阻燃黏膠/腈氯綸服用織物的制備與性能

代宏宇， 周夢娟， 張軍英， 王黎明， 覃小紅

(1.東華大學 a.紡織面料技術教育部重點實驗室, b.紡織學院， 上海 201620；2.河北科技大學 紡織服裝學院，河北 石家莊 050000)

阻燃紡織品是指采用阻燃纖維或者經過某些化學物品處理后，遇明火不易著火或燃燒速率較慢，以及離開明火后能夠迅速自熄的織物[1]。早期研發的阻燃紡織品主要是普通面料經過阻燃整理制備而成的，由于不耐洗滌，因此不具有永久阻燃性[2-4]。隨著阻燃纖維被不斷研發，盡管由阻燃纖維制備的紡織品極限氧指數(LOI)能夠達到較好水平，且具有永久阻燃性，但其服用性較差[5]。

阻燃纖維包括本質阻燃纖維和改性阻燃纖維[6]。其中：本質阻燃纖維主要包括芳綸1313、芳砜綸、聚苯硫醚等高性能阻燃纖維，這些纖維主要用于防護服領域,但具有價格偏高、舒適性差的缺點；改性阻燃纖維是指纖維中添加阻燃劑，主要包括阻燃黏膠、阻燃維綸、腈氯綸、阻燃滌綸等[7-10]。這些纖維價格在中低水平，但單獨使用時阻燃效果偏差，需要多種纖維的復合配制，方可實現阻燃功能的高性價比。

改性阻燃纖維主要通過向基體物質中引入或者混入阻燃組分，從而使材料體具有阻燃效果。阻燃黏膠纖維改性方式可分為共聚改性、共混改性及后處理改性等[11-12]。國外阻燃黏膠纖維開發初期，鹵素、氮、磷等化合物為主要阻燃劑用品[13]。20世紀70年代，焦磷酸酯類作為阻燃黏膠纖維的阻燃劑。奧地利某公司用氮磷元素混合阻燃劑加入紡絲液中，所制備的阻燃黏膠纖維LOI值超過 28%[14]。芬蘭某公司研制了含硅酸鹽的阻燃黏膠纖維。日本東洋紡利用超細化技術，將含磷阻燃劑分散于紡絲液中，制備了阻燃黏膠纖維。日本大和紡、美國 PER 制成了以有機酯為阻燃劑的永久性阻燃黏膠纖維[15]。國內阻燃黏膠纖維在開發初期的改性方法為共混法、后整理法等。20世紀90年代后，我國掀起了研究阻燃黏膠纖維的熱潮，阻燃劑以焦磷酸酯類為代表[16]。張瑞文等[17]采用共混紡的方法，以磷、氮、硅元素為復合阻燃劑，開發了LOI值超過 27%的阻燃黏膠纖維，其中阻燃劑質量分數不超過20%；冉國慶[18]采用硅氮系阻燃劑，制備了具有較好阻燃效果的改性纖維；李娟等[19]采用注射法在紡絲前將硅系阻燃劑注入紡絲液，其中阻燃劑質量分數為15%，阻燃黏膠纖維的LOI值超過 30%。

阻燃黏膠纖維具有優良的吸濕、透氣、染色性能，以及低煙、無毒、不熔融滴落、無異味、防火防熱等特性[20-21]，其LOI值不低于28%，且其廢棄物具有自然降解的屬性，屬于綠色環保型纖維，被廣泛應用于各種紡織品領域[5,22]。同時，腈氯綸屬于共聚物，包含丙烯腈與偏二氯乙烯，其中丙烯腈質量分數應大于35%而小于85%[23]。腈氯綸集合了腈綸和含氯纖維的優勢，質量輕、強度大、保暖好，并具有優良的阻燃性能，其 LOI 值可達26%～34%[24]。另外，腈氯綸混紡性能比較突出，可單純紡制，也可以作為緯紗與普通的聚酯紗線進行交織。本文研發的纖維阻燃服用面料兼顧阻燃性和穿著舒適性，因此選擇吸濕透氣性能優異的阻燃黏膠纖維和阻燃性能良好的腈氯綸纖維混紡的紗線作為織物經緯紗。

