薄型搶險救援服內(nèi)層非織造材料的制備及性能*

伏 磊 黃 晨

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

薄型搶險救援服內(nèi)層非織造材料的制備及性能*

伏 磊 黃 晨

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

以滌綸網(wǎng)眼基布、芳綸類纖網(wǎng)、阻燃黏膠纖維水刺布、PTFE微孔膜為基材，制備出2種薄型搶險救援服內(nèi)層非織造材料，測試并比較2種內(nèi)層非織造材料的表面形態(tài)、熱穩(wěn)定性能，以及拉伸、耐靜水壓、透濕、透氣、隔熱等性能，以期為薄型搶險救援服內(nèi)層非織造材料的開發(fā)提供參考。

薄型搶險救援服， 內(nèi)層非織造材料， PTFE微孔膜， 水刺， 黏合， 熱穩(wěn)定性能， 拉伸性能， 耐靜水壓， 透濕性能， 透氣性能， 隔熱性能

近年來，突發(fā)性公共安全事件的頻發(fā)對救援工作提出了更高的要求。救援人員面對的環(huán)境具有高度的不確定性，為保障人身安全，有越來越多的研究者開始重視搶險救援服的開發(fā)。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，全球區(qū)域內(nèi)搶險救援服的消耗量呈顯著上升趨勢。我國作為一個服裝消費(fèi)大國，每年需要的防護(hù)服數(shù)量在1 800萬套。由此可見，搶險救援服的開發(fā)具有重要的社會意義，其發(fā)展前景光明[1]。

常規(guī)搶險救援服會大量使用芳綸類纖維，但它們的疏水性較強(qiáng)，如芳綸1313的公定回潮率為6.50%、芳綸1414的公定回潮率為8.00%、芳砜綸的公定回潮率為6.28%[2]， 故其相關(guān)制成品不具有透濕的效果，且穿著不舒適。因此，為更好地疏導(dǎo)濕氣與汗液，可通過復(fù)合親水性強(qiáng)的材料，如阻燃黏膠纖維等，利用毛細(xì)效應(yīng)加強(qiáng)其吸水能力，有效達(dá)到排濕效果[3]。

現(xiàn)有搶險救援服面料由內(nèi)到外一般由舒適層、隔熱層、防水透氣層及外層構(gòu)成(圖1)，各層對應(yīng)的面密度在120、 80、 20、 210 g/m2左右。為使救援人員穿著舒適，薄型搶險救援服的整體面密度不宜過大，故增加防水透氣層面密度的同時，應(yīng)盡量降低舒適層與隔熱層的面密度，以確保薄型搶險救援服的輕便性。本文對阻燃黏膠纖維水刺布覆PTFE微孔膜，并用作防水透氣層，研究了阻燃黏膠纖維水刺布對薄型搶險救援服內(nèi)層透濕性能的影響，同時探討PTFE微孔膜對薄型搶險救援服防水透氣性能的影響。

圖1 搶險救援服面料結(jié)構(gòu)

1 材料制備

1.1 原材料

試驗(yàn)材料：滌綸網(wǎng)眼基布，面密度為80 g/m2；阻燃黏膠纖維，規(guī)格為2.66 dtex×60.00 mm；芳綸1313，規(guī)格為2.22 dtex×51.00 mm；芳綸1414，規(guī)格為1.67 dtex×51.00 mm；芳砜綸，規(guī)格為2.22 dtex×51.00 mm；PTFE微孔膜，孔徑為1.9 μm。

1.2 薄型搶險救援服內(nèi)層非織造材料的制備

根據(jù)圖2制備薄型搶險救援服內(nèi)層非織造材料。

(a) 內(nèi)層非織造材料①的制備

(b) 內(nèi)層非織造材料②的制備

1.2.1 內(nèi)層非織造材料①的制備

1.2.1.1 舒適隔熱層的制備

按照4∶2∶4的質(zhì)量比取芳綸1313、芳綸1414、芳砜綸3種纖維，利用AS181A蓋板梳棉試驗(yàn)機(jī)(南通宏達(dá)實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)梳理成網(wǎng)，參數(shù)設(shè)定如表1所示，制備面密度為70 g/m2的芳綸類纖網(wǎng)作為隔熱層使用[4]。

