光熱復合老化對消防服用織物性能的影響*

馬春杰 丁作偉 崔志英 于偉東

1. 東華大學服裝·藝術設計學院，上海 200051；2. 東華大學紡織學院，上海 201620

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光熱復合老化對消防服用織物性能的影響*

馬春杰1丁作偉2崔志英1于偉東2

1. 東華大學服裝·藝術設計學院，上海 200051；2. 東華大學紡織學院，上海 201620

選擇常用的消防服用織物進行光熱復合老化試驗，測試織物的表面色差、物理力學性能和熱防護性能(TPP值)。結果表明：光、熱單獨作用及復合作用過程中，織物表面色差呈增大趨勢，熱老化對織物顏色的影響顯著(P<0.01)；光、熱的交互作用對織物的面密度影響最顯著(P=0.039)；撕破強力和斷裂強力保持率隨著光照時間和熱輻射時間的增加而減小，其中，光、熱先后作用30 min復合老化后，織物的緯向撕破強力低于標準值100 N；光、熱單獨作用對織物強力保持率影響顯著(P<0.05)，而光、熱交互作用對撕破強力保持率影響顯著(P<0.05)；外層織物的TPP值隨著光照時間及熱輻射時間的增加而增大，其中，光、熱先后老化30 min時，PBI織物的熱防護性能最好，光、熱交互作用對外層和組合織物的TPP值均有顯著影響(P=0)。

消防服，光熱復合老化，表面色差，物理力學性能，熱防護性能

消防服在實際使用中不可避免地會遭受熱(如熱輻射、熱對流)、光(如紅外光、紫外光、太陽光)等許多環境因素的影響。目前，國內外對熱環境或日曬條件下消防服及其織物性能的研究比較充分[1-4]，而對光熱復合作用條件下的研究相對較少，而且僅是針對高性能纖維的研究。劉曉艷[5]、蔡光明[6]對光熱作用下Kevlar、 Kermel、 PBO三種高性能纖維進行了研究。劉君杰[7]通過對光熱老化機理的深入分析，認為光熱同時作用會使芳綸紗線及其織物的力學性能下降更為明顯，且加快了其老化速度，說明光熱復合對纖維存在交互作用。本文以常用的消防服用織物為對象，研究光熱復合作用下織物的表觀性能、力學性能及熱防護性能，對比分析不同作用形式對織物的老化強弱，以進一步探討更為復雜的環境下消防服性能的變化，為消防服使用過程中的性能評價和壽命預測提供參考，從而更好地保護消防員的人身安全。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

消防服通常由四層織物構成，分別為外層、透氣層、隔熱層及舒適層。本文選用四種外層試樣：A1為藏青色Nomex ⅢA[構成為Nomex/Kevlar/P140(93/5/2)]、A2為土黃色PBI[構成為Kevlar/PBI/P140(58/40/2)]、A3為橙紅色國產芳綸[構成為國產芳綸1313/Kevlar/P140(93/5/2)]、A4為暗橙色Nomex ⅢA[構成為Nomex/Kevlar/P140(93/5/2)]；透氣層B、隔熱層C及舒適層D分別為聚四氟乙烯(PTFE)膜、隔熱氈和阻燃黏膠。

1.2 試驗方法

1.2.1 光熱老化測量裝置與方法

依據太陽光基本理論及ISO 105 B02—1994《紡織品 色牢度試驗》等標準，采用氙燈作為模擬日光光源，其功率為1500 W；濾光系統選用紫外延展濾光器，長×寬×厚為350 mm×90 mm×5 mm， 波長截止點為275 nm，其允許透過比地球表面太陽光的波長截止點290 nm更短的紫外線。依據NFPA 1971 Standard on Protective Ensemble for Structural Fire Fighting 及ISO 17492—2003《隔熱和防熱服 暴露于火和輻射熱時防護服的熱傳遞的測定》等標準，采用遠紅外乳白石英加熱管模擬熱源，其外徑為10 mm，長為350 mm，功率為300 W/根，共9根。采用JTR09型高溫輻射熱計標定光強度和熱輻射強度，UV-340A型紫外輻照計標定光輻照度控制點，保證在300～420 nm段控制范圍的輻射量不小于42 W/m2。織物光老化儀和熱老化儀如圖1所示。

圖1 織物光、熱老化儀示意圖

本文設計先光照后熱輻射的老化試驗，模擬日光老化的輻照強度為(5.40±0.27) kW/m2，熱輻射的熱流強度為(5.40±0.27) kW/m2。光熱老化的組合方案如表1所示。

