POD纖維在防電弧混紡織物中的應用

李凍 周晨宇 傅佳佳 王鴻博

摘要： 為優(yōu)化防電弧面料設計，基于防電弧面料Protera 的混紡原料和混紡比，紡制了不同混紡比的阻燃腈氯綸/芳綸1313/POD（聚芳噁二唑纖維）/對位芳綸混紡織物，并對其強伸性、耐磨性、透氣性、透濕性、阻燃、熱穩(wěn)定、熱膨脹和熱防護性能進行測試，探討了POD纖維對其舒適性和防護性能的影響。研究結(jié)果表明：與芳綸1313相比，在穩(wěn)定織物強力，增加耐磨性的同時，POD纖維改善了防電弧面料的舒適性和防護性能，其中，織物耐磨性是芳綸1313的兩倍，透濕性增加了35%，電荷半衰期減少57%，熱膨脹率增加了20%，熱防護性能值（TPP）增加9.2%，但是損毀長度減少22%，熱收縮率降低12 %。

關鍵詞： 防電弧面料;POD;舒適性;防護性;優(yōu)化設計? ??中圖分類號： TS102.52? ? ?文獻標志碼： A??文章編號： 1001-7003（2018）11-0048-05??引用頁碼： 111108

Application of POD fiber in anti-arc blended fabrics

LI Dong ?1a ， ZHOU Chenyu 2， FU Jiajia ?1a，b ， WANG Hongbo ?1a，b

（1a.Engineering Technology Research Center for Functional Textiles of Jiang Su;1b.Key Laboratory of Eco-Textiles， Ministry of Education， Jiangnan University， Wuxi 214122， China;

2.Tian Hua Color Spinning Co.， Ltd.， Wuxi 214413， China）

Abstract： In order to optimize the designs of anti-arc fabrics， according to blending materials and blending ratio of anti-arc fabric Protera ， the blended fabrics of Vinyon N/aramid fiber 1313/POD （polyaromatic oxadiazole fiber）/ para-aramid with different blending ratio were spun， and the extensibility， wear resistance， air permeability， moisture permeability， flame retarding， thermal stability， thermal expansion and thermal protection performance were tested. The effects of POD fiber on comfort properties and protection properties were also explored. The test results showed that compared with aramid fiber 1313， POD fiber improved the comfort and protection properties of anti-arc fabrics while stabilizing fabric strength and increasing wear resistance. In addition， the wear resistance was twice than that of aramid fiber 1313， and moisture permeability increased by 35%; charge half-life decreased by 57%; thermal expansion rate and TPP value increased by 20%， and 9.2 % respectively， but damage length and heat shrinkage reduced by 22 % and 12 % respectively.

Key words： anti-arc fabrics; POD; comfort properties; protection properties; optimized design

電弧灼傷是繼電擊之外對社會生命財產(chǎn)安全造成嚴重威脅的電氣事故，電弧事故產(chǎn)生的高強度熱能是嚴重爆燃事故的3～4倍以上，持續(xù)時間低于 2s， 瞬時溫度高達13000℃ ?[1] ，同時伴隨環(huán)境中氣體和金屬物的爆炸性擴張，強大作用力會把織物撕裂開來，使人身完全暴露在金屬熔滴（1600km/h）和電弧的熱量之下，增加熱傷害程度，給工人的后續(xù)治療或者撫恤問題造成巨大的經(jīng)濟損失 ?[2-5] 。

聚芳噁二唑纖維（POD）是指主鏈含有苯環(huán)和噁二唑環(huán)的一類芳雜環(huán)高分子材料，是中國于2009年成功研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的耐熱纖維，且已經(jīng)實現(xiàn)商品化。與芳綸1313和芳砜綸相比，其價格等同，但POD纖維的初始分解溫度比芳綸1313和芳砜綸高50～60℃，熱收縮率小于芳砜綸和芳綸1313 ?[6-7] 。相比于其他芳雜環(huán)聚合物，如Kevelar、PI、PBO，其具有材料來源廣泛，合成簡單，價格低廉的 優(yōu)勢 ??[8] 。

