施楣梧 肖 紅 唐守榮 楊祖民 靳仕華

（1.軍事科學院軍需工程技術研究所，北京，100082；2.山東沃源新型織物股份有限公司，山東淄博，256100；3.山東宏業(yè)紡織股份有限公司，山東濟南，251600）

在社會日益重視人員安全健康的形勢下，軍警、廠礦等部門使用的職業(yè)防護服和一般民用紡織品均對阻燃性能有著強烈的需求。但因現有阻燃纖維及其阻燃紡織品尚不能良好地兼顧防護效果、舒適性和經濟性，影響了阻燃紡織品的推廣應用，也削弱了對職業(yè)人員和一般民眾的防護效果。研究者提出了基于多種阻燃纖維混配形成阻燃協(xié)同效應的阻燃織物設計加工方法［1?2］，可提高阻燃織物的性價比，并兼顧舒適性和其他服用性能。該方法有良好的降低成本、兼顧舒適性的效果，在軍警和廠礦防護服裝上進入了實際應用。但多種阻燃纖維的配置方式不應該局限于紡紗過程中的混紡方式，還可以構筑多層次的織物結構，在不同織物層次中探討不同阻燃性能的紗線的合理配置方式，進一步發(fā)揮阻燃協(xié)同效應。雖然傳統(tǒng)的織物阻燃涂層整理技術也可以看作是構成不同層次結構的織物，正面施加阻燃涂層應用于輸送帶［3］、蓬蓋布［4］、耐高溫防護織物［5］等，反面施加阻燃涂層應用于地毯等；并且涌現出層層自組裝［6?7］、溶膠?凝膠［8］等新型施加技術，但在織物結構上進行不同阻燃紗線分層次設計的報導尚不多見。本研究設計制造了不同材質和混紡比的阻燃紗線，針對緯二重、緯三重兩種織物結構，在不同織物結構層次配置不同阻燃性能及其他服用性能的純紡或混紡紗線，試圖在紗線混紡結構層面運用協(xié)同效應的基礎上，進一步在織物層次結構上構筑阻燃協(xié)同效應，以期獲得性價比更高、更能兼顧其他服用性能的阻燃紡織品設計加工方法。

1 試驗部分

1.1 纖維選用

均采用中長型纖維。其中間位芳綸（代號F）、對位芳綸（K）源于煙臺泰和公司，阻燃粘膠纖維（代號ZR）來自奧地利蘭精公司，阻燃維綸（代號ZV）由上海全宇公司提供，阻燃滌綸（代號ZD）選自四川東材公司，阻燃錦綸（代號ZJ）取自無錫恒天公司，寶德綸（代號B）、三聚氰胺纖維（代號QA）、阻燃萊賽爾纖維（代號ZL）、普通滌綸（代號PD）和普通錦綸（代號PJ）均從山東宏業(yè)公司的庫存纖維中選出。芳綸基導電纖維代號E。

1.2 紗線混紡比和規(guī)格

所有紗線均為環(huán)錠紗，細度29 tex，捻系數340。紗線編號及各自的混紡比例如表1 所示。這些紗線將在緯二重織物和緯三重織物中使用。其中H 系列紗線和ZRS262 是山東宏業(yè)正常生產的阻燃紗線產品，其他紗線由山東宏業(yè)采用細紗試驗線專門紡制而成，每個品種紡制1 kg 紗線。

表1 所列紗線中，專門紡制的WES1～WES16用于織造具有層次結構的緯二重織物，對比整體配比相同但阻燃纖維分層配置和均勻分布織物的阻燃性能差異；類似地，WSS1～WSS6 紗線用于織造緯三重織物。

表1 紗線規(guī)格

1.3 織物樣品制備

在機織物上實現多層次結構，可采用重經組織、重緯組織和多層組織來實現。相比而言，重經、重緯組織比較容易加工，特別在用小樣機織造樣品時采用重緯組織最為方便。因此，織物樣品采用緯二重和緯三重組織織造。按表2 所列的經紗、表緯和里緯的紗線配置方式得到35 種緯二重織物。按表3 所列的經紗、表緯、中緯和里緯的紗線配置方式得到13 種緯三重織物。以上織物樣品均由山東沃源新型織物股份有限公司在織造小樣機上加工而成。

