通过热防护性能测试与评价虚拟仿真实验，让学生学会通过查阅文献和测试标准确定不同使用目的、使用环境的热防护服热防护性能的测试项目及方法，并设计合理可行的实验方案；掌握纺织品阻燃性能、纺织品整体热防护性能、热防护服和热防护手套整体热防护性能、纺织品热稳定性能的测试与评价方法；掌握垂直燃烧实验、整体热防护性能TPP实验、热力人体模型实验、火焰手模型实验、热稳定性测试实验的基本操作方法、技能和实验数据的处理方法；掌握相关仪器设备的使用和保养；培养学生的创新能力、实事求是的科学态度和严谨的工作作风，为学习后续课程和未来的科学研究及实验工作打下良好的基础。

（1）纺织品阻燃性能

采用垂直燃烧实验，即将材料暴露于标准火焰12s，将火焰移开后，判定其是否会被点燃和燃烧损毁长度等。

（2）纺织品整体热防护性能（TPP）

TPP法是热辐射和热对流混合作用防护性能实验，主要测试织物的综合热防护能力。它是将布料放置于总能量密度为2 cal/(cm2﹒s) 的热对流及辐射热源下，记录达到二级烧伤所需的时间。TPP值即为时间乘以cal/cal/(cm2﹒s) 的数值。

与垂直燃烧实验相比，TPP实验可以告诉我们模拟人体皮肤透过各种不同的布料达到二级烧伤所须吸收能量的多少，即TPP值越高，布料对于暴露于高温及高热火焰下身体的保护性越好，单位TPP值更是热防护性能的最直接体现。

测试方法为：将试样水平放置在特定的热源上面，在规定距离内，热源以两种不同的传热形式即热对流和热辐射出现，而置于试样另一侧的铜片热流计则测量试样背面的温度。测试时要求火焰与试样直接接触，到达织物表面的热流量达到84±2 kw/m2，总热通量定在83±4kw/m2 ，相当于2.0±0.1cal/（cm2﹒s）。铜片热流计测量温度并得到升温曲线，将其与Stoll＆Chianta标准曲线比较可得到标准二级烧伤所需灼烧时间t，从而得到织物热防护系数TPP值：

TPP=F×T（式中：TPP—热防护系数，cal/m2；F—织物表面热流量即暴露热通量，cal/（cm2.s）；T—灼烧时间（导致烧伤的时间），s )

其中，Stoll＆Chianta标准曲线是指在恒定热流量下的一条预测试样表面温度净升值的曲线。

 （3）热防护服整体热防护性能

热力人体模型实验是让全身含有122个温度测试器的6英寸高的人体模型穿上防火服，并使其暴露于12丙烷火焰喷射器所集合成的2 cal/cm2﹒s热源中，计算机根据从122个温度测试器所收集的数据资料，模拟出人体皮肤可能受到的二级和三级烧伤度及部位。这是当今世上最先进的与真人尺寸相同的热灼伤评估系统。为了更进一步模拟在实际火焰中人体的烧伤程度，用来测试整套衣服在模拟实际火焰状况下，衣服所能提供的保护程度。通过此试验，可预测身体可能达到的二级或三级烧伤度，全身烧伤度越低，则存活机会就越大。

（4）热防护手套整体热防护性能

火焰手模型实验类似于热力人体模型实验，可用于消防用手套热防护性能测试。该实验是让含有10个热流传感器的人体右手模型穿上防火手套，并使其暴露于丙烷火焰喷射器所集合成的84 kW/m2﹒s热源中，计算机根据从10个热流传感器所收集的数据资料，模拟出人体皮肤可能受到的一级、二级和三级烧伤度及部位，记录烧伤时间和烧伤总面积。该模型的手指关节都是可以活动的，是当今世界上最先进的与真人手部尺寸相同的热灼伤评估系统，适用于ASTM F1930-11“使用模拟假人进行阻燃服装防火评价测试标准”（ASTM F1930-11 “Standard Test Method for Evaluation of Flame Resistant Clothing for Protection Against Fire Simulations Using an Instrumented Manikin”）及ISO 13506-2008“阻燃隔热防护服–成衣测试方法–使用模拟假人进行烧伤预测测试标准”（ “Protective Clothing Against Heat and Flame –Test Method for Complete Garments – Prediction of Burn Injury Using an Instrumented Manikin”。）为了更进一步模拟在实际火焰中人体手部的烧伤程度，用来测试手套在模拟实际火焰状况下，手套所能提供的保护程度。通过此试验，可预测手部可能达到的一级、二级或三级烧伤度。