目前，國外著名的防電弧面料是杜邦公司生產(chǎn)的Protera （65 %阻燃腈氯綸，28%芳綸1313，5%對位芳綸和2%抗靜電長絲），國內(nèi)對防電弧服的研究還是處于選材、加工工藝改進、材料測試上，服裝材質(zhì)和結(jié)構(gòu)基本上是參考國外的配方，檢測標準和手段還有賴于國外的方法 ?[9-11] ，產(chǎn)品受到國外企業(yè)的壓制，國內(nèi)又沒有對防電弧面料進行開發(fā)和研究。在原料價格不變的條件下，產(chǎn)品性能是決定產(chǎn)品生存和發(fā)展的關鍵，因此，本文通過添加POD纖維來研究其對防電弧混紡織物的協(xié)同效應。

1 實 驗

1.1 材料與儀器

1.1.1 材 料

本實驗原料有江蘇寶德新材料有限公司的POD纖維，撫順瑞華纖維有限公司的阻燃腈氯綸，常熟寶灃特種纖維有限公司的芳綸1313和芳綸1414纖維。測試結(jié)果如表1所示。

由表1可以看出，芳綸1414主要是用來增加防電弧面料的強力，鑒于POD纖維強度略低于芳綸1313，所以，本文適當增加了對位芳綸的含量，根據(jù)Protera 配方做出四種面料的設計，如表2所示。

1.1.2 儀 器

XD-1型纖維細度儀、 Y802N 型八籃恒溫恒烘箱、YG601H-Ⅱ型電腦式織物透濕儀、YG026D型織物強力機、YG004型單纖維強力機（寧波紡織儀器廠），TGAQ500熱重分析儀（日本株式社），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），Y322N型泰伯式織物耐磨實驗儀、Serial # 403-14型TPP測試儀（美國西北測試科技公司），GZX-9146MBE型干燥箱（上海博迅實業(yè)有限公司）， YG（B）461E 型織物透氣性能測試儀、YG（B）342D型織物感應式靜電測定儀（溫州大榮紡織儀器有限 公司）。

1.2 性能測試

按DL/T320—2010《個人電弧防護用品通用技術(shù)要求》，測試防電弧面料的力學性能，主要包括斷裂強力、耐磨性能;防護性能，主要包括織物的熱收縮性能、阻燃性能、熱膨脹和熱防護性能。此外，目前市場對防電弧服的舒適性要求越來越高，舒適性差的服裝往往得不到市場的青睞，因此，在具備一定的防護性能要求時，織物的舒適性也是衡量防護服的重要指標。同時，為了研究織物的舒適性，測試了織物的透氣性、透濕性和抗靜電性能。

1.2.1 力學性能測試

按GB/T3923.2—1998《紡織品 織物拉伸性能 第2部分：斷裂強力的測定 抓樣法》測試織物的斷裂強力。試樣規(guī)格為50mm×250mm，預加張力為 2N， 拉伸速度為100mm/min。按ASTMD3884—2007《紡織品耐磨性的標準指南（旋轉(zhuǎn)平臺、雙頭法）》測試織物耐磨性3次，取平均值。

1.2.2 透氣性能測試

按GB/T5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》進行實驗。試樣面積20cm 2，試樣在三級標準大氣下調(diào)濕24h，采用大塊試樣測試，同一樣品不同部位測試30次，測試結(jié)果取平均值。

1.2.3 透濕性能測試

設置參數(shù)使得實驗箱溫度為38 ℃，相對濕度為80 %，氣流速度為0.3～0.5m/s時，放入試樣進行平衡，0.5h后取出試樣稱重，將稱重好的試樣再次放入實驗箱內(nèi)，60min后再次稱重。試樣透濕量計算如下式所示：

