阻燃粘膠羊毛混紡防熔融金屬飛濺面料的研制

劉 琳 張生輝 蔡普寧 李世雄 陳忠濤

(陜西元豐紡織技術(shù)研究有限公司，陜西西安，710038)

澆鑄廠、金屬冶煉廠等企業(yè)以及焊接類作業(yè)場所的生產(chǎn)過程中存在許多危險源，包括煙塵、噪聲、高溫輻射、金屬溶液和熔渣的噴濺、爆炸、高爐煤氣燃燒爆炸、煤粉爆炸等。這些場所容易出現(xiàn)人員灼燙事故，具體表現(xiàn)為高溫金屬液體傾翻墜落、高溫金屬液體輻射熱、熔融金屬噴濺與泄漏等對人體造成燒傷等。熔融金屬飛濺防護(hù)面料具有阻燃、耐高溫、防熔融金屬沖擊等特性，可為相關(guān)作業(yè)人員提供有效的防護(hù)[1]。

傳統(tǒng)的防熔融金屬飛濺面料一般為加厚阻燃緞紋棉面料，雖然阻燃耐熱，對高溫金屬飛濺具有較好的防護(hù)作用，同時也具有吸濕排汗功能，但由于是通過后整理加工賦予的，相關(guān)性能會隨著水洗次數(shù)的增加而逐漸下降；熔融金屬溶液一旦形成潑灑效應(yīng)，熔融金屬液體的流動性會迅速降低并附著在服裝表面，持續(xù)釋放的熱量很快會將衣服燒穿，造成人身傷害。羊毛和阻燃粘膠混紡的厚重面料防護(hù)效果有一定的提高；羊毛天然的鱗片結(jié)構(gòu)對熔融金屬具有良好的防護(hù)作用，但羊毛纖維具有縮絨性，在濕熱條件下羊毛面料易氈化，縮水率難以控制，服裝的服用性能差。

我們鑒于目前防熔融金屬飛濺面料性能的不足，嘗試開發(fā)具有阻燃、耐高溫、防熔融金屬飛濺且服用性能好的多功能永久型防熔融金屬飛濺面料，使其符合BS EN ISO 11611—2015《焊接及相關(guān)工藝用防護(hù)服》和BS EN ISO 11612—2015《防護(hù)服 防熱和火焰用服裝 最低性能要求》。

1 防熔融金屬飛濺面料的開發(fā)思路

鐵(鋼)在常規(guī)重金屬中的熔點(diǎn)是最高的，達(dá)到1 538 ℃。鐵水基本可以代表重熔融金屬液體，能防鐵水的面料基本上能防其他重熔融金屬液體的等量噴濺。由于重金屬的分子量大，比熱容低，熔融液體的表面張力大，凝固釋放的熱量相對較小，接觸常溫物體后熔融液體的表面層容易產(chǎn)生炸裂現(xiàn)象，形成四散的火花，在試驗(yàn)中熔融金屬滾動下滑的速度較快。由于絕對溫度高，對面料的耐溫性要求較高。

鋁的熔點(diǎn)為660 ℃，鋁水出爐溫度大致為780 ℃。鋁的熔融液體是非重金屬類別中的典型代表，能防鋁水噴濺的面料也能防其他如鎂、鋅、錫等非重熔融金屬液體的等量噴濺。鋁液的分子量比鐵水低，比熱容大概是鐵的1.5倍，凝固放熱(熔解熱)是鐵水的10倍以上，鋁水超出鋁凝固溫度約為120 ℃，熔融液體的表面張力比鐵水低很多，容易附著在接觸物表面上，熔融液體從面料表面流下來的速度相對較慢，如果接觸常溫物體，無法迅速將熔融金屬液體降到凝固溫度以下，熔融液體的黏性會大幅度上升，液體流速進(jìn)一步降低，在重力作用下容易延展成面皮狀的附著物，造成的熱傷害比鐵水更嚴(yán)重。

比較熔融金屬鋁液和鐵水性能，絕對溫度低的鋁水更難防范，優(yōu)先確保鋁水噴濺的防護(hù)性能。因此，確定產(chǎn)品的開發(fā)思路：首先確保面料具有一定的阻燃性能；其次，熔融金屬液體噴灑在面料表面時能夠盡快滑落，不產(chǎn)生附著，從而達(dá)到不燙傷穿著人員的目的。

