试数据,设实验试样的织物组合的热防护性能为母系列X0(t),设其余结构参数和基本性能为子系列Xi(t),Xi(t)指第t种织物组合的第i种子系列性能参数。其中织物组合的平方米质量为X1,厚度为X2,透气性为X3,外层织物的损毁长度为X4,断裂强力为X5,透湿率为X6(X4、X5采用经纬平均值)。

Xi(t)=X1X2X3X4X5X6X0=  521.78501.96534.27512.27526.00564.3101.8501.8701.8401.9501.9201.9409.6000.8200.93010.41021.2508.12045.4005.2005.00014.60053.1005.4001 116.3501 858.0001 835.600941.8501 228.6001 336.700210.601201.767174.205221.201187.986221.55530.30031.60032.20029.60029.00029.700(1)

2)為了对各性能参数方便统一处理,对不同量纲的数据利用下式进行无量纲化:

xi(t)=Xi(t)Xi(t)(2)

3)利用下式计算母系列与子系列的绝度计差值:

Δ(t)=xi(t)-x0(t)(3)

4)利用下式计算对于母系列与子系列的关联系数:

ζki(t)=Δmin+ρ×ΔmaxΔi(t)+ρ×Δmax(4)

式中:Δmin为最小绝对差值,Δmax为最大绝对差值,ρ为区间为(0,1)的分辨系数。

5)利用下式计算关联度:

Ri=1n∑nt=1ζki(t)(5)

最终得到实验试样的关联度为:

R1=(r1,r2,r3,r4,r5,r6)=(0.608,0.686,0.654,0.678,0.558,0.730)(6)

式中:r1、r2、r3、r4、r5、r6分别指平方米质量、厚度、透气性、损毁长度、断裂强力和透湿率。

通过灰色关联法将不同类型数据的各性能统一量化分析,得到各参数和性能对于热防护性能的关联度为r6>r2>r4>r3>r1>r5,即织物组合的透湿率对其热防护性能影响最为显著,其次是织物组合的厚度和外层织物的损毁长度,外层织物的断裂强力对其热防护性能影响最小。

2.2.2 验证比较

为了验证前文得出的灰色关联度并非具有偶然性,又选用了3种不同的外层织物、2种防水透气层织物、2种隔热层织物和2种舒适层织物,作为验证试样进行对照测试分析。各层织物材料所对应的物理参数见表5。验证试样通过混合水平正交设计,织物组合方式及基本参数如表6所示。

根据相关行业标准,同样对验证试样的阻燃性能、断裂强力、透气性、透湿率和热防护性能进行了测试。外层织物的阻燃性和断裂强力测试结果如表7所示。相比实验试样,验证试样中外层织物的双层结构并未给其带来更加优良的机械强度,W2织物的阻燃性较弱,W1织物的断裂强力较低。

验证织物组合的基本参数、透气性、透湿率和TPP值如表8所示。由实验结果可得,验证试样的透湿率相比实验材料的透湿率普遍较低,而TPP值普遍较高。在这6种验证材料组合中,外层织物为双层织物W3的两种组合的热防护性能相对较低。

通过2.2.1的灰色关联度分析方法,得出验证试样的关联度为:

R2=(r1,r2,r3,r4,r5,r6)=(0.748,0.642,0.744,0.778,0.627,0.707)(7)

实验试样和验证试样的关联度比较如图2所示。

由图2可以看出,虽然两组试样的灰色关联度的数值上存在差异,但整体对热防护性能的贡献度大小趋势相近。在两组灰色关联度中,断裂强力都是对热防护性能影响最小的因素;对于实验材料,透湿率对热防护性能的影响最为显著,而对于验证材料,阻燃性对热防护性能的影响最为显著。阻燃性和代表舒适性的透湿率在消防服用织物的性能中都是相对比较重要的性能。对R1和R2进行差异性分析得到:实验试样的t统计值为0.001 34,自由度df为5,t值大于理论t值的概率为0.998 99;验证试样的t统计值为2.216 84,自由度df为5,t值大于理论t值的概率为0.077 44。在零假设的均值=652.3和0.05水平下,实验试样和验证试样的总体均值与检验均值(652.3)均不存在显著不同。