緯二重和緯三重兩組樣品因經紗及各種緯紗的紗號是統(tǒng)一的，且每組樣品的織法也相同，故每組樣品具有相同的經密緯密。緯二重織物經密300 根/10 cm、緯密632 根/10 cm，表緯和里緯各占一半根數，則經紗/表緯/里緯的質量之比為1/1.05/1.05，織物中經紗占32.26%、表緯占33.87%、里緯占33.87%。緯三重織物經密296根/10 cm、緯密936 根/10 cm。表緯、中緯和里緯的根數各占1/3，則經紗/表緯/中緯/里緯的質量之比為 1/1.03/1.03/1.03，織物中經紗占24.4%、表緯占25.2%、中緯占25.2%、里緯占25.2%。根據上述數據可計算得到每塊織物的各品種纖維的含量比例，即織物成分。

表2 中的專制均質對比樣WEB1 與纖維成分分層分布樣品WE5 具有相同的織物整體成分；WEB2 與 WE8、WEB3 與 WE12、WEB4 與 WE13、WEB5 與 WE14、WEB6 與 WE15、WEB7 與WE16、WEB8 與 WE17、也有相同的整體織物成分。表3 中緯三重織物WS1～WS10 的里緯均采用了純阻燃萊賽爾紗，以提高面料的舒適性。阻燃萊賽爾與阻燃粘膠均屬于阻燃再生纖維素纖維，有類似的回潮率，在提高織物舒適性、手感及多纖維協(xié)同效果的阻燃機理方面，可以認為這兩種纖維是等效的。故試驗中利用已有的含阻燃粘膠紗線和含阻燃萊賽爾紗線，進行了相同阻燃纖維素纖維含量下的專制均質對比樣與纖維成分分層分布樣的對比。 WSB1 與 WS1、WSB2 與 WS3、WSB3 與WS4 可視為具有相同的成分。以上設計是為了對比分析織物在相同整體成分條件下，因阻燃纖維在層次結構中的配置方式不同，而帶來的阻燃性能差異，并根據結構預測織物舒適性的差異。

表2 緯二重織物的紗線配方和織物層次配方

表3 緯三重織物的紗線配方和織物層次配方

1.4 織物樣品測試

上述48 種織物樣品在山東沃源新型織物股份有限公司實驗室進行了主要物理性能的測試。具體測試方法參考GB/T 4669—2008《紡織品機織物單位長度質量和單位面積質量的測定》、GB/T 3923.1—2013《紡織品織物拉伸性能 第1部分斷裂強力和斷裂伸長率的測定（條樣法）》、GB/T 3917.3—2009《紡織品 織物撕破性能 第3部分梯形試樣撕破強力的測定》和GB/T 5455—2014《紡織品燃燒性能垂直方向損毀長度陰燃和續(xù)燃時間的測定》。因織物樣品是由小樣機加工得到的，經向長度有限，故只對緯向進行了強度和阻燃性能的測試。所得各指標均為3 個子樣的平均值。

2 結果與分析

2.1 測試結果

表4 和表5 分別列出了緯二重織物和緯三重織物的測試結果。

2.2 力學性能分析

首先對比分析具有相同織物結構和整體織物成分的8 對織物的力學性能，見表6。

從表6 可知，多數層次分布樣的單位面積質量稍大于均質樣，但兩者差異不超過3.05%，故具有良好的可比性。層次分布樣的拉伸斷裂強力均小于均質樣，最小下降8.74%，最大下降28.01%，說明不同阻燃紗線分別作為表緯和里緯使用時，兩種緯紗的斷裂不同時性導致其中斷裂伸長率小的紗線先發(fā)生斷裂，最終導致強度下降。雖然在實際使用中織物的損壞往往并不是源于一次拉伸，而是受較小拉力和摩擦力對織物的反復損傷，故實際使用中織物牢度的下降將小于表6 所列的程度。設計中使織物同系統(tǒng)多種紗線的拉伸斷裂伸長盡量一致，可控制強度損失程度。