（5）纺织品热稳定性能

利用织物在高温环境下保持一段时间以后的尺寸变化率来反映，即将材料置于500°F（260℃）高温烘箱内5min，缩率不能超过15%，然后根据材料是否会点燃、熔化、滴落或分解来判定其他热防护性能。

模拟垂直燃烧试验仪、TPP-206热防护性能测试仪、火焰手测试系统、干燥箱（烘箱）、重锤、医用脱脂棉、不锈钢尺（精确1mm）、密封容器、电子天平等虚拟仪器；热防护性能、火焰手测试系统等虚拟操作软件；高性能的图形计算机、虚拟现实工作站、交换机等硬件配置。

模拟全棉阻燃织物、CVC阻燃织物、化纤阻燃布、芳纶1313、芳纶1414、PBO、碳纤维织物，以及全棉阻燃面料、PTFE薄膜、隔热毡和舒适层组合试样等。

近年来火灾、爆炸等事件频发，消防员的安全越来越受到人们的重视，而消防服是保护消防队员人身安全的重要装备用品之一。如在2015年天津滨海新区爆炸中，消防员防护服抵不住火灾的冲击，致使多名官兵受伤和牺牲，有调查数据表明，救援过程中消防战士被烧伤的比例高达21%，因此研究消防服的热防护性能成为当今热点课题。

随着人们对消防服安全的重视，关于评价测试其结构和性能的要求也更加严格，如我国最新定制的GA 10—2014《消防员灭火防护服标准》，标准中规定了消防员灭火防护服的型号、规格、技术要求、性能要求、试验方法等。美国的NFPA 1971一2007《建筑火灾及近火作战防护装备标准》等也严格规定了消防服的各项指标和测试方法。其中，测试消防服热防护性能设备大多靠进口设备，设备价值昂贵、实验试样消耗高，测试方法和条件严苛。我校已引进了美国西北测试公司的TPP热防护性能测试设备和火焰手测试系统，依托浙江省服装工程技术研究中心，已开展了一系列的热防护性能测试与评价研究。

我们在开展纺织品和热防护服的热防护性能测试与评价创新实验的实践教学过程中，因为该实验测试涉及高危环境，并且设备属于大型高精仪器，以往都由实验专职人员实际操作，来样测试或学生观看为主，不允许学生独自操作设备。这就使得学生没有机会实际操作，也就无法深入开展对热防护服装的设计和评价，原本希望学生利用所学知识的综合应用开展创新思维的训练就没有办法很好地开展。

通过实施热防护性能测试与评价虚拟仿真实验，学生不仅可以在云平台上重复学习纺织品和热防护服的热防护性能测试方法与流程，了解并掌握各类阻燃织物及多层组合织物的热防护能力，有利于用于相应热防护服的设计，还能不受时空限制、安全地完成相关纺织品和热防护服的热防护性能大体评价，大大节省了设备及实验用材料成本，激发了学生的自主学习积极性，提高了学生的创新与实践能力。从实践教学角度来看，将计算机虚拟技术应用于纺织服装专业课程的实验教学过程中，不仅有力地推动了实验教学内容与实验教学方法的深刻变革，还有效提升了实验教学效率与效果。