采用2種不同混紡比(60/40、75/25)的阻燃黏膠/腈氯綸混紡紗線，分別進行合股、聚乙烯醇(PVA)/淀粉混合漿料上漿處理以增強紗線強力，減少毛羽。經緯紗采用同種紗線，結合織物的服用要求，選擇結實、耐磨及便于加工的平紋和方平2種織物組織結構，根據織物的用途，確定其經(緯)向緊度為40%～60%，已知股線的直徑為0.2 mm，由緊度可以計算經(緯)向密度為200～300根/10 cm，故選擇3組上機經密參數，分別為200、220、280根/10 cm 制備8種不同規格的織物(見表1)，進行環保的水煮退漿處理，以及對退漿后織物的阻燃性、服用舒適性和力學性能進行測試分析，提供一種最優的阻燃服用織物的制備工藝。

表1 不同混紡比的阻燃黏膠/腈氯綸織物樣品的織造參數

1 試驗部分

1.1 試驗材料

阻燃黏膠/腈氯綸(60/40)紗線(線密度17.82 tex)和阻燃黏膠/腈氯綸(75/25)紗線(線密度17.82 tex)，均由河北科技大學提供(山東永德紡織品有限公司提供的國產38 mm×1.5 dtex腈氯綸和38 mm×1.5 dtex阻燃黏膠，兩種不同混紡比的混紡紗線加工在保定三源紡織科技公司完成)。聚乙烯醇(PVA，1788型)，上海影佳實業發展有限公司提供；淀粉和滲透劑(JFC-2)，南通辰潤化工有限公司。以上材料使用前均未進一步提純。

1.2 阻燃黏膠/腈氯綸混紡紗線的預處理

混紡比分別為60/40與75/25的阻燃黏膠/腈氯綸混紡紗線的單紗斷裂強力分別為130.90和125.80 cN，強力較低，因此均需進行并捻以提高強力，使其上機張力更加均勻，才能進行上機織造。此外，紗線表面毛羽較多，有一定程度的退捻，需先上漿再上機織造，以增強紗線抵抗拉伸、彎曲、摩擦等外部復雜作用力的能力，提高經紗的可織性，保證織造過程的連續進行。漿料的配比和上漿率要依據織物組織、用途及加工條件而定：將混紡比為60/40和75/25的2種阻燃黏膠/腈氯綸混紡紗線分別在并紗機上進行合股；采用PVA和淀粉的質量比分別按照60/40和50/50進行配置混合漿料，隨后分別加入10 mL滲透劑JFC-2，配置1 000 mL含固率為7%的溶液，并在恒溫水浴鍋中加熱(90 ℃)攪拌1 h；設定GA392電子式單紗上漿機儀的烘房溫度為50 ℃，預烘干溫度為40 ℃，控制張力為2.50 N，水保溫為90 ℃，分別對2種紗線進行上漿處理。

1.3 阻燃黏膠/腈氯綸混紡織物的織造

結合表1將經上漿處理的阻燃黏膠/腈氯綸混紡紗(混紡比為60/40、75/25)在Y200 S型電子小樣織布機上進行織造。試樣經緯紗的種類相同，上機經密不同(分別為200、220、280 根/10 cm)，不同組織結構的上機工藝示意圖如圖1所示。

圖1 不同組織織物上機圖

1.4 阻燃黏膠/腈氯綸混紡織物的退漿處理

采用水煮法對阻燃黏膠/腈氯綸混紡織物進行退漿，使試樣在熱水中溶脹易于水洗去除漿料。試樣退漿過程要均勻受熱，且保證完全水洗干凈。試樣需用電子天平稱重，然后將其在沸水中煮1 h，再用蒸餾水反復洗滌數次，并于通風處自然晾干。待試樣完全干后再次稱重，退漿率計算如式(1)所示。

(1)

式中：m0為退漿前織物質量；m1為退漿后織物質量。

1.5 阻燃黏膠/腈氯綸混紡紗線及織物的性能測試

1.5.1 阻燃黏膠/腈氯綸混紡紗線性能測試

(1)強力測試。采用YG020B型電子單紗強力儀對單紗、股線和漿紗的強力進行測試，試樣長度為50 cm，拉伸速度為50 cm/min，定伸長率為50%，每種試樣測試30次，試驗結果取平均值。

