服用聚酰亞胺纖維織物的熱學(xué)性能

楊 莉， 張艷艷， 楊 穩(wěn), 蘇 瑞

(安徽工程大學(xué) 紡織服裝學(xué)院， 安徽 蕪湖 241000)

服用聚酰亞胺纖維織物的熱學(xué)性能

楊 莉， 張艷艷， 楊 穩(wěn), 蘇 瑞

(安徽工程大學(xué) 紡織服裝學(xué)院， 安徽 蕪湖 241000)

為研究聚酰亞胺纖維作為紡織服用纖維的熱舒適性能，分別以聚酰亞胺纖維和聚酰亞胺針織物為研究對象，通過熱重分析儀研究纖維的熱力學(xué)特征，并對纖維的耐熱性能進(jìn)行測試，同時討論織物結(jié)構(gòu)對聚酰亞胺針織物阻燃性、保暖性及透氣性能的影響。結(jié)果表明：可服用聚酰亞胺纖維有較好的耐熱性能，在570 ℃左右開始發(fā)生熱分解，在200 ℃下強(qiáng)度損失率較低，處理1.5 h后纖維強(qiáng)度仍可保持原纖維強(qiáng)度的80%左右；聚酰亞胺纖維織物有較好的阻燃性能，其極限氧指數(shù)均大于45%，且隨織物面密度的增加，阻燃性增強(qiáng)；聚酰亞胺織物的保暖性受織物結(jié)構(gòu)影響較大，對于結(jié)構(gòu)稀松的織物，隨透氣量的增加保暖性不斷下降，同時還受織物厚度的影響，在一定條件下，厚度對織物保暖性的影響起主導(dǎo)作用。

聚酰亞胺纖維織物； 熱學(xué)性能； 保暖性能； 燃燒性能

聚酰亞胺纖維是指由聚酰胺酸或聚酰亞胺溶液紡制而成的在分子鏈上含有酰亞胺基團(tuán)的一類芳雜環(huán)高分子聚合物，因其優(yōu)良的耐熱性能、耐低溫性能、力學(xué)性能、耐腐蝕性能等特點被廣泛應(yīng)用于航天航空、過濾、阻燃、膜分離等工業(yè)領(lǐng)域[1]，但從未作為服用纖維原料用于紡織品中。長春高崎聚酰亞胺材料有限公司經(jīng)過多年研究，開發(fā)出具有可服用性的聚酰亞胺纖維——軼綸95纖維[2]。

聚酰亞胺纖維因較好的耐熱性可用于防火服材料的使用。而作為熱防護(hù)性服裝材料，除了應(yīng)具有良好的阻燃性、熱穩(wěn)定性等外，還需要具備透氣、透濕等熱濕舒適性，但目前，關(guān)于可服用聚酰亞胺纖維的相關(guān)報道大都集中于其成紗、絮片、阻燃性等方面[3-5]，關(guān)于此纖維織物熱舒適性的相關(guān)研究報道甚少，本文在分析可服用聚酰亞胺纖維熱學(xué)性能的基礎(chǔ)上，討論不同針織結(jié)構(gòu)對聚酰亞胺織物熱舒適性的影響。

1 實驗部分

1.1 材料及試樣制備

實驗材料：聚酰亞胺纖維，線密度為1.67 dtex，長度為38 mm，單纖維斷裂強(qiáng)力為4.53 cN；聚酰亞胺紗線，線密度為18 tex，由北京金輪沃德科技有限公司提供；羊毛纖維紗線，18 tex，由山東如意集團(tuán)提供。 試樣制備：防火服除需具有較好的阻燃防火性外，還需具備隔熱性，即隔離熱環(huán)境中空氣的熱傳導(dǎo)作用，防止人員被灼傷，同時還要保證汗液的有效散失[6]。而針織物的輕、暖、薄、透氣性能好等特點可較好地滿足上述條件，因此本文實驗以聚酰亞胺針織物為研究對象，討論不同針織結(jié)構(gòu)對織物熱舒適性的影響?？椢锖穸燃皟?nèi)部靜止空氣含量是影響穩(wěn)定環(huán)境下織物導(dǎo)熱性能的重要因素。針織物是由線圈相互圈套而成的，其組織結(jié)構(gòu)及其線圈大小直接影響到織物的厚度及靜止空氣含量，因此在過程中分別以織物結(jié)構(gòu)和度目值為討論因素。度目，也稱彎紗，是表征線圈大小即彎紗深度的一種表現(xiàn)形式，是影響織物性能的重要指標(biāo)之一[7]。緯平針組織是最常見的緯編單面針織物，具有較好的延展性；羅紋結(jié)構(gòu)是由正面線圈與反面線圈以一定組合相間配置而成的雙層織物，具有質(zhì)地厚實、彈性大等特點，是保暖針織物中最為常用的組織結(jié)構(gòu)。采用LXC-252SC型電腦橫機(jī)(江蘇金龍科技股份有限公司)織制不同組織結(jié)構(gòu)的織物試樣。為進(jìn)一步分析聚酰亞胺纖維織物性能，制備了相同編織工藝的羊毛針織物，并對性能進(jìn)行對比分析，具體編織工藝參數(shù)如表1所示。

