原料及結構參數對防電弧織物性能的影響

李 凍， 陳太球， 蔣春燕， 傅佳佳,3， 王鴻博,3

(1. 江南大學 江蘇省功能紡織品工程技術研究中心， 江蘇 無錫 214122； 2. 圣華盾防護科技股份有限公司， 江蘇 無錫 214413； 3. 生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)， 江蘇 無錫 214122)

電弧對人體所產生的危害主要是熱傷害，電弧產生的總能量是嚴重爆燃事故的3～4倍以上[1]。其高強度熱使衣服起火燃燒，同時產生的爆炸或震蕩力使衣服崩裂開來，將工作人員的身體直接暴露于高熱、火焰或熔融的金屬中[2-4]。電弧事故使人體受到嚴重燒傷甚至喪命，且后續治療或撫恤問題都會造成巨大的經濟損失[5]。

國外對電弧防護服防護性能的研究已有二十多年的時間，在材料開發、產品設計生產、標準制定、檢測儀器的研制等方面已處于領先地位，目前國外知名的防電弧織物是杜邦公司生產的Protera?(由65%阻燃腈氯綸，28%間位芳綸，5%對位芳綸和2%抗靜電長絲織造而成)；我國對電弧防護服的認識及開發較晚，研究較少且水平較低，現階段服裝等基本上是模仿杜邦公司的配方、組織規格、服裝結構和檢測標準[6-8]，而國外已從整體上考慮電弧防護服的防護性能、舒適性能以及搭配問題等[9]。

基于我國防電弧織物的研究現狀，本文通過對3種不同規格電弧防護織物的力學性能、舒適性能和防護性能的相關性指標進行測試和分析，研究了織物參數對防電弧織物舒適性和防護性能的影響，從而為國內開發高品質防電弧織物提供參考。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

實驗選取杭州威壘特科技有限公司開發的3種防電弧混紡織物，其原因為：該公司曾參與2015年國家電弧防護標準制定的研討，與國內其他企業相比，其開發的產品防護等級更齊全，銷售量在國內位居前列，開發的織物供應于國家電網，其產品在國內具有一定的代表性。為研究單層和多層結構對防電弧織物舒適性和防護性能的影響以及二者之間的差異，選擇單層和雙層結構織物，具體結構參數見表1。

表1 織物參數Tab.1 Fabric parameters

注：a—阻燃腈氯綸；b—間位芳綸；c—對位芳綸；d—錦綸(66)；e—粘膠；A、B與C織物的表層和里層均為平紋組織，各層經緯紗均為2合股紗線。

YG026D型多功能電子織物強力機，寧波紡織儀器廠；YG815型垂直法阻燃性能測試儀，山東安丘江北紡織儀器有限公司；Serial # 403-14型熱防護性能測試儀，美國西北測試科技公司；GZX-9146MBE型電熱鼓風干燥箱，上海博迅實業有限公司醫療設備廠；YG(B)461E型數字式織物透氣性能測定儀，溫州大榮紡織儀器有限公司；YG601H-Ⅱ型電腦式織物透濕儀，寧波紡織儀器廠。

1.2 性能測試

按照DL/T 320—2010《個人電弧防護用品通用技術要求》中相應的國內外測試標準，測試織物的拉伸力學性能、舒適性能(透氣性、透濕性)、防護性能(熱穩定性能、阻燃性能、熱防護性能、電弧防護性能)。

1.2.1拉伸性能測試

按GB/T 3923.2—2013《紡織品 織物拉伸性能 第2部分：斷裂強力的測定(抓樣法)》測試織物的拉伸性能。經緯向各測試5塊試樣，結果取平均值。

1.2.2阻燃性能測試

按GB/T 5455—2014《紡織品 燃燒性能 垂直方向損毀長度、陰燃和續燃時間的測定》進行實驗。經緯向各測試3塊試樣，記錄續燃時間、陰燃時間和炭化長度，結果取平均值。

