芳綸1313/聚酰亞胺/阻燃滌綸水刺氈鍍鋁工藝研究

孔維良，潘星夷，張予希，郭樂凡，葛愛雄，劉麗芳

(1.東華大學紡織學院，上海 201600；2. 聯勤保障部隊軍需能源質量監督總站，北京 100080；3.新興際華(北京)材料技術研究院有限公司，北京 100071)

0 前言

隔熱層對消防服的防護功能至關重要，因此，研究其阻燃和熱防護性能具有重要意義。 目前隔熱層的原材料以芳綸1313 纖維為主，另外還有聚酰亞胺纖維、聚對苯撐苯并二噁唑(PBO)纖維、碳纖維、陶瓷纖維等其他具有優異耐高溫性能的纖維[1]。 朱方龍等[2]以芳綸1313 纖維、碳纖維、粘膠纖維為原料，制備了一種消防服用阻燃相變隔熱織物，此織物可明顯提高消防服的熱防護性能，可用于各個不同領域的個體防護裝備；金艷蘋等人[3]以氣凝膠纖維、玄武巖纖維、預氧絲纖維、芳綸1414纖維為原料制備針刺纖維氈，并與市售其他層織物組合得到消防服，研究發現新型隔熱層可以有效提高消防服的綜合熱防護性能，但是也會在一定程度上降低消防服的熱濕舒適性能。

金屬鋁具有高反射率特性，將其與織物復合可提高織物的反熱輻射性能，從而提高織物的隔熱性能和熱防護性能。 曹永強等[4]用鋁箔、聚酯膜和芳綸基布復合制成消防服隔熱層，但是鋁箔的復合工藝難度較大，需綜合考慮兩者的強力差異問題；魏亮等[5]配置鋁膠涂于芳綸1313 面料制備新型消防員隔熱層，鋁膠涂層后的芳綸1313 面料具備優良的阻燃、隔熱及高溫熱防護性能。 本文以芳綸1313、聚酰亞胺和阻燃滌綸為原料制成水刺氈用于消防服隔熱層，并將自制含鋁涂料涂覆在水刺氈上，測試分析其綜合性能。

1 試驗部分

1.1 材料與儀器

纖維:芳綸1313 纖維(煙臺泰和新材料股份有限公司)、聚酰亞胺纖維(江蘇奧神新材料股份有限公司)、阻燃滌綸纖維(南通羅萊化纖有限責任公司)，三種纖維的長度和線密度如表1 所示。

表1 三種纖維原料的長度和線密度

化學試劑:鋁粉(100 目~200 目，國藥集團化學試劑有限公司)、無機粘合劑(工業品，天道化工技術有限公司)、KH550 硅烷偶聯劑(分析純，國藥集團化學試劑有限公司)、乙醇(分析純，國藥集團化學試劑有限公司)、增稠劑(工業品，廣州市潤宏化工有限公司)、增稠流平劑(工業品，廣州市潤宏化工有限公司)。

設備及儀器:AS181A 蓋板梳棉機(青島紡織機械股份有限公司)、水刺小樣機(德國福來司拿公司)、YG026MB 多功能電子織物強力機(溫州方圓儀器有限公司)、YG026 電子織物強力機(溫州方圓儀器有限公司)、YG461E 全自動透氣性測定儀(溫州方圓儀器有限公司)、電熱恒溫干燥箱(蘇州九聯科技有限公司)、智能氧指數測定儀(青島山紡儀器有限公司)、YG815A－Ш 織物阻燃性能測試儀(溫州方圓儀器有限公司)、RFH－Ш 熱防護性能測試儀(陜西元豐紡織技術研究有限公司)。

1.2 制備工藝

纖維混合梳理→成網→水刺→涂料制備→涂料涂覆→烘干得到鍍鋁試樣。

1.2.1 纖維梳理成網

按照40 %芳綸1313、50 %聚酰亞胺、10 %阻燃滌綸的質量分數將三種纖維均勻混合，經兩道梳理得到纖維網。

1.2.2 水刺

用Fleissner 水刺小樣機對纖網進行加固，水刺工藝參數設置為:輸網簾速度2 m/min；水刺道數5道(纖網正反面輪流水刺)；水刺壓力:預濕25 bar，第1 道水刺50 bar，2~5 道水刺85 bar。 纖網經5道水刺加固后于通風處自然晾干得到水刺氈試樣。

1.2.3 涂料制備

涂料A:稱取10 g 鋁粉加入到80 g 無機粘合劑中，置于磁力攪拌器上攪拌；攪拌20 min 后再加入5 g 增稠劑和5 g 增稠流平劑，繼續攪拌30 min，使涂料各組分均勻混合，靜置至氣泡消失，得到涂料A。