由差异性分析可知,两组试样的灰色关联度不存在显著不同,即其灰色关联度相似,实验试样的灰色关联度不具有偶然性。两组织物组合的各性能对其热防护性能的影响程度相近,其中外层织物的阻燃性和织物组合的透湿率对其织物组合的热防护性能影响较大,而外层织物的断裂强力即机械强力对其组合的热防护性能影响较小。

2.3 消防服用织物多层织物组合的优选

基于2.2的灰色关联度,同样利用统计软件,通过模糊综合评价,协调7项结构参数和防护性、舒适性指标,对织物组合进行综合分析,以选出综合性能最优的织物组合。

1)为了协调平衡各结构参数、服用性能及最重要的热防护性的综合作用,以各结构参数和性能测试数据建立因素集U={u1,u2,u3,u4,u5,u6,u7}T,其中u1为平方米质量,u2为厚度,u3为透气性,u4为损毁长度,u5为断裂强力,u6为TPP值,u7为透湿率(u4、u5采用经纬平均值)。

2)对实验试样组成的6组织物组合进行综合评判,以这6组织物组合的性能指标被作为评价对象,建立评判集V={S1,S2,…,S6}。

3)以U×V建立单因素评判矩阵。由于每项性能指标量纲不同,需要对每项指标进行量化处理,得到由rij组成的模糊关系矩阵R,其中rij为第j种被评价对象第i种评价因素的特征值。

用于评价综合性能的7个评价指标中,平方米质量、厚度、损毁长度指标越大,织物越厚重、阻燃性越差,表示织物组合的综合性能越差,其余性能与综合性能形成正相关的关系。为此分别利用极大值和极小值的阈值法对数据进行量化处理:

rij=maxti-tijmaxti-minti(8)

rij=tij-mintimaxti-minti(9)

式中:rij为R中各元素,tij为第j种被评价对象第i种评价因素的未经量化处理的数值,maxti为第i种评价因素中的最大值,minti为第i种评价因素中的最小值。

经过量化处理后得到矩阵R:

R=0.6821.0000.4820.8350.6140.0000.9090.7271.0000.0000.2730.0910.4310.0000.0050.4711.0000.3580.1600.9971.0000.8000.0000.9930.1901.0000.9760.0000.3130.4310.7690.5820.0000.9930.2911.0000.4060.8131.0000.1880.0000.219

4)权重为强调某一要素在整体要素系统中的重要程度而赋予的某一特征值[22],其确定分配通常采用主观经验法和专家赋值法,缺乏联系主次因素间的影响规律。根据灰色关联分析得到的贡献度比较,在各性能中织物的阻燃性和透湿率对织物组合热防护性能影响较大,将其余性能的关联度R和热防护性能进行归一化处理得到权重A:

A=[0.124,0.140,0.133,0.138,0.114,0.149,0.204]

用加权平均模型M(·,+)计算得:

A·R=[0.509,0.728,0.652,0.462,0.326,0.439]

最后进行归一化处理,得到综合矩阵B:

B=[0.163,0.234,0.209,0.148,0.105,0.141]

根据灰色关联分析归一化处理得到的主观权重赋值,由模糊综合评判得到,实验织物组合综合性能排序为S2>S3>S1>S4>S6>S5,即織物组合S2的综合性能最优,芳纶1414织物虽然在服用性能方面相比其他芳纶织物较弱,但其对整体织物组合的热防护性影响更大。

3 结 论

通过测试消防服用织物及其组合的结构参数、基本性能和热防护性,利用灰色关联法分析各性能参数对消防服用多层织物组合的热防护性的影响,并对其进行模糊综合评判评,得到以下结论:

1)实验试样中多层织物组合表示舒适性能的透湿率对其热防护性能影响最为显著:织物组合的透湿率越大其热防护性能越好,外层织物的机械强力对其热防护性能影响最小。

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