w=24×ΔmS·t（1）

式中：w為每平方米每天（24h）的透濕量，g/m 2·d; t為 實驗時間，h;Δm為同一實驗組合體2次稱量之差，g;S為試樣實驗面積，m 2。

取3次實驗結(jié)果平 均值。

1.2.4 抗靜電性能測試儀

按GB/T12703—1991《紡織品 靜電測試方法》，取3次實驗結(jié)果平均值。

1.2.5 阻燃性能測試

按GB/T5455—2014《紡織品 燃燒性能 垂直方向 損毀長度陰燃和續(xù)燃時間的測定》進行實驗。剪取試樣大小為300mm×80mm，經(jīng)緯向各取3塊試樣，將試樣固定在試樣夾上。接通電源并點火，調(diào)控火焰高度在40mm左右，待火焰穩(wěn)定后，啟動實驗按鈕，織物在火焰下燃燒12s后，記錄續(xù)燃時間（織物離開火焰后保持有焰燃燒的時間）、陰燃時間（織物離開火焰后保持無焰燃燒的時間），然后取下試樣，沿著試樣長度方向內(nèi)，在損毀區(qū)域最高點處折一條直線，在距離底邊和側(cè)邊各6mm處，掛上相應的的重錘（查閱資料后選擇113.4g重錘），輕輕提起試樣底部的另一端，直至重錘懸空，此時，試樣的撕裂長度就為損毀長度。計算續(xù)燃時間、陰燃時間、損毀長度的平均值。

1.2.6 熱收縮性能測試

參照GA10—2002《消防員滅火防護服》進行實驗，裁取10mm×10mm試樣3塊，在標準大氣條件下調(diào)濕24h后，放入240℃的烘箱內(nèi)內(nèi)保持5min后迅速取出，并測量經(jīng)向和緯向尺寸，測試結(jié)果取平均值，根據(jù)下式計算熱收縮率：

P/%=B-AB×100（2）

式中：P為熱收縮率;B為實驗前織物的尺寸;A為實驗后織物的尺寸。

1.2.7 熱膨脹性能測試

具有芳環(huán)和芳雜環(huán)的化學纖維具有優(yōu)異的熱防護性能，這類纖維材料在高溫炭化后會膨脹變厚，從而增加對熱量的隔絕，將四種試樣經(jīng)過240℃處理 5min， 計算熱膨脹率，其計算如下式所示：

q/%=M-NN×100（3）

式中：q為織物熱膨脹率;M為熱處理后織物的厚度;N為熱處理前織物的厚度。

1.2.8 熱防護性能TPP測試

材料熱防護性能（簡稱TPP）是指透過織物引起二級燒傷的暴露能量，TPP值越大，表示熱防護服的防熱輻射性能越好。根據(jù)國家標準GA10—2014《消防員滅火防護服》測試TPP值。

2 結(jié)果與分析

2.1 織物的力學性能

DL/T320—2010《個人電弧防護用品通用技術(shù)要求》中對電弧防護面料的斷裂強力和耐磨性有具體的標準要求。因此，探討POD纖維對防電弧面料的斷裂強力和耐磨性能影響，測試結(jié)果見表3。

從表3可以看出，四種面料的織物結(jié)構(gòu)相同，其斷裂強力差別不大，C面料的斷裂強力和D面料斷裂強力接近。四種織物的厚度差異較小，但耐磨性差異較大，B面料、C面料和D面料的耐磨性好于A面料，其中，D面料的耐磨性是A面料的兩倍，表明POD纖維的加入可改善織物的耐磨性。綜上可知，相比較芳綸1313纖維而言，POD防電弧面料一方面在穩(wěn)定織物斷裂強力的同時，其耐磨性是芳綸1313的兩倍。

2.2 織物的舒適性

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，透濕性同時受纖維自身導濕性能的影響，抗靜電性主要受材料自身的導電性和回潮率影響，四種面料的舒適性測試結(jié)果見 表4。

未充滿系數(shù)為線圈長度與紗線直徑的比值，用來衡量紗線粗細對織物細密程度的影響。未充滿系數(shù)越小，針織物就越緊密。四種防電弧面料在統(tǒng)一的成圈系統(tǒng)下編織，其線圈長度相同，排列密度一致。與A面料、B面料相比，C面料和D面料的紗線線密度偏大，紗線較粗，未充滿系數(shù)偏小，織物較 緊密。

