服用聚酰亞胺纖維織物的熱學性能

楊 莉， 張艷艷， 楊 穩, 蘇 瑞

(安徽工程大學 紡織服裝學院， 安徽 蕪湖 241000)

服用聚酰亞胺纖維織物的熱學性能

楊 莉， 張艷艷， 楊 穩, 蘇 瑞

(安徽工程大學 紡織服裝學院， 安徽 蕪湖 241000)

為研究聚酰亞胺纖維作為紡織服用纖維的熱舒適性能，分別以聚酰亞胺纖維和聚酰亞胺針織物為研究對象，通過熱重分析儀研究纖維的熱力學特征，并對纖維的耐熱性能進行測試，同時討論織物結構對聚酰亞胺針織物阻燃性、保暖性及透氣性能的影響。結果表明：可服用聚酰亞胺纖維有較好的耐熱性能，在570 ℃左右開始發生熱分解，在200 ℃下強度損失率較低，處理1.5 h后纖維強度仍可保持原纖維強度的80%左右；聚酰亞胺纖維織物有較好的阻燃性能，其極限氧指數均大于45%，且隨織物面密度的增加，阻燃性增強；聚酰亞胺織物的保暖性受織物結構影響較大，對于結構稀松的織物，隨透氣量的增加保暖性不斷下降，同時還受織物厚度的影響，在一定條件下，厚度對織物保暖性的影響起主導作用。

聚酰亞胺纖維織物； 熱學性能； 保暖性能； 燃燒性能

聚酰亞胺纖維是指由聚酰胺酸或聚酰亞胺溶液紡制而成的在分子鏈上含有酰亞胺基團的一類芳雜環高分子聚合物，因其優良的耐熱性能、耐低溫性能、力學性能、耐腐蝕性能等特點被廣泛應用于航天航空、過濾、阻燃、膜分離等工業領域[1]，但從未作為服用纖維原料用于紡織品中。長春高崎聚酰亞胺材料有限公司經過多年研究，開發出具有可服用性的聚酰亞胺纖維——軼綸95纖維[2]。

聚酰亞胺纖維因較好的耐熱性可用于防火服材料的使用。而作為熱防護性服裝材料，除了應具有良好的阻燃性、熱穩定性等外，還需要具備透氣、透濕等熱濕舒適性，但目前，關于可服用聚酰亞胺纖維的相關報道大都集中于其成紗、絮片、阻燃性等方面[3-5]，關于此纖維織物熱舒適性的相關研究報道甚少，本文在分析可服用聚酰亞胺纖維熱學性能的基礎上，討論不同針織結構對聚酰亞胺織物熱舒適性的影響。

1 實驗部分

1.1 材料及試樣制備

實驗材料：聚酰亞胺纖維，線密度為1.67 dtex，長度為38 mm，單纖維斷裂強力為4.53 cN；聚酰亞胺紗線，線密度為18 tex，由北京金輪沃德科技有限公司提供；羊毛纖維紗線，18 tex，由山東如意集團提供。 試樣制備：防火服除需具有較好的阻燃防火性外，還需具備隔熱性，即隔離熱環境中空氣的熱傳導作用，防止人員被灼傷，同時還要保證汗液的有效散失[6]。而針織物的輕、暖、薄、透氣性能好等特點可較好地滿足上述條件，因此本文實驗以聚酰亞胺針織物為研究對象，討論不同針織結構對織物熱舒適性的影響?？椢锖穸燃皟炔快o止空氣含量是影響穩定環境下織物導熱性能的重要因素。針織物是由線圈相互圈套而成的，其組織結構及其線圈大小直接影響到織物的厚度及靜止空氣含量，因此在過程中分別以織物結構和度目值為討論因素。度目，也稱彎紗，是表征線圈大小即彎紗深度的一種表現形式，是影響織物性能的重要指標之一[7]。緯平針組織是最常見的緯編單面針織物，具有較好的延展性；羅紋結構是由正面線圈與反面線圈以一定組合相間配置而成的雙層織物，具有質地厚實、彈性大等特點，是保暖針織物中最為常用的組織結構。采用LXC-252SC型電腦橫機(江蘇金龍科技股份有限公司)織制不同組織結構的織物試樣。為進一步分析聚酰亞胺纖維織物性能，制備了相同編織工藝的羊毛針織物，并對性能進行對比分析，具體編織工藝參數如表1所示。