(2)紗線毛羽測試。采用YG171B-2型紗線毛羽測試儀對單紗、股線表面的毛羽進行測試，測試速度為30 m/min，片斷長度(測試的紗線長度)為10 m，溫度為19 ℃，相對濕度為44.3%。

1.5.2 阻燃黏膠/腈氯綸混紡織物的性能測試

(1)強力測試。根據GB/T 3923.1—2013《紡織品織物拉伸性能第一部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測定》采用YG028A型電子織物強力機對織物樣品分別進行測試，先將每種織物樣品裁剪5塊5 cm×15 cm試驗布條，以10 cm/min的速度拉伸直至斷裂或者開脫，每種樣品的測試結果取5次的平均值。

(2)耐磨性能測試。根據GB/T 4802—2008《紡織品馬丁代爾耐磨儀織物平磨測試方法》，采用Y522型圓盤式織物平磨儀測試織物的耐磨性能，摩擦次數設為200次，圓盤轉速為22.5 r/min。

(3)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YG461E數字式透氣量儀測試織物樣品的透氣性能，檢測面積為20 cm2，每種樣品換不同的位置測量10次取平均值。

(4)透濕性能測試。根據GB/T 12704.2—2009《紡織品織物透濕性試驗方法第2部分：蒸發法》，采用YG601—I/II型電腦式織物透濕儀測試織物樣品的透濕性能，溫度為23 ℃，相對濕度為50%，測試時間為1 h。

(5)抗靜電性能測試。根據GB/T 12703.3—2009《紡織品靜電性能的評定第3部分：電荷量》采用LFY-403織物摩擦帶電荷量測試儀和LFY-403A滾筒摩擦機測試織物樣品的抗靜電性能，將8種織物樣品按順序放入滾筒摩擦機里進行滾動摩擦，15 min后放到摩擦帶電荷量測試儀里，每種樣品重復測試3次，試驗結果取平均值。

(6)導熱性能測試。采用Hotwire 3.6導熱系數測量軟件對織物樣品進行導熱能力的測試，每種樣品換不同位置測試5次，試驗結果取平均值。

(7)彎曲性能測試。根據GB/T 18318.1—2009《紡織品 彎曲性能的測定 第1部分：斜面法》，采用 LLY-01B 電子硬挺度儀測試織物樣品的硬挺度，每種樣品剪成10.0 mm×2.5 mm的試驗布條，每種樣品換不同的位置測量24次后取平均值。

(8)阻燃性能測試。根據GB/T 5455—1997《紡織品 燃燒性能試驗 垂直法》用YG(B)815D -Ⅰ型(垂直法)織物阻燃性能測試儀進行垂直燃燒測試，裁剪300 mm×100 mm的試驗布條，記錄每塊布條的續燃時間、陰燃時間、損毀長度。根據FZ/T 01028—1993《紡織織物燃燒性能測定水平法》使用YG(B)815D -Ⅱ型(水平法)織物阻燃性測試儀對布條進行水平燃燒，對試樣進行點火，火焰熄滅后，記錄火焰的蔓延時間，測量蔓延距離，并計算出火焰蔓延速率。

2 測試結果與討論

2.1 預處理工藝對阻燃黏膠/腈氯綸混紡紗線性能的影響

原紗、股線以及漿紗的毛羽和拉伸性能測試結果如圖2和表2所示。由圖2可知，合股后紗線2 mm以上毛羽明顯減少，表面更加均勻。上漿后紗線表面毛羽更貼服，從而減少由紗線表面毛羽過多引起的粘連對織造的影響。由表2可以看出，3種紗線的強力為漿紗>股線>單紗，即紗線進行預處理后明顯提高了強力，減少織造過程中的斷頭率。因此兩種混紡比的漿紗都適宜作為上機織造的紗線。

