新型防護(hù)服水刺隔熱層材料的性能研究*

賈亞楠 殷保璞 靳向煜 黃 晨 許建琴 王 靜

1. 東華大學(xué)產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心， 上海 201620；2. 上海八達(dá)紡織印染服裝有限公司， 上海 200042

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新型防護(hù)服水刺隔熱層材料的性能研究*

賈亞楠1殷保璞1靳向煜1黃 晨1許建琴2王 靜2

1. 東華大學(xué)產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心， 上海 201620；2. 上海八達(dá)紡織印染服裝有限公司， 上海 200042

為開發(fā)性價(jià)比高的防護(hù)服隔熱層材料，采用水刺工藝制備不同耐高溫纖維質(zhì)量配比的非織造隔熱層材料，分析芳砜綸、芳綸1313、芳綸1414不同混紡比隔熱層的力學(xué)、透氣、熱穩(wěn)定、阻燃及熱防護(hù)性能。結(jié)果表明：隨著芳砜綸含量的增加，隔熱層的阻燃、熱穩(wěn)定性能提高，但力學(xué)性能下降；隔熱層中芳砜綸/芳綸1313/芳綸1414的質(zhì)量配比為40/40/20時(shí)，性價(jià)比最高。

防護(hù)服，隔熱層，水刺，芳綸1313，芳綸1414，芳砜綸，阻燃，熱穩(wěn)定，熱防護(hù)性能

消防服是保護(hù)消防員人身安全的重要裝備。消防服的結(jié)構(gòu)從內(nèi)到外依次為舒適層、隔熱層、防水透氣層、外層，其中，隔熱層要求具備良好的隔熱、防熱輻射性能[1]。目前市場上的隔熱層大多采用芳綸1313和芳綸1414混紡，質(zhì)量配比為70/30或80/20，這種隔熱層能夠滿足防火隔熱的基本要求，但成本太高。本文研究加入一種新的阻燃纖維——芳砜綸的消防服隔熱層材料的性能。芳砜綸的性能與芳綸1313相似，但價(jià)格較便宜。用芳砜綸取代部分芳綸并采用水刺工藝來加工隔熱層材料，力求在滿足隔熱層阻燃、隔熱等性能要求的基礎(chǔ)上，使成本更低。這對拓展具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的芳砜綸的應(yīng)用具有重要意義。

1 試樣制備

采用相同的成網(wǎng)、水刺工藝，加工7種不同混紡比的芳砜綸/芳綸1313/芳綸1414隔熱層，隔熱層的面密度均設(shè)計(jì)為70 g/m2。

1.1 試樣制備的技術(shù)路線

計(jì)算各纖維使用量→稱量→手工扯松混合→梳理機(jī)開松梳理(二道)→水刺→晾干。

1.2 試樣制備的設(shè)備及工藝參數(shù)

試樣制備主要包括梳理成網(wǎng)、水刺加固兩個工藝。

梳理成網(wǎng)采用AS181A型梳棉試驗(yàn)機(jī)，接收輥表面積為0.189 8 m2。由接收輥面積和隔熱層面密度可計(jì)算出每種隔熱層需要的纖維總量為70×0.189 8=13.286(g)。考慮到梳理過程中會有纖維損失，實(shí)際梳理纖維量設(shè)為14.5 g。

水刺加固采用德國Fleissner公司的Auftrags_Nr.T6616型水刺機(jī)，水刺工藝參數(shù)如表1所示。水刺分為預(yù)濕和主水刺兩道工序。預(yù)濕的目的是壓實(shí)蓬松的纖網(wǎng)，排出纖網(wǎng)中的空氣，使準(zhǔn)備接受主水刺加固的纖網(wǎng)預(yù)先吸收部分水分，并將纖網(wǎng)稍壓實(shí)。因預(yù)濕階段纖網(wǎng)中的纖維纏結(jié)不緊密，纖網(wǎng)易遭到破壞，所以水刺壓力設(shè)計(jì)得較小。主水刺的水刺道數(shù)設(shè)計(jì)為5道，纖網(wǎng)正反面輪流水刺，每一道的水壓逐步升高，使纖網(wǎng)逐步加固成具有一定強(qiáng)力的水刺產(chǎn)品。

表1 水刺工藝參數(shù)

1.3 試樣制備的規(guī)格

經(jīng)過梳理成網(wǎng)、水刺加固工藝后制作出的隔熱層規(guī)格如表2所示。

表2 隔熱層規(guī)格

由表2可看出，從樣品1到樣品3，芳綸1313含量逐漸減少，芳砜綸含量逐漸增加，樣品4到樣品7同樣如此。其中，樣品1和樣品4的質(zhì)量配比是市場上現(xiàn)有產(chǎn)品的配比，主要用作對照；芳綸1313和芳砜綸性能相似，所以主要改變它們的比例，分析其對隔熱層性能的影響。

