雙層涂層連續(xù)玄武巖織物的熱防護(hù)性能研究

李建明，劉旭琳，趙曉明,2,3，劉元軍,2,3

(1.天津工業(yè)大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387；2.天津市先進(jìn)纖維與儲能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387； 3. 天津市先進(jìn)紡織復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387)

0 前言

消防避火服作為消防員短期穿越高溫明火火場實(shí)施搶救人員和重要物資行動的最高等級熱防護(hù)服裝，最基本的要求是必須具有良好的耐高溫火焰燒蝕性能和輻射熱防護(hù)性能。該類服裝一般由防火層、隔熱層和舒適層等三層結(jié)構(gòu)組成。其中，防火層與火場復(fù)雜多變的特殊環(huán)境直接接觸，在避火服三層結(jié)構(gòu)中起著最為關(guān)鍵的作用。因此，消防避火服防火層織物材料需具備優(yōu)異的熱防護(hù)性能[1-3]。作為直接接觸明火火焰的防護(hù)層織物，消防避火服外層的主要作用是防止明火對織物的損傷，并且在800 ℃高溫火焰的舔舐下，能夠在一定的時間內(nèi)保持強(qiáng)力和隔熱效能[4-6]。有關(guān)學(xué)者認(rèn)為，實(shí)際的滅火救援行動需要的時間應(yīng)在8min～10min，甚至更長[7-10]。PBI、PMIA、酚醛纖維等有機(jī)纖維的熱解溫度均低于600 ℃，無法滿足織物特殊環(huán)境下的使用要求。因此，研究人員重點(diǎn)研究具有高熱防護(hù)性能的無機(jī)纖維，進(jìn)而篩選出相對優(yōu)異的消防避火服防火層材料。連續(xù)玄武巖纖維是以單一的天然玄武巖礦石為原料，將其磨碎并在1450 ℃～1500 ℃的高溫熔融后，通過鉑銠合金拉絲漏板快速拉制而形成的連續(xù)纖維，簡稱CBF(Continuous Basalt Fiber)[11-12]。其兼具耐低溫和耐高溫的性能，長期使用溫度范圍在﹣260 ℃～400 ℃。連續(xù)玄武巖纖維不僅穩(wěn)定性好，而且還具有電絕緣性、抗腐蝕、抗燃燒、耐高溫等多種優(yōu)異性能。同時，玄武巖纖維的力學(xué)性能也十分突出，其彈性模量在80GPa～93GPa范圍內(nèi)，拉伸強(qiáng)度大于3000 MPa，斷裂伸長在3 %左右[13-14]。本課題主要探討了高嶺土質(zhì)量分?jǐn)?shù)、氣凝膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)、云母粉與Cr2O3比例對雙層涂層織物熱防護(hù)性能影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料與器材

藥品：納米級金紅石型二氧化鈦(南京天行新材料有限公司生產(chǎn))；納米二氧化硅(上海乃歐納米科技有限公司生產(chǎn))；納米級六鈦酸鉀晶須(南通奧新電子科技有限公司生產(chǎn))；納米氧化鋁、三氧化二鉻、氧化鋯、云母粉和無水乙醇(天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn))；氣凝膠(納諾科技有限公司生產(chǎn))；滑石粉和三氧化二鐵(天津市鼎盛鑫化工有限公司生產(chǎn))；空心陶瓷微珠(鞏義市優(yōu)星礦產(chǎn)品有限公司生產(chǎn))；空心玻璃微珠(浙江海岳新材料股份有限公司生產(chǎn))；苯甲基有機(jī)硅樹脂(上海樹脂廠生產(chǎn))；有機(jī)硅消泡劑，偶聯(lián)劑KH550。

實(shí)驗(yàn)器材：DZF-6020型真空干燥箱(生產(chǎn)廠家鞏義市予化儀器有限公司)，DGG-9148A型高溫鼓風(fēng)干燥箱(生產(chǎn)廠家上海鱉珍儀器制造有限公司)，LY-TP12W12V天秤(生產(chǎn)廠家上海西艾電子有限公司)，DL-180BXING 智能超聲波清洗器(生產(chǎn)廠家上海之信儀器有限公司)，SF智能型分散砂磨機(jī)(生產(chǎn)廠家上海微特電機(jī)有限公司)，DTO-300型涂層機(jī)(生產(chǎn)廠家佛山市亞諾精密機(jī)械有限公司)。