表2 不同混紡比的阻燃黏膠/腈氯綸紗線拉伸性能

圖2 不同混紡比的阻燃黏膠/腈氯綸的股線和單紗毛羽分布

2.2 退漿工藝對阻燃黏膠/腈氯綸混紡織物的影響

水煮法退漿前后部分阻燃黏膠/腈氯綸混紡織物如圖3所示。從圖3可以看出：退漿前織物表面有組織結構點凸起；而退漿之后的織物表面變得更加平滑，紗線之間更加緊湊密實，避免了織物上漿料的存在對后續織物性能測試造成影響。

圖3 阻燃黏膠/腈氯綸混紡織物退漿前后的對比

2.3 阻燃黏膠/腈氯綸混紡織物的斷裂強力

織物的力學特性與織物組織結構以及其紗線經緯密關系密切。織物在一定尺寸內的紗線交錯次數越多，紗線間摩擦面積越大，阻力越大，斷裂強度越高；織物組織結構越緊密，浮線越少且長度越短，織物更加耐磨，斷裂強度也越高[25,27]。

織物拉伸性能可用斷裂強力、斷裂長度、斷裂伸長率、斷裂功等指標來表示[25]。機織物一般采用拉伸斷裂強力來說明其堅牢度。織物的經緯密是影響其拉伸斷裂強力的一個重要因素。阻燃黏膠/腈氯綸混紡織物試樣的經向和緯向拉伸測試結果如圖4所示。由圖4可知，試樣的經向拉伸斷裂強力比緯向的高，這是由于試樣的經密大于緯密。對比經密不同的阻燃黏膠/腈氯綸混紡織物試樣A2、A3、A4可知，試樣經密越大則其強伸度越好，其中A4樣品的經、緯向的斷裂強力分別達到835和260 N。對比其他參數相同而混紡比不同的試樣A1和A5(或A2和A6等)發現，試樣中腈氯綸含量越多，其強伸度越好(腈氯綸纖維的伸長率比阻燃黏膠纖維幾乎大一倍)。試樣受拉伸至纖維分階段斷裂時，阻燃黏膠纖維先受到拉伸斷裂后，腈氯綸才開始承受拉伸至斷裂。混紡紗的斷裂強力是上述兩組分中承受較大拉伸組分的強力，因此腈氯綸比例增加，混紡織物的斷裂強度也隨之增大。GB/T 3923.1—2013與GB/T 3917.3—2009規定阻燃防護服斷裂強力≥450 N，本研究所有混紡織物試樣的經向斷裂強力均能達到標準要求。其中，A4的經緯向平均斷裂強力最高，A5的經緯向平均斷裂伸長率最小，A1的經緯向平均拉伸長度最小。

圖4 8種不同阻燃黏膠/腈氯綸織物的強力測試結果

2.4 阻燃黏膠/腈氯綸混紡織物的服用性能

阻燃黏膠/腈氯綸混紡織物穿著舒適性指標的測量結果如表3所示，指標包含織物的耐磨性、透氣性、透濕性、抗靜電性能、導熱能力以及硬挺度。由表3磨損試樣質量減少率可看出，耐磨性能最好的織物是A4，耐磨性能最差的是A6。對比平紋組織結構(A1或A5)與方平組織結構(A2或A6)，可看出平紋比方平組織耐磨性好。經密是影響耐磨性的另一個主要因素[25-26]，不同經密的A2、A3、A4對比可知，經密越大，耐磨性越好。對比混紡比不同的A1、A5得出阻燃黏膠含量少，耐磨性好。

織物的透氣和透濕性能夠直接反映其服用性能舒適度。人體要維持皮膚表面的溫度恒定則需要通過服裝面料不斷地與外界進行空氣和水分的交換。一般情況下，使用織物對外界環境熱量與水分的透通性來反映其穿著舒適性[28]。影響織物透氣性的最主要因素是織物中孔隙大小和分布特征，并且更多地取決于織物的大孔，而纖維的濕傳遞、紗線的結構、織物的組織結構等特征以及織物表面屈曲波所形成的空隙等均對織物的透濕性能產生影響。由表3中的透氣率和透濕率可知，試樣中透氣性最好的是A1，透濕性能最好的是A7。對比A2、A3、A4可知，隨經密增加，織物的透氣性和透濕性下降，因此，經密越小，孔隙越大，織物的透氣和透濕性能越好。不同的組織結構中，平紋A1比方平A2的透氣性、透濕性好，因為方平組織更加緊密的紗線形成的孔隙更小。由不同混紡比的A1和A5(A2和A6)可看出，阻燃黏膠含量多，試樣的透氣性則更好，這是由于阻燃黏膠本身的透氣性要優于腈氯綸。劉帥[29]制備的阻燃黏膠/羊毛混紡平紋織物的透氣率為251 mm/s，透濕率為113.16 g/(m2·h)，阻燃黏膠/羊毛混紡斜紋織物的透氣率為96.98 mm/s，透濕率為110.14 g/(m2·h)。因此，本文制備的阻燃黏膠/腈氯綸混紡織物的透氣性要優于阻燃黏膠/羊毛混紡織物，而其透濕率略低。