裁剪幅寬260.00 mm、長700.00 mm的滌綸網(wǎng)眼基布(作為舒適層)，平鋪于制備好的面密度為70 g/m2的芳綸類纖網(wǎng)之下，一起送入Auftrags-Nr. T6616水刺機(jī)(德國Fleissner公司)。經(jīng)1道預(yù)濕、5道正面水刺后制備出舒適隔熱層。具體水刺工藝參數(shù)見表2。

表2 舒適隔熱層的水刺工藝參數(shù)

1.2.1.2 阻燃黏膠纖維水刺布的制備

利用AS181A蓋板梳棉試驗(yàn)機(jī)對阻燃黏膠纖維進(jìn)行梳理成網(wǎng)，梳理參數(shù)同表1，制備面密度為50 g/m2的阻燃黏膠纖網(wǎng)；然后將制備的阻燃黏膠纖網(wǎng)送入水刺機(jī)，經(jīng)1道預(yù)濕、1道正面水刺和1道反面水刺后制備出阻燃黏膠纖維水刺布。具體水刺工藝參數(shù)見表3。

表3 阻燃黏膠纖維水刺布的水刺工藝參數(shù)

1.2.1.3 阻燃黏膠纖維水刺布與舒適隔熱層的復(fù)合

將阻燃黏膠纖維水刺布與舒適隔熱層從上到下復(fù)合，喂入水刺機(jī)，進(jìn)行1道2.5 MPa的預(yù)水刺及5道10.5 MPa的主水刺，制備出內(nèi)層非織造材料①。

1.2.2 內(nèi)層非織造材料②的制備

1.2.2.1 防水透氣層的制備

裁剪幅寬260.00 mm、長700.00 mm的PTFE微孔膜；PTFE微孔膜的縱向每間隔80.00 mm涂上寬10.00 mm、長700.00 mm的黏合劑，橫向每間隔80.00 mm涂上寬10.00 mm、 長260.00 mm的黏合劑；將涂覆黏合劑的PTFE微孔膜復(fù)合在制備好的阻燃黏膠纖維水刺布上，靜置24 h， 得到防水透氣層。

1.2.2.2 防水透氣層與舒適隔熱層的復(fù)合

先將制備的防水透氣層上覆有PTFE微孔膜的一面，縱向每間隔80.00 mm涂上寬10.00 mm、長700.00 mm的耐高溫黏合劑，橫向每間隔80.00 mm 涂上寬10.00 mm、長260.00 mm的耐高溫黏合劑，再與制備好的舒適隔熱層復(fù)合(即PTFE微孔膜面與隔熱層面黏合)，并靜置24 h，得到內(nèi)層非織造材料②。

1.2.3 小結(jié)

表4對制備的試樣進(jìn)行了歸納。

表4 制備的試樣

2 性能測試

2.1 測試儀器

YG026MB-250電子強(qiáng)力機(jī)(溫州方圓儀器有限公司)，YG812DA滲水性測定儀(溫州方圓儀器有限公司)，YG601H電腦型織物透濕儀(寧波紡織儀器廠)，YG4616全自動透氣量儀(寧波紡織儀器廠)，GY606平板式保溫性能測試儀(常州第二紡織機(jī)械廠)。

2.2 基本性能

2.2.1 表面形態(tài)

采用掃描電子顯微鏡觀察內(nèi)層非織造材料即試樣D和試樣E的表面形態(tài)。

2.2.2 熱穩(wěn)定性能

據(jù)公共安全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，防護(hù)服在180 ℃的環(huán)境中，5 min內(nèi)的尺寸變化率不得超過10.00%[5]。取制得的內(nèi)層非織造材料即試樣D和試樣E放入烘箱中，加熱至200 ℃并保持10 min后取出，測試試樣放入烘箱前后的尺寸變化情況，并計算收縮率。每種試樣各取5塊。