從表6 可知，有3 個層次分布樣的撕裂強力大于相同配方和規(guī)格下的均質樣，說明分層配置阻燃紗線的辦法，還有可能成為提高織物撕破強力的一種辦法。

對表4 所列全部緯二重織物而言，拉伸斷裂強力和撕破強力最高的是同一個織物，即由純芳綸作為經紗、表緯和里緯織成的WE2。說明在紗線層面和織物層面有均勻一致材質，是得到高強織物的最佳條件。但為了得到較好的阻燃性能及其他性能，適當犧牲一部分強力也是值得的。對拉伸斷裂強力而言，WE25、WE26、WE18 是強力最低的3 塊織物。以全部緯二重織物的平均拉伸斷裂強力1 593.7 N 為基準，分別偏小34.93%、33.61%和30.66%，下降明顯。其原因一方面是表緯由多種纖維組成，且均有斷裂伸長較小的阻燃粘膠和阻燃維綸存在，紗中纖維斷裂就不同時；另外里緯采用阻燃錦綸的純紡或混紡紗，阻燃錦綸斷裂伸長率大，與表緯的伸長能力差異大，故造成表緯和里緯的斷裂不同時；阻燃錦綸與阻燃粘膠之間也因斷裂伸長率差異很大，導致里緯中的纖維斷裂不同時，使強度有明顯下降。但是這3個樣品的強力仍然在可以使用的范圍之內。

織物編號WE1 WE2 WE3 WE4 WE5 WE6 WE7 WE8 WE9 WE10 WE11 WE12 WE13 WE14 WE15 WE16 WE17 WE18 WE19 WE20 WE21 WE22 WE23 WE24 WE25 WE26 WE27 WEB1 WEB2 WEB3 WEB4 WEB5 WEB6 WEB7 WEB8單位面積質量/（g·m-2）288.9 279.0 274.0 273.8 274.6 269.8 267.5 280.3 271.9 287.7 273.5 271.0 274.1 272.6 269.1 274.0 289.6 285.3 274.1 255.0 259.5 270.0 271.6 252.1 277.4 279.0 274.8 268.0 286.9 268.0 266.0 267.5 263.5 272.1 287.7緯向拉伸斷裂強力/N 2 379 2 517 1 650 1 460 2 171 1 483 1 851 1 713 1 469 1 764 1 438 1 336 1 199 1 549 1 180 1 449 1 167 1 105 1 315 1 681 1 301 1 468 1 517 1 655 1 037 1 058 1 309 2 379 2 012 1 653 1 448 1 949 1 626 1 869 1 621緯向撕破強力/N 193.0 297.4 173.5 167.5 207.1 181.1 183.8 202.5 188.7 194.8 117.1 116.4 102.6 123.0 101.7 113.1 141.8 100.6 139.0 111.9 91.3 145.0 107.6 113.6 119.9 108.9 133.1 241.9 182.3 144.8 91.7 175.7 127.1 149.6 129.4續(xù)燃時間/s＜1.0 0 0 0＜1.0 0 0 27.8 0 2.0 0 0 0＜1.0 0＜1.0 146.0＜1.0＜1.0 0 0 41.9 0 0 21.3 0＜1.0＜1.0 69.0 0 0＜1.0 0 0 2.2陰燃時間/s 0＜1＜1＜1＜1＜1＜1 0＜1＜1＜1＜1＜1＜1＜1＜1＜1＜1＜1＜1＜1＜1＜1＜1＜1＜1＜1＜1 0＜1＜1＜1＜1＜1＜1損毀長度/mm 39 28 29 32 61 41 49 116 46 47 35 34 36 69 50 49 252 50 52 38 33 129 49 54 214 56 66 79 124 35 36 73 36 59 75