1.2.3熱穩定性能測試

參照GA 10—2002《消防員滅火防護服》進行實驗，取5塊試樣，在225 ℃電熱鼓風干燥箱內保持 5 min，計算熱收縮率，結果取平均值。熱收縮率計算公式為

式中：p為熱收縮率，%；B為實驗前織物的尺寸，mm；A為實驗后織物的尺寸,mm。

1.2.4熱防護性能TPP值測試

材料熱防護性能(TPP值)是指透過織物引起二級燒傷的暴露能量，TPP值越大，表示熱防護服的防熱輻射性能越好。根據GA 10—2002測試織物的TPP值。

1.2.5電弧防護性能測試

電弧防護性能主要包括電弧熱防護性能(ATPV值)、材料破裂閾能(EBT值)2個指標。ATPV值定義為入射到材料或多層材料系統上有50%的可能性導致皮膚二級燒傷的能量值，ATPV值越大，表明織物對電弧的熱防護性能越好；EBT值定義為入射到材料或材料系統上，有50%的可能性導致試樣破裂的能量值，EBT值越大，表明織物抵抗電弧爆裂效應的能力越強。最終的防電弧性能取二者之中的最小值[10]。按照ASTM F 1959—2012《服裝面料電弧熱防護性能值測試方法》測試。

1.2.6透氣性能測試

按GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》進行實驗。試樣面積為20 cm2，不同部位測試10次，結果取平均值。

1.2.7透濕性能測試

按GB/T 12704.1—2009《紡織品 織物透濕性實驗方法 第1部分：吸濕法》進行實驗。測試溫度為 38 ℃，相對濕度為90%，流速為0.3～0.5 m/s。試樣透濕量計算公式為

式中：w為每平方米每天(24 h)的透濕量，g/(m2·d)；t為實驗時間，h；Δm為同一實驗組合體2次稱量質量之差，g；S為試樣實驗面積，m2。測試結果取4塊試樣的平均值。

2 結果與討論

2.1 織物的拉伸性能

對3種織物的拉伸性能進行測試，結果見表2。

表2 織物的拉伸性能測試結果Tab.2 Fabric extensibility test results

因電弧產生的爆炸力會撕裂織物，我國電力行業標準對防電弧織物斷裂強力有明確劃分和要求。本文采用的3種織物的斷裂強力均符合DL/T 320—2010標準：150～200 g/m2時，織物斷裂強力≥300 N；200～290 g/m2時，織物斷裂強力≥ 450 N，斷裂伸長率相差不大。

對位芳綸具有優異的力學性能，其主要作用是增加織物的強力，由于C織物中對位芳綸質量分數較A、B織物少，即使增加C織物的股線捻度和織物密度也不能補償其較低的斷裂強力。

2.2 織物的舒適性能

透氣性和透濕性主要受空氣和濕氣通過紗線之間空隙能力的影響，織物結構是影響透氣性和透濕性的主要因素。3種織物的舒適性測試結果見表3。

表3 織物的舒適性能測試結果

織物緊度是指紗線的覆蓋率或覆蓋系數，緊度越大，織物就越緊密。B織物的緊度比A織物增加13%，則舒適性能綜合值減少85%，其中，透氣性減少63%，透濕性減少22%，表明單層織物的透氣性和透濕性與織物緊度成負相關，因為緊度越大，空氣和濕氣分子就越不易透過織物，織物的舒適性降低。

A織物的緊度比C織物的單層織物緊度略大，二者基本可視為相等。由表3可知，C織物的透氣性比A織物減小4%，透濕性減小7%,這表明雙層結構雖然一定程度降低了織物的通透性，減小了織物的透氣性和透濕性，但作用效果并不顯著，雙層織物與單層織物的舒適性不存在明顯差異。C織物的單層織物緊度比B織物少15%,但透氣性增加了160%，透濕性增加了20%，表明降低雙層織物中單層織物的緊度，可顯著地提高織物的舒適性。

2.3 織物的防護性能

防護性能是功能織物研究的重要內容。本文主要研究電弧防護織物的熱穩定性能、阻燃性能、熱防護性能以及電弧防護性能，測試結果見表4。

表4 織物的防護性能測試結果

2.3.1熱穩定性能

間位芳綸具有優異的耐熱性(300 ℃熱空氣收縮率為5%～6%)，對位芳綸在高溫下具有不收縮、不熔融的特性。由表4可知，C織物的經緯向熱收縮率均大于A和B織物,這是由于C織物的芳綸含量較少，而熱收縮率較大的纖維(阻燃腈氯綸、錦綸和黏膠纖維)含量遠遠高于A、B，因此，在相同的受熱情況下，用C織物制成的電弧防護服變形程度會更加嚴重。

