光濕作用下消防服色彩與使用性能的關(guān)系*

馬春杰 丁作偉 崔志英 于偉東

(1.東華大學(xué)服裝·藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，上海，200051;2.東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海，201620)

消防服是保障消防員在滅火救援現(xiàn)場人身安全的重要防護(hù)裝備之一，其在反復(fù)的服用過程中不可避免地會發(fā)生功能衰退，原因除人為因素(洗滌和儲藏)外，主要是熱、濕、光、應(yīng)力等多種環(huán)境因素的作用。目前針對熱、濕、光等單一作用條件下消防服的性能研究比較充分［1-5］，老化研究及耐久性預(yù)測方法也逐步完善［6-8］，而有關(guān)多種環(huán)境因素復(fù)合作用下消防服的研究相對較少，因為試驗條件難模擬，且研究過程費(fèi)財、費(fèi)時、費(fèi)力。本文以常用的消防服用織物為對象，研究光濕復(fù)合作用下織物的表觀性能、力學(xué)性能及熱防護(hù)性能，建立基于色彩變化的消防服使用性能預(yù)測模型，以達(dá)到采用非破壞性方法評價消防服及其織物生命周期的目的。

1 試驗部分

1.1 試驗材料與儀器

消防服通常由四層織物構(gòu)成，由外到內(nèi)分別為外層、透氣層、隔熱層及舒適層。本文選用外層面料分別為藏青色的NomexⅢA(記為A1)、土黃色的PBI金麒麟(記為A2)、橙紅色的國產(chǎn)芳綸(記為A3)三種材料，透氣層、隔熱層及舒適層分別為PTFE(聚四氟乙烯)膜、隔熱氈和阻燃黏膠。

依據(jù)太陽光基本理論及AATCC TM 16—2004 Colorfastness to Light、ISO 105 B02—1994《紡織品色牢度實驗》等標(biāo)準(zhǔn)，采用功率為1 500 W的長弧氙燈作為模擬日光光源，濾光系統(tǒng)選用紫外延展濾光器，尺寸為350 mm×90 mm×5 mm，波長截止點(diǎn)為275 nm，其允許透過比地球表面太陽光的波長截止點(diǎn)290 nm更短的紫外線。采用DT-1300型照度計和JTR09型高溫輻射熱計標(biāo)定輻照度，UV-340A型紫外輻照計標(biāo)定輻照度控制點(diǎn)，保證在300～420 nm段控制范圍的輻射量不小于42 W/m2?？椢锕饫匣瘍x示意圖如圖1所示。

1.2 試驗方法

模擬光老化試驗方法：光強(qiáng)度設(shè)為(21 200±300)lx(試樣中心部分)，輻照強(qiáng)度值設(shè)為(5.40±0.27)kW/m2，輻照時間分別為 0、15、30、45、60 min。

圖1 光老化儀示意圖

織物水處理方法：根據(jù) AATCC Test Method 70—2010標(biāo)準(zhǔn)，在恒溫恒濕環(huán)境下，將外層面料完全浸潤在溫度為(20±2)℃的水中，試樣A1、A2、A3分別浸潤60、60、20 min接近飽和狀態(tài)，此時三者中含水率最大為89%，最小為80%。因此將織物的潤濕狀態(tài)設(shè)定為含水率約40%和飽和潤濕這兩種狀態(tài)，含水率計算公式如下：

式中：W——含水率(%);

m0——織物浸潤前的質(zhì)量(g);

m——織物浸潤后的質(zhì)量(g)。

試樣浸潤取出后，在試樣的上下方加上吸水紙，并施加3.5 kPa的壓強(qiáng)保持20 min。試樣在狀態(tài)調(diào)節(jié)后密封在塑料袋中，以便于進(jìn)行其他試驗。通過預(yù)試驗發(fā)現(xiàn)光濕老化的順序?qū)υ囼灲Y(jié)果無顯著影響，故本文設(shè)計先光照后潤濕的老化試驗。

1.3 織物性能測試

CIELAB顏色空間是國際照明委員會CIE制定的一種均勻的顏色系統(tǒng)，對于任何一種顏色都能在CIELAB色空間中表示出來，其中L為光亮度，取值范圍為0(黑色)～100(白色);a和b表示色坐標(biāo)(其中a代表紅綠軸，b代表黃藍(lán)軸)，它們的取值范圍為－128～127，獲取Lab值的前提是測得樣品的三刺激值(X、Y、Z)及色度坐標(biāo)(x、y、z)［9］。

