涂層織物熱防護(hù)性能研究

李建明，王彩霞，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(chǔ)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

隨著科技與經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市建筑的分布越來越密集，并且建筑的規(guī)模越來越大，工業(yè)區(qū)的分布也向著聚集化發(fā)展，伴隨而來的弊端也漸漸凸顯出來?；馂?zāi)的頻繁發(fā)生便是其中很引人關(guān)注的一點(diǎn)。2015年8月12日發(fā)生在天津塘沽的爆炸事件，參與火災(zāi)救險(xiǎn)工作的消防官兵遇難人數(shù)高達(dá)100多人，這更是為我們敲響了警鐘。消防裝備的不完善使得消防人員在火場滅火救災(zāi)時(shí)自身人身安全得不到充分的保障。這次爆炸事件造成的救援人員傷亡，在令人惋惜痛心的同時(shí)，也使得相關(guān)人員提高了對消防救護(hù)人員的個(gè)人防護(hù)水平的重視[1－2]。

火災(zāi)的頻繁發(fā)生以及復(fù)雜多變的火場環(huán)境對消防防護(hù)服裝的防護(hù)水平提出了很高的要求[3－6]。消防避火服作為應(yīng)用于高溫明火火場最高等級的熱防護(hù)服，對確保消防員能夠安全地深入明火火場實(shí)施搶救人員和重要物資行動(dòng)至關(guān)重要[7－10]。但由于缺乏適用標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致該類防護(hù)服裝的防護(hù)效能并不被廣泛認(rèn)可。而消防避火服最外層織物作為該類服裝的最主要防火功能層，需具備耐明火燒蝕和輻射熱防護(hù)等多種功能，該層材料防護(hù)效能的優(yōu)劣直接決定了消防避火服的整體防護(hù)水平的高低[11－14]。本課題首先采用兩種不同涂層方式——單面涂雙層(Ld，輻射熱防護(hù)層涂覆在隔熱層上)以及雙面涂單層(Ll，分別在基布兩面涂隔熱層與輻射熱防護(hù)層)制備不同的雙層涂層織物；其次分別探討了球狀納米二氧化硅含量、六鈦酸鉀晶須含量、納米二氧化鈦含量對雙層涂層織物熱防護(hù)性能的影響。

1 制備工藝與測試方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

(1)基布:玄武巖纖維織物，克重200 g/m2，紗線細(xì)度66 tex。

(2)樹脂:苯甲基硅樹脂，型號(hào)1153，由上海樹脂廠提供。

(3)功能填料:納米級六鈦酸鉀晶須，由南通奧新電子科技有限公司提供；納米二氧化硅球，由上海乃歐納米科技有限公司提供；氧化鉻、云母粉和超細(xì)高嶺土，均由天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)；氣凝膠，由納諾科技有限公司生產(chǎn)；空心玻璃微珠，由浙江海岳新材料有限公司提供；滑石粉，由天津市鼎盛鑫化工有限公司生產(chǎn)。

(4)溶劑及偶聯(lián)劑:無水乙醇，分析純，由天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司提供；偶聯(lián)劑KH550，分析純，由天津光復(fù)精細(xì)化工研究所提供。

1.2 雙層涂層織物的制備

雙層涂層柔性復(fù)合材料兩面的制備工藝分為氣凝膠絕熱層和耐輻射熱層。

(1)氣凝膠絕熱層制備工藝

將分散機(jī)定時(shí)30 min，設(shè)定低速500 r/min，然后向有機(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。制備完成后將涂層織物置于70℃溫度下預(yù)烘30 min，氣凝膠絕熱層制備完畢。

(2)耐輻射熱層制備工藝

將分散機(jī)定時(shí)40 min，設(shè)定低速500 r/min，然后向有機(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，對應(yīng)上面五組實(shí)驗(yàn)再加入納米二氧化硅、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，然后加入偶聯(lián)劑KH550。涂層液制備完畢后，將步驟1制備出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，設(shè)定涂層機(jī)速度為10 mm/s，然后調(diào)整涂層厚度為0.37 mm。制備完成后將涂層織物置于70℃溫度下預(yù)烘30 min，而后在220℃的溫度下烘干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