2.3 主要性能

2.3.1 拉伸性能

根據(jù)GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能 第1部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測定(條樣法)》，利用YG026MB-250電子強(qiáng)力機(jī)測試試樣的力學(xué)性能，每種試樣測5次，記錄整個拉伸過程中試樣的應(yīng)力與應(yīng)變，取其平均值，并得到拉伸性能曲線。

2.3.2 耐靜水壓性能

按照GB/T 4744—1997《紡織物 抗?jié)B水性測定》，采用YG812DA滲水性測定儀，對試樣施加持續(xù)遞增的水壓，并觀察滲水現(xiàn)象。當(dāng)試樣表面出現(xiàn)3顆水珠時即完成試驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)。每種試樣測4次，所得平均值即為該試樣的耐靜水壓。

2.3.3 透濕性能

根據(jù)GB/T 12704.1—2009《紡織品 織物透濕性試驗(yàn)方法 第1部分：吸濕法》，采用YG601H電腦型織物透濕儀，量取34 mL的去離子水倒入透濕杯中，裁取與透濕杯口面積大小相等的試樣，用螺絲與蓋片將試樣固定在透濕杯上，放入透濕儀中[6]。將試驗(yàn)相對濕度設(shè)置為90%、溫度設(shè)置為38 ℃，啟動透濕儀。1～2 h后當(dāng)試樣達(dá)到試驗(yàn)條件時，去透濕杯，稱量試樣質(zhì)量M1(g)，再將試樣放入透濕儀中，1 h后取出稱量試樣質(zhì)量M2(g)，并根據(jù)下式計算透濕量(WVT)：

式中：WVT——透濕量，g/(m2·24 h)；S——測試面積，m2。

2.3.4 透氣性能

根據(jù)GB/T 5453—1997《紡織品織物透氣性的測定》，采用YG4616全自動透氣量儀，測試壓力為100 Pa。每種試樣測8次，測試結(jié)果的平均值即為試樣的透氣率。

2.3.5 隔熱性能

根據(jù)GB/T 11048—2008《紡織品 生理舒適性 穩(wěn)態(tài)條件下熱阻和濕阻的測定》，采用GY606平板式保溫性能測試儀，將溫濕度設(shè)定為穩(wěn)態(tài)條件。每種試樣測3次，測試結(jié)果的平均值即為試樣的熱阻。

3 測試結(jié)果與討論

3.1 薄型搶險救援服內(nèi)層非織造材料的基本性能

3.1.1 表面形態(tài)

圖3為試樣D和試樣E的掃描電鏡照片。

(a) 試樣D(內(nèi)層非織造材料①)

(b) 試樣E(內(nèi)層非織造材料②)

試樣D中，高壓水針的作用使得部分芳綸類纖維、阻燃黏膠纖維穿過滌綸網(wǎng)眼基布，并相互纏繞、糾結(jié)，使由滌綸網(wǎng)眼基布構(gòu)成的舒適層與隔熱層、阻燃黏膠纖維水刺布復(fù)合。故圖2(a)中阻燃黏膠纖維水刺布面密度更高。

試樣E中，由滌綸網(wǎng)眼基布構(gòu)成的舒適層與隔熱層進(jìn)行了水刺復(fù)合，并未與黏合劑直接接觸；而隔熱層通過黏合劑與防水透氣層的PTFE微孔膜黏合。故圖2(b)中滌綸網(wǎng)眼基布未受到黏合劑的影響，透過阻燃黏膠纖維水刺布能明顯看到黏合劑及PTFE微孔膜的存在。