從表4可以看出，與A面料、B面料相比，C面料、D面料透氣性有減小趨勢，這是因為C、D的未充滿系數(shù)小，織物較緊密，空氣透過織物的阻力較大。A面料與B面料相比，其織物結(jié)構(gòu)和緊密程度相同，但B面料的透濕性增加了5%，D面料與A面料相比，雖然D的未充滿系數(shù)小，織物緊密程度偏大，但其透濕性仍比A面料增加35%。這是因為，織物的透濕性一方面受織物結(jié)構(gòu)的影響，另一方面纖維原料也起到一定的輔助作用，導濕性優(yōu)良的纖維能夠增加織物的透濕量。這表明，POD纖維比芳綸1313有更好的導濕性，POD纖維的加入可以有效地改善織物的透濕性。

隨著POD纖維的加入，芳綸1313的減少，織物的電荷半衰期呈降低的趨勢，當POD纖維完全取代芳綸1313時，其電荷半衰期比芳綸1313防電弧面料減少了57%，說明用POD纖維織造的防電弧面料的抗靜電功能要比芳綸1313系列的優(yōu)良，穿著時相對不容易產(chǎn)生靜電。

2.3 織物的防護性能

本文主要研究了電弧防護面料的熱收縮性、熱膨脹性、阻燃性能及熱防護性能，測試結(jié)果見 表5。

從表5可以看出，與A面料相比，B面料、C面料和D面料的熱收縮率有減小的趨勢，其中，D的熱收縮率比A減少了12%，表明POD纖維的加入明顯改善了織物的熱穩(wěn)定性能。

四種防電弧面料均無續(xù)燃、無熔滴，都存在陰燃現(xiàn)象，且碳化長度小于150mm，符合DL/T320—2010《個人電弧防護用品通用技術(shù)要求》標準。研究結(jié)果已表明，在受到高溫時，芳綸1313纖維會迅速膨脹并被碳化，形成依附于織物而不脫落的隔熱層，從而阻擋熱量與身體的接觸，降低人身灼傷程度，碳化量越大，結(jié)構(gòu)越質(zhì)密，就越不容易從織物上脫落下來，織物的熱防護性能就越好，這也是芳綸1313纖維被廣泛用作為防電弧服的原因之一。與A面料相比，B面料、C面料和D面料的損毀長度有減少的趨勢，其中，D面料的損毀長度比A面料少22%，表明和芳綸1313相比，POD纖維有增加防電弧面料阻燃性能的優(yōu)勢。

A、B、C、D的熱膨脹率呈遞增的趨勢，其中，D的熱膨脹率比A增加了20%，表明POD纖維的加入提高了織物的熱膨脹性能。致密的炭化層一方面可以阻擋熱傳導和熱輻射，另一方面減少反饋給織物的熱量，增加織物的熱防護性能。用POD纖維完全替代芳綸1313纖維，在織物結(jié)構(gòu)和緊密程度接近情況下，D面料的TPP值比A面料增加了9.2%。其原因是，POD纖維和防電弧面料具有很好熱膨脹率，高溫處理后，POD纖維膨脹使得織物結(jié)構(gòu)變得更加緊密，增加了對熱量的隔絕作用，在一定程度上提高織物的熱防護性能。

3 結(jié) 綸

POD纖維的斷裂強度比芳綸1313低，更容易破裂，初始模量小于芳綸1313，織物手感相對比較柔軟，回潮率高于芳綸1313，纖維的可紡性好，織物更加舒適。POD纖維的阻燃性與1313無明顯差異，但其初始分解溫度比芳綸1313高了70℃，耐熱性能 更好。

POD防電弧織物的耐磨性好于芳綸1313纖維，其耐磨性達到芳綸1313纖維的兩倍，具有優(yōu)良的透濕性、抗靜電性、熱穩(wěn)定性能、阻燃性和熱膨脹性能，使得織物在相同結(jié)構(gòu)設計下，增加織物舒適性的同時，提高了防電弧面料的防護性能。

綜上，POD和芳綸1313纖維的價格成本相同，但POD在穩(wěn)定織物強力、增加織物耐磨性能的同時，在一定程度上提高了織物的熱防護性能和舒適性能，因此，在防電弧面料或其他熱防護面料開發(fā)中，可以用POD纖維來取代傳統(tǒng)的芳綸1313纖維。

參考文獻：

[1]LAVERTY G. 電弧防護服防護性能測量[J]. 電力安全技術(shù)， 2008， 10（9）： 64-68.