類似地，WE21、WEB4、WE18 是撕破強力最低的3 塊織物。以全部緯二重織物的平均撕破強力 149.1 N 為基準，分別小 38.77%、38.50% 和32.53%，下降比例明顯?？傮w而言，均因表緯、里緯內的多種纖維的斷裂不同時，及部分纖維的強度（如阻燃粘膠）低。但即使撕破強力顯著偏離以上樣品的平均值，仍然可以使用。

如表7 所示，3 對緯三重織物具有非常接近的單位面積質量，盡管層次分布樣采用的是強度較高的阻燃萊賽爾，而均質樣采用的是強度較低的阻燃粘膠，但層次分布樣的拉伸斷裂強力的下降幅度仍然很大；而撕破強力則可以高于相同整體成分的均質樣，并且上升比例可以高達1/3。

表5 緯三重織物的測試結果

表6 相同織物結構和織物成分的8 對緯二重織物的力學性能對比

表7 相同織物結構和織物成分的3 對緯三重織物的力學性能對比

再針對表5 所列全部緯二重織物而言，拉伸斷裂強力最高的是均質樣WSB1，最低的是WS8。WS8 中的三聚氰胺纖維的強度較低（1.6 cN/dtex），而中緯阻燃錦綸與里緯阻燃萊賽爾纖維的斷裂伸長有很大差異，故強度急劇下降。

同樣，撕破強力最高的是WS9，最低的是WS6。WS9 之所以能得到最高的撕破強力，是因為表緯（芳綸）和中緯（寶德綸）具有很接近的拉伸特性，并占據了較大的份額；而WS6 因三聚氰胺纖維強度偏低、占較大份額的阻燃萊賽爾纖維斷裂伸長偏低，導致撕破強力最低。

因此，在考慮形成阻燃協(xié)同效應時，還需要考慮紗線內各種纖維的拉伸斷裂伸長接近、拉伸斷裂強度高，及各層次紗線的斷裂伸長率接近、斷裂強度高，才能達到最優(yōu)的力學性能。

2.3 阻燃性能分析

本研究所采用的纖維多數是不發(fā)生熔融的阻燃纖維，即使采用一部分合成纖維改性的阻燃纖維甚至普通合成纖維，但因用量小或夾持在中間層，故每一個樣品均未出現熔融滴落的現象。另外由于本研究以獲得較高阻燃性能為目標、采用了較多性能良好的阻燃纖維，或實踐證明由多種阻燃纖維形成的協(xié)同效應可達到與純芳綸織物類似的阻燃效果，如WE20 芳綸含量僅20%，但該配方用于武警特戰(zhàn)、維和部隊等阻燃作戰(zhàn)服織物，阻燃指標優(yōu)于相同規(guī)格的純芳綸織物，垂直燃燒法下無熔融滴落現象發(fā)生。故所有織物的阻燃性能測試結果中沒有列出燃燒狀態(tài)。

另外，因織物的單位面積質量均較大，故織物的續(xù)燃時間和陰燃時間多數為0 s、或小于1 s。但也有個別織物的續(xù)燃時間很長，如表4 中WE8的經紗和表緯為純芳綸紗、里緯為阻燃錦綸紗，整體含量為F/ZJ 66.1/33.9，該樣品在垂直燃燒法下得到的續(xù)燃時間與陰燃時間為27.8 s 和0 s，而用阻燃滌綸代替阻燃錦綸的WE5，其續(xù)燃時間和陰燃時間均小于1 s。說明我國阻燃錦綸還沒有達到阻燃滌綸的性能水平。

