原料及結(jié)構(gòu)參數(shù)對防電弧織物性能的影響

李 凍， 陳太球， 蔣春燕， 傅佳佳,3， 王鴻博,3

(1. 江南大學(xué) 江蘇省功能紡織品工程技術(shù)研究中心， 江蘇 無錫 214122； 2. 圣華盾防護(hù)科技股份有限公司， 江蘇 無錫 214413； 3. 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))， 江蘇 無錫 214122)

電弧對人體所產(chǎn)生的危害主要是熱傷害，電弧產(chǎn)生的總能量是嚴(yán)重爆燃事故的3～4倍以上[1]。其高強(qiáng)度熱使衣服起火燃燒，同時(shí)產(chǎn)生的爆炸或震蕩力使衣服崩裂開來，將工作人員的身體直接暴露于高熱、火焰或熔融的金屬中[2-4]。電弧事故使人體受到嚴(yán)重?zé)齻踔羻拭?，且后續(xù)治療或撫恤問題都會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[5]。

國外對電弧防護(hù)服防護(hù)性能的研究已有二十多年的時(shí)間，在材料開發(fā)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)、標(biāo)準(zhǔn)制定、檢測儀器的研制等方面已處于領(lǐng)先地位，目前國外知名的防電弧織物是杜邦公司生產(chǎn)的Protera?(由65%阻燃腈氯綸，28%間位芳綸，5%對位芳綸和2%抗靜電長絲織造而成)；我國對電弧防護(hù)服的認(rèn)識及開發(fā)較晚，研究較少且水平較低，現(xiàn)階段服裝等基本上是模仿杜邦公司的配方、組織規(guī)格、服裝結(jié)構(gòu)和檢測標(biāo)準(zhǔn)[6-8]，而國外已從整體上考慮電弧防護(hù)服的防護(hù)性能、舒適性能以及搭配問題等[9]。

基于我國防電弧織物的研究現(xiàn)狀，本文通過對3種不同規(guī)格電弧防護(hù)織物的力學(xué)性能、舒適性能和防護(hù)性能的相關(guān)性指標(biāo)進(jìn)行測試和分析，研究了織物參數(shù)對防電弧織物舒適性和防護(hù)性能的影響，從而為國內(nèi)開發(fā)高品質(zhì)防電弧織物提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

實(shí)驗(yàn)選取杭州威壘特科技有限公司開發(fā)的3種防電弧混紡織物，其原因?yàn)椋涸摴驹鴧⑴c2015年國家電弧防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)制定的研討，與國內(nèi)其他企業(yè)相比，其開發(fā)的產(chǎn)品防護(hù)等級更齊全，銷售量在國內(nèi)位居前列，開發(fā)的織物供應(yīng)于國家電網(wǎng)，其產(chǎn)品在國內(nèi)具有一定的代表性。為研究單層和多層結(jié)構(gòu)對防電弧織物舒適性和防護(hù)性能的影響以及二者之間的差異，選擇單層和雙層結(jié)構(gòu)織物，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 織物參數(shù)Tab.1 Fabric parameters

注：a—阻燃腈氯綸；b—間位芳綸；c—對位芳綸；d—錦綸(66)；e—粘膠；A、B與C織物的表層和里層均為平紋組織，各層經(jīng)緯紗均為2合股紗線。

YG026D型多功能電子織物強(qiáng)力機(jī)，寧波紡織儀器廠；YG815型垂直法阻燃性能測試儀，山東安丘江北紡織儀器有限公司；Serial # 403-14型熱防護(hù)性能測試儀，美國西北測試科技公司；GZX-9146MBE型電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；YG(B)461E型數(shù)字式織物透氣性能測定儀，溫州大榮紡織儀器有限公司；YG601H-Ⅱ型電腦式織物透濕儀，寧波紡織儀器廠。

