翟倩，張恒，丁佳偉，甄琪，段澤平，郭正

[1.中原工學院紡織學院,鄭州 451191； 2.中原工學院服裝學院,鄭州 451191； 3.通標標準技術(shù)服務（上海）有限公司,上海 200233]

聚酰亞胺非織造材料作為一種含有酰亞胺環(huán)（—CO—NCO—）高分子聚合物纖維直接組成的柔性多孔材料[1],不僅具有高耐熱性和強化學穩(wěn)定性,還具有多孔隙結(jié)構(gòu)特性,在航空航天、高溫過濾和特種服裝（消防服、隔熱服和阻燃服）等特種防護領(lǐng)域廣泛應用。但聚酰亞胺纖維自身的吸濕性差,會造成聚酰亞胺非織造材料的液體管理能力弱而難以在潮濕環(huán)境中高質(zhì)應用。如高溫環(huán)境下防護人員在空間狹小的防護服內(nèi)進行長時間的作業(yè),防護服的排汗透濕性差將會導致其中暑昏迷、蒸汽燙傷等嚴重后果[2]。因此,增強聚酰亞胺非織造材料的液體水管理能力,使其具備定向?qū)б禾匦砸殉蔀樘胤N防護領(lǐng)域和功能性紡織材料領(lǐng)域共同的研究熱點。

對于非織造材料定向?qū)б耗芰Φ奶岣?國內(nèi)外學者通過設(shè)計基于潤濕梯度效應的梯度結(jié)構(gòu),使得非織造材料的上下表面間形成液體傳輸壓力差,進而促使液體沿著厚度方向上定向傳導[3-9]。而共混改性的多層纖維網(wǎng)針刺復合方法則提供了一種便利的潤濕梯度成型方法。如以滌綸纖維與粘膠纖維為原料分別針刺鋪網(wǎng),后兩層纖網(wǎng)疊合針刺獲得具有潤濕梯度結(jié)構(gòu)的非織造復合材料,該復合材料具有液體單向傳輸能力[10]。Zou Yaqin等[11]采用多壁碳納米管（MWCNTs）涂層在聚丙烯/聚乙烯（PP/PE）針刺非織造材料表層,形成一種Janus 結(jié)構(gòu),通過潤濕梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計誘導水的快速定向傳輸以實現(xiàn)連續(xù)的快干特性。但是目前關(guān)于聚酰亞胺非織造材料的液體單向傳輸能力增強研究鮮見報道。

基于此,筆者以聚酰亞胺纖維、粘膠纖維和雙組分纖維為原料,采用梳理-針刺-熱熔復合工藝制備了雙層梯度結(jié)構(gòu)的聚酰亞胺/粘膠針刺非織造材料試樣,并試驗分析了試樣的舒適性、定向?qū)б盒砸约白枞继匦?為新型特種熱防護纖維材料的制備提供研究案例。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

