多功能透氣式防毒手套的研制

邵小群 徐家龍 于萬樵 徐水俠 余 進 季 濤 高 強

(1.南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院，南通，226019;2.中國人民解放軍68127部隊，蘭州，730070;3.中國人民解放軍63971部隊，北京，100191)

防毒用品是一種將人體與生化武器產(chǎn)生的化學(xué)毒劑、生物戰(zhàn)劑造成的有毒環(huán)境相隔絕，防止通過皮膚引起傷害的個人防護用品［1］。隨著化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，頻發(fā)的化學(xué)品泄漏事故以及可能的生化戰(zhàn)爭等產(chǎn)生的有毒氣、液體對防護用品提出了新要求，其產(chǎn)品包括防毒衣、防毒面具、防毒手套、防毒靴子等。其中，防毒手套是防護用品的一個重要組成部分。

目前通常使用的防毒手套有隔絕式和透氣式兩類，其中隔絕式手套常為乳膠或橡膠手套，常用的材料包括天然橡膠、合成橡膠(氯丁橡膠、丁橡膠、腈橡膠等)和塑料聚合體(聚乙烯、聚乙烯醇、聚氯乙烯等)［2］。此類防毒手套由于不透氣，穿戴舒適性較差，且對有毒物質(zhì)的防護具有選擇性，安全性得不到很好保證。而透氣式防毒手套主要指醫(yī)用防病毒手套，手套外層采用針織、機織或非織造織物，經(jīng)過阻燃、抗靜電、拒水等功能整理;里層是功能薄膜層，如聚氨酯聚醚膜、熱塑性聚氨酯膜、聚乙烯膜、微孔型聚四氟乙烯(PTFE)膜、微孔型聚氨酯膜等，將兩層用黏合劑復(fù)合為一體，可以阻止病毒及細(xì)菌通過［3］。也有在此手套的基礎(chǔ)上，在功能薄膜層內(nèi)添加薄型織物、網(wǎng)眼織物，以增加手套整體結(jié)構(gòu)的功能性和強度［4］。這類防毒手套雖然透濕、阻液、防病毒并具有多種功能，且穿戴舒適、輕薄，但對能透過功能薄膜的有毒物質(zhì)不能有效防護，對毒劑具有選擇性，不具備真正的防毒功能。

本文開發(fā)的防毒手套由三層組成：最外層采用芳綸1414，利用賽絡(luò)紡和針織工藝，所制面料輕薄柔軟，且具有防切割、防穿刺等防機械危害的作用，可以用于工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、應(yīng)急救援、維護國家安全和社會穩(wěn)定等場合;中間層采用PTFE膜，起到有效的隔絕毒液作用，同時具有一定的透氣性能;最里層采用聚丙烯腈(PAN)基活性碳纖維與輕薄型全棉針織物的復(fù)合織物，利用PAN基活性碳纖維較高的吸附性能，將其作為防毒層，有效吸附透過的有毒分子，復(fù)合層可以提高手套的結(jié)構(gòu)強度，改善其穿戴耐久性和舒適性。在手套結(jié)構(gòu)設(shè)計中充分考慮了安全和人體工效等因素。

1 手套防割層的制備

1.1 原料性能

芳綸1414是一類對位排列的剛性芳香聚酰胺纖維，具有耐高溫、防火、耐化學(xué)腐蝕、高機械強度、抗疲勞等特性［5］。本文選擇芳綸1414作為手套最外層防護層材料，在工業(yè)生產(chǎn)、搶險救災(zāi)等復(fù)雜惡劣的環(huán)境中，可以使手部避免受砸、磨、割、刺、高溫環(huán)境等意外傷害。

選用杜邦公司的芳綸1414，其主要物理指標(biāo)為：長度 51 mm，線密度 1.8 dtex，斷裂強度21.9 cN/dtex，斷裂伸長率 3.45%，回潮率 6.5%，質(zhì)量比電阻 2.325×106Ω·g/cm2，卷曲數(shù)7個/(25 mm)。