1.2 性能測試

按照DL/T 320—2010《個(gè)人電弧防護(hù)用品通用技術(shù)要求》中相應(yīng)的國內(nèi)外測試標(biāo)準(zhǔn)，測試織物的拉伸力學(xué)性能、舒適性能(透氣性、透濕性)、防護(hù)性能(熱穩(wěn)定性能、阻燃性能、熱防護(hù)性能、電弧防護(hù)性能)。

1.2.1拉伸性能測試

按GB/T 3923.2—2013《紡織品 織物拉伸性能 第2部分：斷裂強(qiáng)力的測定(抓樣法)》測試織物的拉伸性能。經(jīng)緯向各測試5塊試樣，結(jié)果取平均值。

1.2.2阻燃性能測試

按GB/T 5455—2014《紡織品 燃燒性能 垂直方向損毀長度、陰燃和續(xù)燃時(shí)間的測定》進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。經(jīng)緯向各測試3塊試樣，記錄續(xù)燃時(shí)間、陰燃時(shí)間和炭化長度，結(jié)果取平均值。

1.2.3熱穩(wěn)定性能測試

參照GA 10—2002《消防員滅火防護(hù)服》進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，取5塊試樣，在225 ℃電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)保持 5 min，計(jì)算熱收縮率，結(jié)果取平均值。熱收縮率計(jì)算公式為

式中：p為熱收縮率，%；B為實(shí)驗(yàn)前織物的尺寸，mm；A為實(shí)驗(yàn)后織物的尺寸,mm。

1.2.4熱防護(hù)性能TPP值測試

材料熱防護(hù)性能(TPP值)是指透過織物引起二級燒傷的暴露能量，TPP值越大，表示熱防護(hù)服的防熱輻射性能越好。根據(jù)GA 10—2002測試織物的TPP值。

1.2.5電弧防護(hù)性能測試

電弧防護(hù)性能主要包括電弧熱防護(hù)性能(ATPV值)、材料破裂閾能(EBT值)2個(gè)指標(biāo)。ATPV值定義為入射到材料或多層材料系統(tǒng)上有50%的可能性導(dǎo)致皮膚二級燒傷的能量值，ATPV值越大，表明織物對電弧的熱防護(hù)性能越好；EBT值定義為入射到材料或材料系統(tǒng)上，有50%的可能性導(dǎo)致試樣破裂的能量值，EBT值越大，表明織物抵抗電弧爆裂效應(yīng)的能力越強(qiáng)。最終的防電弧性能取二者之中的最小值[10]。按照ASTM F 1959—2012《服裝面料電弧熱防護(hù)性能值測試方法》測試。

1.2.6透氣性能測試

按GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。試樣面積為20 cm2，不同部位測試10次，結(jié)果取平均值。

1.2.7透濕性能測試

按GB/T 12704.1—2009《紡織品 織物透濕性實(shí)驗(yàn)方法 第1部分：吸濕法》進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。測試溫度為 38 ℃，相對濕度為90%，流速為0.3～0.5 m/s。試樣透濕量計(jì)算公式為

式中：w為每平方米每天(24 h)的透濕量，g/(m2·d)；t為實(shí)驗(yàn)時(shí)間，h；Δm為同一實(shí)驗(yàn)組合體2次稱量質(zhì)量之差，g；S為試樣實(shí)驗(yàn)面積，m2。測試結(jié)果取4塊試樣的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 織物的拉伸性能

對3種織物的拉伸性能進(jìn)行測試，結(jié)果見表2。

表2 織物的拉伸性能測試結(jié)果Tab.2 Fabric extensibility test results

因電弧產(chǎn)生的爆炸力會撕裂織物，我國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對防電弧織物斷裂強(qiáng)力有明確劃分和要求。本文采用的3種織物的斷裂強(qiáng)力均符合DL/T 320—2010標(biāo)準(zhǔn)：150～200 g/m2時(shí)，織物斷裂強(qiáng)力≥300 N；200～290 g/m2時(shí)，織物斷裂強(qiáng)力≥ 450 N，斷裂伸長率相差不大。