表1 光熱復合老化試驗的組合方案

注：“√”表示有組合，“×”表示無組合。

通過預試驗發現，熱輻射30 min 時，各試樣的緯向撕破強力和斷裂強力均低于標準值，已無法正常使用，若繼續熱輻射更長時間，試樣的機械強力將遠低于標準值，對試驗研究失去意義。而光老化30 min 時，各試樣的機械強力尚可，所以將光照時間設為0、 15、 30、 45、 60 min， 熱輻射時間設為0、 15、 30 min。

1.2.2 其他測試方法與儀器

1.2.2.1 織物表面色彩的測試

CIELAB顏色空間是國際照明委員會CIE制定的一種均勻的顏色系統，對于任何一種顏色都能在CIELAB色空間中表示出來。其中，L是光亮度，取值范圍為0(黑色)～100(白色)；a和b表示色坐標(其中a代表紅綠軸，b代表黃藍軸)，它們的取值范圍為-128～127。獲取Lab值的前提是測得樣品的三刺激值(X、Y、Z)及色度坐標(x、y、z)。三刺激值計算公式如下：

(1)

式中：I(λ)——光源經物體反射進入人眼的光譜能量分布；

λ——光譜波長；

k——歸化系數[8]。

色度坐標公式如下：

(2)

三刺激值與色度坐標轉化過程的計算比較復雜，本文采用的方法：①采用島津UV-3600型分光光度計對樣品進行光譜測量；②通過MATLAB軟件編程[9]，利用load函數導入標準光源數據、樣品的光譜功率分布數據(光反射率)及CIE標準D65光源的三刺激值；③編寫wlen、interp和ccolor三個功能函數,獲取樣品光譜功率的三刺激值和色度坐標；④編寫空間轉換函數xyz2lab，計算樣品的Lab值。圖2是各外層試樣表面顏色的光譜曲線，表2是測得的色彩信息。

圖2 D65光源下外層試樣顏色的光譜曲線

表2 外層試樣表面顏色信息

1.2.2.2 織物性能測試

采用Y 511型織物密度鏡、YG(B) 141D型數字式織物厚度儀、織物電子天平、YG 46lE型電腦式透氣性測試儀及美國Instron 3365型萬能材料試驗機，分別測試織物的經緯紗線密度、厚度、面密度、透氣性、斷裂強力和撕破強力；采用美國CSI-206 型熱防護性能測試儀測試織物的熱防護性能(TPP值)。

2 試驗結果與分析

2.1 光熱復合老化對織物表面性能的影響

圖3反映了光熱老化后織物表面的變化。從圖中可以看出：光、熱單獨作用過程中，織物表面顏色變暗，手感變硬、毛糙，并有炭化現象，且在熱輻射30 min 時織物的顏色比光照30 min時稍暗；光、熱先后各作用30 min后，織物的顏色比光、熱單獨作用30 min及光老化60 min時都要暗，炭化現象更為明顯。表3是光熱復合老化后織物表面的色差值，從表中可看出，光、熱單獨作用過程中，各試樣表面色差值均呈上升趨勢，經SPSS分析[10]得，光、熱單獨作用時間對織物色差值影響顯著(F檢驗時均有P<0.01)。光熱復合老化過程中，各試樣表面色差值整體均呈上升趨勢，且光、熱先后各作用30 min后色差變化顯著，此作用下各試樣的色差值由大到小為A3(26.03)>A2(25.47)>A4(21.03)>A1(6.72)。一般情況下，織物的顏色與所用染料濃度呈正相關[11]，且偏黃色的染料吸收偏藍紫的光。染色織物光老化后褪色甚至炭化的原因是，光優先致使染料聚合物發生氧化降解，經過一定時間后(色素基本不再分解)，再進入纖維層發生光化學反應。在聚合物光降解的過程中不可避免地產生熱的作用，光氧化反應引發速率高，熱氧化經過光的誘導和自催化后伴隨著光氧化發生[5]，所以土黃色織物(A2)的色差值遠大于藏青色織物(A1)；又由于國產芳綸的耐熱性和耐光性比Nomex和PBI差，所以A3的色差值最大。

圖3 光熱老化后織物的外觀形態

有關研究[12]表明，在5.42 kW/m2的光輻照度下，芳綸織物和NomexⅢA織物光照約12 min后色素分解基本穩定，后期的色變主要原因是纖維發生光氧降解和熱氧降解致使織物炭化。但是光老化產生的熱效應遠不及熱輻射的熱效應，織物經受熱輻射的表面溫度要高于光照時的溫度，從圖4的光、熱單獨作用下織物的表面溫度變化(以A1和A2為例)可得以驗證。所以，相同作用時間下，不同老化形式對芳香族聚酰胺纖維織物(A1、 A3和A4)老化程度中，熱老化對織物性能的損傷最大，其次是光熱復合老化和光老化。而PBI織物由于其組分PBI纖維的耐熱性非常好，織物表面受損的主導因素是光的作用，所以其在經過光熱復合老化30 min之前遵循的規律：光老化>光熱復合老化>熱老化，光熱復合老化時間超過30 min，以及更長的老化時間后，遵循的規律與芳香族聚酰胺纖維織物相同。