由表3的摩擦帶電量可知，A1織物摩擦后帶電荷量最多，抗靜電效果最差，A6抗靜電效果最好。隨著阻燃黏膠含量的增多，混紡織物抗靜電性能會加強，因為阻燃黏膠吸濕性好，吸收空氣中的水分從而降低織物摩擦所帶電荷量，則織物抗靜電性加強。另外，織物組織和經緯密度對抗靜電性也有影響，試樣中導電性的紗線露在結構外面多則抗靜電效果好。

織物的組織結構、厚度以及覆蓋系數對織物的導熱性影響很大，此外織物中的空氣含量很大程度上決定了織物的導熱性[30-34]。由表3的導熱系數可知，A5的導熱效果最好，A2的導熱效果最差。由于腈氯綸比阻燃黏膠導熱系數小，對比A2和A6、A3和A7、A4和A8得出，阻燃黏膠含量越多，混紡織物導熱系數越大，導熱效果越好。此外，平紋織物的熱傳遞性更好一些，因為平紋織物較方平織物更為疏松，織物中含空氣較多，熱傳遞性更好。Kim等[35]制備的改性腈綸/阻燃人造絲/防靜電聚酯斜紋混紡織物的導熱系數為0.038 1，改性腈綸/棉/防靜電聚酯斜紋混紡織物的導熱系數為0.040 3。Kim等[36]制備的改性腈綸/改性黏膠/防靜電聚酯單面針織混紡面料的導熱系數為0.045 4，改性腈綸/棉/防靜電聚酯單面針織混紡面料導熱系數為0.047 3。上述織物導熱系數均低于阻燃黏膠/腈氯綸混紡織物，表明本文所制備的阻燃黏膠/腈氯綸混紡織物具有優異的導熱能力。

織物的剛柔性通常被用以衡量織物的硬挺度和柔軟度。織物手感、風格的變化在很大程度上是通過織物的剛柔性的變化來反映的[28]。織物的平均彎曲長度越小，硬挺度越好，柔軟性越差。由表3總平均彎曲長度的數據分析可知：A1的硬挺度最差，A4的硬挺度最好；方平組織比平紋組織硬挺度好；阻燃黏膠含量多，經密大，硬挺度好。

表3 不同混紡比的阻燃黏膠/腈氯綸混紡織物服用性能測試結果

2.5 阻燃黏膠/腈氯綸混紡織物的阻燃性能

2.5.1 垂直燃燒測試結果

不同混紡比的阻燃黏膠/腈氯綸混紡織物試樣經燃燒后的形貌如圖5所示，各試樣燃燒測試數據如表4所示。根據GB 17591—2006《阻燃織物》中規定，阻燃服用織物損毀長度≤150 mm，續燃時間≤5 s，陰燃時間≤5 s，無熔融滴落現象。由表4可知：試樣編號為A1、A3、A4的織物滿足關于阻燃服用面料的要求，阻燃級別為B1級；其余編號的織物達不到阻燃織物標準中3項指標的最低要求，不宜作為阻燃服用面料。試樣A5～A8中損毀長度遠遠超過150 mm的要求，即混紡織物中阻燃黏膠含量大，阻燃效果差。由于腈氯綸的極限氧指數大，增加混紡織物中腈氯綸的含量能夠顯著提高阻燃效果。