試驗(yàn)中所用的芳砜綸短纖由上海特安綸纖維有限公司提供，規(guī)格為2.22 dtex × 51 mm；芳綸1414是煙臺泰和新材料股份有限公司生產(chǎn)的泰普龍短纖，規(guī)格為1.67 dtex × 51 mm；芳綸1313是煙臺泰和新材料股份有限公司生產(chǎn)的泰美達(dá)短纖，規(guī)格為2.22 dtex× 51 mm。

2 性能測試及分析

對上述7種隔熱層樣品進(jìn)行力學(xué)、透氣、熱穩(wěn)定、阻燃、熱防護(hù)性能的測試，并進(jìn)行比較和分析，找出性價(jià)比最高的隔熱層成分。

2.1 性能測試方法

試驗(yàn)涉及到的性能測試、參照標(biāo)準(zhǔn)及使用儀器型號如表3所示。

2.2 測試結(jié)果及分析

2.2.1 頂破強(qiáng)力

對隔熱層進(jìn)行頂破測試時(shí)，其各方位是同時(shí)受力的，頂破強(qiáng)力的大小反映了隔熱層抵御外界破壞能力的強(qiáng)弱。頂破強(qiáng)力測試結(jié)果如圖1所示。

表3 隔熱層性能測試參照標(biāo)準(zhǔn)及儀器

圖1 隔熱層頂破強(qiáng)力

由圖1可知，從樣品1到樣品3，隔熱層的頂破強(qiáng)力呈下降趨勢。原因分析：芳砜綸的卷曲穩(wěn)定性較差，纖維表面的摩擦系數(shù)低[3]，纖維間的抱合能力差，在受到外界作用力時(shí)，纖維間易產(chǎn)生滑移，所以隨著芳砜綸含量的增加，隔熱層的頂破強(qiáng)力下降。樣品4到樣品7同理，頂破強(qiáng)力也呈下降趨勢。

2.2.2 透氣性能

在消防作業(yè)中消防員會出大量的汗，消防服必須能及時(shí)將熱氣排出，從而為消防員提供更好的舒適性。隔熱層透氣率的大小反映了其排出氣體的快慢。透氣性測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 隔熱層透氣率

由圖2可知：7個樣品的透氣率都大于2 500 mm/s，遠(yuǎn)超過常規(guī)機(jī)織物的透氣性[2]，達(dá)到了服用要求；從樣品1到樣品3，隔熱層的透氣率呈上升趨勢，這是因?yàn)榉柬烤]表面的摩擦系數(shù)低[3]，纖維間的抱合能力差，纖維間結(jié)合不夠緊密，隔熱層孔隙較大，所以隨著芳砜綸含量的增加，隔熱層的透氣性能提高；樣品4到樣品7同理，隔熱層的透氣率也呈上升趨勢。

2.2.3 熱穩(wěn)定性能

隔熱層面料在高溫環(huán)境中必須有一定的尺寸穩(wěn)定性，GA 10—2014規(guī)定，隔熱層材料在260 ℃的環(huán)境中放置5 min后，其經(jīng)、緯向的尺寸變化率不應(yīng)大于10%[4]。熱穩(wěn)定性能測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 隔熱層熱收縮率

由圖3可知：7個樣品在300 ℃的烘箱中放置24 h后，縱、橫向熱收縮率均小于10%，滿足GA 10—2014的規(guī)定；從樣品1到樣品3，隔熱層的熱收縮率呈下降趨勢，這是因?yàn)榉柬烤]的耐熱性優(yōu)于芳綸1313[5]，在高溫環(huán)境中尺寸穩(wěn)定性更好，所以芳砜綸含量越高，隔熱層的熱穩(wěn)定性能越好；樣品4到樣品7同理，熱收縮率也呈下降趨勢。

2.2.4 洗滌后阻燃性能

織物具有的明顯推遲火焰蔓延的性質(zhì)稱為阻燃性。消防服必須具備優(yōu)異的阻燃性能，且其阻燃性能在多次浸水后也必須達(dá)到一定的要求。GA 10—2014規(guī)定，隔熱層面料經(jīng)過25次洗滌后，損毀長度不應(yīng)大于100 mm，續(xù)燃時(shí)間不應(yīng)大于2 s，且不應(yīng)有熔融、滴落現(xiàn)象[4]。

將各樣品經(jīng)過25次洗滌后，垂直阻燃測試結(jié)果：(1) 7個樣品的續(xù)燃時(shí)間均為0 s，陰燃時(shí)間均小于2 s；(2) 7個樣品的損毀長度如圖4所示。

