光濕復(fù)合老化對(duì)消防服用織物性能的影響

馬春杰，崔志英

(東華大學(xué)服裝藝術(shù)·設(shè)計(jì)學(xué)院，上海 200051)

在消防環(huán)境-服裝-人體系統(tǒng)中，消防環(huán)境是前提條件，服裝研究是途徑，人體的需求是研究的依據(jù)和目的，其中環(huán)境對(duì)服裝以及人體的影響不容忽視，惡劣的火災(zāi)環(huán)境中熱、濕、光、氣、應(yīng)力等多種因素并存，不僅損害了服裝本身，也威脅到消防員的人身安全。由于環(huán)境的復(fù)雜性，目前大部分國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)防護(hù)服的研究均是模擬高溫、低溫、濕、光等單一因素［1－3］，少數(shù)學(xué)者模擬2種因素組合的環(huán)境條件，如M.Fu［4］曾對(duì)熱輻射作用下，干濕條件對(duì)消防服織物熱防護(hù)性能的影響進(jìn)行了研究;劉君杰［5］研究了光熱作用下幾種消防服用纖維的老化性能。本文以常用的消防服用織物為對(duì)象，研究光濕復(fù)合作用后織物的力學(xué)性能及熱防護(hù)性能，以進(jìn)一步探討多種復(fù)合環(huán)境因素對(duì)消防服用織物使用性能的影響，為消防服使用過程中性能的評(píng)價(jià)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

消防服通常由4層織物構(gòu)成，分別為外層、透氣層、隔熱層及舒適層。本文選用的試樣為:A1、A2、A3是秋冬款消防服外層面料;A4是夏款消防服面料;B、C、D分別為透氣層、隔熱層及舒適層?？椢锏奈锢韰?shù)如表1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

依據(jù)太陽(yáng)光基本理論［6］及AATCC TM 16-2004《紡織品 耐光照色牢度》、ISO 105 B02-1994《紡織品色牢度試驗(yàn)》等標(biāo)準(zhǔn)，采用氙燈作為模擬日光光源，其功率為1500W，濾光系統(tǒng)選用紫外延展濾光器，長(zhǎng)寬厚為350mm×90mm×5mm，波長(zhǎng)截止點(diǎn)為275 nm，其允許透過比地球表面太陽(yáng)光的波長(zhǎng)截止點(diǎn)290 nm更短的紫外線。采用DT-1300照度計(jì)和JTR09高溫輻射熱計(jì)標(biāo)定輻照度，UV-340A紫外輻照計(jì)標(biāo)定輻照度控制點(diǎn)，保證在300～420 nm段控制范圍的輻射量不小于42 W/m2?？椢锕饫匣瘍x器示意圖如圖1所示。

表1 消防服多層面料的物理參數(shù)Tab.1 Physical characteristics of multilayered fabrics of firefighter protective clothing

圖1 光老化儀示意圖Fig.1 Schematic diagram of light aging instrument

1.3 光濕老化實(shí)驗(yàn)方案

1.3.1 織物水處理方法

根據(jù)ISO 15383—2001《消防隊(duì)員的保護(hù)手套-試驗(yàn)室試驗(yàn)方法和性能要求》及AATCC Test Method 70—2010《拒水性:翻轉(zhuǎn)式容器動(dòng)態(tài)吸水試驗(yàn)》，在恒溫恒濕的環(huán)境下，將試樣完全浸潤(rùn)在溫度為(20±2)℃的水中，根據(jù)面料的防水程度選擇浸潤(rùn)時(shí)間，以達(dá)到設(shè)定的浸潤(rùn)程度，A1和A2面料防水性強(qiáng)，且厚度和面密度較大，浸潤(rùn)時(shí)間遠(yuǎn)長(zhǎng)于A3和A4面料。浸潤(rùn)取出后，在試樣的上方和下方加上吸水紙，施加3.5 kPa(換算成質(zhì)量為21 kg)的壓力，保持20 min。試樣在狀態(tài)調(diào)節(jié)后密封在塑料帶中，以便于進(jìn)行其他實(shí)驗(yàn)。面料潤(rùn)濕程度用含水率表示，計(jì)算公式［7］如下:

式中:W為含水率，%;G0為織物浸潤(rùn)前的質(zhì)量，g;G為織物浸潤(rùn)后的質(zhì)量，g。

織物的潤(rùn)濕狀態(tài)設(shè)定為2種狀態(tài):含水量約40%和飽和潤(rùn)濕狀態(tài)。

1.3.2 光濕復(fù)合老化

模擬日光老化的主要參數(shù):光輻照強(qiáng)度值為(5.4 ±0.27)kW/m2，輻照時(shí)間分別為 0、15、30、45、60 min。預(yù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)光濕老化順序?qū)?shí)驗(yàn)結(jié)果無顯著影響，故本文設(shè)計(jì)先光照后潤(rùn)濕的老化實(shí)驗(yàn)。

1.4 織物性能測(cè)試

1.4.1 織物表面色差值測(cè)試

采用島津UV-3600分光光度計(jì)對(duì)樣品顏色的光譜進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)CIEXYZ D65標(biāo)準(zhǔn)光源的光譜功率分布，通過三刺激值計(jì)算公式和色度公式計(jì)算測(cè)得樣品的三刺激值以及色度坐標(biāo)［8］。

三刺激值計(jì)算公式為

式中:I(λ)為反射光源的光譜能量分布;X(λ)、Y(λ)、Z(λ)為CIEXYZ標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)的光譜三刺激值;x、y、z為樣品的色度坐標(biāo)值;k為歸化系數(shù)。

利用MatLab軟件進(jìn)行織物表面色差值的計(jì)算［9］。首先，利用load函數(shù)導(dǎo)入標(biāo)準(zhǔn)光源數(shù)據(jù)和樣品的光譜功率分布數(shù)據(jù)(光反射率)，并導(dǎo)入CIE標(biāo)準(zhǔn)D65光源的三刺激值，編寫wlen、interp和ccolor 3個(gè)功能函數(shù)獲取樣品光譜功率的三刺激值和色度坐標(biāo);然后編寫空間轉(zhuǎn)換函數(shù)xyz2Lab，計(jì)算樣品的Lab坐標(biāo)值;最后利用色差公式計(jì)算對(duì)比樣之間的平均色差值。色差值計(jì)算公式為

圖2和表2分別示出試樣A1的光譜曲線圖及色差。

1.4.2 力學(xué)性能測(cè)試

采用Y 511型織物密度鏡、YG(B)141D數(shù)字式織物厚度儀、織物電子天平、YG 46lE型電腦式透氣性測(cè)試儀及Instron 3365萬能材料試驗(yàn)機(jī)分別測(cè)試織物的經(jīng)緯紗線密度、厚度、面密度、透氣性、斷裂強(qiáng)力和撕破強(qiáng)力。采用美國(guó)CSI-206型TPP熱防護(hù)性能測(cè)試儀進(jìn)行熱防護(hù)性能測(cè)試。

圖2 D65光源下試樣A1在光老化后顏色的光譜曲線Fig.2 Spectral curves of sample A1 after photoaging under light D65

表2 光老化后A1表面顏色色差Tab.2 Color difference of sample A1 after photoaging

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 光濕復(fù)合對(duì)織物表面性能的影響

經(jīng)過光老化后各試樣表面顏色變暗，手感變硬、毛糙，并有碳化現(xiàn)象，其中A2最為明顯。圖3示出光濕復(fù)合作用下織物色差值的測(cè)試結(jié)果。

由圖3可知，各試樣在光濕老化過程中，色差值隨光照時(shí)間的增加而增大。光照15 min后，各試樣的色差值均大于3，顏色較原樣變化明顯，其中A2干態(tài)下的色差值最大，為9.49，這是由于偏黃色的染料及試樣吸收的光偏藍(lán)紫光，高能量的短波加速了織物的老化，顏色變化大。光老化60 min后，A2、A3、A4干態(tài)下的色差值分別是15 min的2倍，色差值為6～19.68，屬于大色差范圍［8］，潤(rùn)濕時(shí)試樣的色差值略有增加，其中吸水性最好的A4色差值增加最大，干態(tài)為6.15，飽和潤(rùn)濕時(shí)為12.85。其原因是水分子在一定程度上阻礙了光的反射。利用SPSS分析得到光照時(shí)間、潤(rùn)濕程度對(duì)色差值影響均顯著(光老化P＜0.001，潤(rùn)濕P＜0.05)，即光照時(shí)間越長(zhǎng)或潤(rùn)濕程度越大，織物顏色越深，色差值越大。