2.3.2阻燃性能

3種織物均無續燃、無熔滴，且炭化長度小于150 mm，符合DL/T 320—2010要求。芳綸不引起織物的續燃和陰燃，而A、B織物存在陰燃現象，這是阻燃腈氯綸造成的，但C織物不存在陰燃現象，因為C織物經過阻燃后整理處理，阻燃劑會在織物的內部形成永久性交聯，消除了陰燃現象。

芳綸纖維在高溫下被炭化后膨脹形成致密的炭化層，該碳化物會依附在織物上而不脫落，A、B織物的損毀長度小于C織物，這是因為A、B中含有較大比例的芳綸纖維，芳綸纖維本身的阻燃性能遠好于粘膠、錦綸等常規纖維，且芳綸含量越高，炭化層結構越致密，可有效地阻止空氣的進一步加入以及可燃氣體的擴散，從而阻斷了燃燒的進行，增加芳綸纖維的混紡比可提高防電弧織物的阻燃性能。

2.3.3熱防護性能

A、B織物的纖維組成成分相同，但織物結構參數存在差異。B織物的緊度比A織物增加13%，TPP值增加6%，這是由于緊度越大的織物，透過織物的熱量就越少，熱防護性能就越強。

致密的炭化層可阻擋熱傳導和熱輻射，減少反饋給織物的熱量，增加織物的熱防護性能。C織物的芳綸含量小于A、B織物，炭化層結構較為疏松，理論上C的熱防護性能不如A，但C的TPP值卻比A增加36%，比B增加28%，這是因為一方面C的雙層結構降低了織物的通透性，減少透過織物的熱量，同時，雙層結構形成了中間空氣層，空氣層可緩沖一部分輻射熱。

2.3.4電弧防護性能

根據防電弧指標就低原則，A、B和C織物應以ATPV值作為電弧防護性能的指標，電弧防護性能值分別為6.2、8.8、19.0 cal/cm2。 B織物的緊度比A織物增加13%， ATPV值增加42%，EBT值增加40%，表明防電弧織物的電弧防護性能與織物的緊度成正相關。

TPP是模擬在爆燃環境(50%對流熱，50%輻射熱)下織物的防熱輻射性能指標，ATPV是表示輻射熱在90%以上的環境下織物的熱防護性能指標。C織物的TPP值比A增加36%，ATPV值顯著地增加了206%，表明雙層織物的中間空氣層對輻射熱有顯著緩沖作用，其對電弧熱效應的防護比爆燃的熱防護更為顯著。

C織物的芳綸含量小于A、B織物，芳綸含量低可削弱織物的電弧熱防護性能，但結果是C的ATPV值比A增加206%，說明在不影響織物舒適性的同時，雙層織物的電弧防護性能值可達到單層織物的3倍以上。此外，C織物的ATPV值比B增加116%，說明當雙層織物中單層織物緊度降低15%時，雙層防電弧織物在顯著提高其舒適性能的同時，電弧防護性能仍能超過單層織物的2倍。

3 結 論

1)織物緊度與防電弧織物的熱防護性能和電弧防護性能成正相關，與織物的透氣性、透濕性成負相關。B織物的緊度比A織物增加13%，ATPV值比A織物增加42%，TPP值增加6%，舒適性指標綜合值減少85%，所以，適度減小織物緊度可在不顯著降低防護性能的同時，有效增加電弧防護織物的舒適性。

2)國內電弧防護織物主體成分為阻燃腈氯綸和芳綸，并沿用了杜邦公司Protera?織物的配方，但缺少了抗靜電纖維，C織物中添加了錦綸、粘膠纖維，減少了芳綸的用量，降低成本的同時，也降低了防電弧織物的熱穩定性和阻燃性能。

3)在保證織物舒適性、提高熱防護性能的情況下，雙層防電弧織物的電弧防護性能是單層織物的3倍以上；當雙層防電弧織物的單層織物緊度降低15%時，其在顯著提高織物舒適性，增加熱防護性能時，電弧防護性能仍可超過單層織物的2倍。

綜合本文實驗結果，在防電弧織物設計時，纖維原料以阻燃腈氯綸和芳綸纖維為主體，可加入低成本纖維來取代高價的芳綸并增加其功能性。通過增加織物緊度的方法來提高防電弧織物的防護性能會嚴重降低其舒適性，采用單層低緊度的多層織物設計可顯著提高防電弧織物的舒適性能和防護性能。