（一）纺织品阻燃性能

1）接通电源及气源，在试验箱前门关好的情况下，按下电源开关，指示灯亮，将条件转换开关放在焰高测定位置，打开气体供给阀门（气体为工业用丙烷或丁烷），按点火开关，点着点火器，用气阀调节装置调节火焰，使其高度稳定达到（40±2）mm，随后将条件转换开关放在试验位置；

2）检查续燃、阴燃计时器是否置于0位，设定点燃时间为12s。将试样从密封容器中取出放入试样夹中，并将试样下沿与试样夹两下端平齐，将试样与试样夹一同垂直在试样支架上；

3）关闭箱门，电源指示灯亮，按点火开关，点火器点着，待30s火焰稳定后，按起动开关，使点火器移到试样正下方，点燃试样（试样从容器中取出到此时的时间必须控制在1min内）。如果试样是熔融性纤维织物时，应在试验箱底部平铺上10mm厚的脱脂棉；

4）经12s燃烧后，点火器恢复原位，续燃计时器开始工作，续燃停止时，立即按续燃计时器停止开关；阴燃计时器开始工作，待阴燃停止后，立即按阴燃计时器开关。分别读取续燃时间和阴燃时间，读数精确到0.1s；

5）如果被测试样是熔融性纤维织物时，会有熔滴产生，则在试验箱底部的脱脂棉可测熔融脱落物是否引起燃烧或阴燃的情况，并记录；

6）打开试验箱门，取出试样夹，取下试样。先沿其炭化的长度方向对折，然后在试样的下端一侧，距其底边及侧边各约6mm处，挂上按试样单位面积的质量选用的重锤（见表1），再将试样另一侧缓缓提起，使重锤悬空，再放下，此时测量撕裂的长度即为损毁长度，结果精确到1mm；

表1 织物质量与重锤的关系

织物质量/g.m-2 重锤质量/g

101以下 54.5

101~207 113.4

207~338 226.8

338~650 340.2

650以上 453.6

7）清除试验箱中碎片，并开动通风装置，排除试验箱中烟雾及气体，可准备下一个测试。

8）计算经向（纵向）及纬向（横向）各5个试样的续燃时间、阴燃时间及损毁长度的平均值，以表示垂直燃烧法性能。

有熔融滴落物的，记录脱脂棉燃烧试样的状态。如试样被烧通的也需注明块数，以上数值以未烧通的计。

（二）纺织品整体热防护性能（TPP）

1）检查控制水、气压、煤气的连接，正面面板上的开关都向下关闭；

2）打开正面面板上的总开关POWER，调整SHUTTER开关下的往左拨RETRACTED，使防护栅缩回去。打开电脑与软件；

3）打开煤气，调整煤气量（装置右边GAS REGULATOR）到8-15 PSIN（见正面的AIR ORESSURE刻度盘）；打开气压开关，调整气压（装置右边AIR REGULATOR）到20PSIG（见正面的GAS ORESSURE刻度盘）；打开水龙头与出水口（装置左边WATER SHUT OFF），正面面板上的WATER FLOW 会亮灯；

4）打开控制石英灯管开关ST3、ST2和ST1都往上拨；

5）打开控制煤气开关GAS ENABLE，按住点火开关IGNITION，直到点火成功，不超过5秒。GAS FLOW 在8～8.7之间。若关火，不能立即重新点火，需要冷却2分钟后再点火；

6）正面面板SHUTTER开关下的往右拨AUTO；

7）选择电脑中软件面板里的标定“Calibrate”，选择“Calibration”窗口里的“Total heat flux”，选择“start test”按照提示一步步，在“equipment status”窗口中，直到“current temperature”达到33±1℃，点“close”，开始空白实验。在“calibration results”窗口中，total  heat flux 要在84±2kw/m2才可以，否则重新实验；

8）开始新实验，将正面面板SHUTTER开关下的往左拨RETRACTED，使水进入，降温使低于33℃。选择“Start a new test”，装置上选择“AUTO”，装好样本，移动样品握持板到防护栅上面，当电脑里窗口的温度升到33±1℃时，点击“close”，开始测试，保存；