對位芳綸具有優(yōu)異的力學(xué)性能，其主要作用是增加織物的強(qiáng)力，由于C織物中對位芳綸質(zhì)量分?jǐn)?shù)較A、B織物少，即使增加C織物的股線捻度和織物密度也不能補(bǔ)償其較低的斷裂強(qiáng)力。

2.2 織物的舒適性能

透氣性和透濕性主要受空氣和濕氣通過紗線之間空隙能力的影響，織物結(jié)構(gòu)是影響透氣性和透濕性的主要因素。3種織物的舒適性測試結(jié)果見表3。

表3 織物的舒適性能測試結(jié)果

織物緊度是指紗線的覆蓋率或覆蓋系數(shù)，緊度越大，織物就越緊密。B織物的緊度比A織物增加13%，則舒適性能綜合值減少85%，其中，透氣性減少63%，透濕性減少22%，表明單層織物的透氣性和透濕性與織物緊度成負(fù)相關(guān)，因?yàn)榫o度越大，空氣和濕氣分子就越不易透過織物，織物的舒適性降低。

A織物的緊度比C織物的單層織物緊度略大，二者基本可視為相等。由表3可知，C織物的透氣性比A織物減小4%，透濕性減小7%,這表明雙層結(jié)構(gòu)雖然一定程度降低了織物的通透性，減小了織物的透氣性和透濕性，但作用效果并不顯著，雙層織物與單層織物的舒適性不存在明顯差異。C織物的單層織物緊度比B織物少15%,但透氣性增加了160%，透濕性增加了20%，表明降低雙層織物中單層織物的緊度，可顯著地提高織物的舒適性。

2.3 織物的防護(hù)性能

防護(hù)性能是功能織物研究的重要內(nèi)容。本文主要研究電弧防護(hù)織物的熱穩(wěn)定性能、阻燃性能、熱防護(hù)性能以及電弧防護(hù)性能，測試結(jié)果見表4。

表4 織物的防護(hù)性能測試結(jié)果

2.3.1熱穩(wěn)定性能

間位芳綸具有優(yōu)異的耐熱性(300 ℃熱空氣收縮率為5%～6%)，對位芳綸在高溫下具有不收縮、不熔融的特性。由表4可知，C織物的經(jīng)緯向熱收縮率均大于A和B織物,這是由于C織物的芳綸含量較少，而熱收縮率較大的纖維(阻燃腈氯綸、錦綸和黏膠纖維)含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于A、B，因此，在相同的受熱情況下，用C織物制成的電弧防護(hù)服變形程度會更加嚴(yán)重。

2.3.2阻燃性能

3種織物均無續(xù)燃、無熔滴，且炭化長度小于150 mm，符合DL/T 320—2010要求。芳綸不引起織物的續(xù)燃和陰燃，而A、B織物存在陰燃現(xiàn)象，這是阻燃腈氯綸造成的，但C織物不存在陰燃現(xiàn)象，因?yàn)镃織物經(jīng)過阻燃后整理處理，阻燃劑會在織物的內(nèi)部形成永久性交聯(lián)，消除了陰燃現(xiàn)象。

芳綸纖維在高溫下被炭化后膨脹形成致密的炭化層，該碳化物會依附在織物上而不脫落，A、B織物的損毀長度小于C織物，這是因?yàn)锳、B中含有較大比例的芳綸纖維，芳綸纖維本身的阻燃性能遠(yuǎn)好于粘膠、錦綸等常規(guī)纖維，且芳綸含量越高，炭化層結(jié)構(gòu)越致密，可有效地阻止空氣的進(jìn)一步加入以及可燃?xì)怏w的擴(kuò)散，從而阻斷了燃燒的進(jìn)行，增加芳綸纖維的混紡比可提高防電弧織物的阻燃性能。

2.3.3熱防護(hù)性能

A、B織物的纖維組成成分相同，但織物結(jié)構(gòu)參數(shù)存在差異。B織物的緊度比A織物增加13%，TPP值增加6%，這是由于緊度越大的織物，透過織物的熱量就越少，熱防護(hù)性能就越強(qiáng)。