涂料B:稱取40 g 鋁粉加入到240 g 乙醇中，在磁力攪拌器上攪拌均勻后加入80 g KH550 硅烷偶聯劑，攪拌20 min 后加入20 g 增稠劑和20 g 增稠流平劑，攪拌均勻后得到含鋁粉的懸浮液，即涂料B。

文獻[6]研究表明，功能粒子的添加比例為10 %較好，因此本文中涂料A 和B 中鋁粉的質量分數均為10 %。

1.2.4 鍍鋁

A 涂料涂覆:用膠頭滴管吸取適量A 涂料滴涂于水刺氈上，以左右、上下相隔2 cm 的密度進行單面滴涂，滴涂完畢后將鍍鋁樣品置于120 ℃的烘箱中烘干，命名為試樣A。

B 涂料涂覆:將涂料B 均勻刷涂于水刺氈的單面，刷涂時為了保證涂覆的均勻性，應采取濕對濕的刷涂方法[7]，即提前用去離子水將水刺氈潤濕，刷涂完畢后再進行二次補刷，確保涂覆的均勻性，然后置于通風櫥中自然風干，命名為試樣B。

1.3 性能測試及表征

對原始水刺氈試樣、試樣A、試樣B 分別進行性能測試，研究不同涂覆方式對試樣性能的影響。

1.3.1 拉伸斷裂性能

采用YG026MB 多功能電子織物強力機測試三種試樣的拉伸斷裂強力和斷裂伸長率。

參照標準:GB/T 3923.1－2013?紡織品織物拉伸性能第1 部分:斷裂強力和斷裂伸長率的測定(條樣法)?。 測試參數:試樣規格220 mm×50 mm，隔距長度200 mm，預加張力2 N，拉伸速度100 mm/min，每個樣品測試5 次取平均值。

1.3.2 頂破強力

采用YG026 電子織物強力機測試三種試樣的頂破強力。

參照標準:GB/T 19976－2005?紡織品頂破強力的測定剛球法?。 測試參數:試樣面積36 cm2，下降速度300 mm/min，每個樣品測試5 次取平均值。

1.3.3 透氣性

采用YG461E 全自動透氣性測定儀測試3 種樣品的透氣率。

參照標準:GB/T 5453－1997?紡織品織物透氣性的測定?。 測試參數:試樣面積20 cm2，壓差200 pa，每個樣品測試10 次取平均值。

1.3.4 熱穩定性能

采用電熱恒溫干燥箱測試三種試樣在高溫下的熱收縮率。

參照標準:GA10－2014?消防員滅火防護服附錄B?。 測試參數:試樣規格10 cm×10 cm，烘燥溫度260 ℃，烘燥時間5 min。

1.3.5 阻燃性能

分別采用智能氧指數測定儀和YG815A－Ш 織物阻燃性能測試儀測試三種試樣的阻燃性能。

參照標準:GB/T 5454－1997?紡織品燃燒性能試驗氧指數法?，測試參數:試樣規格150 mm×58 mm；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?，測試參數:試樣規格300 mm×89 mm，點火時間12 s，重錘質量54.5 g，每種試樣縱橫向各測試5 個試樣，取平均值。

1.3.6 熱防護性能

采用RFH－Ш 熱防護性能測試儀測試三種試樣的熱防護性能TPP 值。

參照標準:GA 10－2014?消防員滅火防護服附錄A?。 測試參數:試樣規格150 mm×150 mm，熱通量(83±4) kW/m2，即(2.0±0.1) cal/(cm2?s)，每種試樣測試三次取平均值。

2 結果與討論

2.1 拉伸性能

對三種試樣進行拉伸性能測試，結果如表2所示。

表2 鍍鋁前后試樣斷裂強力與斷裂伸長率

由表2 可知，經含鋁涂料涂覆后，兩個試樣的拉伸斷裂強力均有所降低，但強力最低的試樣A仍能達到138.5 N，能夠滿足使用要求；拉伸斷裂伸長率略有降低。 試樣A 斷裂強力下降是因為鋁粘合點將試樣分割成多個部分，在受力時，各部分能承受的外力極限不同，容易產生短板效應，承受能力弱的部分首先斷裂，斷裂不同時性明顯，因此導致試樣整體的斷裂強力大大降低。 而試樣B 斷裂強力下降主要是由于鋁粉的涂覆使得試樣整體柔軟性變差，剛度變大，延展性下降，受到外力作用會發生輕度脆損斷裂，斷裂伸長率也有所降低。 但是由于涂覆的均勻性使其具備良好的斷裂同時性，因此其斷裂強力大于試樣A。