圖4 隔熱層損毀長度

由圖4可知：7個樣品經(jīng)過25次洗滌后進(jìn)行阻燃測試，損毀長度均小于100 mm，符合GA 10—2014的規(guī)定；從樣品1到樣品3，隔熱層的縱、橫向損毀長度均呈下降趨勢，這是因?yàn)榉柬烤]的極限氧指數(shù)高于芳綸1313[5]，相對于芳綸1313，芳砜綸更不易燃燒，所以芳砜綸含量越高，隔熱層的阻燃性能越好；樣品4到樣品7同理，損毀長度也呈下降趨勢。

2.2.5 熱防護(hù)性能

熱防護(hù)性能是指透過織物引起人體二度燒傷的熱量值[3]，又稱TPP值。TPP值越高，織物的熱防護(hù)能力越強(qiáng)。7個樣品的熱防護(hù)性能測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 隔熱層TPP值

由圖5可知，各隔熱層的TPP值相差不大，但仍呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，從樣品1到樣品3，TPP值先增大后減小，樣品4到樣品7也呈現(xiàn)同樣的規(guī)律。分析其原因，熱防護(hù)性能的測試是直接用火焰將布點(diǎn)燃，火焰很大，對織物有一定的沖擊性，所以熱防護(hù)能力的大小除了取決于纖維的阻燃、耐熱性能外，也與織物本身的孔隙有關(guān)，孔隙越大，織物的透氣性越好，熱氣越容易透過，TPP值也就越低。從樣品1到樣品3，隨著芳砜綸含量的增加，織物的阻燃、耐熱性能提高，但是由于芳砜綸的成網(wǎng)性能不好，織物的孔隙也逐漸增大，熱氣也更容易通過；對樣品2來說，芳砜綸的阻燃、耐熱起更大作用，所以其TPP值比樣品1高；對樣品3來說，其芳砜綸含量更高，織物的孔隙起主要作用，其TPP值反而下降。同理，樣品4到樣品7的TPP值也是先增大后減小。

3 結(jié)語

隨著隔熱層中芳砜綸含量的增加，隔熱層的阻燃、熱穩(wěn)定性能提高，但力學(xué)性能下降。就隔熱層的工業(yè)生產(chǎn)而言，TPP值是最重要的參考指標(biāo)，而其他性能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)際應(yīng)用即可。所以綜合來看，建議隔熱層中芳砜綸/芳綸1313 /芳綸1414的質(zhì)量配比為40/40/20，這種隔熱層與市場上現(xiàn)有的隔熱層相比，不僅熱防護(hù)性能更好，而且成本更低。

[1] 趙永旗. 消防服的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢[J]. 紡織科技進(jìn)展, 2013(3): 15-17.

[2] 樓利琴, 勵宏, 黃銳鎮(zhèn). 不同混紡比芳綸、芳砜綸隔熱層水刺非織造布性能分析[J]. 紡織學(xué)報(bào), 2013，34(6): 46-50.

[3] 陳振宏. 基于芳砜綸纖維的永久性阻燃面料研究與開發(fā)[D].石家莊：河北科技大學(xué), 2010.

[4] 公安部上海消防研究所.消防員滅火防護(hù)服：GA 10—2014[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.

[5] 季萍, 孫俊河, 何琴, 等. 芳香族聚酰胺纖維的性能與應(yīng)用[J]. 中國纖檢, 2010(23): 76-77.

Study on the performance of a novel spunlaced heat insulation layer for protective clothing

JiaYa’nan1，YinBaopu1，JinXiangyu1，HuangChen1，XuJianqin2，WangJing2

1. Engineering Research Center of Technical Textiles, Ministry of Education, Donghua University, Shanghai 201620， China；2. Shanghai Bada Textiles Co.,Ltd.， Shanghai 200042， China

To develop an insulation layer with high performance to price ratio for protective clothing, the performance of spunlaced nonwovens of polysulfonamide(PSA),aramid 1313 and andaramid 1414 fibers at different blending ratios was investigated in terms of mechanical performance，air permeability，high temperature resistance, flame retardancy and thermal protective performance(TPP). The results showed that the flame retardancy and high temperature resistance were improved, but the mechanical performance declined with the increase of the content of PSA fiber in the insulation layer. Consequently, when an optimal blending ratio of PSA/aramid 1313/aramid 1414 fibers was 40/40/20, the performance-price ratio was highest.

protective clothing, insulation layer, spunlace, aramid 1313, aramid 1414, PSA, flame retardancy, high temperature resistance, thermal protective performance

*上海紡織(集團(tuán))有限公司技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目(2014-zx-01-1)

2015-04-10

賈亞楠，女，1990年生，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)橄婪慕Y(jié)構(gòu)和性能特征

黃晨，E-mail：hc@dhu.edu.cn

TS171.9

A

1004-7093(2016)02-0013-04