1.2 性能測試

1.2.1 熱質(zhì)量損失測試

采用DTG-60H型微機(jī)差熱天平(日本島津公司)對纖維進(jìn)行熱重分析(TG)和差熱分析(DTA)。

表1 試樣織物編織工藝參數(shù)

用氮氣做保護(hù)，樣品從0 ℃加熱到800 ℃，升溫速率為10 ℃/min，流速為50 mL/min。

1.2.2 熱力學(xué)測試

根據(jù)火場熱流量強(qiáng)度和空氣溫度，國際上一般將火場環(huán)境分為3個等級，即常規(guī)、危險和危急狀態(tài)，常規(guī)狀態(tài)環(huán)境溫度在60 ℃以下，危險狀態(tài)溫度指在60～300 ℃之間，危急狀態(tài)溫度在300～1 000 ℃范圍內(nèi)[8]，因此在采用馬弗爐對聚酰亞胺纖維進(jìn)行干熱處理時，將處理溫度分別定為200、400、500 ℃，處理時間為0.5、1、1.5 h，取出放置于干燥皿中冷卻24 h，用YG001D型電子單纖維強(qiáng)力機(jī)測試處理后纖維的拉伸力學(xué)性能，測試根數(shù)為50，夾距距離為10 mm，拉伸速度為10 mm/min。

1.2.3 織物厚度測試

根據(jù)GB/T 3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測定》，采用YG141型織物厚度儀對織物厚度進(jìn)行測試。選用壓腳面積為100 mm2,施加壓強(qiáng)為50 cN/cm2，每塊試樣選取10個不同位置進(jìn)行測試，取其平均值。

1.2.4 阻燃性能測試

根據(jù)GB/T 5454—1997《紡織品 燃燒性能試驗 氧指數(shù)法》，采用NR8819型數(shù)顯氧指數(shù)測定儀測試織物的燃燒性能。取測試試樣15塊，試樣尺寸為150 mm×58 mm，取其平均值。

1.2.5 保暖性能測試

根據(jù)GB/T 11048—2008《紡織品 生理舒適性 穩(wěn)態(tài)條件下熱阻和濕阻的測定》，采用YG606D型平板保溫儀對試樣的保溫性能進(jìn)行測試。取試樣尺寸為30 cm×30 cm，循環(huán)5次，取其平均值。

1.2.6 透氣性能測試

根據(jù)GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》，采用YG461D-1型數(shù)字式織物透氣儀對織物透氣性能進(jìn)行測試。內(nèi)外壓差為100 Pa，測試面積為20 cm2，每塊試樣分別測試5個不同位置，取其平均值。

1.2.7 化學(xué)結(jié)構(gòu)測試

采用IRPrestige-21型傅里葉變換紅外光譜儀(日本島津)測試經(jīng)干熱處理后的纖維化學(xué)結(jié)構(gòu)。將纖維制成粉未，采用KBr壓片法進(jìn)行測試，掃描范圍為4 500～0 cm-1。

2 結(jié)果與分析

表2示出聚酰亞胺針織物試樣與羊毛針織物試樣的性能指標(biāo)。由表可知，在編織紗線線密度相同，編織工藝參數(shù)相同的情況下，聚酰亞胺針織物的面密度略大于羊毛織物，厚度基本相當(dāng)。

表2 試樣性能指標(biāo)