9）实验结束后，先关煤气，关ST1 ST2 ST3，等火灭了，关GAS ENABLE，关总开关POWER，关气泵及调节使之为0，关水龙头及WATER SHUT OFF。

(三）热防护手套整体热防护性能

1）开启实验室配电器电源；

2）打开丙烷燃气防爆柜，观察丙烷气管压力显示表是否在零附近（可能有少许偏差），若不为零则用铜扳手顺时针调到零附近（相当于关闭丙烷气体开关）；

3）检查丙烷和Flame Chamber 的连接供气管是否有异常（气管破损，或者连接脱落等）；

4）检查Flame Chamber供气开关（volveigntion）是否在关闭最小状态（顺时针拧到底），然后开启Flame Chamber 电源（power），Flame Chamber 上面液晶显示屏幕亮表示电源接通正常，观察两个丙烷报警器显示装置是否有泄漏报警，若有燃气泄漏则报警装置会发出蜂鸣声；                  

5）确认无燃气泄漏，气管连接正常且丙烷气管开关在关闭状态后，打开Flame Chamber 防爆玻璃门，观察Flame Hand 状态是否有异常（外观是否有损坏，位置是否在指定位置等等（三条线在同一直线上），观察火枪阵列以及高压点火装置是否有异常（简单外观检查）观察Flame Chamber 上方的排风扇是否动作，若有动作（响声）则终止试验；

6）注意请勿碰触下排黑色旋钮（volve burner）

7）打开电脑，将电脑TCP/IPV4 的IP地址设置为192.168.6.5，子网掩码（255.255.255.0）电脑会自动填充，点击确认后退出设置窗口，设置好IP 地址后将Flame Hand 控制箱连接网线连接到控制电脑，连接上电脑后电脑右下角会显示一个带有黄色感叹号的电脑图标，表示连接正常；

8）确认以上无误后，开启电脑桌面上的ThermDac软件，检查软件连接是否正常（若正常软件COMM 显示绿色，若不正常则显示红色或黄色，且连接正常后可以观察到Flame Hand 的软件界面有各个区域温度显示）；

9）检查软件界面显示的当前初始温度（Flame Hand 手部各个区域初始温度以及trigger sensor 初始温度）是否在合理范围，一般温度值接近为当前实验室温度，若温度显示异常则终止试验；

10）确认以上所有注意事项正常后，关闭电脑控制软件，关闭Flame Chamber电源（power），准备安装手套验样品（注意，请勿将没有防护功能的手套用来做正常试验）；

11）手套尺寸：75th percentile，right hand，可以是五指手套；

12）将准备好的手套安装到Flame Hand上面，确保Flame Hand 的位置在初始调节好的位置，避免安装过程中使Flame Hand 旋转产生较大位移，安装完毕后关闭Flame Chamber 的防爆玻璃门并且锁上（注意一定要将玻璃门锁上）；

13）确认试验手套样品安装无误后，重新打开Flame Chamer的电源，再开启ThermDAC软件，确认软件COMM 标志显示绿色连接状态，确认ThermDAC显示的各个区域温度在合理范围；

14）确认以上无误后继续以下试验步骤，打开丙烷气管供气开关（逆时针），看到丙烷压力显示表指针有明显变化，若丙烷泄漏报警器报警则终止实验；

15）确认以上无误后，开启Flame Chamber 上的供气开关（volve igntion）（注意要慢慢开），同时（不能间隔太长时间）点击点火按键（Ignition），此时可以看到火枪点火成功，注意控制火焰大小（较小，防止烧到tigger触发传感器，应有2个火源），开关为旋钮调节开关，旋钮调大（逆时针）则火焰变大，旋钮调小（顺时针）则火焰变小；