表3 光熱復合老化后織物表面色差值

圖4 光、熱單獨作用下A1和A2的表面溫度

2.2 光熱復合老化對織物物理性能的影響

表4為光熱老化后織物的基本物理參數。從表4中可以看出，光、熱單獨老化過程中，織物厚度整體均呈增大趨勢。經SPSS分析可得，光、熱老化時間對厚度影響顯著(P分別為0.001、 0)；光老化時間對面密度、透氣率及經緯密度影響不顯著(P>0.05)，而熱老化時間對面密度影響顯著(P=0.027)。熱老化過程中面密度的增大說明織物發生了熱收縮，使得單位面積空隙變小，而熱老化過程中織物經緯密度的增大和透氣率的下降與這一解釋相符。光熱復合老化過程中，光熱的交互作用對面密度影響最顯著(P=0.039)。 從表4中還可看出，相同作用時間下，不同老化形式對A1、 A3、 A4的破壞程度為熱老化>光熱復合老化>光老化。以A1為例，熱輻射30 min、光照15 min+ 熱輻射15 min及光照30 min 后，A1的面密度分別為212.80、 213.19、 204.12 g/m2。而A2因含有經黃色染料染色的PBI纖維，其光熱老化過程與其他織物有差異，老化30 min 前，A2表現為對光更敏感，光老化的破壞更大，30 min 后的情況則與A1相似，且這一規律與色差變化的規律相一致。

表4 光熱復合老化后織物物理參數

圖5和圖6分別為織物光熱老化后的撕破強力保持率和斷裂強力保持率。從圖5可看出，光熱老化過程中，織物的撕破強力保持率隨著光照時間及熱輻射時間的增加而減小，其中熱輻射15 min時，經緯向撕破強力保持率下降最明顯，最大變化率為44.78%(A3經過單獨熱輻射15 min時，經向撕破強力保持率為55.22%)。其原因是熱老化15 min時，A1～A4表面溫度(分別為297、 283、 277、 269 ℃)已達到Nomex和國產芳綸1313纖維的玻璃化溫度(約270 ℃)，在這一溫度下試樣內部的分子鏈段獲得了足夠的運動能量和空間后形成了比較穩定的分子間鍵，使得纖維內部局部的折疊鏈和孔洞增大，因而纖維的撕破強力大幅下降。光、熱先后各作用30 min 后，各試樣撕破強力及強力保持率下降顯著，其中A3的經向撕破強力保持率僅為49.91%，而各試樣的緯向撕破強力均低于100 N。從圖6可以看出，光熱老化過程中，織物的斷裂強力保持率隨著光照時間及熱輻射時間的增加而減小。其中光、熱先后作用30 min后，各試樣的斷裂強力及強力保持率變化顯著，其中最小的是A4，緯向斷裂強力及強力保持率分別為629.52 N、 89.33%，其他試樣的經緯向斷裂強力均高于650 N。由此說明，光熱復合老化60 min (光照30 min+熱輻射30 min)后，A4的斷裂強力已不符合標準，不能再繼續使用；而其他試樣的緯向撕破強力低于標準值，雖然斷裂強力仍符合標準，但耐久性較差。經SPSS分析可得，光、熱老化時間對織物的經緯向撕破強力保持率影響顯著(P=0)，光、熱老化時間對織物的經緯向斷裂強力保持率影響顯著(P<0.05)，而光、熱的交互作用只對撕破強力保持率影響顯著(經向P=0.018，緯向P=0.02)。

圖5 光熱復合作用下織物的撕破強力保持率

圖6 光熱復合作用下織物的斷裂強力保持率

表5是相同時間不同老化形式下織物經向撕破強力的比較。從表5中可看出，老化30 min前，除了A2，其他試樣經過相同時間不同老化形式的作用后，經向撕破強力由大到小依次為光老化>光熱復合老化>熱老化。以A1為例，光照30 min、光熱復合(光照15 min+熱輻射15 min)及熱輻射30 min后，A1的經向撕破強力分別為181.20、 180.22、 179.91 N，與老化45及60 min的情況相同。而老化30 min前，A2的經向撕破強力與其他織物有差異，但隨著時間的增加，熱效應變為老化的主因，撕破強力的變化規律與A1相同，其原因與色差和面密度變化的解釋一致，可認為色差變大、面密度變大的趨勢與經向撕破強力變小的趨勢相對應。相同老化時間不同老化形式下，各試樣的緯向撕破強力及經緯向斷裂強力的大小順序與經向撕破強力的規律相同。