2.1 熱質(zhì)量損失分析

圖1示出聚酰亞胺纖維的熱分析曲線圖。由圖1(a)可知，聚酰亞胺纖維有2個質(zhì)量損失階，第1質(zhì)量損失階發(fā)生在50 ℃附近，主要是由纖維中的水分和小分子物質(zhì)溢出所引起的質(zhì)量損失，損失率較小，僅為3.0%左右；第2失質(zhì)量損失階為聚酰亞胺纖維的主失重階段，發(fā)生在587～671 ℃之間，這一階段聚酰亞胺纖維質(zhì)量損失明顯，質(zhì)量損失率急增，說明聚酰亞胺纖維開始分解和降解，有新的小分子物質(zhì)和相對分子質(zhì)量較低的可揮分性化合物產(chǎn)生。這一點也可通過聚酰亞胺纖維的DTA曲線(見圖1(b))得到進(jìn)一步的證實，曲線在50 ℃附近有1個小的吸熱峰，而在570 ℃附近有較強(qiáng)放熱峰。通過對聚酰亞胺的質(zhì)量損失重分析可知，聚酰亞胺纖維有較好的耐熱性，可滿足作為防火服材料在危急狀態(tài)環(huán)境中的使用需求。

圖1 纖維的熱分析曲線Fig.1 Thermal analysis of fibers

2.2 熱力學(xué)性能分析

表3示出聚酰亞胺纖維經(jīng)過200、400、500 ℃干熱處理后的強(qiáng)伸性隨時間的變化情況。

表3 熱處理后纖維的強(qiáng)伸性

分析發(fā)現(xiàn)，低溫處理對纖維強(qiáng)度影響不大，200 ℃ 條件下處理0.5 h后，纖維強(qiáng)度僅下降6.4%，處理1.5 h后，強(qiáng)度也可保持在原強(qiáng)度的80%左右。隨著處理溫度的升高，纖維強(qiáng)度受損情況明顯。在400 ℃條件下處理0.5 h后，強(qiáng)度損失率為22.31%，而經(jīng)500 ℃、0.5 h處理后纖維強(qiáng)度損失率達(dá)到了47.69%，近一半的強(qiáng)度損失。隨處理時間的增加，纖維強(qiáng)度損傷情況加劇，在500 ℃條件下處理1.5 h后，纖維強(qiáng)度僅保留為原強(qiáng)度的不足30%。纖維的斷裂伸長率隨處理時間的增加不斷減小。同樣在低溫情況下，斷裂伸長率減小不明顯，隨處理溫度的升高，斷裂伸長率逐漸減小。當(dāng)經(jīng)過500 ℃，1.5 h處理后，纖維斷裂伸長率僅為原纖維的21.7%，說明纖維經(jīng)高溫長時間處理后，不但強(qiáng)度下降明顯，纖維形態(tài)穩(wěn)定性也開始變差。

這一現(xiàn)象也可通過纖維處理前后的紅外光譜圖得到進(jìn)一步證實。圖2示出聚酰亞胺纖維經(jīng)干熱處理后的紅外光譜圖。

圖2 聚酰亞胺纖維經(jīng)干熱處理前后的紅外光譜圖Fig.2 FT-IR spectra of polyimide fibers before and after heat treatment

2.3 透氣性能分析

透氣性能是評價織物穿著舒適性的重要性能指標(biāo)，也是影響織物保暖性的重要指標(biāo)。表4示出織物的透氣性能指標(biāo)。根據(jù)測試數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，在相同編結(jié)工藝參數(shù)相同情況下，緯平針織物透氣性不及1+2羅紋和2+2羅紋織物，1+1羅紋織物的透氣性最好。在相同組織結(jié)構(gòu)情況下，織物透氣性均隨度目值的增加而增大。通過對織物的性能分析可知，隨度目值的增加，織物的密度減小，線圈間空隙增大，導(dǎo)致透氣量增加[9]，而1+1羅紋織物由于編織牽伸力較小，密度較小，且1+1羅紋結(jié)構(gòu)屬于隔針編織，沉降弧較長，導(dǎo)致織物結(jié)構(gòu)稀松，透氣性增強(qiáng)。而緯平針織物線圈間紗線屈曲空間較小，結(jié)構(gòu)較緊密，所以透氣量最小。