連續(xù)玄武巖纖維織物基布：浙江桐鄉(xiāng)蒙泰復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)，厚度0.092 mm，克重200 g/m2，經(jīng)緯密15×15，支數(shù)66 tex。

1.2 雙層涂層織物的制備

雙層涂層柔性復(fù)合材料分為氣凝膠絕熱層和耐輻射熱層兩面的制備工藝：

(1)氣凝膠絕熱層制備工藝

分散機(jī)定時30 min，低速500 r/min下向有機(jī)硅樹脂中依次緩慢加入氣凝膠(或空心玻璃微珠、空心陶瓷微珠等隔熱填料)、云母粉、超細(xì)高嶺土和滑石粉等填料。加料完畢后，將分散機(jī)調(diào)至高速1800 r/min后加入偶聯(lián)劑KH550。涂層液制備完畢后，將剪取的15 cm×40 cm玄武巖纖維機(jī)織物固定于涂層機(jī)針板架上進(jìn)行涂層，涂層機(jī)速度控制在10 mm/s，調(diào)整涂層厚度為0.37 mm。制備完成后，在70 ℃預(yù)烘30 min，氣凝膠絕熱層制備完畢。

(2)耐輻射熱層制備工藝

分散機(jī)定時40 min，低速500 r/min下向有機(jī)硅樹脂中依次緩慢加入經(jīng)超聲處理后質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0 %、3 %、6 %、9 %和12 %的納米級六鈦酸鉀晶須，以及納米二氧化硅、云母粉、超細(xì)高嶺土、氧化鉻和滑石粉等填料。加料完畢后，將分散機(jī)調(diào)至高速1800 r/min后加入偶聯(lián)劑KH550。涂層液制備完畢后，將步驟1所制備的氣凝膠絕熱層柔性復(fù)合材料固定于涂層機(jī)針板架上進(jìn)行涂層，涂層機(jī)速度控制在10 mm/s，調(diào)整涂層厚度為0.37 mm。制備完成后，在70 ℃預(yù)烘30 min，而后在220 ℃烘干1 h，實(shí)施高溫固化，雙層涂層柔性復(fù)合材料制備完畢。

1.3 熱防護(hù)性能測試方法

熱防護(hù)性能測試參照標(biāo)準(zhǔn)ISO17492，使用TPP701D型熱防護(hù)性能測試儀對材料進(jìn)行防護(hù)性能測試，輻射熱通量值控制在0.4 cal/(cm2·s)，通過二級燒傷曲線與織物傳感響應(yīng)曲線的交叉點(diǎn)所對應(yīng)的TPP時間，判斷織物的熱防護(hù)性能優(yōu)劣。

2 測試結(jié)果與分析

2.1 高嶺土含量對雙層涂層織物熱防護(hù)性能的影響

分別制備高嶺土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、4%、6%、8%、10%的雙層涂層織物，僅改變高嶺土質(zhì)量與苯甲基有機(jī)硅樹脂質(zhì)量。

(1)高嶺土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2 %時，測試結(jié)果如圖1所示。

圖1 高嶺土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2 %時TPP測試曲線

達(dá)到二級燒傷溫度的時間為19.7 s

(2)高嶺土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4 %時，測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 高嶺土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4 %時TPP測試曲線

達(dá)到二級燒傷溫度的時間為19.4 s

(3)高嶺土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6 %時，測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 高嶺土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6 %時TPP測試曲線

達(dá)到二級燒傷溫度的時間為18.3 s

(4)高嶺土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8 %時，測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 高嶺土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8 %時TPP測試曲線

達(dá)到二級燒傷溫度的時間為20.5 s

(5)高嶺土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10 %時，測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 高嶺土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10 %時TPP測試曲線