聚酰亞胺纖維：P84,細度1.67 dtex,長度51 mm,連云港德彥新材料有限公司；

粘膠纖維：細度1.38 dtex,長度38 mm,唐山三友集團有限公司；

雙組分纖維：PE/聚對苯二甲酸乙二酯(PET),細度2.45 dtex,長度38 mm,日本帝人株式會社。

1.2 主要儀器及設(shè)備

針刺機：WL-GS-A型,常熟萬龍機械有限公司；

熱熔機：NHJ-A-600 型,上海威士機械有限公司；

液體水分管理測試儀：M290型,美國錫萊亞太拉斯(深圳)有限公司；

掃描電子顯微鏡(SEM)：JSM-IT 200 型,日本JEOL公司；

超景深顯微鏡：VHX600型,日本KEYENCE株式會社；

力學性能分析儀：HD026S-100 型,南通宏大實驗儀器有限公司；

高精度測厚儀：32CHQF1030型,德清盛泰芯電子科技公司；

法寶儀：PhabrOmeter 3 型,美國欣賽寶科技公司；

全自動透氣量儀：YG461E-III 型,寧波紡織儀器廠；

織物阻燃性能測試儀：HD815A-Ⅱ型,嘉興市志博(踏誠)精密儀器有限公司；

TPP 熱防護性能測定儀：TPP-1 型,莫帝斯(中國)燃燒技術(shù)有限公司。

1.3 試樣制備

梯度結(jié)構(gòu)聚酰亞胺/粘膠針刺非織造材料的成型原理如圖1所示。

圖1 梯度結(jié)構(gòu)聚酰亞胺/粘膠針刺非織造材料的成型原理圖

首先通過手工開松的方式將聚酰亞胺纖維、粘膠纖維和雙組分纖維按照一定比例制備成共混纖維,并將共混物分別送入到梳理機內(nèi)以獲得多種比例的聚酰亞胺纖維/粘膠纖維/雙組分纖維組成的阻燃層纖網(wǎng),以及粘膠纖維/雙組分纖維組成的吸濕層纖網(wǎng)；此后依據(jù)潤濕梯度效應將兩層纖維網(wǎng)以1∶1的比例進行疊層預針刺以獲得梯度結(jié)構(gòu)的預制品。預針刺工藝的針刺密度為201 刺/cm2,針刺深度為4.9 mm。最后將預制品送入到熱軋機內(nèi)進行熱固接處理以獲得聚酰亞胺/粘膠針刺非織造材料。熱熔工藝溫度160℃,壓力0.4 MPa,所制備的試樣特性參數(shù)見表1。

表1 試樣特性參數(shù)

1.4 性能測試與表征

（1）特征性能。

試樣的厚度參照GB/T 24218.2-2009測量；

面密度按照GB/T 24218.2-2009測量；

使用導電膠將試樣固定后進行噴金處理,采用SEM觀察試樣表面形態(tài)和截面結(jié)構(gòu)；

使用超景深顯微鏡觀測試樣的表面形貌。

（2）力學性能。

參照GB/T 24218.3-2010,使用力學性能分析儀測量試樣縱橫向拉伸斷裂強力以及斷裂伸長率。夾持距離100 mm,拉伸速度100 mm/min。每個試樣縱橫向各取5塊試樣,測試后取其平均值。

參照GB/T 19976-2005使用力學性能分析儀測量試樣頂破強力。試樣為100 cm2的圓形,頂壓速度600 mm/min。每個試樣取5 塊試樣,測試后取其平均值。

（3）舒適性能。

按照GB/T 24218.15-2018,使用全自動透氣量儀測量試樣的透氣性。試樣面積為20 cm2。

按照GB/T 8942-2002,使用法寶儀測量試樣的柔軟度得分。試樣面積為100 cm2。

（4）液態(tài)水分管理。

按照AATCC-195,使用液態(tài)水分管理性能測試儀測量單向傳輸能力指數(shù),測試液體為0.9%的氯化鈉水溶液。

（5）熱防護性能。

參照GB/T 14644-2014,使用織物阻燃性能測試儀測量試樣阻燃性能。試樣形狀為100 mm×60 mm,點燃時間為12 s。

參照GB/T 14644-2014,使用TPP 熱防護性能測定儀測量試樣燃燒防護性能。試樣尺寸為130 mm×130 mm,輻射熱流為13 kW/m2,總熱流值為83 kW/m2。

2 結(jié)果與討論

2.1 梯度結(jié)構(gòu)特征

圖2 為經(jīng)過梳理-針刺-熱熔復合工藝制得的試樣SEM 照片。從圖2a 可以看出,兩層纖維網(wǎng)經(jīng)過疊合針刺和熱軋固結(jié)后,形成一種清晰的雙層梯度結(jié)構(gòu)。其中,上表面阻燃層主要由聚酰亞胺纖維、粘膠纖維和雙組分纖維組成的雜亂纖維網(wǎng)（圖2b）,下表面吸濕層主要由粘膠纖維和雙組分纖維組成的雜亂纖維網(wǎng)（圖2c）,兩層纖維網(wǎng)之間疊合而成梯度結(jié)構(gòu)的雙層纖維網(wǎng)。從圖2a還可以看出,兩層纖維網(wǎng)之間存在有纖維簇。纖維簇的存在一方面可以增加兩層纖網(wǎng)之間抱合力,提升非織造材料的強度；另一方面也可以在兩層纖維網(wǎng)之間形成導濕通道,進而增強液體的傳輸能力。從圖2b以及圖2c可以看出,纖維間存在清晰的粘結(jié)點,粘結(jié)點的存在在進一步改善非織造材料的最終強度的同時,還可以保持其原有的結(jié)構(gòu)形態(tài)[12-13]。