2 防熔融金屬飛濺材料的性能研究

在高爐和澆注臺旁及金屬加工廠鑄造車間和熔煉車間的工人，接觸熔融金屬的溫度高達(dá)650 ℃～1 565 ℃，在這種環(huán)境下要求穿著的面料具有防熔融金屬飛濺的性能，選用的纖維應(yīng)具有防碳化、防熱收縮、防熔融、防熱傳遞、阻燃等功能。

2.1 原料性能

羊毛纖維表面具有一層鱗片層。鱗片表層為一完整包覆整個鱗片細(xì)胞的雙層結(jié)構(gòu)。鱗片表層的外部為類脂層，類脂層之下為蛋白層。羊毛表面類脂層的存在，使羊毛具有疏水性，有防雨水的作用[2]。鱗片層向外撐開并突出，使纖維表面粗糙，且其粗糙已達(dá)到納米水平。在紡紗之前對羊毛纖維進(jìn)行預(yù)縮整理，使其充分膨脹，可提高后續(xù)面料的尺寸穩(wěn)定性，減小面料界面表面張力，增加其拒外來物質(zhì)黏附的能力。織造時，增加緊度，也可減少織物界面表面張力，降低外來物質(zhì)對織物的黏附性。

阻燃粘膠是以木漿為原料，將相當(dāng)α-纖維素干重20%左右的阻燃劑水懸浮乳液在紡絲前混合注入，經(jīng)靜態(tài)混合直接輸入紡絲部位紡絲。其阻燃介質(zhì)具有無毒、不溶解、無鹵素等優(yōu)良特點(diǎn)。且阻燃劑的加入不會影響纖維的自然白度、吸水性及手感。在高溫環(huán)境下，具有較強(qiáng)的阻燃隔熱性能。在接觸熱或火焰時，阻燃粘膠不會形成熔融液滴，因而具有防熔融性能。

2.2 極限氧指數(shù)

采用ON-1型燃燒性試驗(yàn)器，按照GB/T 5454—1997《紡織品 燃燒性能試驗(yàn) 氧指數(shù)法》，對幾種阻燃纖維的極限氧指數(shù)(即Limiting Oxygen Index，以下簡稱LOI值) )進(jìn)行測試。具體結(jié)果為：阻燃粘膠LOI值33.4%，對位芳綸LOI值30.0%，錦綸LOI值24.0%，普通羊毛LOI值25.2%，防縮羊毛LOI值24.9%，絲光羊毛LOI值24.3%。

一般用LOI評價材料的燃燒性能，LOI越高，材料越不容易燃燒；LOI小于22%為易燃材料，LOI在22%～27%為可燃材料，LOI大于27%為難燃材料[3]。此外，錦綸、普通羊毛、防縮羊毛、絲光羊毛屬于熱收縮纖維；阻燃粘膠、對位芳綸屬于阻燃纖維。

2.3 拉伸性能

采用YG004E型電子單纖維強(qiáng)力機(jī)，按照GB/T 14337—2008《化學(xué)纖維 短纖維拉伸性能試驗(yàn)方法》，對幾種纖維的拉伸性能進(jìn)行測試，結(jié)果見表1。

纖維強(qiáng)度是纖維制品其他物理性能得以充分發(fā)揮的必要基礎(chǔ)。軸向拉伸是纖維受力的主要形式，纖維的彎曲性能也與其拉伸性能有關(guān)，因此纖維的拉伸性能是衡量其力學(xué)性能的重要指標(biāo)。

表1 幾種纖維的拉伸性能指標(biāo)測試結(jié)果

纖維斷裂強(qiáng)力/cN斷裂伸長率/%斷裂強(qiáng)度/cN·dtex-1阻燃粘膠對位芳綸錦綸 普通羊毛防縮羊毛絲光羊毛5.5033.7010.3020.406.6213.0025.03.839.636.129.037.72.520.26.32.91.82.9

3 產(chǎn)品設(shè)計和測試分析

通過優(yōu)選原料，結(jié)合防熔融金屬飛濺面料的開發(fā)思路，在保證面料的阻燃性能的前提下，也要使得面料具有一定的厚度，我們設(shè)計了一款單位面積質(zhì)量為280 g/m2的面料。

