杜琳琳,吳改紅,劉淑強(qiáng),張 曼,靖逸凡,張愛琴,李慧敏,李 甫,賈 潞,張鈺晶,李靜靜,張 菂,劉 霞,楊智超

(太原理工大學(xué) 輕紡工程學(xué)院,山西 晉中 030600)

消防員是戰(zhàn)斗在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)第一線的戰(zhàn)士,其所穿著的高溫防火服是消防員在高溫火場(chǎng)中實(shí)施救援行動(dòng)的重要防護(hù)用具[1-2],因此開發(fā)設(shè)計(jì)熱防護(hù)性能優(yōu)良的防火服具有重要現(xiàn)實(shí)意義[3-4]。

目前熱防護(hù)面料一般由經(jīng)阻燃劑改性的纖維或高性能阻燃纖維制成[5-6],前者價(jià)格相對(duì)便宜,但阻燃性能相對(duì)較差,后者具有良好阻燃性,但價(jià)格相對(duì)較高。我國(guó)消防服面料主要為4層結(jié)構(gòu):外層、防水透氣層、隔熱層和內(nèi)襯。多層熱防護(hù)織物可滿足各種性能要求,但多層織物堆疊往往導(dǎo)致織物完整性差,織物過(guò)厚[7]。

本文設(shè)計(jì)一種熱防護(hù)用三維間隔機(jī)織物,其中織物的上外表層(朝向外界高溫環(huán)境)為玄武巖纖維[8-9]單層結(jié)構(gòu),下內(nèi)表層(朝向人體)為聚酰亞胺纖維[10-11]雙層結(jié)構(gòu),玄武巖間隔紗排列在上、下層交錯(cuò)的2根經(jīng)紗之間以支撐整個(gè)織物。間隔織物結(jié)構(gòu)兼顧傳統(tǒng)消防服面料的外層和隔熱層性能,通過(guò)多種測(cè)試研究間隔跨距對(duì)玄武巖纖維/聚酰亞胺纖維三維間隔熱防護(hù)面料性能的影響,以有效減少消防服面料層數(shù),降低面料質(zhì)量。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

本文設(shè)計(jì)的三維間隔機(jī)織物上層經(jīng)紗、緯紗以及間隔紗采用278.2 tex的玄武巖纖維長(zhǎng)絲紗(西晉投玄武巖開發(fā)有限公司),下層經(jīng)紗、緯紗采用71.43 tex×2的聚酰亞胺短纖紗(江蘇奧神新材料股份有限公司)。

1.2 三維間隔機(jī)織物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

三維間隔機(jī)織物的上層為玄武巖長(zhǎng)絲紗單層結(jié)構(gòu),下層為聚酰亞胺纖維雙層結(jié)構(gòu)[12],玄武巖間隔紗排列在下層交錯(cuò)的2根經(jīng)紗之間。本文不同間隔跨距(間隔跨距為間隔緯紗的根數(shù))的三維間隔機(jī)織物的間隔高度均為4 mm。圖1為間隔跨距為5根緯紗的三維間隔機(jī)織物經(jīng)向截面圖,實(shí)線表示玄武巖纖維經(jīng)紗和間隔紗,虛線表示聚酰亞胺紗線,黑色圓表示玄武巖纖維緯紗,灰色圓表示聚酰亞胺纖維緯紗。間隔跨距為5根緯紗的三維間隔機(jī)織物組織圖如圖2所示。

圖1 間隔跨距為5根緯紗的三維間隔機(jī)織物經(jīng)向截面圖Fig.1 Warp section of 3D spacer fabric with interval span of 5

圖2 間隔跨距為5根緯紗的三維間隔機(jī)織物上機(jī)組織圖Fig.2 Fabric drawing of 3D spacer fabric with spacer span of 5

1.3 結(jié)構(gòu)與性能表征

1.3.1 織物表觀形貌測(cè)試

使用尼康D5300相機(jī)(日本尼康株式會(huì)社)觀察織物整體形貌以及間隔成型情況。

1.3.2 力學(xué)性能測(cè)試

參照GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能 第1部分:斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定(條樣法)》進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。將試樣裁成30 cm×6 cm的矩形,采用YG(B)026D-500型號(hào)電子織物強(qiáng)力機(jī)(西安明克斯檢測(cè)設(shè)備有限公司)測(cè)試試樣斷裂強(qiáng)力,設(shè)置拉伸速度為20 mm/min。

參照GB/T 19976—2005《紡織品 頂破強(qiáng)力的測(cè)定 鋼球法 》進(jìn)行頂破性能測(cè)試。將試樣裁成直徑為5 cm的圓形,采用YG026M-250電子織物強(qiáng)力機(jī)(浙江方圓檢測(cè)股份有限公司)測(cè)試試樣頂破強(qiáng)力,設(shè)置試驗(yàn)機(jī)速度為300 mm/min。