圖2 試樣的SEM照片

2.2 拉伸斷裂性能和頂破性能

試樣的縱橫向拉伸斷裂曲線和頂破曲線如圖3所示,數(shù)據(jù)匯總于表2。從圖3a 及圖3b 可以看出,試樣的縱向和橫向拉伸強力均隨著聚酰亞胺纖維比例的增大而增大。具體表現(xiàn)為當阻燃層聚酰亞胺纖維所占比例為30%時,試樣縱向斷裂強力和斷裂伸長率分別是68.6 N 和72.2%；而隨著聚酰亞胺纖維比例從30%到80%,試樣縱向斷裂強力增加到83.8 N,而斷裂伸長率減少到53.8%。同時,橫向拉伸斷裂強力從96.4 N增加到115.9 N,橫向斷裂伸長率從59.9%減少到48.9%。這原因是針刺非織造材料拉伸強度主要受纖維強度和纖維間纏結(jié)程度的影響,而聚酰亞胺纖維的強度大于粘膠纖維[14]。另外,從圖3a及圖3b還可看出,隨著聚酰亞胺纖維比例從30%增加到80%,試樣的拉伸彈性模量（應力-應變曲線斜率[15]）也逐漸從1.3 Pa 增大到3.6 Pa,提升約177%?？赡苁且驗殡S著聚酰亞胺纖維比例的增多,非織造材料中纖維本身能承受更多的載荷,從而使得非織造材料在外力拉伸下更難變形,有效地提高了其拉伸彈性模量,同時雖然聚酰亞胺/粘膠針刺非織造材料的斷裂伸長率下降,但依舊有較好的柔韌性。

圖3 試樣的縱橫向拉伸斷裂曲線和頂破強力-位移曲線

表2 力學性能測試

由圖3c可以看出,試樣的頂破強力隨著聚酰亞胺纖維比例的增大而增大,結(jié)合表2數(shù)據(jù)可得,當聚酰亞胺纖維所占比例為80%時,聚酰亞胺/粘膠針刺非織造材料具有最大頂破強力168.7 N,對應的失效時最大位移是78.96 mm。而當聚酰亞胺所占比例降到30%時,失效時最大位移是77.85 mm,對應的最大應力為159.9 N。分析原因可能是隨著非織造材料內(nèi)纖維本身強度的增加與纖維間糾纏程度的變化,使得單位受力面積下纖網(wǎng)強力提升[16]。

2.3 柔軟度和透氣性

織物的透氣性是評價織物穿著舒適性的重要性能指標[17-18],常用透氣率表征,圖4 為試樣的透氣率與孔隙率。

圖4 試樣的透氣度和孔隙率

從圖4 可以看出,試樣的孔隙率都處于89%左右,屬于一種大孔隙率的柔性非織造材料,具備氣流快速穿透的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。其次,從圖4還可以看出,聚酰亞胺纖維比例對空氣的穿透沒有顯著性的影響規(guī)律；其透氣率分布介于924～886 mm/s之間。出現(xiàn)這一情況的原因是,針刺非織造材料透氣性主要受孔隙率、面密度和厚度等結(jié)構(gòu)特征影響。所制備的試樣的梯度結(jié)構(gòu)變化主要來自于聚酰亞胺纖維和粘膠纖維間比例的變化,并且聚酰亞胺纖維細度和粘膠纖維細度近似。因此,在聚酰亞胺/粘膠針刺非織造材料結(jié)構(gòu)特征沒有顯著差異的情況下,透氣率沒有顯著差異。在其它條件相同的情況下,采用PhabrOmeter對試樣的柔軟度進行測試,得到的試樣測試結(jié)果數(shù)值越大,試樣的柔軟性越好[19]。圖5 為試樣的柔軟度。由圖5 可知,隨著聚酰亞胺纖維所占比例從30%增加到80%,聚酰亞胺/粘膠針刺非織造材料的柔軟度從89.1降低到88.4。原因是聚酰亞胺纖維的初始模量較大,所形成的織物彎曲剛度大,手感硬挺,懸垂性小,使得聚酰亞胺/粘膠針刺非織造材料的柔性隨著聚酰亞胺纖維比例的增大而降低。