1.2 性能測試

1.2.1 熱質量損失測試

采用DTG-60H型微機差熱天平(日本島津公司)對纖維進行熱重分析(TG)和差熱分析(DTA)。

表1 試樣織物編織工藝參數

用氮氣做保護，樣品從0 ℃加熱到800 ℃，升溫速率為10 ℃/min，流速為50 mL/min。

1.2.2 熱力學測試

根據火場熱流量強度和空氣溫度，國際上一般將火場環境分為3個等級，即常規、危險和危急狀態，常規狀態環境溫度在60 ℃以下，危險狀態溫度指在60～300 ℃之間，危急狀態溫度在300～1 000 ℃范圍內[8]，因此在采用馬弗爐對聚酰亞胺纖維進行干熱處理時，將處理溫度分別定為200、400、500 ℃，處理時間為0.5、1、1.5 h，取出放置于干燥皿中冷卻24 h，用YG001D型電子單纖維強力機測試處理后纖維的拉伸力學性能，測試根數為50，夾距距離為10 mm，拉伸速度為10 mm/min。

1.2.3 織物厚度測試

根據GB/T 3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測定》，采用YG141型織物厚度儀對織物厚度進行測試。選用壓腳面積為100 mm2,施加壓強為50 cN/cm2，每塊試樣選取10個不同位置進行測試，取其平均值。

1.2.4 阻燃性能測試

根據GB/T 5454—1997《紡織品 燃燒性能試驗 氧指數法》，采用NR8819型數顯氧指數測定儀測試織物的燃燒性能。取測試試樣15塊，試樣尺寸為150 mm×58 mm，取其平均值。

1.2.5 保暖性能測試

根據GB/T 11048—2008《紡織品 生理舒適性 穩態條件下熱阻和濕阻的測定》，采用YG606D型平板保溫儀對試樣的保溫性能進行測試。取試樣尺寸為30 cm×30 cm，循環5次，取其平均值。

1.2.6 透氣性能測試

根據GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》，采用YG461D-1型數字式織物透氣儀對織物透氣性能進行測試。內外壓差為100 Pa，測試面積為20 cm2，每塊試樣分別測試5個不同位置，取其平均值。

1.2.7 化學結構測試

采用IRPrestige-21型傅里葉變換紅外光譜儀(日本島津)測試經干熱處理后的纖維化學結構。將纖維制成粉未，采用KBr壓片法進行測試，掃描范圍為4 500～0 cm-1。

2 結果與分析

表2示出聚酰亞胺針織物試樣與羊毛針織物試樣的性能指標。由表可知，在編織紗線線密度相同，編織工藝參數相同的情況下，聚酰亞胺針織物的面密度略大于羊毛織物，厚度基本相當。

表2 試樣性能指標

2.1 熱質量損失分析

圖1示出聚酰亞胺纖維的熱分析曲線圖。由圖1(a)可知，聚酰亞胺纖維有2個質量損失階，第1質量損失階發生在50 ℃附近，主要是由纖維中的水分和小分子物質溢出所引起的質量損失，損失率較小，僅為3.0%左右；第2失質量損失階為聚酰亞胺纖維的主失重階段，發生在587～671 ℃之間，這一階段聚酰亞胺纖維質量損失明顯，質量損失率急增，說明聚酰亞胺纖維開始分解和降解，有新的小分子物質和相對分子質量較低的可揮分性化合物產生。這一點也可通過聚酰亞胺纖維的DTA曲線(見圖1(b))得到進一步的證實，曲線在50 ℃附近有1個小的吸熱峰，而在570 ℃附近有較強放熱峰。通過對聚酰亞胺的質量損失重分析可知，聚酰亞胺纖維有較好的耐熱性，可滿足作為防火服材料在危急狀態環境中的使用需求。