1.2 紡紗工藝與技術(shù)要點

芳綸1414比電阻大，卷曲穩(wěn)定性差，摩擦因數(shù)低，回潮率較小。因此纖維之間抱合力小，在紡紗過程中易產(chǎn)生大量靜電，造成纏繞堵現(xiàn)象，且成紗毛羽偏多。為改善纖維的可紡性，使紡紗過程能夠順利進行，必須消除靜電。

紡紗前使用0.6%～1.0%的抗靜電劑對纖維進行預(yù)處理，人工混勻后用黑塑料袋密封放置24 h以上，從而使乳液充分滲透到纖維中。同時，紡紗過程中各工序的相對濕度要偏大掌握，其中梳棉工序相對濕度以90%以上為宜，并條75%～85%，粗紗68%～85%，細(xì)紗50%左右;并條、粗紗、細(xì)紗等工序中均使用防靜電涂料處理過的膠輥。

紡制18.45 tex純芳綸賽絡(luò)紗，捻系數(shù)為300，成紗主要質(zhì)量指標(biāo)見表1。

表1 成紗主要質(zhì)量指標(biāo)

1.3 染色

根據(jù)產(chǎn)品需要，手套外層需要染成軍綠色。由于芳綸的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(270℃左右)較高，染色困難。因此，先將芳綸賽絡(luò)紗進行改性，并研究了新的染色工藝，使芳綸紗獲得較高的表面深度和色牢度。

1.3.1 磷酸改性

在芳綸紗線中加入15 g/L質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85%的磷酸，浴比為 50∶1，沸煮 30 min。

1.3.2 染色工藝

染液處方：分散染料5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù));pH值5;浴比 50∶1。

還原清洗液處方：保險粉2 g/L;碳酸鈉2 g/L;浴比 30∶1。

染色工藝曲線如圖1所示。

1.3.3 色紗性能

在最佳工藝條件下染色后，紗線斷裂強力為950.5 cN，斷裂伸長率為 2.74%。根據(jù)GB/T5719—1997《紡織品色牢度試驗 耐干熱(熱壓除外)濕牢度》，測得紗線在180℃條件下的耐升華牢度為4級。

1.4 織造

鑒于手套工效的觸覺、靈活性和舒適性等方面的考慮，選用21針緯編大圓機制得棉毛針織物，這種織物輕薄、柔軟、緊密，尺寸穩(wěn)定性好，有一定彈性。對織物各結(jié)構(gòu)參數(shù)及性能進行測試，結(jié)果見表2和表3。

表2 芳綸織物規(guī)格及防機械危害性能

圖1 染色工藝曲線

表3 芳綸織物力學(xué)及阻燃性能

1.5 表面上膠點

為了保證手套的掌面有足夠的摩擦力，在掌面一面涂上膠點。膠點采用13目篩網(wǎng)飾以PVC點珠，上膠均勻且剝離強力較高。

2 手套防毒層的制備

防毒層采用PAN基的活性碳纖維復(fù)合織物。與顆粒狀和粉末狀活性炭相比，活性碳纖維比表面積大，孔徑分布窄，孔徑尺寸微小，具有獨特的孔隙結(jié)構(gòu)和豐富的表面活性官能團，能有效地吸附各種有毒物質(zhì)?；钚蕴祭w維織物具有更大的吸附容量和更快的吸附動力學(xué)性能，吸附效果更好［6-9］。目前活性碳纖維主要采用黏膠基的，其強力很低，即使與其他材料復(fù)合也不能滿足手套的要求，要在保證安全性和功能性的基礎(chǔ)上追求柔軟、輕薄則更加困難。為了有效解決這一問題，本文采用PAN基活性碳纖維織物作為防毒層，并與普通面料進行復(fù)合，在保證優(yōu)異防護性能的基礎(chǔ)上得到強力較高、輕薄、柔軟、透氣的防毒手套內(nèi)層。而PAN基活性碳纖維織物制備的關(guān)鍵是預(yù)氧化纖維的紡紗，通過紡制較高的紗支制得較為輕薄的活性碳纖維織物。

2.1 原料性能

選用的聚丙烯腈基預(yù)氧化纖維(PANOF)的基本性能為：線密度2.22 dtex，長度51 mm，斷裂強力1.84 cN，斷裂伸長率0.31%，初始模量0.008 cN/dtex，回潮率8.7%，質(zhì)量比電阻3.81 ×1012Ω·g/cm2。

