織物結(jié)構(gòu)對間位芳綸織物阻燃性能的影響

逯凱美，董曉寧

(西安工程大學 紡織科學與工程學院，陜西西安 710048)

間位芳綸在空氣中不燃燒，遇火自熄，極限氧指數(shù)大于28，有著“防火纖維”的美稱[1]，因其優(yōu)異的阻燃耐熱性能，廣泛應(yīng)用于個體防護和特殊工業(yè)領(lǐng)域[2]。但由于間位芳綸分子的定向程度和結(jié)晶度較高，表面光滑，表面能低，親水性較差，使得芳綸織物的舒適性受到影響[3]。

目前，就織物結(jié)構(gòu)對芳綸阻燃性的影響，研究者采取了一系列的方法進行研究。劉維等[4]以間位芳綸與阻燃粘膠混紡紗織制不同規(guī)格的針織物，結(jié)果表明組織對阻燃性影響不明顯，而密度與炭化長度呈顯著負相關(guān)性，織物密度越大，阻燃性能越好；織物組織對極限氧指數(shù)影響不大，密度對極限氧指數(shù)有影響，且隨著密度增大，氧指數(shù)增加。目前，對芳綸織物結(jié)構(gòu)參數(shù)與阻燃性之間的影響關(guān)系有了一些研究，但對于純間位芳綸的組織結(jié)構(gòu)研究很少。顏夢佳等[5]應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)度分析法探究織造的15種Nomex?ⅢA 織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)對阻燃性影響程度，發(fā)現(xiàn)覆蓋系數(shù)對Nomex?ⅢA 織物阻燃性能影響最顯著；其次為厚度、單位面積質(zhì)量；再是單位體積質(zhì)量；織物組織對織物阻燃性能影響最小。為了探究織物組織結(jié)構(gòu)對間位芳綸阻燃性的影響，運用正交設(shè)計實驗，對間位芳綸的組織、密度、緊度等結(jié)構(gòu)參數(shù)及阻燃性之間的關(guān)系進行科學分析。

1 實驗

1.1 實驗材料

三種間位芳綸雙股線(上海圣歐同安防護用品開發(fā)有限公司)，規(guī)格分別為14.8tex×2、19.7tex×2、29.5tex×2。

1.2 實驗儀器

YG141D型數(shù)字式織物厚度儀(寧波紡織儀器廠)；JT5003A電子天平(余姚市金諾天平儀器有限公司)；AUTO-SP01型垂直燃燒試驗儀(深圳奧德賽創(chuàng)精密儀器有限公司)；鋼尺；剪刀等。

1.3 織物規(guī)格設(shè)計

以紗線線密度劃分，織物分為A(14.8tex×2)、B(19.7tex×2)、C(29.5tex×2)三個系列。緯向緊度均設(shè)為45%，A、B、C系列對應(yīng)的緯密分別為223根/10cm、194根/10cm、158根/10cm。文中緞紋均指經(jīng)面緞紋。根據(jù)組織結(jié)構(gòu)、經(jīng)向緊度、經(jīng)紗密度的不同制織36塊規(guī)格不同的間位芳綸織物如表1所示。

表1 織物結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 測試結(jié)果與分析

A系列織物性能測試結(jié)果如表2所示。

表2 A系列織物性能測試結(jié)果

B系列織物性能測試結(jié)果如表3所示。

表3 B系列織物性能測試結(jié)果

C系列織物性能測試結(jié)果如表4所示。

表4 C系列織物性能測試結(jié)果

從表2～4可看出：

(1)所有織物均滿足續(xù)燃時間小于5s，陰燃時間小于5s，損毀長度小于150mm，達到了GB/T17591-2006《阻燃織物》中B1級水平。織物燃燒時有收縮，表面炭化無熔滴?？椢锏淖枞夹阅軆?yōu)異，這是由芳綸自身優(yōu)異的阻燃耐高溫性能決定的。

(2)整體而言，織物的續(xù)燃時間、陰燃時間以及損毀長度隨著紗線線密度、織物緊度、平方米克重的增大而逐漸減小。因為隨著緊度、平方米質(zhì)量的增加，織物結(jié)構(gòu)越來越緊密，紗線間空隙變小，所接觸到的空氣變少，減緩了織物的燃燒。

(3)緞紋織物燃燒時收縮程度最大，燃燒后的部位織物團縮在一起，有外力作用時不容易被撕裂。平紋織物交織次數(shù)多，紗線緊密，但織物較薄，碳化部位脆，容易被撕裂。從損毀長度可看出，緞紋織物的阻燃性優(yōu)于平紋和斜紋織物。

(4)C系列織物的紗線較粗，織物表面毛羽相對較多，形成團狀。當火源移開后，火源燃燒部位迅速熄滅，不再續(xù)燃和陰燃，織物表面毛羽會繼續(xù)燃燒，但毛羽燃燒后的部位，與火源燃燒部位相比，表面幾乎無損傷。這種燃燒的效果類似于織物燒毛處理，不會對織物的使用造成影響。

3 正交實驗

3.1 方案設(shè)計

從表2～4中，可得出織物阻燃性與織物緊度、紗線線密度及織物組織間的整體趨勢，但無法判斷三個因素的影響大小及程度。因此，采用正交實驗設(shè)計對試驗方案的結(jié)果進行統(tǒng)計分析，得出較優(yōu)方案，分析各試驗因素對試驗結(jié)果影響的重要程度[6]。實際中X、Z因素沒有第四水平，采用擬水平法[7-8]，將較好的第三水平重復(fù)以代替第四水平。因素水平表如表5所示，正交試驗方案如表6所示。