16）Flame Chamber 触摸屏上选择实验程序，带手套以及不带手套实验程序可以选择，选择程序后可以看到程序的设定时间，确定戴手套的实验时间在12S以内，不带手套的试验时间在7S 以内，若超出该范围则调整实验时间到合理范围（建议4s）；

17）显示clothed**Deg burn area 的数据，(为了显示带上手套时的燃烧区域)，点击工具栏中的flame test system-----manikin configuration，选择demo，点击select；

18）转到ThermDAC程序界面，开启实验程序选择 run with trigger——start test ——自动命名（注意命名文件不可包含中文字符）——保存，文件命名点击确定后程序开始实施记录数据；

19）点击Flame Chamber上的燃烧开关（ start绿色按钮），提示是否所有准备工作就绪，点击确认，此时火枪火焰喷出，在设定时间后自然关闭，只留点火火焰，火焰结束后关闭供气开关（volve igntion），关闭丙烷开关（铜扳手顺时针调到零附近）；

20）将丙烷气罐的流量开关关闭，点击Flame Chamber 触摸屏上的“风机”按钮，此时风扇开启将实验尾气（样品燃烧后的气体）排出室外（建议排3-5分钟）；

21）点击ThermDAC软件界面的end test 按钮以结束实验，实验结束后可以看到软件界面显示烧伤预测结果；

22）观察软件界面的各个区域温度显示，在所有区域温度试验范围在32degC±5范围才可以进行下次实验；

23）温度达到第22要求（上一条）后关闭风扇，之后再等2-3分钟等风扇完全停下。想看手部实时温度，windows----1 main screen；

24）为将管道内残留的丙烷气体燃烧耗尽，关闭Flame Chamber并锁上观察窗，打开供气开关（volve igntion），同时按点火（igntion）按钮，此时可以看到点火火枪有火焰，调整火焰大小到合适（较小，防止烧到tigger触发传感器），等待火焰燃烧殆尽（即管道及燃烧箱中已无丙烷气体），关闭供气开关（volve igntion），请务必确认关闭该开关；

25）观察丙烷气管上的压力表及流量表是否为零附近，确认为零附近且开关在关闭状态后，整个实验流程结束；

26）打开燃烧箱清理燃烧后的残留物，注意清洁附在Flame Hand 上面的残留物；

27）若不需要再进行实验则关闭电源；

主要实验结果：A 手部各部位烧伤等级；B system 视窗下    Total incident energy （总的吸收能量）值越小，说明材料的防护性越好；C触发传感器的温度。

（四）纺织品热稳定性能

1）试样准备：在温度20℃±2℃、相对湿度65％±5％的条件下将样品保持24h；

2）将干燥箱加热至所需温度，迅速将样品放入干燥箱内，样品不应与干燥箱壁接触，关上干燥箱门起记录时间，5min后打开干燥箱门，取出样品；

3）测量长、宽方向的尺寸，要求在2min 以内测量完；

4）计算最大尺寸变化率，以三块试样的平均值作为检验结果

P=（D1－D2）／D1×100%

式中：P—尺寸变化率，％；D1—加热前尺寸，厘米（cm）；D2—加热后尺寸，厘米（cm）。

要求实验方案合理、操作过程准确，顺利完成实验；

记录纺织品阻燃性能、纺织品整体热防护性能（TPP）、热防护手套整体热防护性能、纺织品热稳定性能的测试结果，包括相应的图片和数据;同时评价试样的热防护能力，并分析产生实验结果的原因。

 

总评成绩由三部分组成，其中实验操作占50%、网络提问及网上讨论等占20%、实验总结报告占30%。

在课程最后，需进行实验总结，展示实验结果、实验心得体会，并对实验结果进行分析讨论，以便考察学生的综合分析能力及独立思考的能力。

2-10面向学生要求

（1）专业与年级要求

服装设计与工程、纺织工程、材料科学与工程专业2年级以上学生。

（2）基本知识和能力要求等

完成服装材料学、纺织材料学等课程学习，具有一定数据分析能力的学生。