三刺激值計算公式如下：

色度坐標(biāo)公式如下：

式(2)中，I(λ)為光源經(jīng)物體反射進(jìn)入人眼的光譜能量分布(λ)(λ)(λ)為CIEXYZ標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)的光譜三刺激值，k為歸化系數(shù)。三刺激值與色度坐標(biāo)轉(zhuǎn)化過程的計算比較復(fù)雜，本文采用的方法是：首先采用島津UV-3600型分光光度計對樣品進(jìn)行光譜測量;然后通過 MATLAB軟件編程［10-11］，利用load函數(shù)導(dǎo)入標(biāo)準(zhǔn)光源數(shù)據(jù)、樣品的光譜功率分布數(shù)據(jù)(光反射率)及CIE標(biāo)準(zhǔn)D65光源的三刺激值，見圖2;編寫 wlen、interp和 ccolor三個功能函數(shù)，獲取樣品光譜功率的三刺激值和色度坐標(biāo);編寫空間轉(zhuǎn)換函數(shù)xyz2lab，計算樣品的Lab值，見表1。

圖2 D65光源下外層試樣顏色的光譜曲線

表1 外層試樣表面顏色信息

采用Instron 3365型萬能材料試驗機(jī)測試織物的斷裂強(qiáng)力，采用美國Custom Scientific Instrument公司的CSI-206型熱防護(hù)性能測試儀測試織物的熱防護(hù)系數(shù)(TPP)值。

2 試驗結(jié)果

2.1 織物色彩變化

圖3是光老化過程中織物表面顏色的變化圖，從圖3中可直觀地看出，織物顏色隨著老化時間的增加而加深。光老化后潤濕狀態(tài)下，織物表面顏色比相應(yīng)干態(tài)時略深。用Lab值表示光濕復(fù)合作用下織物的表面顏色，見表2。

圖3 光老化后織物的外觀形態(tài)

表2 光濕復(fù)合作用下織物顏色的Lab值

2.2 織物斷裂強(qiáng)力與整體TPP值變化

圖4是織物在光濕復(fù)合作用下斷裂強(qiáng)力的變化曲線。從圖4中可看出，隨著光照時間的增加，織物經(jīng)緯向斷裂強(qiáng)力整體呈下降趨勢;光老化后潤濕狀態(tài)下，經(jīng)緯向斷裂強(qiáng)力比對應(yīng)干態(tài)時要低。利用SPSS［12］分析得，光老化時間對織物經(jīng)緯向斷裂強(qiáng)力影響顯著(均為P＜0.01);潤濕程度對經(jīng)緯向斷裂強(qiáng)力影響顯著(P＜0.001)。圖5反映的是光濕復(fù)合作用下服裝整體熱防護(hù)性能的變化，從圖5中可看出TPP值隨著潤濕程度的增加而增大，經(jīng)SPSS分析得，潤濕程度與TPP值顯著正相關(guān)(相關(guān)系數(shù) R=0.857，P ＜0.001)，而光老化時間對 TPP值影響不顯著。以上分析結(jié)合色彩變化的直觀判斷，可推測光濕復(fù)合作用下，織物表面顏色的加深對應(yīng)著斷裂強(qiáng)力的下降及整體TPP值的增加，即顏色分別與斷裂強(qiáng)力、整體TPP值之間存在某種線性關(guān)系。

3 多元線性回歸分析

3.1 色彩與斷裂強(qiáng)力及TPP值間關(guān)系模型的建立

多元線性回歸的數(shù)學(xué)模型為：

式中：y——因變量;

x1、x2、x3——自變量;

β0、β1、β2、β3——未知參數(shù);

ε——不可測的隨機(jī)誤差［12］。

將 L、a、b 值分別設(shè)為自變量 x1、x2、x3，經(jīng)向斷裂強(qiáng)力、緯向斷裂強(qiáng)力、TPP值分別設(shè)為因變量y1、y2、y3。利用SPSS對自變量與因變量進(jìn)行回歸分析，得到的回歸方程的擬合優(yōu)度檢驗由復(fù)相關(guān)系數(shù)R和決定系數(shù)R2實現(xiàn)，R和R2越接近1，說明擬合優(yōu)度越好?；貧w方程的顯著性檢驗一般采用F檢驗，當(dāng)顯著性概率P＜0.05時，說明回歸方程的顯著性高?；貧w系數(shù)的顯著性檢驗采用T檢驗，當(dāng)Sig.＜0.05 時，說明回歸系數(shù)具有顯著性［12-13］。