2.2 頂破強力

對原始試樣和鍍鋁后的兩種試樣進行頂破強力測試，如圖1 所示。 鍍鋁后試樣的頂破強力減小，但均能滿足消防服的強力要求。 其中試樣A的頂破強力下降明顯，原因是粘合點的存在使作用于試樣上的力分布不勻，容易導致局部應力集中，于是非粘合點處破損。 而試樣B 只是略有下降，由于涂覆的均勻性使其頂破強力高于試樣A，下降的原因是涂層降低了織物的柔軟度與延展性，導致頂破位移減小，因此頂破強力降低。

圖1 鍍鋁前后試樣頂破強力

2.3 透氣性

對三種試樣進行透氣性測試，如圖2 所示，鍍鋁后試樣的透氣率稍有降低，是因為涂層后水刺氈表面的空隙被堵塞[8]，致使透氣率降低；但兩個試樣的透氣率仍在2200 mm/s 以上，遠高于常規織物[9]，用于消防服可以很好地滿足人體的散熱需求。

圖2 鍍鋁前后試樣透氣率

2.4 熱穩定性

測試三種試樣的熱穩定性能，即高溫尺寸穩定性，將試樣置于260 ℃烘箱中10 min 后取出，測量并計算尺寸收縮率，如圖3 所示。 三個試樣的尺寸收縮率均低于GA10－2014 規定的10 %，說明均具有較好的熱穩定性能。 試樣A 經點粘合涂覆后，高溫下熱收縮率變大，這是由于高溫下無機粘合劑進一步固化收縮，導致粘合點處產生一定程度的收縮，導致試樣的整體收縮率較大；而試樣B 所采用的粘合劑為有機粘合劑，在高溫下的穩定性較好，因而試樣B 的尺寸穩定性更好。

圖3 鍍鋁前后試樣熱收縮率

2.5 阻燃性能

分別采用極限氧指數法和垂直燃燒法測試鍍鋁前后試樣的阻燃性能，分析如下。

(1)極限氧指數法

如表3 所示，鍍鋁可以提高水刺氈的LOI 值，是因為鋁粉具有優異的阻燃性能；而試樣B 的LOI 值大于試樣A，是因為其采用的涂覆方式使得鋁粉均勻地分散在試樣表面，能夠更好地發揮鋁粉的阻燃效果；測試中就發現試樣A 粘結點處不燃燒、而未粘結鋁粉的部位有燃燒現象，導致其LOI 值提高有限。

表3 鍍鋁前后試樣LOI 值

(2)垂直燃燒法

如表4 所示，三種試樣均無續燃和陰燃現象，縱橫向損毀長度均小于30 mm，低于GA10－2014?消防員滅火防護服?中損毀長度小于100 mm 的規定，說明三種試樣均具有優異的阻燃性能。 鍍鋁后試樣的縱橫向損毀長度都低于原始試樣，試樣B 的阻燃性能更好，與極限氧指數法測試得到的結論一致。

表4 鍍鋁前后試樣垂直燃燒試驗數據

2.6 熱防護性能

三種試樣的熱防護性能測試結果如圖4 所示，鍍鋁后試樣的TPP 值有較大提升，試樣A 和試樣B 分別提高了43.7 %和54.1 %，說明鋁粉可顯著提升試樣的熱防護效果。 這是因為鋁粉有反射熱輻射的作用，而試樣B 因表面均勻分布著鋁粉使得其熱防護效果更好。

3 結論

本文以芳綸1313、聚酰亞胺、阻燃滌綸為纖維原料制得水刺氈，并以兩種方式將金屬鋁涂覆于水刺氈的單面，測試了鍍鋁前后水刺氈的性能，得到如下結論:

(1)鍍鋁試樣的機械性能下降，其中點粘合涂覆的試樣下降更明顯，但均能滿足消防服隔熱層對機械性能的要求。 此外透氣率雖略有降低，但仍高達2200 mm/s 以上，遠高于常規織物，用于消防服可很好地滿足人體的散熱需求。

(2)點粘合試樣的熱穩定性能略有降低，但鍍鋁試樣的LOI 值和縱橫向損毀長度均有改善，熱防護性能有顯著提升。 兩種鍍鋁試樣的TPP 值分別比原始試樣提升了43.7 %和54.1 %，這是因為金屬鋁具有良好的阻燃效果，且能有效反射熱輻射。

本文的研究表明，均勻刷涂是更好的鍍鋁方式，所制備的樣品具有更好的綜合性能，可有效提升消防服的防護性能。