表4 織物試樣透氣性

2.4 保暖性能分析

保暖率和克羅值是評價織物熱舒適性的常用指標(biāo)。保暖率是指保持熱體恒溫時所需要的能量；克羅值是表征熱阻和隔熱性的定量指標(biāo)，是指靜坐或從事輕度勞動者其代謝作用產(chǎn)生熱量約為210 kJ/(m2·h)，在室溫為20～21 ℃，相對濕度小于50%，風(fēng)速不超過0.1 m/s的環(huán)境中感覺舒適，可將皮膚平均溫度維持在33 ℃左右時，所穿服裝的隔熱值定義為1 clo[10]。

表5示出試樣織物的保暖性指標(biāo)。由表可知，在相同組織規(guī)格的條件下，聚酰亞胺針織物保暖性明顯優(yōu)于羊毛針織物，且通過克羅值的比較，聚酰亞胺織物隔熱性也明顯優(yōu)于羊毛織物，即聚酰亞胺織物具有更強(qiáng)的保暖性和隔熱性。同時，通過測試數(shù)據(jù)可知，2種原料的織物都是1+1羅紋織物的保暖性最差，且隨度目值的增大而減?。欢暺结樋椢锉Ｅ噪S度目值的增大而增強(qiáng)。在相同度目值情況下，2+2羅紋織物的保暖性最好。分析其原因，織物的保暖性受其厚度和透氣性的雙重影響。一般情況下，織物的厚度增加，保暖性增加，透氣性增強(qiáng)，保暖性下降，二者之間存在相互制衡關(guān)系。對于緯平針織物，在一定度目值情況下，厚度的影響大于透氣性對保暖性的影響，隨著厚度的增加，保暖性增強(qiáng)，當(dāng)度目值超過一定范圍，即織物的透氣性增大速度大于厚度時，保暖性開始下降[7]。而1+1羅紋織物由于隨著度目的增加厚度不斷變薄，透氣性也不斷增強(qiáng)，導(dǎo)致保暖性不斷下降；而1+2羅紋織物和2+2羅紋織物雖然透氣率大于緯平針織物，但其厚度遠(yuǎn)大于緯平針織物，因此保暖性較好。

表5 織物試樣保暖性指標(biāo)

2.5 阻燃性分析

表6示出為聚酰亞胺織物的極限氧指數(shù)。通過測試發(fā)現(xiàn)，聚酰亞胺織物具有優(yōu)良的阻燃性，極限氧指數(shù)均大于45%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于阻燃紡織品的國標(biāo)要求。且從測試數(shù)據(jù)也可發(fā)現(xiàn)，織物的面密度越大，織物的阻燃性越好，度目值對織物的阻燃性影響不大。

表6 織物試樣極限氧指數(shù)

3 結(jié) 論

1)可服用聚酰亞胺纖維具有較好耐熱性能，在570 ℃左右纖維才開始發(fā)生熱分解現(xiàn)象。可服用的聚酰亞胺纖維在低溫條件下強(qiáng)度損失率較低，當(dāng)溫度超過400 ℃后纖維的強(qiáng)度損失率增大。

2)可服用聚酰亞胺纖維織物具有較強(qiáng)的阻燃性能，且阻燃性能受織物面密度的影響較大，受度目影響較小。

3)可服用聚酰亞胺纖維針織物的透氣性受織物組織、彎紗深度及牽拉張力影響較大。彎紗深度增大，線圈間孔隙增大，透氣性能增強(qiáng)。

4)可服用聚酰亞胺纖維針織物具有較好的保暖性能和隔熱性能，但受織物結(jié)構(gòu)影響較大，對于單一線圈結(jié)構(gòu)組織，隨著織物厚度的增加保暖性增強(qiáng)，對于結(jié)構(gòu)稀疏織物，隨著透氣性能的增加保暖性下降。

[1] 向紅兵，陳蕾，胡祖明. 聚酰亞胺纖維及其紡絲工藝研究進(jìn)展[J].高分子通報，2011(1)：40-50. XIANG Hongbing, CHEN Lei, HU Zuming. Research progress of polyimide fiber and its spinning technolo-gy [J].Polymer Bulletin,2011(1):40-50.

[2] 李波. “紡織之光”2013年度中國紡織工業(yè)聯(lián)合會科技一等獎成果巡禮(四)[J].紡織導(dǎo)報，2014(2)：92. LI Bo. A visit to 2013 science & technology awards of CNTAC(Ⅳ)[J].China Textile Leader, 2014(2):92.