圖5 試樣的柔軟度

2.4 液態(tài)水管理能力

圖6 為試樣的液態(tài)水分管理。圖6a為不同梯度結(jié)構(gòu)特征聚酰亞胺/粘膠針刺非織造材料的單向傳輸指數(shù)。在進行液體水分管理測試時,筆者利用生理鹽水同時對液體從阻燃層到吸濕層的單向?qū)衲芰εc液體從吸濕層到阻燃層的單向?qū)衲芰M行了測試分析。結(jié)果如下：隨著聚酰亞胺纖維比例從80%減少到30%,液體從阻燃層到吸濕層的單向?qū)衲芰?36增加到511,并且當聚酰亞胺纖維所占比例大于30%時,液體從阻燃層到吸濕層的單向運輸能力均高于相反方向。這主要是由于試樣的梯度結(jié)構(gòu)特征導致。梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖7所示。

圖6 試樣的液態(tài)水分管理

圖7 梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計

當液體附著在以粘膠纖維為主的吸濕層時,由于粘膠纖維優(yōu)良的吸濕性,使得水分在接觸到吸濕層的瞬時就被材料表面快速吸收并擴散,并因為以聚酰亞胺纖維為主的阻燃層的存在,阻礙了液體沿厚度方向上的進一步滲透擴散。由圖6c 試樣的水分擴散云圖可見,當液體首先接觸吸濕層時,液體沿直徑方向的擴散明顯大于其在厚度方向上的傳導。與此相反,當液體附著在阻燃層上,由于液體受到阻燃層表面疏水性的作用,液滴通常為球形或半球形,當阻燃層表面的水分逐漸凝聚而體積變大,一方面因為液體變形產(chǎn)生的自驅(qū)動力使其進入材料內(nèi)部；另一方面,吸濕層與阻燃層通過針刺工藝的預針刺進行復合時,使得吸濕層的粘膠纖維被刺針帶動進入阻燃層（從圖7b的局部放大圖中可以明顯看到粘膠纖維存在于阻燃層內(nèi)的纖維簇）形成的粘膠纖維簇對引導液體定向傳導起到了促進的作用,從而使液體能夠快速地沿厚度方向傳導,當液體被引導至吸濕層,液體就快速在吸濕層滲透擴散,完成液體的定向傳導。這一現(xiàn)象可以從圖6c看到,當液體首先接觸到阻燃層時,液體沿厚度方向上的傳導能力明顯高于其在直徑方向上的擴散。當聚酰亞胺纖維所占比例為30%,液體從吸濕層向阻燃層的單向傳導能力高于正向液體單向傳導能力。這可能是由于當阻燃層中粘膠纖維的比例遠大于聚酰亞胺纖維的比例時,阻燃層的疏水性被改變,導致吸濕層與阻燃層針刺復合得到的潤濕梯度結(jié)構(gòu)被破壞,聚酰亞胺/粘膠針刺非織造材料也失去了單向?qū)衲芰Α⒄誂ATCC-195測試指標來看,筆者制得的聚酰亞胺/粘膠針刺非織造材料在聚酰亞胺纖維所占比例在60%～70%時,已達到了液體單向運輸能力的4級標準[20]。結(jié)合圖6b試樣的浸潤速度比較可以看出,當聚酰亞胺纖維所占比例從80%減少到50%時,試樣阻燃層和吸濕層的液體浸潤速率分別從1.1,1.5 mm/s增加到2.8,4.9 mm/s,而當聚酰亞胺所占的比例小于50%時,試樣兩側(cè)的浸潤速度下降。出現(xiàn)這一情況的原因是粘膠纖維與聚酰亞胺纖維的親水性存在差距,通過針刺復合工藝后,形成了低可浸潤區(qū)和高可浸潤區(qū)的非均勻性分布,在此基礎(chǔ)上適當?shù)卣{(diào)整原料配比,由于液體自發(fā)地傾向于從低可浸潤區(qū)向高可浸潤區(qū)移動,使其浸潤速度發(fā)生改變,從而可以更好地促使液體從阻燃層向吸濕層的傳導,增加材料對液體的定向傳導速率[21-22]。

