電弧閃爆對織物厚度和拉伸強度的影響

秦 鑫 ,張成蛟 ,孫啟龍 ,彭華陵

(1.杭州市質量技術監督檢測院,浙江 杭州 310019;2.南通大學,江蘇 南通 226019)

電弧實質是一種氣體放電現象,電弧爆燃瞬間會放電,產生巨大的焦耳熱,造成熱效應危害[1-2]。據統計,全球平均每天發生5～10起電弧燃爆事故[3]。防電弧面料及防電弧服裝的作用是保護特殊工作人員免受電弧傷害[4],尤其對電力行業人員防電弧服裝的使用更為重要。目前國內防電弧面料還處于發展階段,主要還是對國外產品的模仿,防電弧織物的相關研究主要在面料設計開發,關于電弧燃爆后對織物性能影響的報道很少,缺乏對防護機理的深入研究[5]。通過對織物電弧閃爆后的物理性能進行研究,可進一步掌握電弧閃爆對織物的破壞機理,進而探究織物電弧防護方法。通過電弧燃爆試驗對防電弧織物厚度和拉伸強度影響的研究,可為防電弧面料研發提供參考。

1 試驗部分

1.1 材料與儀器

芳綸1313/阻燃黏膠混紡織物、芳綸1313織物、芳綸1414織物(315根/(10 cm)×228根/(10 cm),32 tex×32 tex,織物組織為2/1斜紋,面密度為228 g/m2,陜西省紡織科學研究院提供)。

YG142 型測厚儀(寧波紡織儀器廠);Instron 5969 H 型萬能材料試驗機(美國英斯特朗公司)。

1.2 電弧閃爆試驗

電弧閃爆試驗委托加拿大Kinectrics公司高電流實驗室完成,閃爆試驗參數見表1。

表1 3種織物試樣電弧閃爆試驗方案

2 結果與討論

2.1 電弧閃爆對織物厚度影響

按表1試驗方案對芳綸1313/阻燃黏膠混紡織物、芳綸1313織物和芳綸1414織物進行電弧閃爆試驗。3種織物進行不同入射能量電弧閃爆試驗后采用測厚儀進行織物厚度測量,具體變化情況如圖1所示。

圖1 織物厚度隨入射能量變化

由圖1(a)可知,隨著入射電弧能量的增加,芳綸1313/阻燃黏膠混紡織物厚度逐漸增加。當入射能量為8 cal/cm2時,厚度下降了1.6%,但與未受電弧作用的試樣相比,仍增加了4.9%,這是因為纖維中的阻燃黏膠纖維受熱發生了大量斷裂和降解,影響了厚度的增加;當電弧能量為11.9 cal/cm2時,相比于原始織物,厚度增加了48.8%,這時織物已基本炭化完全。低入射電弧能量對芳綸1313/阻燃黏膠混紡織物厚度的影響較小;在高入射電弧能量時,芳綸1313/阻燃黏膠混紡織物的厚度急劇上升。隨著入射電弧能量的增加,芳綸1313/阻燃黏膠混紡織物厚度整體呈遞增趨勢。

由圖1(b)可知,當電弧能量為12.9 cal/cm2時,厚度增加了52.7%。由織物表面形貌圖像可知,芳綸1313纖維受熱發生收縮,使得織物變緊密,從而厚度增加。隨著入射能量的增加,芳綸1313織物厚度逐漸增加,低電弧能量條件下,芳綸1313織物厚度增加緩慢;在高電弧能量作用下,厚度增加比例加大。

由圖1(c)可知,在電弧作用過程中,隨著入射能量的增加,芳綸1414織物厚度先降低后增加,當電弧能量為13.6 cal/cm2時,厚度下降了9.4%,由織物表面形貌圖像可知,芳綸1414 纖維織物收縮小,且芳綸1414分子結構發生斷裂分解,從而織物厚度變薄;隨著能量進一步增加,織物炭化程度逐漸加深,形成的炭附著在表面,使厚度增加,當電弧能量為30.9 cal/cm2時,厚度增加了10%。

3種織物在電弧閃爆后厚度均表現為增加趨勢,不同織物厚度增加程度略有不同,結合織物的SEM 圖像分析,織物厚度增加的主要原因是纖維受熱變形膨脹,同時織物碳化膨脹,產生多孔碳層,覆蓋在纖維表面,也進一步增加了纖維厚度。

2.2 電弧閃爆對織物拉伸強度影響

防電弧織物在電弧閃爆過程中的高熱作用后會產生收縮、扭曲變形,發生斷裂、炭化現象,從而引起織物性能的改變。按表1方案對3種織物進行電弧閃爆試驗后測定不同入射電弧能量條件下織物的拉伸強度性能變化情況,3 種織物在不同電弧能量作用后的拉伸曲線如圖2所示。

圖2 不同能量電弧作用下織物拉伸曲線

從圖2可知,3種織物從開始拉伸至斷裂形成的曲線各不相同,且斷裂曲線均不是直線,說明載荷與拉伸應變之間呈非線性關系?？椢飶氖芾熘钡狡屏?外力對織物所做的總功為斷裂功,即為載荷-位移曲線下所包圍的面積。3種織物中芳綸1414 織物斷裂功較大,芳綸1313/阻燃黏膠織物斷裂功較小。

電弧閃爆前后3種織物拉伸強力變化見表2,經過不同入射能量電弧閃爆后的拉伸強力變化率如圖3所示。從表2和圖3可知,3種織物隨著能量增大,拉伸強度逐漸下降。對于芳綸1313/阻燃黏膠混紡織物而言,變化率先大后小再變大。入射能量為4.4 cal/cm2時,其拉伸強度下降了17.1%;入射能量為5.8 cal/cm2時,其拉伸強度下降了40.4%;當入射能量為9.8 cal/cm2時,織物基本失去了強力,其拉伸強度下降了85.1%。

圖3 不同能量電弧作用下織物斷裂強度變化率

表2 電弧閃爆前后織物拉伸強力變化

對于芳綸1313織物而言,變化率呈波浪形,先小后大再變小再變大。入射能量為4.9 cal/cm2時,其拉伸強度下降了37.3%;當入射能量為5.8 cal/cm2時,其拉伸強度下降了52.7%;當入射能量為7.5 cal/cm2時,織物基本失去了強力,其拉伸強度下降了88.2%。

對于芳綸1414織物而言,變化率也同樣呈波浪形,先小后大再變小再變大。入射能量為7.4 cal/cm2時,其拉伸強度下降了37.2%;入射能量為12.4 cal/cm2時,變化率最小,為18.6%,其拉伸強度下降了88.4%,織物已基本失去強力;當入射能量為22.8 cal/cm2時,織物完全失去了強力,其拉伸強度下降了99.1%。

3 結論

織物的厚度會因受熱收縮和纖維組成成分的形態變化而發生變化。在較低入射能量條件下,織物的厚度少量增加;在較高入射能量條件下,織物厚度增加明顯。織物受電弧閃爆損傷后,纖維表面會因受熱而產生碳化層,隨著纖維碳化程度的加深,炭化層增加,織物厚度增加?？椢锏睦鞌嗔褟姸葧S著入射電弧能量的增加而發生明顯下降。芳綸1313/阻燃黏膠混紡織物和芳綸1414織物受熱后機械性能會迅速下降,芳綸1313織物保持機械性能的能力較好。通過織物經電弧閃爆試驗后的厚度和拉伸強度情況結合電弧危險等數據,為織物防護評級做參考依據。