1.3.3 阻燃性能測(cè)試

參照GB/T 5454—1997《紡織品 燃燒性能試驗(yàn) 氧指數(shù)法》進(jìn)行阻燃性能測(cè)試。裁取6.5 cm×10.0 cm的矩形間隔織物試樣,在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下進(jìn)行調(diào)濕。采用M606B型數(shù)顯氧指數(shù)測(cè)定儀(青島山紡儀器有限公司)測(cè)試試樣極限氧指數(shù)(LOI)。

參照GB/T 5455—2014《紡織品 燃燒性能 垂直方向損毀長(zhǎng)度、陰燃和續(xù)燃時(shí)間的測(cè)定》進(jìn)行紡織品垂直燃燒測(cè)試。將試樣裁成300 mm×80 mm的矩形,采用M601垂直法阻燃性能測(cè)試儀(青島山紡儀器有限公司)測(cè)定織物的續(xù)燃、陰燃時(shí)間等參數(shù),并對(duì)其燃燒性能進(jìn)行分析。

1.3.4 隔熱性能測(cè)試

參照GB/T 11048—2018《紡織品 生理舒適性 穩(wěn)態(tài)條件下熱阻和濕阻的測(cè)定(蒸發(fā)熱板法)》進(jìn)行織物隔熱性能測(cè)試。采用YG606D型平板式織物保溫儀(寧波紡織儀器廠)測(cè)定織物的克羅值和保溫率,并對(duì)熱阻值進(jìn)行計(jì)算。

1.3.5 熱防護(hù)性能測(cè)試

參照GB/T 38302—2019《防護(hù)服裝 熱防護(hù)性能測(cè)試方法》進(jìn)行熱防護(hù)性能測(cè)試。裁取15 cm×15 cm的正方形間隔織物試樣,采用FFZ334-Ⅱ熱防護(hù)性能測(cè)試儀(浙江方圓檢測(cè)股份有限公司)測(cè)定織物熱防護(hù)性能(TPP),每塊樣品測(cè)試5次。

1.3.6 熱穩(wěn)定性測(cè)試

參照GB 8965.1—2020《防護(hù)服裝 阻燃服》進(jìn)行熱穩(wěn)定性能測(cè)試。裁取10 cm×10 cm的正方形間隔織物試樣,采用ZKFF-210恒溫鼓風(fēng)干燥箱(南京百夫諾機(jī)械設(shè)備有限公司)將織物烘干,然后放入(260± 5)℃ KSL-1200X馬弗爐(合肥科晶材料技術(shù)有限公司)中加熱60 min,測(cè)量并對(duì)比加熱前后織物質(zhì)量和尺寸的變化,每塊樣品測(cè)試5次。

2 結(jié)果與討論

2.1 三維間隔機(jī)織物形貌分析

三維間隔機(jī)織物的形貌如圖3所示。4組三維間隔機(jī)織物整體成型良好,間隔效果明顯。間隔跨距為5、11、17根緯紗時(shí),上下層布面縫隙(稀密路織疵)相對(duì)較小,當(dāng)間隔跨距達(dá)到23根緯紗時(shí),上下層布面縫隙(稀密路織疵)逐漸增大。形成稀密路織疵的原因在于隨著間隔跨距增大,張力不勻現(xiàn)象越嚴(yán)重,使織物表面出現(xiàn)較為明顯的縫隙。從圖3織物側(cè)面可以看出所有織物的間隔效果明顯,間隔紗可以很好的支撐起整個(gè)織物。

圖3 三維間隔織物外觀形貌Fig.3 Appearance of basalt/polyimide 3D spacer fabrics

2.2 間隔跨距對(duì)力學(xué)性能的影響

不同間隔跨距的玄武巖纖維/聚酰亞胺纖維三維間隔織物斷裂強(qiáng)力和頂破強(qiáng)力測(cè)試結(jié)果如圖4所示。4組樣品的拉伸斷裂強(qiáng)力均大于2 000 N,頂破強(qiáng)力均在2 000 N以上。隨著間隔跨距增大,織物的斷裂強(qiáng)力逐漸增強(qiáng);而織物的頂破強(qiáng)力隨著間隔跨距增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),當(dāng)間隔17根緯紗時(shí)頂破強(qiáng)力達(dá)到最大,之后開始下降。這是由于隨著跨距的增大,間隔紗上下交替屈曲的頻率降低,織物的薄弱點(diǎn)減少,因此頂破強(qiáng)力增大;間隔跨距達(dá)到23根緯紗時(shí),相同單位長(zhǎng)度下間隔紗的密度較低,支撐作用也隨之下降,2組間隔紗中間易向下凹陷,在外力作用下易產(chǎn)生應(yīng)力集中,出現(xiàn)頂破現(xiàn)象。