2.5 熱防護性

圖8 為試樣的燃燒速率。由圖8 可知,在其它試驗條件相同的情況下,聚酰亞胺/粘膠針刺非織造材料隨著聚酰亞胺纖維所占比例從80%減少到30%,試樣的燃燒速率從0.123 cm/s 增加到0.163 cm/s。原因是所選用的粘膠纖維的阻燃特性與熱穩(wěn)定性能低于聚酰亞胺纖維的阻燃特性與熱穩(wěn)定性能,所以隨著具有良好阻燃性的聚酰亞胺纖維所占比例的增加,試樣的燃燒速率下降,試樣的阻燃性能變好。

圖8 試樣的燃燒速率

試樣的熱防護性能如圖9所示。圖9a是試樣的熱防護測試的TPP值,圖9b是試樣熱防護性能測試的升溫曲線。從圖9a可以觀察到,試樣的熱防護性能隨著聚酰亞胺纖維比例的增大而增大,具體表現(xiàn)如下,當聚酰亞胺纖維的比例從30%增加到80%時,試樣的TPP 值從23.35 cal/m2增加到26.65 cal/m2。主要原因是試樣本身所選用的原材料特性對其熱防護性能產(chǎn)生影響,而聚酰亞胺纖維具有的優(yōu)異阻燃特性和熱穩(wěn)定性能。試樣的結(jié)構(gòu)特性對其熱防護性能也有一定影響。結(jié)合試樣的面密度與厚度變化觀察可得,試樣的熱防護性能與試樣的面密度與厚度密切相關(guān),結(jié)合表1數(shù)據(jù)可以得到,隨著試樣厚度與面密度的增加,試樣的TPP值也隨之增加。經(jīng)過計算得到,試樣的面密度、厚度與試樣的TPP 值呈顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.71,0.98,這也表明試樣厚度對其熱防護性能的影響要大于面密度對試樣熱防護性能的影響[23]。由圖9b可見,隨著聚酰亞胺纖維比例的減少,試樣的升溫速率隨之增加,具體表現(xiàn)為聚酰亞胺纖維比例80%的試樣背面溫度在30 s 內(nèi)升高了13.6℃,聚酰亞胺纖維比例30%的試樣背面溫度在30 s內(nèi)升高了15.7℃。這表明在高溫環(huán)境下,聚酰亞胺/粘膠針刺非織造材料能夠?qū)ν饨鐪囟鹊膫ζ鸬阶璧K延緩的作用。

圖9 試樣的熱防護性能

3 結(jié)論

通過梳理-針刺-熱熔復合工藝制備了具有定向?qū)衲芰Φ木埘啺?粘膠針刺非織造材料,并通過改變原料配比對聚酰亞胺/粘膠針刺非織造材料的力學性能、舒適性、定向?qū)б耗芰白枞挤雷o性能的影響因素進行探究。結(jié)論如下：

（1）聚酰亞胺/粘膠針刺非織造材料的力學性能隨著聚酰亞胺纖維比例的增加而提高。當聚酰亞胺纖維所占比例為80%時,試樣的縱橫向拉力和頂破強力最大,分別為83.8,115.9,168.7 N。相比聚酰亞胺纖維所占比例30%時分別提高22.2%,20.2%,5.5%。

（2）基于潤濕梯度效應的梯度結(jié)構(gòu)涉及可以有效提升聚酰亞胺/粘膠針刺非織造材料的定向?qū)衲芰?當阻燃層聚酰亞胺纖維所占比例為70%時,液體從阻燃層向吸濕層單向傳導能力達到263.3。

（3）阻燃層中聚酰亞胺纖維所占比例從30%增加到80%,聚酰亞胺/粘膠纖維針刺非織造材料的燃燒速率約下降32.5%,升溫速率從31.2℃/min 降低到27.0℃/min,其TPP值從23.35 cal/m2增加到26.65 cal/m2。

綜上可知,雙層（阻燃層和吸濕層）梯度結(jié)構(gòu)的聚酰亞胺/粘膠針刺非織造材料不僅兼具優(yōu)良的液體定向傳輸能力和阻燃防護能力,可滿足隔熱服、消防服等特種熱防護服裝在高溫高濕環(huán)境下的舒適性和安全性要求。