圖1 纖維的熱分析曲線Fig.1 Thermal analysis of fibers

2.2 熱力學性能分析

表3示出聚酰亞胺纖維經過200、400、500 ℃干熱處理后的強伸性隨時間的變化情況。

表3 熱處理后纖維的強伸性

分析發現，低溫處理對纖維強度影響不大，200 ℃ 條件下處理0.5 h后，纖維強度僅下降6.4%，處理1.5 h后，強度也可保持在原強度的80%左右。隨著處理溫度的升高，纖維強度受損情況明顯。在400 ℃條件下處理0.5 h后，強度損失率為22.31%，而經500 ℃、0.5 h處理后纖維強度損失率達到了47.69%，近一半的強度損失。隨處理時間的增加，纖維強度損傷情況加劇，在500 ℃條件下處理1.5 h后，纖維強度僅保留為原強度的不足30%。纖維的斷裂伸長率隨處理時間的增加不斷減小。同樣在低溫情況下，斷裂伸長率減小不明顯，隨處理溫度的升高，斷裂伸長率逐漸減小。當經過500 ℃，1.5 h處理后，纖維斷裂伸長率僅為原纖維的21.7%，說明纖維經高溫長時間處理后，不但強度下降明顯，纖維形態穩定性也開始變差。

這一現象也可通過纖維處理前后的紅外光譜圖得到進一步證實。圖2示出聚酰亞胺纖維經干熱處理后的紅外光譜圖。

圖2 聚酰亞胺纖維經干熱處理前后的紅外光譜圖Fig.2 FT-IR spectra of polyimide fibers before and after heat treatment

2.3 透氣性能分析

透氣性能是評價織物穿著舒適性的重要性能指標，也是影響織物保暖性的重要指標。表4示出織物的透氣性能指標。根據測試數據分析發現，在相同編結工藝參數相同情況下，緯平針織物透氣性不及1+2羅紋和2+2羅紋織物，1+1羅紋織物的透氣性最好。在相同組織結構情況下，織物透氣性均隨度目值的增加而增大。通過對織物的性能分析可知，隨度目值的增加，織物的密度減小，線圈間空隙增大，導致透氣量增加[9]，而1+1羅紋織物由于編織牽伸力較小，密度較小，且1+1羅紋結構屬于隔針編織，沉降弧較長，導致織物結構稀松，透氣性增強。而緯平針織物線圈間紗線屈曲空間較小，結構較緊密，所以透氣量最小。

表4 織物試樣透氣性

2.4 保暖性能分析

保暖率和克羅值是評價織物熱舒適性的常用指標。保暖率是指保持熱體恒溫時所需要的能量；克羅值是表征熱阻和隔熱性的定量指標，是指靜坐或從事輕度勞動者其代謝作用產生熱量約為210 kJ/(m2·h)，在室溫為20～21 ℃，相對濕度小于50%，風速不超過0.1 m/s的環境中感覺舒適，可將皮膚平均溫度維持在33 ℃左右時，所穿服裝的隔熱值定義為1 clo[10]。