使用熱防護(hù)性能測試儀(TPP)時(shí)，僅使用輻射熱源部分，營造輻射熱環(huán)境，不使用燃?xì)庠O(shè)備。

(1)使用前準(zhǔn)備:供水連接、電氣連接、氣動(dòng)連接、計(jì)算機(jī)連接、傳感器/輻射計(jì)連接。

(2)打開計(jì)算機(jī)，雙擊“TPP”圖標(biāo)，調(diào)出測試控制界面，將調(diào)功器旋鈕旋至需要的設(shè)定值，至少預(yù)熱20 min。

(3)將樣品板放在樣品夾具上，小的孔板在下面，將儀器模式設(shè)置為“MANUAL”后，將輻射熱流計(jì)放在樣品板上方。按“SAMPAL IN”鍵，安裝有輻射熱流計(jì)的樣品板將運(yùn)行至輻射熱源上方。調(diào)節(jié)調(diào)功器旋鈕，直至總熱流為0.40 cal/(cm2·s)。

(4)上述校準(zhǔn)完成后，設(shè)置暴露時(shí)間為120 s，將制備的樣品用夾板固定在樣品臺(tái)上，觀察顯示的兩熱傳感器溫度，低于38℃即可開始測試(單個(gè)樣品測試完成后，需對輻射熱流計(jì)進(jìn)行冷卻)。

(5)當(dāng)熱流曲線與Stoll曲線交叉，或者達(dá)到了設(shè)定的暴露時(shí)間，軟件將命令儀器停止測試。

(6)測試完成后，依次關(guān)閉儀器:冷卻水開關(guān)旋至“OFF”——鑰匙開關(guān)旋至“OFF”——關(guān)閉空壓機(jī)輸出口——關(guān)閉電源——關(guān)閉水龍頭——關(guān)閉軟件與計(jì)算機(jī)——關(guān)閉主電源。

(7)手動(dòng)存檔保存測試數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行分析整理，比較差異。

2 測試結(jié)果與分析

2.1 涂層織物制備工藝優(yōu)化

分別采用兩種不同涂層方式——單面涂雙層(Ld，輻射熱防護(hù)層涂覆在隔熱層上)以及雙面涂單層(Ll，分別在基布兩面涂隔熱層與輻射熱防護(hù)層)制備不同的雙層涂層織物。在制備的不同涂層織物上剪取4.5 cm×4.5 cm小樣，測試其熱防護(hù)性能。使用TPP熱防護(hù)性能測試儀進(jìn)行檢測，通過在輻射總熱流值為0.40 cal/(cm2·s)條件下，涂層織物背面溫度達(dá)到二級燒傷溫度的時(shí)間來表征所制備雙層涂層織物的輻射熱防護(hù)性能。

輻射熱防護(hù)性能測試結(jié)果如下:

單面涂雙層，涂層厚度為0.25 mm時(shí)織物輻射熱防護(hù)性能測試結(jié)果如圖1所示，涂層織物背面溫度達(dá)到二級燒傷溫度的時(shí)間為16.5 s。

圖1 試樣Ld0.25 TPP測試曲線

單面涂雙層，涂層厚度為0.37 mm時(shí)織物輻射熱防護(hù)性能測試結(jié)果如圖2所示，涂層織物背面溫度達(dá)到二級燒傷溫度的時(shí)間為17.3 s。

圖2 試樣Ld0.37 TPP測試曲線

單面涂雙層，涂層厚度為0.50 mm時(shí)織物輻射熱防護(hù)性能測試結(jié)果如圖3所示，涂層織物背面溫度達(dá)到二級燒傷溫度的時(shí)間為26.8 s。

圖3 試樣Ld0.50 TPP測試曲線

雙面涂單層，涂層厚度為0.25 mm時(shí)織物輻射熱防護(hù)性能測試結(jié)果如圖4所示，涂層織物背面溫度達(dá)到二級燒傷溫度的時(shí)間為18.3 s。