表5 因素水平表

表6 正交試驗方案

3.2 試驗結(jié)果分析

3.2.1 方差分析

為確定或否定某些因素或交互作用的重要性或顯著性，對試驗結(jié)果進行方差分析[9]。方差分析表如表7所示。

表7 方差分析表

(注：緯向續(xù)燃時間因素J的離差平方和歸入誤差項；顯著為*，極顯著為**。)

從表7中可看出，對于給定的顯著水平α=0.1，織物緊度對于續(xù)燃時間的影響不明顯，而紗線線密度和織物組織的影響則較大；織物緊度、紗線線密度及織物組織對于陰燃時間有顯著影響；織物緊度、紗線線密度及織物組織對于損毀長度有顯著影響。

3.2.2 直觀分析

通過方差分析可得出三個因素對織物阻燃性有顯著影響，但無法判斷其主次順序和各個指標對應(yīng)的優(yōu)方案，因此采用直觀分析[10]來得到進一步的結(jié)論。直觀分析表如表8所示。

織物續(xù)燃時間、陰燃時間及損毀長度值越小，織物的阻燃性越好，因此在確定各因素優(yōu)水平時應(yīng)取k值小的水平。

表8 直觀分析表

(注：由于數(shù)據(jù)較大，計算復(fù)雜，所以損毀長度計算時以(損毀長度-30)計算。)

從表8中可看出：對于經(jīng)緯向的各個單一指標來說，可明顯看出各個指標對應(yīng)的優(yōu)方案，但試驗中影響織物阻燃性能的因素主次順序各不相同，應(yīng)將所有性能結(jié)合起來綜合評價其優(yōu)劣。

4 綜合平衡分析

4.1 經(jīng)向阻燃優(yōu)水平分析

將方差分析與直觀分析的結(jié)果結(jié)合起來，間位芳綸織物經(jīng)向阻燃性能優(yōu)方案為J3X3Z3，即紗線線密度為29.5tex×2，織物密度為299×158根/10cm的8/3經(jīng)面緞紋織物的經(jīng)向阻燃性能最好。具體平衡過程如下：

(1)緊度：緊度為陰燃時間的主要影響因素，且影響非常顯著，在確定優(yōu)水平時應(yīng)重點考慮，而從極差分析中可得到三種方案的緊度均為3水平。根據(jù)多數(shù)傾向原則和緊度對不同指標的重要程度，選J3。

(2)線密度：三種方案中，X3出現(xiàn)兩次，線密度對于損毀長度這一指標為主要影響因素且影響非常顯著，此時線密度為3水平；根據(jù)實際織造過程中的情況，紗線較粗時整經(jīng)、穿經(jīng)都比較容易，因此取X3。

(3)組織：三種方案中，Z3出現(xiàn)兩次，對于續(xù)燃時間這一指標，因素Z為主要影響因素，此時因素Z為3水平。因此選Z3。

4.2 緯向阻燃優(yōu)水平分析

將直觀分析和方差分析結(jié)合起來對織物緯向阻燃性能做綜合評價，可得到優(yōu)方案為J3X3Z3，即紗線線密度為29.5tex×2，經(jīng)緯密為299×158根/10cm的8/3經(jīng)面緞紋織物的緯向阻燃性能最好。具體平衡過程如下：

(1)緊度：三種方案中，緊度取3水平的次數(shù)最多，緊度是損毀長度的主要影響因素且影響非常顯著，而此時緊度的最優(yōu)選擇為3水平。因此取J3。

(2)線密度：三個方案中，X3出現(xiàn)兩次，線密度是陰燃時間的主要影響因素且影響非常顯著，在確定優(yōu)水平時應(yīng)該重點考慮，而此時線密度為3水平；實際織造過程中X3情況下織造最容易。綜上選X3。

(3)組織：三個方案中，Z3出現(xiàn)次數(shù)最多，對于續(xù)燃時間這一指標，組織為主要影響因素且影響非常顯著，此時組織為3水平。最終確定因素Z選3水平。

織物經(jīng)向阻燃性與緯向阻燃性綜合考慮的結(jié)果均為J3X3Z3是優(yōu)方案，因此可得出試驗所織的36種織物中，阻燃性能最好的織物規(guī)格為紗線線密度29.5tex×2，織物密度299×158根/10cm，8/3經(jīng)面緞紋。

5 結(jié)論

(1)36種規(guī)格的間位芳綸織物均滿足續(xù)燃時間小于5s，陰燃時間小于5s，損毀長度小于150mm，達到了GB/T17591-2006《阻燃織物》中B1級水平，所制織的間位芳綸織物具有優(yōu)異的阻燃性能。

(2)阻燃性最優(yōu)的間位芳綸織物是C43織物，其結(jié)構(gòu)參數(shù)為紗線線密度29.5tex×2，經(jīng)緯密299×158根/10cm，8/3經(jīng)面緞紋。

(3)隨著緊度的增加，紗線線密度的增大，織物續(xù)燃時間、陰燃時間及損毀長度會出現(xiàn)逐漸減小的趨勢；隨著織物平方米質(zhì)量的增加，織物的阻燃性有逐漸增強的趨勢。

(4)織物緊度、紗線線密度及織物組織對于間位芳綸織物的阻燃性均有顯著性影響。整體而言，織物組織的變化對于織物阻燃性的影響最大，紗線線密度的影響居中，織物緊度的影響在三者中最小。