圖3 光濕復(fù)合作用下織物的色差值Fig.3 Color difference of fabrics under effect of light and moisture treatment

2.2 光濕復(fù)合對(duì)織物力學(xué)性能的影響

表3示出光老化后織物的基本物理參數(shù)?？梢钥闯?，光老化過程中各試樣的厚度均呈增加趨勢(shì)。經(jīng)緯密度的變化情況是:除A1經(jīng)15 min光老化后經(jīng)緯密減小、透氣率增大外，其他試樣的經(jīng)緯密整體均呈增大趨勢(shì)，透氣率整體均呈減小趨勢(shì)，各試樣的透氣率變化率絕對(duì)值最大為17.9%，同時(shí)通過掃描電子顯微鏡可觀察到(圖4示出試樣A3光老化前后的SEM照片)，織物中纖維束開裂，雜亂地糾纏分布，使得包裹的紗線熱膨脹，各紗線間的空隙變小，同時(shí)受織物熱收縮的影響，導(dǎo)致織物厚度變大、透氣性變差。潤(rùn)濕后，織物的經(jīng)緯密度和厚度較干態(tài)時(shí)幾乎不變，但透氣性顯著減小，其中A4變化最顯著，其飽和潤(rùn)濕后的透氣率比干態(tài)時(shí)減小了200mm/s，經(jīng)SPSS分析得潤(rùn)濕程度與織物透氣率呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(r=－0.893，P＜0.001)。

表3 光老化后織物物理參數(shù)Tab.3 Physical parameters of fabrics after photoaging

圖4 光老化后A3的SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM images of sample A3 after photoaging.(a)Untreated A3 enlarged(×100);(b)60 min-photoaged A3 enlarged(×100);(c)Untreated A3 enlarged(×500);(d)60 min-photoaged A3 enlarged(×100)

各試樣未經(jīng)光濕復(fù)合老化的撕破強(qiáng)力和斷裂強(qiáng)力如表4所示，其性能均滿足GA 10—2002《消防員滅火防護(hù)服》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。

表4 光濕復(fù)合老化前試樣的強(qiáng)力Tab.4 Strength of untreated samples

圖5示出織物光濕老化后的撕破強(qiáng)力保持率?？煽闯?，光濕老化過程中，織物的撕破強(qiáng)力保持率隨著光照時(shí)間及潤(rùn)濕度增加而減小，其中光老化60 min后，A2的干態(tài)經(jīng)向撕破強(qiáng)力分別為119.32、100.33 N，強(qiáng)力保持率約為65%，保持性最好，而A3的撕破強(qiáng)力下降最大，保持率約為50%，其緯向強(qiáng)力為96.06 N。由SPSS分析得到:光照時(shí)間對(duì)經(jīng)、緯向撕破強(qiáng)力影響顯著(P＜0.001);潤(rùn)濕程度對(duì)經(jīng)、緯向撕破強(qiáng)力影響顯著(P＜0.05)。

表5示出織物光濕復(fù)合作用后的斷裂強(qiáng)力保持率?？煽闯?，光濕老化后除了A4，其他試樣的斷裂強(qiáng)力保持率均呈遞減趨勢(shì)，且A4潤(rùn)濕后出現(xiàn)緯向強(qiáng)力(飽和潤(rùn)濕狀態(tài)下為641.69 N)低于650 N，而其他試樣的強(qiáng)力均高于標(biāo)準(zhǔn)值，其中A2的濕強(qiáng)保持性最好，光老化60 min后，在飽和潤(rùn)濕狀態(tài)下強(qiáng)力保持率大于87%。由SPSS分析可得，潤(rùn)濕程度對(duì)斷裂強(qiáng)力影響顯著(P＜0.01)。