LAVERTY G. Protective performance of arc protective clothing [J]. Electric Safety Technology， 2008， 10（9）： 64-68.

[2]陳增發(fā)， 張澤.電弧防護發(fā)展歷史與防護服的選擇[J]. 電力安全技術(shù)， 2008， 10（11）： 68-72.

CHEN Zengfa， ZHANG Ze. Development history of arc protection and selection of protective clothing [J]. Electric Safety Technology， 2008， 10（11）： 68-72.

[3]李紅彥， 孫成勛， 朱寶余， 等. 電弧防護服性能測試及影響因素研究[J]. 工業(yè)安全與環(huán)保， 2016， 42（4）： 89-92.

LI Hongyan， SUN Chengxun， ZHU Baoyu， et al. Research progress of arc-rated clothing in electric power industry[J]. Industrial Safety and Environmental Protection， 2016， 42（4）： 89-92.

[4]黎海添. 運行人員配置防電弧產(chǎn)品的合理性分析[J]. 電力安全技術(shù)， 2013， 15（7）： 62-63.

LI Haitian. Rationality analysis of anti-arcing products for operators [J]. Electric Safety Technology， 2013， 15（7）： 62-63.

[5]劉軍虎. 電力行業(yè)安全防護技術(shù)及防護需求淺談 [C]// 2011中國安全防護紡織服裝產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展論壇論文集. 西安： 中國紡織工程學會， 2011： 1-8.

LIU Junhu. Security protection technology and protection needs of power industry [C]// 2011 Innovation and Development Forum Proceedings on Safety and Protection of Chinese Textile and Garment Industry. Xian： China Textile Engineering Society， 2011： 1-8.

[6]高占勇. 聚芳噁二唑短纖維紡絲設備的研制[J]. 國際紡織導報， 2012（11）： 22.

GAO Zhanyong. Study and manufacture for POD staple fiber spinning equipment[J]. Melliand China， 2012（11）： 22.

[7]李文濤， 吳萌，張超波， 等. 聚芳噁二唑纖維的性能及其應用[J]. 高科技纖維與應用，2013， 38（1）： 32-33.

LI Wentao， WU Meng， ZHANG Chaobo， et al. Properties and applications of aromatic polyoxadiazoles fiber [J]. Hi-Tech Fiber & Application， 2013， 38（1）： 32-33.

[8]賈二鵬， 施楣梧， 葉光斗， 等.耐高溫阻燃聚芳噁二唑纖維的結(jié)構(gòu)及其性能[J]. 紡織學報， 2012，33（6）： 144.

JIA Erpeng， SHI Meiwu， YE Guangdou， et al. Structure and properties of high temperature resistant flame-retardant poly （phenylene-1， 3， 4-oxadiazole） （POD） fibers [J]. Joumal of Textile Research， 2012，33（6）： 144.

[9]馬新安， 張瑩. 紡織品熱防護技術(shù)研究進展[C]// 第11屆功能性紡織品、納米技術(shù)應用及低碳紡織研討會論文集. 北京： 北京紡織工程學會， 2011： 338-341.

MA ?Xinan， ?ZANG Ying. Study on thermal protection technology of textile [C]// The 10th Symposium on Functional Textiles， Nanotechnology Application and Low Carbon Textile. Beijing： Beijing Textile Engineering Society， 2011： 338-341.

[10]張生輝， 樊爭科， 肖秋利， 等. 防電弧面料的開發(fā)與研究[J]. 中國個體防護裝備， 2015（6）： 5-8.

ZHANG Shenghui， FAN Zhengke， XIAO Qiuli， et al. Arc proof fabric research and development[J]. China Personal Protective Equipment， 2015 （6）： 5-8.

[11]劉琳， 李世雄， 肖秋麗， 等. 我國電力行業(yè)安全防護服的現(xiàn)狀及發(fā)展[J]. 棉紡織技術(shù)， 2015， 43 （4）： 81.

LIU Lin， LI Shixiong， XIAO Qiuli， et al. Status and development of China safety protective clothing in electric power industry [J]. Cotton Textile Technology， 2015， 43（4）： 81.