3.1.2 熱穩(wěn)定性能

表5為試樣放入烘箱前后的尺寸變化情況。

表5顯示：試樣D和試樣E的縱橫向收縮率都在2.00%以下，這與制備薄型搶險救援服內(nèi)層非織造材料所用的都是高熔點(diǎn)纖維有關(guān)，如芳綸1414的熔點(diǎn)高達(dá)560 ℃，芳綸1313和芳砜綸在300 ℃以上才發(fā)生一些微弱的變形，阻燃黏膠纖維在200 ℃時也不分解。

表5 試樣放入烘箱前后尺寸變化情況

3.2 薄型搶險救援服內(nèi)層非織造材料的主要性能

3.2.1 拉伸性能

由于試樣E的黏結(jié)采用的是縱橫交錯的網(wǎng)格式涂膠方式，其內(nèi)層不是完全黏結(jié)的，故無法制作拉伸試樣用于拉伸試驗(yàn)。但若進(jìn)行全面積覆蓋式涂膠，限于試驗(yàn)條件，手工涂膠會導(dǎo)致黏合劑分布不勻，測出的拉伸性能不能代表真實(shí)試樣。故本文僅對試樣D進(jìn)行了縱橫向拉伸性能測試(圖4)。

(a) 縱向

(b) 橫向

試樣D的縱向拉伸曲線[圖4(a)]共1個階段，當(dāng)縱向應(yīng)變到達(dá)33.8%時，縱向應(yīng)力達(dá)到最大，約7.0 MPa (相當(dāng)于250 N的拉力)，之后應(yīng)變繼續(xù)加大，應(yīng)力急劇下降。而試樣D的橫向拉伸曲線[圖4(b)] 共分2個階段：第一階段，當(dāng)橫向應(yīng)變達(dá)到65.5%時，橫向應(yīng)力達(dá)到最大，為3.5 MPa(相當(dāng)于125 N的拉力)，之后隨著應(yīng)變的加大，應(yīng)力急劇下降，但接著第二階段又出現(xiàn)了1個峰值，原因在于橫向拉伸時，滌綸網(wǎng)眼基布與斷裂的非織造材料脫層，滌綸網(wǎng)眼基布再次被拉伸。

3.2.2 耐靜水壓性能

公共安全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GA 633—2006《消防員搶險救援防護(hù)服裝》中明確規(guī)定，搶險救援服的耐靜水壓不得低于17 kPa[5]。測得試樣A～試樣E的耐靜水壓如圖5所示。

圖5 試樣的耐靜水壓

圖5中：試樣A與試樣C水刺復(fù)合成試樣D，試樣D的耐靜水壓高于試樣A、低于試樣C；試樣B與試樣C經(jīng)黏合劑復(fù)合形成試樣E，試樣E的耐靜水壓高于試樣B和試樣C；試樣A與試樣B分別是覆膜前后的阻燃黏膠纖維水刺布，試樣D與試樣E是2種不同的內(nèi)層非織造材料，兩者的耐靜水壓相差近10 kPa。

分析其原因：試樣A中阻燃黏膠纖維具有吸水性，故無法阻止蒸餾水透過，其耐靜水壓低；試樣C由芳綸類纖網(wǎng)和滌綸網(wǎng)眼基布水刺而成，纖維都具有較高的拒水性，且形成的非織造材料緊密，即具有一定的耐靜水壓性能，但當(dāng)水壓增大時，水刺非織造材料因孔隙較大故無法阻止液態(tài)水通過[7]；試樣D因阻燃黏膠纖維在水刺加固過程中，部分與試樣C進(jìn)行了穿插滲透，故液態(tài)水會通過阻燃黏膠纖維直接透過試樣C，使試樣D的耐靜水壓低于試樣C；試樣B和試樣E中都含有PTFE微孔膜，液態(tài)水在低壓狀態(tài)下無法透過，故兩者都具有較高的耐靜水壓，其中試樣E是通過黏合劑復(fù)合的，液態(tài)水在通過試樣B后再透過試樣C，故試樣E的耐靜水壓較試樣B高。

3.2.3 透濕性能

公共安全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GA 633—2006《消防員搶險救援防護(hù)服裝》規(guī)定，搶險救援服的水蒸氣的透過量不應(yīng)低于5 000 g/(m2·24 h)[5]。測得試樣A～試樣E的透濕量如圖6所示。