圖4 三維間隔織物的斷裂強(qiáng)力和頂破強(qiáng)力Fig.4 Breaking strength and bursting strength of basalt/polyimide 3D spacer fabric

2.3 間隔跨距對(duì)阻燃性能的影響

4組不同間隔跨距的樣品的極限氧指數(shù)以及垂直燃燒測(cè)試結(jié)果如表1所示。4組樣品極限氧指數(shù)均高于35%,屬于不燃紡織品。隨著間隔跨距的增加,聚酰亞胺纖維層極限氧指數(shù)逐漸降低,原因在于間隔跨距的增加,使得織物中空氣的含量增大且纖維與空氣的接觸面增大,織物更易發(fā)生燃燒,進(jìn)而降低織物的阻燃性能。垂直燃燒測(cè)試中,4組樣品陰燃、續(xù)燃時(shí)間均為0 s,無(wú)熔融、滴落現(xiàn)象。玄武巖纖維織物層損毀長(zhǎng)度均為0 mm,而聚酰亞胺纖維織物層的損毀長(zhǎng)度介于0.58～0.64 mm之間。

表1 不同間隔跨距的三維間隔織物極限氧指數(shù)測(cè)試及垂直燃燒測(cè)試結(jié)果Tab.1 Oxygen index test and vertical combustion test results of three-dimensional spacer fabrics with different spacer spans

2.4 間隔跨距對(duì)隔熱性能的影響

不同間隔跨距的三維間隔機(jī)織物的隔熱性能見圖5。

圖5 三維間隔織物的保溫率與熱阻變化圖Fig.5 Variation of thermal resistance and insulation rate of 3D spacer fabric

從圖5可以看出,隨著間隔跨距的增大,4組樣品的保溫率與熱阻值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),當(dāng)間隔跨距為17根緯紗時(shí),達(dá)到最大值。這是由于間隔織物的中間空氣層隨著間隔跨距的增大而增大,空氣層的增大使得熱量傳遞速率降低,織物熱阻增大,保溫率提高。當(dāng)間隔跨距達(dá)到23根緯紗,織物布面縫隙較大,同時(shí)間隔結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,使得熱量透過(guò)縫隙進(jìn)入織物內(nèi)部,熱阻降低,保溫率下降。

2.5 間隔跨距對(duì)熱防護(hù)性能的影響

圖6為不同間隔跨距的三維間隔織物熱防護(hù)性能圖。4組樣品TPP值均在1 000 kW·s/m2以上,遠(yuǎn)高于GA 10—2014《消防員滅火防護(hù)服》要求的28 kW·s/m2,織物熱防護(hù)性能優(yōu)良。TPP值隨著間隔跨距的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)間隔跨距為17根緯紗時(shí),TPP值最大,達(dá)到了1 136 kW·s/m2。當(dāng)間隔跨距達(dá)到23根緯紗時(shí),間隔紗的密度較低,支撐作用下降,織物變得扁平,熱量更容易透過(guò)織物,熱防護(hù)性能隨之下降,TPP測(cè)試結(jié)果和熱阻曲線走向一致。

圖6 三維間隔織物的TPP值Fig.6 TPP values of 3D spacer fabric with different spacer spans

2.6 間隔跨距對(duì)熱穩(wěn)定性的影響

在熱穩(wěn)定性測(cè)試中,織物經(jīng)過(guò)高溫處理后經(jīng)向、緯向和高度方向的尺寸變化率都為0,說(shuō)明三維間隔機(jī)織物受熱前后的尺寸穩(wěn)定性好,不會(huì)發(fā)生收縮或延展。間隔跨距為5、11、17、23根緯紗的織物質(zhì)量變化率分別為0.29%、0.37%、0.36%、0.38%,這是由于水分以及雜質(zhì)的蒸發(fā),材料本身沒有發(fā)生熱分解。

3 結(jié) 論

本文以玄武巖紗線、聚酰亞胺紗線為原料設(shè)計(jì)并織造了4種不同間隔跨距的三維間隔機(jī)織物,并對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試。三維間隔機(jī)織物具有良好的頂破性能、撕裂性能以及良好的阻燃隔熱性能、熱防護(hù)性能和熱穩(wěn)定性。當(dāng)間隔跨距增加到17根緯紗時(shí),三維間隔機(jī)織物的熱阻達(dá)到最大,為59.15 ℃·m2/W,表明在穩(wěn)定結(jié)構(gòu)下,三維間隔機(jī)織物中間空氣層能有效減緩熱量傳遞,從而提高織物的隔熱性能以及熱防護(hù)性能,為熱防護(hù)用三維間隔機(jī)織物的應(yīng)用提供了一種可能性。