圖5 不同混紡比的阻燃黏膠/腈氯綸混紡織物垂直燃燒后形貌圖

表4 不同混紡比的阻燃黏膠/腈氯綸混紡織物垂直燃燒法測試結果

2.5.2 水平燃燒測試結果

不同混紡比的阻燃黏膠/腈氯綸混紡織物試樣水平燃燒后的形貌如圖6所示，各試樣的水平燃燒測試結果如表5所示。由圖6可以看出：試樣A4和A6的阻燃效果較好；A7的阻燃效果最差，A5比A7阻燃效果略好；A1、A2、A3、A8的殘炭形貌圖差異小，水平方向阻燃效果基本一致，在所有試樣的阻燃效果里屬于中等水平。依據GB 17591—2006《阻燃織物》標準規定，火焰蔓延速率≤100 mm/s，即達到阻燃織物的標準。由表5可知，只有A1、A4、A6適宜做阻燃織物，阻燃級別為B2級。

表5 不同混紡比的阻燃黏膠/腈氯綸混紡織物水平燃燒法測試結果

圖6 不同混紡比的阻燃黏膠/腈氯綸混紡織物水平燃燒后形貌圖

2.6 阻燃黏膠/腈氯綸混紡織物阻燃性能的影響因素

不同設計方案織造出來的阻燃黏膠/腈氯綸混紡織物試樣阻燃效果差異很大，因此探討混紡紗線試樣中腈氯綸的比例、經密和組織結構對混紡織物阻燃性能的影響。

(1)在經密和組織結構相同的條件下，對比混紡比分別為60/40和75/25阻燃黏膠/腈氯綸混紡織物的垂直和水平燃燒試驗結果。由表4和5中的試驗數據可知，隨著試樣中阻燃黏膠纖維的比例增大，其續燃時間增加，損毀長度變長，且燃燒火焰的蔓延距離和蔓延速率也在增大。由此表明，混紡比為60/40的紗線試樣中腈氯綸含量多，阻燃效果好。由于阻燃黏膠纖維LOI值大于28%，腈氯綸纖維LOI值更高(可達34.6%)，因此，阻燃黏膠/腈氯綸混紡紗線中腈氯綸含量越多，混紡織物的阻燃效果越好。

(2)將混紡比和組織結構相同而經密不同的織物試樣A2、A3、A4進行對比分析，三者對應的垂直燃燒的損毀長度分別為163、133、104 mm，隨著經密的增加，試樣的損毀長度逐漸減小。由于經緯紗密度對織物阻燃性的影響最為顯著，當其他參數相同時，經緯紗密度越大，織物越緊密，纖維與氧氣的接觸面積越小，燃燒越困難，阻燃性越好[38]。

(3)將混紡比和經密相同而組織結構不同的A1和A2、A5和A6進行對比分析，發現方平組織試樣的垂直燃燒損毀長度小、水平燃燒火焰蔓延速率慢，阻燃性能更優。由于方平組織是在平紋的基礎上沿著經緯向同時延長其組織點而成，經緯紗的交織點比平紋更多，試樣會更為緊密，與平紋組織相比，其能容納的氧氣量減少，抑制了燃燒。

3 結 語

選擇混紡比為60/40、75/25的阻燃黏膠/腈氯綸混紡紗線進行阻燃服用織物試織與性能探討。根據經密、組織結構、混紡比3個對比因素設計了8種不同的織造方案，通過對試樣的力學性能、服用性能和阻燃性能測試，得出以下結論：

(1)經密大，阻燃黏膠/腈氯綸混紡織物的斷裂強力高，斷裂長度大；方平比平紋組織的強伸度好。最終得出A4的力學性能最優。

(2)綜合織物的硬挺度、舒適性以及風格，在組織結構與經密一定時，混紡比為60/40的阻燃黏膠/腈氯綸混紡織物服用效果更佳；在織物原料一定時，方平組織優于平紋組織。得出A5的綜合服用性能最好。

(3)能達到阻燃織物標準的為A1和A4，其他織物不能作為阻燃面料，阻燃性能較好的是A4。

(4)混紡比為60/40的阻燃黏膠/腈氯綸混紡紗線、方平組織、經密為280根/10 cm是最優的混紡阻燃服用面料制備工藝。