[3] 方國平，楊艷. 軼綸聚酰亞胺和安芙麗纖維熱學(xué)功能關(guān)鍵技術(shù)[J].針織工業(yè)，2015(6)：1-5. FANG Guoping,YANG Yan.Key technology of thermal function of Yilun polyimide fiber and Anti-frayon fiber[J].Knitting Industries，2015(6):1-5.

[4] 謝焓，周永凱，于國志. 聚酰亞胺纖維絮片服用性能研究[J].紡織導(dǎo)報，2015(2)：87-90. XIE Han, ZHOU Yongkai, YU Guozhi. A study on the comfort property of polyimide thermal insulation floccul-es[J].China Textile Leader, 2015(2):87-90.

[5] 潘濤，江慧，傅婷，等. 聚酰亞胺纖維紡紗工藝研究與紗線性能分析[J].紡織器材，2015，42(4)：284-288. PAN Tao, JIANG Hui, FU Ting,et al. Analysis of polyimide fiber spinning technology and yarn properti-es[J].Textile Accessories，2015,42(4):284-288.

[6] 徐強(qiáng). 防火服的設(shè)計因素分析[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報，2010，12(5)：135-137. XU Qiang. Research on design factors of fire protection uniform[J].Journal of Chongqing University of Science and Technology,2010,12(5):135-137.

[7] 宋廣禮，華福祥，沈曉燕. 電腦橫機(jī)彎紗深度值對織物結(jié)構(gòu)和尺寸穩(wěn)定性的影響[J].針織工業(yè)，2001(3)：49-53. SONG Guangli, HUA Fuxiang, SHEN Xiaoyan. The influence of sinking depth of computerized flat knitting machine on product′s structure and dimensional stabili-ty[J].Knitting Industries，2001(3):49-53.

[8] 張夢瑩，苗勇，李俊. 防火服熱蓄積的影響因素及其測試方法[J].紡織學(xué)報，2016，37(6)：171-176. ZHANG Mengying, MIAO Yong, LI Jun. Influence factors and evaluation methods of stored thermal energy in firefighters protective clothing[J].Journal of Textile Research, 2016,37(6):171-176.

[9] 洪劍寒，張彩霞，賁慶，等. 彎紗深度對羊毛透氣性的影響[J].毛紡科技，2010，38(12)：48-50. HONG Jianhan, ZHANG Caixia, BEN Qing,et al. Influence of sinking depth of flat knitting machine on the air permeability of woolen sweater[J].Wool Textile Journal，2010,38(12):48-50.

[10] 于偉東，儲才元. 紡織物理[M].2版.上海：東華大學(xué)出版社，2002：406. YU Weidong, CHU Caiyuan. Textile Physics[M].2nd ed. Shanghai: Donghua University Press, 2002:406.

Thermal properties of polyimide fiber fabrics for textiles

YANG Li， ZHANG Yanyan， YANG Wen， SU Rui

(DepartmentofTextilesandApparel,AnhuiPolytechnicUniversity,Wuhu,Anhui241000,China)

In order to study the thermal properties of polyimide fibers as textile fibers, polyimide fibers and polyimide knitted fabric were used as the research object. TG and DTA were used to analyze the thermodynamic properties of polyimide fibers, and the heat resistance of the fibers were tested; at the same time,the influence of the fabric structure on the flame retardancy, warmth retention properties and air permeability of polyimide fabrics was discussed. The results show that polyimide fibers have good heat resistance, began to thermally decompose at about 570 ℃ and has lower strength loss rate at 200 ℃, and the strength of the fiber can still maintain at 80% of that of original fiber after treatment for 1.5 h. Polyimide fiber fabrics have better flame retardancy and the limit oxygen index greater than 45%, and the flame retardancy is enhanced with the increase of the surface density of the fabrics; and the warmth retention properties of the polyimide fabrics are greatly influenced by the fabric structure, for structure loose fabrics, the warmth retention decreases with the increase of gas permeability, it is also influenced by the fabric thickness, and under certain conditions, the fabric thickness plays a leading role in the warm retention properties.

polyimide fiber fabric; thermal property; warmth retention; combustion behavior

10.13475/j.fzxb.20160801206

2016-08-05

2017-03-20

安徽省高等教育提升計劃項目(TSKJ2014B21)；安徽省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(AH201410363201)

楊莉(1978—)，女，副教授，碩士。主要從事新型紡織材料及復(fù)合材料的研究。E-mail:tianmaxingyang@sohu.com。

TS 184

A