表5 相同時間不同老化形式下織物的經向撕破強力

2.3 光熱復合老化對織物熱防護性能的影響

圖7為光熱復合老化后外層織物和多層組合織物的TPP值。從圖中可看出，外層織物的TPP值隨著光照時間及熱輻射時間的增加而增大，其中光、熱先后老化30 min時，各試樣TPP值變化明顯，A1～A4的TPP值增量分別為1.7、 1.7、 1.6、 1.3 cal/cm2。TPP值增加的原因是織物受光熱作用發生熱收縮，使得厚度增大，加上炭化效應，從而在表面形成一道保護屏障，使得其熱防護性能更好。光熱老化過程中，組合織物的TPP值變化與外層織物相似，整體呈變大趨勢，且光、熱先后各作用30 min 后，A2的TPP值及增加值最大，分別為34.7 和3.2 cal/cm2。由SPSS分析可得，光老化時間對外層織物的TPP值影響不顯著，對組合織物的TPP值影響顯著(P=0.026)；熱老化時間對外層和組合織物的TPP值影響均顯著(外層P=0，組合P=0.007)；光、熱的交互作用對外層和組合織物的TPP值均影響顯著(P均為0)。

圖7 光熱復合作用下織物的TPP值

表6是相同時間不同老化形式下外層織物的TPP值比較。從表6可看出，除了A2，其他試樣經過相同時間不同老化形式的作用后，TPP值由大到小依次為熱老化>光熱復合老化>光老化。以A1為例，熱輻射30 min，光、熱先后各作用15 min及光照30 min后，A1的TPP值分別為9.7、 9.6、 8.4 cal/cm2， 與老化45及60 min的情況相同。而老化30 min前A2的TPP值的變化規律與其他試樣有差異，但隨著時間的增加，熱效應變為老化的主因，TPP值的變化規律與A1相同，其原因與色差和面密度變化的解釋一致，可認為色差變大、面密度變大的趨勢與外層織物熱防護性能變好的趨勢相對應。相同老化時間不同老化形式下，組合織物的TPP值的變化規律與外層織物相同。

表6 相同時間不同老化形式下外層織物TPP值的比較

3 結語

本文對消防服常用外層織物進行了光熱復合老化試驗。通過試驗得到，光、熱單獨作用及復合作用過程中，各試樣表面色差值均呈上升趨勢；經SPSS分析得到，光、熱老化時間對織物色差值影響顯著(P<0.01)，且光、熱先后各作用30 min后色差變化顯著，色差值最大為26.03(國產芳綸)。

光熱老化過程中，光、熱的交互作用對面密度影響最顯著(P=0.039)。織物的撕破強力和斷裂強力保持率隨著光照時間及熱輻射時間的增加而減小。光、熱先后各作用30 min后，國產芳綸的經向撕破強力保持率僅為49.91%，且各試樣的緯向撕破強力均低于100 N。光、熱單獨作用對織物斷裂強力保持率影響顯著(P<0.05)，而光熱交互作用只對撕破強力保持率影響顯著。

外層織物的TPP值隨著光照時間及熱輻射時間的增加而增大。光、熱先后各作用30 min后，PBI織物的熱防護性能最好，光熱交互作用對外層和組合織物的TPP值均影響顯著(P=0)。

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防治霧霾 人人有責

綠色生活 人人共享

Effects of light and heat on the performance of the fabrics for fire suit

MaChunjie1，DingZuowei2，CuiZhiying1，YuWeidong2

1. College of Fashion and Art Design, Donghua University, Shanghai 200051, China;2. College of Textiles, Donghua University, Shanghai 201620, China

Fabrics commonly used for fire suit were exposed to light and heat. The surface color difference, physical and mechanical performance and thermal protective performance(TPP) of the fabrics were evaluated in laboratory. The results revealed that color difference increased as fabric was exposed to either light or heat or both, and the effect of heat aging on color was significant (P<0.01). The gram weight of the fabric was greatly affected by the interaction between light and heat (P=0.039). With the increase of exposure time and heat radiation time, both tearing strength and breaking strength decreased, and weft tearing strength was under standard value (100 N) after 30 min of light and heat aging in order. Either light or heat had great influence on the reduction ratio of fabric strength (P<0.05), and interaction had great influence on the reduction ratio of tearing strength (P<0.05). TPP value of the outer fabric increased with the increase of light and heat time, and thermal protective performance of PBI fabric was the best after 30 min of light and heat aging in order. TPP value of the outer or combination fabric was significantly affected by the interaction of light and heat (P=0).

fire suit, light and heat aging, color difference, physical and mechanical performance, thermal protective performance

*國家自然科學基金項目(51303023)

2014-09-16

馬春杰，女，1989年生，在讀碩士研究生，研究方向為服裝舒適性與功能性

崔志英，E-mail:cuizy@dhu.edu.cn

TS941.731

A

1004-7093(2016)02-0018-08