圖6 試樣的透濕量

圖6中：試樣A的透濕量達(dá)8 300 g/(m2·24 h)， 為最高值，試樣D相對于試樣C透濕量增幅明顯，試樣E相對于試樣B透濕量增幅不明顯；試樣D由試樣A與試樣C水刺加固而成，其透濕量大于試樣C、小于試樣A；試樣E由試樣B與試樣C通過黏合劑復(fù)合而成，其透濕量大于試樣B、小于試樣C。

分析其原因：試樣A因阻燃黏膠纖維存在而具有較高的親水性能，水蒸氣可通過阻燃黏膠纖維水刺布與外界形成較好的熱濕循環(huán)；試樣C中的芳類綸纖維與滌綸網(wǎng)眼基布都具有拒水性，水蒸氣流通受到阻礙，故試樣C透濕量低于試樣A；試樣D由試樣A與試樣C水刺加固而成，在實(shí)際應(yīng)用中，水蒸氣先接觸滌綸網(wǎng)眼基布再穿過阻燃黏膠纖維層，即由疏水層向親水層流通，根據(jù)毛細(xì)管效應(yīng)，水蒸氣易于從疏水層透向親水層[8]，試樣D的透濕量大于試樣C；試樣B與試樣E中的PTFE微孔膜會對水蒸氣的流通產(chǎn)生阻礙，因此覆膜試樣的透濕量偏低，加之試樣E由試樣B與試樣C復(fù)合而成，應(yīng)用過程中水蒸氣從滌綸網(wǎng)眼基布通向阻燃黏膠纖維層，是從疏水層向親水層流通，但由于PTFE微孔膜的存在，故試樣E的透濕量只是略高于試樣B[9]。

3.2.4 透氣性能

測得試樣A～試樣E的透氣率如圖7所示。

圖7 試樣的透氣率

圖7中：試樣A的透氣率最高(在620 mm/s左右)，試樣C與試樣D的透氣率都在550 mm/s左右，試樣B與試樣E的透氣率在80 mm/s左右；試樣D的透氣率與復(fù)合前的試樣C相差不大，但低于試樣A；試樣E的透氣率與復(fù)合前的試樣B相差不大，但遠(yuǎn)低于試樣C。

分析其原因：試樣A為阻燃黏膠纖維水刺布，面密度為48 g/m2，薄且不緊密，故纖維間孔隙大，氣體流通順暢，即透氣率高；試樣C中的滌綸網(wǎng)眼基布具有較大的網(wǎng)眼，對氣體流通沒有阻礙，但芳綸類纖網(wǎng)與滌綸網(wǎng)眼基布水刺加固后，部分芳綸類纖維會穿插網(wǎng)眼，使舒適隔熱層變緊密，但相對于傳統(tǒng)紡織材料仍具有較大的孔隙，對氣體流通阻礙低，故試樣C的透氣率較高[9]；試樣D是試樣A與試樣C水刺加固而成的，同為水刺非織造材料，且在加工過程中設(shè)置的水刺壓力、水刺道數(shù)和輸網(wǎng)簾速度基本一致，故試樣D的透氣率與試樣C相差不大；試樣B與試樣E中都有孔隙為1.9 μm的PTFE微孔膜，氣體很難通過，這使得覆膜試樣的透氣率極低，加之，試樣E是試樣B與試樣C復(fù)合而成的，試樣C的透氣率較高，其對成衣影響低，故試樣E的透氣率與試樣B更為接近。

3.2.5 隔熱性能

測得試樣A～試樣E的隔熱性能如圖8所示。

圖8 試樣的隔熱性能

圖8中，試樣A、試樣C、試樣D三者的熱阻呈逐漸上升的趨勢，試樣B相對于試樣D熱阻發(fā)生了急劇上升；試樣D由試樣A與試樣C水刺加固而成，故試樣D的熱阻大于復(fù)合前各層熱阻，即隔熱性能更好；試樣E由試樣B與試樣C通過黏合劑復(fù)合而成，其熱阻大于復(fù)合前各層熱阻，隔熱性能提升。