3.1 設(shè)計規(guī)格

基于產(chǎn)品的開發(fā)思路，防熔融金屬飛濺面料原料選定阻燃粘膠、羊毛、錦綸、對位芳綸以及導(dǎo)電纖維。其中在阻燃纖維中添加20%以下的普通羊毛可保持良好的阻燃性[4]，錦綸在10%以內(nèi)不影響面料的阻燃性。此外阻燃面料不僅要求防火、阻燃，而且應(yīng)具有防靜電功能。2%的導(dǎo)電纖維的混入使面料具有非常好的防靜電性能，提高了面料的安全性和舒適性。

最終，防熔融金屬飛濺面料規(guī)格為：阻燃粘膠60%，羊毛20%，錦綸10%，對位芳綸8%和導(dǎo)電纖維2%；經(jīng)、緯紗線密度均為24.6 tex×2，組織為二上二下右斜紋。

3.2 工藝流程

3.2.1阻燃粘膠制條

常規(guī)精梳毛紡廠采用的是精梳毛條，而阻燃粘膠出廠都是散纖維，適合毛紡加工的阻燃粘膠長度為76 mm～85 mm，因此阻燃粘膠成條是實(shí)現(xiàn)毛紡工藝的第一步。散纖維經(jīng)過梳毛機(jī)的拉伸、拔取梳理成條，要使纖維順直、毛粒少、毛網(wǎng)成形好，控制好制條的回潮率和含油脂率。對阻燃粘膠毛條先進(jìn)行染色，然后再跟其他纖維條進(jìn)行混和。

3.2.2復(fù)精梳

復(fù)精梳工序是對混并后的纖維條進(jìn)行重新梳理，使各類纖維混和均勻，去除短毛、毛粒，為提高后道紡紗質(zhì)量做準(zhǔn)備。因含阻燃粘膠比例較高，且阻燃粘膠濕態(tài)強(qiáng)力偏低(不及干態(tài)強(qiáng)力的一半)，在工藝配置時梳理隔距適當(dāng)加大，以便阻燃粘膠既得到開松梳理又不受到損傷，下機(jī)毛粒控制在1.5個/g以內(nèi)；同時盡可能減少喂入量，且喂毛量保持相對穩(wěn)定，以保證紡紗質(zhì)量；操作方面要求勤做清潔，嚴(yán)格按規(guī)定時間揩大刀、鉤圓梳，拔毛刷、道夫及清理落毛，確保梳理效果良好；設(shè)備方面要求運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)良好，針板無彎針、鉤針、缺針、斷針、并針等現(xiàn)象。

3.2.3前紡注意事項

確定前紡工藝參數(shù)，首先在針梳環(huán)節(jié)確定各道牽伸倍數(shù)、并合數(shù)、出條質(zhì)量和喂入質(zhì)量。粗紗重點(diǎn)是提高條干均勻度，減少毛粒、毛羽。由于阻燃粘膠質(zhì)量比電阻較大，牽伸過程中存在靜電纏繞現(xiàn)象，因此車速要適當(dāng)降低，并采用抗靜電劑處理；同時，由于阻燃粘膠表面光潔，抱合性差，容易產(chǎn)生意外伸長，粗紗捻系數(shù)在保證細(xì)紗不出“硬頭”的情況下偏大掌握。毛條紡紗之前加濕存放24 h以上，粗紗存放3天至7天，以平衡纖維的張力和回潮率，保證后續(xù)生產(chǎn)良好。

3.2.4紡紗及自動絡(luò)筒

重點(diǎn)設(shè)定合理的電清參數(shù)，因含有導(dǎo)電纖維，自動絡(luò)筒機(jī)上選擇光電式電子清紗器，以有效地清除各類紗疵。此外，調(diào)節(jié)好空氣捻接器，保證結(jié)頭質(zhì)量，減少“短粗，細(xì)節(jié)”紗疵，提高布面質(zhì)量。紗線質(zhì)量指標(biāo)：號數(shù)偏差率-0.5%(標(biāo)準(zhǔn)值±2.0%)，重量不勻率1.2%(≤2.5%)，捻度不勻率5.0%(≤10.0%)。

3.2.5織造

采用劍桿織機(jī)織造，適當(dāng)控制上機(jī)張力，調(diào)整好經(jīng)位置線，保證開口清晰。整經(jīng)時要保證經(jīng)紗張力均勻一致，防止片紗張力不勻。選用二上二下右斜紋組織，保證布面效果良好，布面的緊密程度選用中略偏緊。在織造過程中，操作工應(yīng)對機(jī)臺停車及時處理，掌握本品種織口對正的方法，杜絕開車橫檔織疵；高比例阻燃粘膠面料強(qiáng)度低，彈性伸長小，應(yīng)嚴(yán)防軋縮及硬物損傷。