致密的炭化層可阻擋熱傳導(dǎo)和熱輻射，減少反饋給織物的熱量，增加織物的熱防護(hù)性能。C織物的芳綸含量小于A、B織物，炭化層結(jié)構(gòu)較為疏松，理論上C的熱防護(hù)性能不如A，但C的TPP值卻比A增加36%，比B增加28%，這是因?yàn)橐环矫鍯的雙層結(jié)構(gòu)降低了織物的通透性，減少透過織物的熱量，同時(shí)，雙層結(jié)構(gòu)形成了中間空氣層，空氣層可緩沖一部分輻射熱。

2.3.4電弧防護(hù)性能

根據(jù)防電弧指標(biāo)就低原則，A、B和C織物應(yīng)以ATPV值作為電弧防護(hù)性能的指標(biāo)，電弧防護(hù)性能值分別為6.2、8.8、19.0 cal/cm2。 B織物的緊度比A織物增加13%， ATPV值增加42%，EBT值增加40%，表明防電弧織物的電弧防護(hù)性能與織物的緊度成正相關(guān)。

TPP是模擬在爆燃環(huán)境(50%對流熱，50%輻射熱)下織物的防熱輻射性能指標(biāo)，ATPV是表示輻射熱在90%以上的環(huán)境下織物的熱防護(hù)性能指標(biāo)。C織物的TPP值比A增加36%，ATPV值顯著地增加了206%，表明雙層織物的中間空氣層對輻射熱有顯著緩沖作用，其對電弧熱效應(yīng)的防護(hù)比爆燃的熱防護(hù)更為顯著。

C織物的芳綸含量小于A、B織物，芳綸含量低可削弱織物的電弧熱防護(hù)性能，但結(jié)果是C的ATPV值比A增加206%，說明在不影響織物舒適性的同時(shí)，雙層織物的電弧防護(hù)性能值可達(dá)到單層織物的3倍以上。此外，C織物的ATPV值比B增加116%，說明當(dāng)雙層織物中單層織物緊度降低15%時(shí)，雙層防電弧織物在顯著提高其舒適性能的同時(shí)，電弧防護(hù)性能仍能超過單層織物的2倍。

3 結(jié) 論

1)織物緊度與防電弧織物的熱防護(hù)性能和電弧防護(hù)性能成正相關(guān)，與織物的透氣性、透濕性成負(fù)相關(guān)。B織物的緊度比A織物增加13%，ATPV值比A織物增加42%，TPP值增加6%，舒適性指標(biāo)綜合值減少85%，所以，適度減小織物緊度可在不顯著降低防護(hù)性能的同時(shí)，有效增加電弧防護(hù)織物的舒適性。

2)國內(nèi)電弧防護(hù)織物主體成分為阻燃腈氯綸和芳綸，并沿用了杜邦公司Protera?織物的配方，但缺少了抗靜電纖維，C織物中添加了錦綸、粘膠纖維，減少了芳綸的用量，降低成本的同時(shí)，也降低了防電弧織物的熱穩(wěn)定性和阻燃性能。

3)在保證織物舒適性、提高熱防護(hù)性能的情況下，雙層防電弧織物的電弧防護(hù)性能是單層織物的3倍以上；當(dāng)雙層防電弧織物的單層織物緊度降低15%時(shí)，其在顯著提高織物舒適性，增加熱防護(hù)性能時(shí)，電弧防護(hù)性能仍可超過單層織物的2倍。

綜合本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在防電弧織物設(shè)計(jì)時(shí)，纖維原料以阻燃腈氯綸和芳綸纖維為主體，可加入低成本纖維來取代高價(jià)的芳綸并增加其功能性。通過增加織物緊度的方法來提高防電弧織物的防護(hù)性能會嚴(yán)重降低其舒適性，采用單層低緊度的多層織物設(shè)計(jì)可顯著提高防電弧織物的舒適性能和防護(hù)性能。