達(dá)到二級燒傷溫度的時間為20.0 s

輻射熱防護(hù)性能測試表明：高嶺土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8 %時，達(dá)到二級燒傷溫度的時間最長，輻射熱防護(hù)效果最好；質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6 %時，達(dá)到二級燒傷溫度的時間最短，輻射熱防護(hù)效果最差。

2.2 氣凝膠含量對雙層涂層織物熱防護(hù)性能的影響

分別制備氣凝膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3 %、6 %、9 %的雙層涂層織物，僅改變氣凝膠質(zhì)量與苯甲基有機(jī)硅樹脂質(zhì)量。

(1)氣凝膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3 %時，測試結(jié)果如圖6所示：

圖6 氣凝膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3 %時TPP測試曲線

達(dá)到二級燒傷溫度的時間為17.0 s

(2)氣凝膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6 %時，測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 氣凝膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6 %時TPP測試曲線

達(dá)到二級燒傷溫度的時間為18.4 s

(3)氣凝膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9 %時，測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 氣凝膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9 %時TPP測試曲線

達(dá)到二級燒傷溫度的時間為20.2 s

輻射熱防護(hù)性能測試表明：氣凝膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9 %時，達(dá)到二級燒傷溫度的時間最長，輻射熱防護(hù)效果最好；質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3 %時，達(dá)到二級燒傷溫度的時間最短，輻射熱防護(hù)效果最差。

2.3 云母粉與Cr2O3比例對雙層涂層織物熱防護(hù)性能的影響

分別制備云母粉與Cr2O3比例為1:1、1:2、2:1以及云母粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)6 %、Cr2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0 %和云母粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)0 %、Cr2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6 %的雙層涂層織物(五種)。

(1)當(dāng)云母粉與Cr2O3比例為1:1時，測試結(jié)果如圖9所示。

圖9 云母粉與Cr2O3比例為1:1時TPP測試曲線

達(dá)到二級燒傷溫度的時間為22.4 s

(2)當(dāng)云母粉與Cr2O3比例為1:2時，測試結(jié)果如圖10所示。

圖10 云母粉與Cr2O3比例為1:2時TPP測試曲線

達(dá)到二級燒傷溫度的時間為22.9 s

(3)當(dāng)云母粉與Cr2O3比例為2:1時，測試結(jié)果如圖11所示。

圖11 云母粉與Cr2O3比例為2:1時TPP測試曲線

達(dá)到二級燒傷溫度的時間為19.5 s

(4)當(dāng)云母粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6 %、Cr2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0 %時，測試結(jié)果如圖12所示。

圖12 云母粉含量6 %、Cr2O3含量0 %時TPP測試曲線

達(dá)到二級燒傷溫度的時間為18.3 s

(5)當(dāng)云母粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0 %、Cr2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6 %時，測試結(jié)果如圖13所示。

圖13 云母粉含量0 %、Cr2O3含量6 %時TPP測試曲線

達(dá)到二級燒傷溫度的時間為20.3 s

輻射熱防護(hù)測試結(jié)果表明：當(dāng)云母粉與Cr2O3比例為1:2時，達(dá)到二級燒傷溫度的時間最長，輻射熱防護(hù)效果最好；云母粉含量6%、Cr2O3含量0%時，達(dá)到二級燒傷溫度的時間最短，輻射熱防護(hù)效果最差。

3 結(jié)論

(1)高嶺土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8 %時，達(dá)到二級燒傷溫度的時間最長，輻射熱防護(hù)效果最好；質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6 %時，達(dá)到二級燒傷溫度的時間最短，輻射熱防護(hù)效果最差。

(2)氣凝膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9 %時，達(dá)到二級燒傷溫度的時間最長，輻射熱防護(hù)效果最好；質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3 %時，達(dá)到二級燒傷溫度的時間最短，輻射熱防護(hù)效果最差。

(3)當(dāng)云母粉與Cr2O3比例為1:2時，達(dá)到二級燒傷溫度的時間最長，輻射熱防護(hù)效果最好；當(dāng)云母粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6 %、Cr2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0 %時，達(dá)到二級燒傷溫度的時間最短，輻射熱防護(hù)效果最差。