表8 列出了織物組織和織物整體成分相同的8 對緯二重織物的垂直燃燒的測試結果。從表8可知，均質樣的損毀長度多數都大于層次分布樣，說明不同阻燃纖維紗線采用分層配置的方式，能降低損毀長度，即提高阻燃性能。但也有特殊情況。采用阻燃錦綸為里緯的WE17，因里側表面主要由阻燃錦綸組成，阻燃性能較差，從而導致了損毀長度很長，樣條被燒通；另一個損毀長度為負值、層次分布樣的損毀長度大于均質樣的樣品為WE15，其內側面有較多的阻燃聚酯纖維和阻燃粘膠纖維，也導致里側阻燃性能較差。但當該樣品不是從底邊點燃、而是從外側表面點燃時，將表現為更好的阻燃效果。另外損毀長度變化率為0的樣品WE13，織物里側主要以阻燃性能較好的阻燃粘膠纖維為支撐面，沒有熱熔性合成纖維，也不會導致燈芯效應，故其損毀長度與相同配方下的均質樣一致。

表8 相同織物結構和織物成分的8 對緯二重織物的阻燃性能對比

再結合表2 和表4 來看 ，WE1 和 WE2 仍 然是均質樣品，因WE1 含有2%的導電纖維和5%的對位芳綸，損毀長度稍長于純對位芳綸的WE2；WE3～WE10 的經紗和表緯均采用純芳綸紗線，而里緯則分別采用了各種純紡（如阻燃萊賽爾纖維或者阻燃滌綸、阻燃錦綸）紗線、及兩種阻燃纖維（甚至普通纖維）的混紡紗線。其中采用了阻燃錦綸的WE8 具有最長的損毀長度，采用了阻燃滌綸的WE5 損毀長度也超出了GB 8965.1—2020《防護服裝阻燃服》規(guī)定的A 級防護等級要求；WE11～WE19 采用F/ZR 80/20 混紡紗為經紗和表緯，其阻燃性能稍差于WE3～WE10，但服用舒適性會有所提高；里緯采用阻燃錦綸的WE17，損毀長度達到最長；后一組采用F/ZV/B/ZR 20/36/14/30 混紡紗為經紗和表緯的WE20～WE27，其里緯采用的紗線也包括阻燃滌綸、阻燃錦綸、阻燃粘膠或者萊賽爾纖維，損毀長度的整體水平與采用純芳綸或F/ZR 80/20 為經紗和表緯的織物基本類似，說明F/ZV/B/ZR 20/36/14/30 混紡比具有良好的協(xié)同阻燃效應；里緯為阻燃錦綸的WE25 的損毀長度達214 mm；而以PJ/ZR 50/50混紡紗為里緯的WE27，雖然采用了普通錦綸，但損毀長度也只有66 mm，說明如果錦綸的用量不大，即使采用普通錦綸，也可以達到B 級防護效果。

表9 列出了織物組織和織物整體成分相同的3 對緯三重織物垂直燃燒的測試結果。從表9 可知，均質樣損毀長度多大于層次分布樣，即分層配置時多數條件下可以提高阻燃性能。但在使用較多的阻燃錦綸時，即使是在中緯這一層次采用了阻燃錦綸，仍然會降低其阻燃效果。WS4 與WS8均采用 F100 為經紗、ZJ100 為中緯、ZL100 為里緯 ，但 WS4 采 用 F100 為 表 緯 、WE8 采 用 F/QA 65/35 混紡紗為表緯，最終得到的損毀長度是WS4 為 60 mm、WS8 為 96 mm，說明表經配方對織物的損毀長度有影響，三聚氰胺纖維尚不能建立有利于提高整體阻燃性能的協(xié)同效應。

表9 相同織物結構和織物成分的3 對緯三重織物的阻燃性能對比

3 結論

（1）不同材質纖維制成的紗線以分層配置方式制得織物后，多數情況下其力學性能不如纖維均勻配置的織物，但在適當的配置方式下可提高織物的撕破強力。

（2）不同材質紗線在多層次結構織物中的分層配置狀態(tài)，有可能成為另一種形式的多組分協(xié)同效應阻燃的結構方式。在適當的配置方式設計條件下，可獲得比均質織物更好的阻燃效果，并且可使用一部分阻燃性能較差、價格便宜、但強度更高的改性阻燃纖維甚至普通非阻燃纖維，獲得較高的性價比。