圖4 試樣Ll0.25 TPP測試曲線

雙面涂單層，涂層厚度為0.37 mm時(shí)織物輻射熱防護(hù)性能測試結(jié)果如圖5所示，涂層織物背面溫度達(dá)到二級燒傷溫度的時(shí)間為21.4 s。

圖5 試樣Ll0.37 TPP測試曲線

雙面涂單層，涂層厚度為0.50 mm時(shí)織物輻射熱防護(hù)性能測試結(jié)果如圖6所示，涂層織物背面溫度達(dá)到二級燒傷溫度的時(shí)間為22.9 s。

圖6 試樣Ll0.50 TPP測試曲線

TPP輻射熱防護(hù)性能測試表明:

涂層厚度為0.25 mm、0.37 mm、0.50 mm的涂層織物，隨著涂層厚度的增加，涂層織物背面溫度達(dá)到二級燒傷熱溫度的時(shí)間也依次增長。相同的涂層厚度，涂層織物背面溫度達(dá)到二級燒傷溫度Ld0.25比Ll0.25用時(shí)更短，Ld0.37比Ll0.37用時(shí)更短，而Ld0.50比Ll0.50用時(shí)更長。

2.2 球狀納米二氧化硅含量對雙層涂層織物熱防護(hù)性能影響

分別制備球狀二氧化硅(nano－SiO2)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、3%、6%、9%、12%的涂層織物，僅改變球狀納米二氧化硅質(zhì)量與苯甲基有機(jī)硅樹脂質(zhì)量。

球狀納米二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%時(shí)，測試結(jié)果如圖7所示，涂層織物背面溫度達(dá)到二級燒傷溫度的時(shí)間為17.4 s。

圖7 球狀納米二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%時(shí)TPP測試曲線

球狀納米二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，測試結(jié)果圖8所示，涂層織物背面溫度達(dá)到二級燒傷溫度的時(shí)間為17.8 s。

圖8 球狀納米二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)TPP測試曲線

球狀納米二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，測試結(jié)果如圖9所示，涂層織物背面溫度達(dá)到二級燒傷溫度的時(shí)間為19.4 s。

圖9 球狀納米二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)TPP測試曲線

球狀納米二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%時(shí)，測試結(jié)果如圖10所示，涂層織物背面溫度達(dá)到二級燒傷溫度的時(shí)間為22.3 s。

圖10 球狀納米二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%時(shí)TPP測試曲線

球狀納米二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%時(shí)，測試結(jié)果如圖11所示，涂層織物背面溫度達(dá)到二級燒傷溫度的時(shí)間為24.4 s。

圖11 球狀納米二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%時(shí)TPP測試曲線

輻射熱防護(hù)性能測試表明:

隨著球狀納米二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，織物背面溫度達(dá)到二級燒傷溫度的時(shí)間增長，織物背面溫度達(dá)到二級燒傷溫度的時(shí)間越長，其輻射熱防護(hù)效果越好。

2.3 六鈦酸鉀晶須含量對雙層涂層織物熱防護(hù)性能的影響

分別制備六鈦酸鉀晶須(代號(hào)A)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%、6%、9%、12%的雙層涂層織物，僅改變六鈦酸鉀晶須質(zhì)量與苯甲基有機(jī)硅樹脂質(zhì)量。

測試制備的涂層織物輻射熱防護(hù)性能:

六鈦酸鉀晶須質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，測試結(jié)果如圖12所示，涂層織物背面溫度達(dá)到二級燒傷溫度的時(shí)間為16.5 s。

圖12 六鈦酸鉀晶須質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)TPP測試曲線

六鈦酸鉀晶須質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，測試結(jié)果如圖13所示，涂層織物背面溫度達(dá)到二級燒傷溫度的時(shí)間為19.4 s。

圖13 六鈦酸鉀晶須質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)TPP測試曲線

六鈦酸鉀晶須質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%時(shí)，測試結(jié)果如圖14所示，涂層織物背面溫度達(dá)到二級燒傷溫度的時(shí)間為21.6 s。

圖14 六鈦酸鉀晶須質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%時(shí)TPP測試曲線

六鈦酸鉀晶須質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%時(shí)，測試結(jié)果如圖15所示，涂層織物背面溫度達(dá)到二級燒傷溫度的時(shí)間為22.3 s。