2.3 光濕復(fù)合對(duì)織物熱防護(hù)性能的影響

測(cè)試光濕復(fù)合作用后試樣的熱防護(hù)性能，總熱流量設(shè)定為83.5 kW·s/m2，結(jié)果見表6。經(jīng)模擬光照后，干態(tài)下外層織物的TPP值總體上略有增加，光照15 min后各試樣的TPP值增大，增加值最大為16.70 kW·s/m2，45 min日曬后TPP值減小，但經(jīng)過更長(zhǎng)時(shí)間的日曬后TPP值又開始增大，這與已有的研究結(jié)論［10］一致，織物TPP值與其厚度密切相關(guān)，厚度越大，TPP值越大。而干態(tài)下多層組合織物的TPP值變化和外層的情況相似。由SPSS分析可得，光老化對(duì)外層以及多層TPP值的影響均顯著(P＜0.05)。一定時(shí)間的光照后，織物熱防護(hù)性能沒有減小反而有一定程度的提高。

圖5 光濕復(fù)合作用下織物的撕破強(qiáng)力保持率Fig.5 Retention rate of tear strength of fabrics under effect of light and moisture treatment.(a)A1 warp;(b)A1 weft;(c)A2 warp;(d)A2 weft;(e)A3 warp;(f)A3 weft;(g)A4 warp;(h)A4 weft

表5 光濕復(fù)合作用下織物的斷裂強(qiáng)力保持率Tab.5 Retention rate of breaking strength of fabrics under effect of light and moisture treatment %

表6 光濕復(fù)合作用下外層織物的TPP值Tab.6 TPP values of outer fabrics under effect of light and moisture treatment kW·s/m2

從表6可看出，相同時(shí)間的日曬下，TPP值隨潤(rùn)濕程度的增加而變大，A3和A4在潤(rùn)濕飽和狀態(tài)下TPP值增加值達(dá)原樣的1倍，多層組合織物的TPP值變化趨勢(shì)與外層相近，這是由于水分使織物的加熱速率下降并延遲了織物點(diǎn)燃，從而使模擬皮膚到達(dá)二度燒傷的時(shí)間加長(zhǎng)。由SPSS分析得，潤(rùn)濕程度對(duì)外層及多層組合試樣的熱防護(hù)性能影響顯著(P＜0.05)。

3 結(jié)論

本文對(duì)消防服常用外層織物進(jìn)行了光濕復(fù)合老化實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:織物表面顏色隨著光老化時(shí)間的延長(zhǎng)而加深，其中PBI織物變化最為顯著，光照15 min后，其色差值為9.49，潤(rùn)濕程度對(duì)織物表面顏色影響顯著(P＜0.05)。

光濕老化過程中，織物的撕破強(qiáng)力和斷裂強(qiáng)力都隨著光照時(shí)間及潤(rùn)濕度增加而減小，光老化對(duì)撕破強(qiáng)力的影響大于斷裂強(qiáng)力。光濕老化對(duì)織物的撕破強(qiáng)力具有顯著影響，光照60 min后國(guó)產(chǎn)芳綸織物的干態(tài)緯向撕破強(qiáng)力為96.06 N，強(qiáng)力保持率約為50%，強(qiáng)力下降最大;而PBI織物仍具有約65%的強(qiáng)力，保持率最好。而光老化對(duì)斷裂強(qiáng)力影響不顯著，潤(rùn)濕程度對(duì)斷裂強(qiáng)力影響顯著(經(jīng)緯向 P＜0.05)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，國(guó)產(chǎn)芳綸織物的力學(xué)保持性較Nomex?ⅢA和PBI織物差，且在光老化60 min后國(guó)產(chǎn)芳綸織物的干態(tài)緯向撕破強(qiáng)力已不能滿足GA 10—2002標(biāo)準(zhǔn)要求，因此需進(jìn)一步提高其力學(xué)性能。而織物的TPP值經(jīng)過光濕復(fù)合作用后都有一定程度的增加，即熱防護(hù)性能變好。

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