3.2.6后整理

退漿。采用溢流缸進(jìn)行前處理，加入退漿助劑，在95 ℃條件下處理近1 h后再加入冰醋酸以及凈洗劑調(diào)節(jié)布面的酸堿度，并洗去布面沾上的污漬。退漿需時間大約1.5 h。面料從缸里取出后，經(jīng)人工拉開緯幅，放置推車上，待烘。

烘干。定形機(jī)烘干，烘干溫度130 ℃，車速14 m/min，經(jīng)6節(jié)烘箱后再經(jīng)輥筒完成烘干過程。

柔軟整理。柔軟劑30 g/L。

蒸呢。面料經(jīng)導(dǎo)布卷繞在多孔的輥筒上，每個輥筒卷繞大約600 m，完成卷繞后將輥筒放置并給蒸汽倉里通蒸汽，溫度90 ℃至110 ℃，通氣時間10 min，氣壓273.6 kPa；接著停止蒸汽，抽吸冷風(fēng)冷卻，冷卻時間5 min。

驗(yàn)布。蒸呢結(jié)束后進(jìn)行布面檢驗(yàn)。

4 結(jié)果與討論

4.1 阻燃指標(biāo)

面料燃燒性能試驗(yàn)方法按照ISO 15025：2015《防護(hù)服 防火防熱 限制火焰蔓延的測試方法》測試。測試結(jié)果表明：面料初始和洗滌5次后的表面蔓延續(xù)燃時間(經(jīng)、緯向)、面料表面蔓延陰燃時間(經(jīng)、緯向)、面料邊緣燃燒續(xù)燃時間(經(jīng)、緯向)、面料邊緣燃燒陰燃時間(經(jīng)、緯向)均為0 s，均無熔融、滴落，經(jīng)、緯向均未燃燒到邊緣。可以看出，面料表現(xiàn)出了良好的阻燃性能，且具有一定的耐洗滌性。

4.2 防熔融金屬飛濺性能

面料的防熔融金屬飛濺性能測試按照ISO 9185—2007《防護(hù)服裝 材料耐熔化金屬飛濺的評估》測試。測試過程中，適量的熔融金屬濺射到一定角度放置的樣品上。將一個PVC薄膜附在樣品背面與之接觸。通過記錄濺射過程后的PVC薄膜的變化來評價損壞情況。根據(jù)測試結(jié)果，使用更大或更小的金屬量進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，直至PVC薄膜損壞程度最小。對面料分別進(jìn)行熔融鐵和鋁溶液測試，測試結(jié)果：采用208 g的鐵，溫度(1 400±20)℃，面料無燃燒，未被穿透，無黏結(jié)面料，PVC膜未損壞；采用205 g的鋁，溫度(780±20)℃，面料無燃燒，未被穿透，無黏結(jié)面料，PVC膜未損壞。可以看出：面料對于熔融金屬鐵和鋁液具有優(yōu)異的防護(hù)性能，能夠滿足BS EN ISO 11612—2015《防護(hù)服 防熱和火焰用服裝 最低性能要求》要求，防熔融金屬飛濺等級鐵溶液達(dá)到3級，鋁液達(dá)到2級要求。

5 結(jié)論

從熔融金屬性能理清產(chǎn)品開發(fā)思路，采用阻燃粘膠、羊毛、錦綸、對位芳綸和導(dǎo)電纖維混紡成功開發(fā)出了適合冶煉行業(yè)工人穿著的毛型阻燃面料，滿足了特定環(huán)境中的防護(hù)需求，得出以下結(jié)論。

(1)防熔融金屬飛濺面料在纖維選用時，應(yīng)選擇具有防碳化、防熱收縮、防熔融、防熱傳遞、阻燃等功能，或者采用幾種功能組合的纖維合理搭配，增強(qiáng)面料的防熔融金屬飛濺性能。

(2)開發(fā)的面料表現(xiàn)出了良好的阻燃性能和手感，其服用性能能夠滿足冶煉作業(yè)人員的穿著需求，在特定的環(huán)境中，對熔融金屬溶液具有良好的防護(hù)性能，且防熔融金屬飛濺等級鐵溶液達(dá)到3級，鋁液達(dá)到2級要求。