分析其原因：試樣A由阻燃黏膠纖維水刺加固而成，面密度為48 g/m2，薄且不緊密，故熱阻低、熱傳遞系數(shù)高、隔熱性能低；試樣D與試樣C中都含有具有較強(qiáng)的隔熱性能的芳綸類纖維，穿著過程中人體表面代謝出的熱濕氣無法及時排出，加之試樣D的面密度大于試樣C和試樣A，故試樣A、試樣C、試樣D三者的隔熱性能呈遞增趨勢；試樣E與試樣B中都含有微米級PTFE微孔膜，故熱濕循環(huán)受阻，人體產(chǎn)生的熱濕氣與汗液無法及時排出，使得覆膜試樣的隔熱性能都較高，加之，試樣E由試樣B與試樣C通過黏合劑加固復(fù)合而成，其面密度與厚度大于復(fù)合前的各層，且黏合劑復(fù)合不改變各層的結(jié)構(gòu)與性能，故試樣E的熱阻最高。試樣熱阻越大，則熱傳遞系數(shù)越低，因此試樣E的熱傳遞系數(shù)最低。

4 結(jié) 語

(1) 開發(fā)的薄層搶險救援服內(nèi)層非織造材料將現(xiàn)有防護(hù)服的舒適層、隔熱層、防水透氣層合并為一層，減輕質(zhì)量的同時滿足了搶險救援服的使用要求，為后續(xù)成衣的加工提供了便利。

(2) 在使用黏合劑復(fù)合防水透氣層與舒適隔熱層的工藝中，設(shè)計了一種縱橫交錯的網(wǎng)格式局部黏涂方式，相較于現(xiàn)有搶險救援服采用的全面積覆膜工藝，該工藝提高了整體內(nèi)層非織造材料的透氣性，使其在穿著中具有更高的舒適性。

(3) 復(fù)合有阻燃黏膠纖維水刺布的防水透氣層，既可有效防止PTFE微孔膜受損，又能充分利用黏膠纖維的吸濕性，提高整體內(nèi)層非織造材料的舒適性，在透濕性能上優(yōu)于現(xiàn)有的搶險救援服。

(4) 使用PTFE微孔膜可極大提高薄型搶險救援服的耐靜水壓，但此類膜的存在亦會影響薄型搶險救援服的穿著舒適性，故在對防水性要求較低的使用環(huán)境中，可使用不含PTFE微孔膜的阻燃黏膠纖維水刺布作為防水透氣層。

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Preparation and properties of inner nonwovens for the thin type of emergency rescue garment

FuLei，HuangChen

Engineering Research Center of Technical Textiles， Ministry of Education， Donghua University， Shanghai 201620， China

By using polyester mesh base cloth， aramid fiber web， flame retardant viscose fiber sunplace cloth， PTFE microporous membrane as base materials， two kinds of inner nonwovens for the thin type of emergency rescue garment were made. The surface morphology， thermal stability， as well as properties of tension， hydrostatic pressure， moisture permeability， air permeability and heat insulation of the two kinds of inner nonwovens were tested and compared， hoping to provide reference for the development of the inner nonwovens for the thin type of emergency rescue garment.

thin type of emergency rescue garment， inner nonwovens， PTFE microporous membrane， spunlace， bond， thermal stability， tensile property， hydrostatic pressure， moisture permeability， air permeability， heat insulation

*上海市教育委員會和上海市教育發(fā)展基金會“晨光項(xiàng)目”(14CG34)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2232014D3-15)

2016-09-27

伏磊，男，1991年生，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)榉强椩觳牧系慕Y(jié)構(gòu)與性能

黃晨，E-mail：hc@dhu.edu.cn

TS174.8

A

1004-7093(2017)05-0008-08