2.2 紡紗工藝與技術(shù)要點

PANOF比電阻大、卷曲少，纖維之間的抱合力差，靜電大，制得的條子蓬松。因此需對纖維進行預(yù)處理，添加特殊油劑，并悶48 h以上。由于該纖維強力低、脆性，故應(yīng)采用柔性開松，并降低各工序的車速，減少纖維的損傷。

所紡42.12 tex成紗斷裂強力為27.36 N，斷裂伸長率為14.11%。

2.3 織造

針織物延伸性好、彈性好，并且有較好的透氣性能，手感松軟。采用羅紋組織，將紡制的紗線在9針電腦橫機上進行織造?？椢锏拿婷芏葹?54.21 g/m2，斷裂強力縱向274 N、橫向268 N。

2.4 碳化活化

為了滿足使用要求，需要優(yōu)化碳化活化工藝，達到固碳、減少碳蝕的效果，提高吸附能力并保持足夠強力?；罨に嚍椋簻囟?00℃，時間20 min。

PAN基活化碳化織物的面密度為127.5 g/m2，斷裂強力縱向28 N、橫向12 N，比表面積596.27 m2/g?？椢锏奈叫阅芗胺雷o性能測試結(jié)果見表4。

2.5 復(fù)合工序

將PAN基活性碳纖維織物和輕薄全棉針織物通過黏合襯熱壓復(fù)合，提高了活性碳纖維織物的強力，并增加了人體穿著時的舒適性。經(jīng)測試，復(fù)合面料的斷裂強力橫向79 N、縱向120 N。

3 防護手套的設(shè)計與性能

3.1 防護手套的設(shè)計

3.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

手套外層選擇芳綸1414織物，達到其防切割、防穿刺的效果;中間層選擇美國3M公司的PTFE膜，使其具有隔絕毒液但又透氣的性能;里層選擇活性碳纖維織物層，達到吸收毒氣分子的目的;最里面復(fù)合一層輕薄的全棉針織物，增加手套的結(jié)構(gòu)強度，提高穿戴舒適性。

3.1.2 掌面設(shè)計

在手掌和手指部分的手套表面飾以PVC點珠，增加其摩擦力，提高機械性能，增加安全性。

表4 PAN基活性碳纖維織物吸附性能與防護性能

3.1.3 袖口設(shè)計

袖口處加裝了魔術(shù)貼和松緊帶，可根據(jù)使用者的具體情況調(diào)節(jié)松緊。成品手套見圖2。

圖2 防毒手套

3.2 性能測試

根據(jù)GB24541—2009《手部防護機械危害防護手套標(biāo)準(zhǔn)》測試，耐磨損強度達到2級，耐切割強度達到3級，抗撕裂達到2級，耐穿刺達到2級。參照GJB 3253—1998《阻燃偽裝防毒服規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)》測試，芥子氣液—氣防護時間＞24 h，氣溶膠防護效率＞98%。同時手套整體符合GB/T12624—2006《勞動防護手套通用技術(shù)條件標(biāo)準(zhǔn)》對防護性手套的一般技術(shù)要求。

4 結(jié)語

(1)通過對芳綸1414預(yù)處理，控制各工序溫濕度，采用賽絡(luò)紡可紡制高品質(zhì)的紗線;芳綸紗經(jīng)磷酸改性后能正常染色，當(dāng)染料用量不超過5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，pH值為5，染色溫度為130℃，保溫60 min時，耐升華牢度最佳;選擇針織織造棉毛組織，制得輕薄、柔軟的防機械危害面料。

(2)用特殊油劑對PANOF預(yù)處理，可使紡紗過程順利;采用針織加工使面料柔軟;當(dāng)活化溫度為900℃，活化時間為20 min時，活性碳纖維織物的吸附性能較好。

(3)將芳綸防護層、PTFE膜和PAN基活性碳纖維復(fù)合織物三層縫制，掌面飾以PVC點珠，袖口加裝魔術(shù)貼和松緊帶，制得的手套不僅舒適且機械和化學(xué)防護性能良好。

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