圖15 六鈦酸鉀晶須質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%時(shí)TPP測試曲線

輻射熱防護(hù)性能測試表明:

六鈦酸鉀晶須質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3%～12%內(nèi)，隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，所制備的涂層織物達(dá)到二級燒傷溫度的時(shí)間增長，輻射熱防護(hù)效果也提高。

2.4 納米二氧化鈦含量對雙層涂層織物熱防護(hù)性能的影響

通過比較球狀納米二氧化硅與六鈦酸鉀晶須質(zhì)量分?jǐn)?shù)對涂層織物熱防護(hù)性能的影響，發(fā)現(xiàn)球狀納米二氧化硅總體效果比六鈦酸鉀晶須更好。因此，以納米二氧化鈦替換六鈦酸鉀晶須，分別制備納米二氧化鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、3%、6%、9%、12%、15%的雙層涂層織物，僅改變納米二氧化鈦質(zhì)量與苯甲基有機(jī)硅樹脂質(zhì)量。

納米二氧化鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，測試結(jié)果如圖16所示，涂層織物背面溫度達(dá)到二級燒傷溫度的時(shí)間為17.1 s。

圖16 納米二氧化鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)TPP測試曲線

納米二氧化鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，測試結(jié)果如圖17所示，涂層織物背面溫度達(dá)到二級燒傷溫度的時(shí)間為19.4 s。

圖17 納米二氧化鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)TPP測試曲線

納米二氧化鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%時(shí)，測試結(jié)果如圖18所示，涂層織物背面溫度達(dá)到二級燒傷溫度的時(shí)間為17.4 s。

圖18 納米二氧化鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%時(shí)TPP測試曲線

納米二氧化鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%時(shí)，測試結(jié)果如圖19所示，涂層織物背面溫度達(dá)到二級燒傷溫度的時(shí)間為20.8 s。

圖19 納米二氧化鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%時(shí)TPP測試曲線

納米二氧化鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，測試結(jié)果如圖20所示，涂層織物背面溫度達(dá)到二級燒傷溫度的時(shí)間為23.2 s。

圖20 納米二氧化鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)TPP測試曲線

輻射熱防護(hù)性能測試表明:納米二氧化鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，涂層織物背面溫度達(dá)到二級燒傷溫度的時(shí)間最長；質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，涂層織物背面溫度達(dá)到二級燒傷溫度時(shí)間最短；除質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%這一組實(shí)驗(yàn)外，其余幾組實(shí)驗(yàn)隨著納米二氧化鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，涂層織物背面溫度達(dá)到二級燒傷溫度的時(shí)間依次增長，輻射熱防護(hù)效果也依次提高。

3 結(jié)論

(1)涂層厚度為 0.25 mm、0.37 mm、0.50 mm的涂層織物，隨著涂層厚度的增加，涂層織物背面溫度達(dá)到二級燒傷熱溫度的時(shí)間也依次增長。相同的涂層厚度，涂層織物背面溫度達(dá)到二級燒傷溫度Ld0.25比 Ll0.25用時(shí)更短，Ld0.37比 Ll0.37用時(shí)更短，而Ld0.50比Ll0.50用時(shí)更長。

(2)隨著球狀納米二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，織物背面溫度達(dá)到二級燒傷溫度的時(shí)間增長。而織物背面溫度達(dá)到二級燒傷溫度的時(shí)間越長，其輻射熱防護(hù)效果越好。

(3)六鈦酸鉀晶須質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3%～12%范圍內(nèi)，隨著六鈦酸鉀晶須質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，所制備的涂層織物達(dá)到二級燒傷溫度的時(shí)間依次增加，織物的輻射熱防護(hù)效果也依次提高。

(4)納米二氧化鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，涂層織物達(dá)到二級燒傷溫度的時(shí)間最長；質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，涂層織物達(dá)到二級燒傷溫度時(shí)間最短；除質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%這一組實(shí)驗(yàn)外，隨著納米二氧化鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，涂層織物達(dá)到二級燒傷溫度的時(shí)間也依次增長，織物的輻射熱防護(hù)效果也依次提高。