表5示出試樣織物的保暖性指標。由表可知，在相同組織規格的條件下，聚酰亞胺針織物保暖性明顯優于羊毛針織物，且通過克羅值的比較，聚酰亞胺織物隔熱性也明顯優于羊毛織物，即聚酰亞胺織物具有更強的保暖性和隔熱性。同時，通過測試數據可知，2種原料的織物都是1+1羅紋織物的保暖性最差，且隨度目值的增大而減小；而緯平針織物保暖性隨度目值的增大而增強。在相同度目值情況下，2+2羅紋織物的保暖性最好。分析其原因，織物的保暖性受其厚度和透氣性的雙重影響。一般情況下，織物的厚度增加，保暖性增加，透氣性增強，保暖性下降，二者之間存在相互制衡關系。對于緯平針織物，在一定度目值情況下，厚度的影響大于透氣性對保暖性的影響，隨著厚度的增加，保暖性增強，當度目值超過一定范圍，即織物的透氣性增大速度大于厚度時，保暖性開始下降[7]。而1+1羅紋織物由于隨著度目的增加厚度不斷變薄，透氣性也不斷增強，導致保暖性不斷下降；而1+2羅紋織物和2+2羅紋織物雖然透氣率大于緯平針織物，但其厚度遠大于緯平針織物，因此保暖性較好。

表5 織物試樣保暖性指標

2.5 阻燃性分析

表6示出為聚酰亞胺織物的極限氧指數。通過測試發現，聚酰亞胺織物具有優良的阻燃性，極限氧指數均大于45%，遠遠大于阻燃紡織品的國標要求。且從測試數據也可發現，織物的面密度越大，織物的阻燃性越好，度目值對織物的阻燃性影響不大。

表6 織物試樣極限氧指數

3 結 論

1)可服用聚酰亞胺纖維具有較好耐熱性能，在570 ℃左右纖維才開始發生熱分解現象?？煞玫木埘啺防w維在低溫條件下強度損失率較低，當溫度超過400 ℃后纖維的強度損失率增大。

2)可服用聚酰亞胺纖維織物具有較強的阻燃性能，且阻燃性能受織物面密度的影響較大，受度目影響較小。

3)可服用聚酰亞胺纖維針織物的透氣性受織物組織、彎紗深度及牽拉張力影響較大。彎紗深度增大，線圈間孔隙增大，透氣性能增強。

4)可服用聚酰亞胺纖維針織物具有較好的保暖性能和隔熱性能，但受織物結構影響較大，對于單一線圈結構組織，隨著織物厚度的增加保暖性增強，對于結構稀疏織物，隨著透氣性能的增加保暖性下降。

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Thermal properties of polyimide fiber fabrics for textiles

YANG Li， ZHANG Yanyan， YANG Wen， SU Rui

(DepartmentofTextilesandApparel,AnhuiPolytechnicUniversity,Wuhu,Anhui241000,China)

In order to study the thermal properties of polyimide fibers as textile fibers, polyimide fibers and polyimide knitted fabric were used as the research object. TG and DTA were used to analyze the thermodynamic properties of polyimide fibers, and the heat resistance of the fibers were tested; at the same time,the influence of the fabric structure on the flame retardancy, warmth retention properties and air permeability of polyimide fabrics was discussed. The results show that polyimide fibers have good heat resistance, began to thermally decompose at about 570 ℃ and has lower strength loss rate at 200 ℃, and the strength of the fiber can still maintain at 80% of that of original fiber after treatment for 1.5 h. Polyimide fiber fabrics have better flame retardancy and the limit oxygen index greater than 45%, and the flame retardancy is enhanced with the increase of the surface density of the fabrics; and the warmth retention properties of the polyimide fabrics are greatly influenced by the fabric structure, for structure loose fabrics, the warmth retention decreases with the increase of gas permeability, it is also influenced by the fabric thickness, and under certain conditions, the fabric thickness plays a leading role in the warm retention properties.

polyimide fiber fabric; thermal property; warmth retention; combustion behavior

10.13475/j.fzxb.20160801206

2016-08-05

2017-03-20

安徽省高等教育提升計劃項目(TSKJ2014B21)；安徽省級大學生創新創業訓練計劃項目(AH201410363201)

楊莉(1978—)，女，副教授，碩士。主要從事新型紡織材料及復合材料的研究。E-mail:tianmaxingyang@sohu.com。

TS 184

A