圖4 光濕復(fù)合作用下織物的斷裂強(qiáng)力變化

圖5 光濕復(fù)合作用下服裝整體的TPP值變化

采用逐步回歸分析方法得到的回歸方程如下：

(1)光老化后干態(tài)：

y1=1 069.700 －3.027x2

y2=843.171+1.824x1－3.431x2

y3=31.990 －0.045x2

(2)光老化后含水率約40%：

y1=971.092 －5.450x2+3.452x3

y2=768.883 －5.148x2+5.830x3

y3=34.512 －0.074x2+0.057x3

(3)光老化后飽和潤濕：

y1=960.636 －6.610x2+4.347x3

y2=770.029 －5.739x2+6.363x3

y3=39.760 －0.111x2+0.084x3

表3為回歸方程擬合度和顯著性檢驗結(jié)果。數(shù)據(jù)表明，除了在含水率約40%及飽和潤濕情況下方程 y3的擬合度較低(R2分別為0.759和0.587)外，其他情況下各方程的擬合度均比較高(R2范圍為0.855～0.965)?；貧w方程顯著性檢驗結(jié)果表明所有方程的顯著性高，且各方程的T檢驗結(jié)果表明回歸系數(shù)具有顯著性。

表3 回歸方程擬合優(yōu)度及顯著性檢驗

3.2 回歸模型的驗證

驗證試驗選用的外層面料為暗橙色的NomexⅢA，記為B，其他三層選材不變。試驗條件及方法不變，輻照強(qiáng)度值為(5.3 ±0.27)kW/m2，輻照時間分別為 0、15、30、45、60 min，光老化后的潤濕狀態(tài)為三種：干態(tài)、含水率約40%、飽和潤濕。光濕復(fù)合作用下，試樣B的表面顏色Lab值如表4所示。

表4 試樣B表面顏色的Lab值

用預(yù)測誤差表征回歸模型的預(yù)測效果，其表達(dá)式為：

平均誤差為各個誤差的平均值。表5、表6及表7分別是驗證試驗后試樣B經(jīng)向斷裂強(qiáng)力、緯向斷裂強(qiáng)力及整體TPP值的預(yù)測值誤差。從表5中可看出，不同潤濕狀態(tài)下經(jīng)向斷裂強(qiáng)力的預(yù)測值平均誤差最大為2.53%，說明預(yù)測結(jié)果很接近實際情況;表6中平均誤差最大為10.50%，說明預(yù)測結(jié)果較為可靠;表7中平均誤差最大為14.55%，說明整體TPP值在含水率約40%狀態(tài)下的預(yù)測值有一定偏離。

表5 試樣B經(jīng)向斷裂強(qiáng)力的預(yù)測值誤差

表6 試樣B緯向斷裂強(qiáng)力的預(yù)測值誤差

表7 試樣B為外層的整體TPP值的預(yù)測值誤差

4 結(jié)語

本文對消防服常用外層織物進(jìn)行了光濕復(fù)合老化試驗，采用分光光度儀和MATLAB語言編程計算得到織物色彩的Lab值，利用SPSS軟件分析并建立色彩分別與斷裂強(qiáng)力、熱防護(hù)性能之間的多元線性回歸關(guān)系，得到相應(yīng)的回歸方程。

采用不同顏色的外層織物進(jìn)行驗證試驗，預(yù)測結(jié)果為：光老化后，干態(tài)、含水率約40%及飽和潤濕狀態(tài)下，經(jīng)向斷裂強(qiáng)力的預(yù)測平均誤差分別為2.53%、2.40% 和 2.53%;緯向斷裂強(qiáng)力的預(yù)測平均誤差分別為 4.90%、8.99% 和 10.50%;整體TPP值的預(yù)測平均誤差分別為4.10%、14.55%和10.41%。說明回歸模型的擬合度總體來說較好，用其進(jìn)行預(yù)測可以接受，對用非破壞性試驗方法來預(yù)測消防服的報廢時機(jī)具有一定的指導(dǎo)意義。

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