聚酰亞胺與其他常用消防服阻燃材料的性能對比

沈德垚，侯東昱

(1.河北科技大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，河北 石家莊 050000； 2.河北省紡織服裝工程技術(shù)研究中心，河北 石家莊 050000)

隨著火場環(huán)境的日益復(fù)雜，消防官兵在火場救援作業(yè)中受到灼傷及高溫傷害的威脅更加嚴(yán)重，消防服作為保護(hù)消防官兵安全的特種裝備，其阻燃及防護(hù)效果主要由材料性能決定，國內(nèi)外學(xué)者在傳統(tǒng)消防服材料方面均做了充分的研究。李小輝等[1]對防火服織物的服用熱防護(hù)性能評價方法進(jìn)行了總結(jié)分析，針對當(dāng)前國內(nèi)外缺少有效評價服裝熱防護(hù)性能通用量化指標(biāo)的現(xiàn)狀，提出了基于織物熱防護(hù)性能(TPP)及燃燒假人燒傷評估方法共同評價不同防護(hù)服熱防護(hù)性能的差異。王肖杰等[2]以聚酰亞胺纖維為原料開發(fā)新型滅火防護(hù)服外層面料，通過對其進(jìn)行熱學(xué)性能及力學(xué)性能測試分析，得出聚酰亞胺纖維制成的新型防護(hù)面料具有優(yōu)異的熱防護(hù)性能及熱穩(wěn)定性能，拉伸斷裂性能較好但撕裂性能不佳的結(jié)論。付立凡等[3]開發(fā)了3種應(yīng)用于消防服的聚酰亞胺織物，并介紹了其結(jié)構(gòu)及性能，測量了聚酰亞胺面料的克羅值和阻燃性能。本文通過對聚酰亞胺和3種常用消防服阻燃材料的纖維和面料進(jìn)行性能對比分析，探究了聚酰亞胺相較于現(xiàn)有阻燃纖維的優(yōu)越性，結(jié)合消防服的優(yōu)化進(jìn)行分析研究。

1 聚酰亞胺纖維結(jié)構(gòu)及性能

聚酰亞胺纖維是分子主鏈上含有酰亞胺環(huán)的一種有機(jī)纖維。聚酰亞胺分子式見圖1。

圖1 聚酰亞胺分子式

聚酰亞胺纖維是一種聚酰亞胺高性能聚合物材料，具有極高的阻燃隔熱性能及高溫穩(wěn)定性。軼綸95纖維是我國國產(chǎn)聚酰亞胺纖維，是永久性本體阻燃纖維[4]。聚酰亞胺的綜合性能在高性能纖維中非常出色，最高耐溫達(dá) 400 ℃以上，在-200～300 ℃的環(huán)境下長期使用不會改變性能，無明顯熔點，具有很高的絕緣性能，在103 Hz下介電常數(shù)為4.0，介電損耗僅為0.004～0.007，屬F至H級絕緣材料。具有極好的耐高、低溫性能，兼具優(yōu)異的力學(xué)、絕緣、阻燃、耐輻照、耐候性能，可廣泛應(yīng)用于航空航天、浮空器、特種防護(hù)、阻燃隔熱等多種領(lǐng)域。聚酰亞胺纖維極限氧指數(shù)極高，屬離火自熄纖維，高溫環(huán)境下無熔滴現(xiàn)象，明火燃燒后僅褪色且燃燒過程中不產(chǎn)生有毒物質(zhì)，可保證織物在高、低溫環(huán)境下均具有優(yōu)良的力學(xué)性能和尺寸穩(wěn)定性。

2 試驗部分

2.1 試驗材料與儀器

材料：聚酰亞胺纖維、芳綸1313纖維、芳綸1414纖維、PBI(聚苯并咪唑)纖維，芳綸1313阻燃面料(98%芳綸1313、2%導(dǎo)電纖維)、芳綸3A面料(93%芳綸1313、5%芳綸1414、2%導(dǎo)電纖維)、PBI面料(40%PBI纖維、58%芳綸1414、2%導(dǎo)電纖維)、聚酰亞胺面料(98%聚酰亞胺、2%導(dǎo)電纖維)，試驗材料由北京金輪億德科技有限公司及沈陽普力防護(hù)科技有限公司提供。

儀器：YG020型單紗強(qiáng)力機(jī)(常州中纖儀器有限公司)，JF-5全自動極限氧指數(shù)測試儀(北京中航時代儀器設(shè)備有限公司)，DSC差示掃描量熱儀(東莞高升電子精密科技有限公司)、XH-I型纖維熱收縮測試儀(上海新纖儀器有限公司)、DSSN-9000 氙燈耐氣候試驗箱(廈門東仕檢測設(shè)備有限公司)、CZF-3型水平垂直燃燒試驗機(jī)(北京中航時代儀器設(shè)備有限公司)、熱防護(hù)性能測試儀RFH-I(陜西元豐紡織技術(shù)研究有限公司)、YG026B電子織物強(qiáng)力儀(常州中纖儀器有限公司)。

2.2 測試方法

2.2.1 纖維斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率測試

參照GB/T 14344—2008《化學(xué)纖維 長絲拉伸性能試驗方法》，使用YG020型單紗強(qiáng)力機(jī)對4種纖維的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率進(jìn)行測試。在試驗前先進(jìn)行調(diào)濕預(yù)處理，將試驗材料置于環(huán)境溫度20 ℃，相對濕度為65%的條件下24 h平衡調(diào)溫，然后用鑷子隨機(jī)夾取試樣，在設(shè)置好的預(yù)加張力下，將纖維按照先上后下的順序放入夾持器，檢查夾持穩(wěn)定后摁下電源按鈕開始試驗。試驗時注意保持待測纖維位于上下夾持器的中間位置而不發(fā)生滑落，通過儀器施加張力拉伸纖維，在纖維完全斷裂時記錄所需數(shù)據(jù)。每類纖維重復(fù)試驗50次，取均值得出斷裂強(qiáng)力、斷裂長度，并計算斷裂伸長率。

2.2.2 纖維極限氧指數(shù)測試

參照GB/T 5454—1997《紡織品 燃燒性能試驗 氧指數(shù)法》，采用JF-5全自動極限氧指數(shù)測試儀對4種纖維進(jìn)行燃燒性能測試，采用試樣夾夾取試樣并使其垂直于燃燒筒內(nèi)，在向上流動的氧氮氣流中，觀察其燃燒特性，通過對試樣在不同氧濃度中燃燒表現(xiàn)，讀取維持燃燒所需的最低氧氣百分含量，以體積分?jǐn)?shù)表示燃燒所需的極限氧指數(shù)。

2.2.3 纖維熱分解溫度測試

參照GB/T 37631—2019《化學(xué)纖維 熱分解溫度試驗方法》，采用DSC差示掃描量熱儀對4種纖維進(jìn)行熱分解溫度測試，取0.5 g纖維試樣，用剪刀剪碎放入坩堝，設(shè)置吹掃流速100 mL/min、升溫速率15 ℃/min、起始溫度50 ℃、終止溫度800 ℃進(jìn)行測試，通過質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化量與溫度(TC曲線)讀出熱重數(shù)據(jù)，得到其分解溫度。

2.2.4 纖維干熱收縮溫度和收縮率測試

參照GB/T 6505—2017《化學(xué)纖維 長絲熱收縮率試驗方法(處理后)》，采用XH-I型纖維熱收縮測試儀對4種纖維的干熱收縮溫度進(jìn)行測試，通過熱介質(zhì)(干熱空氣)處理試樣，記錄開始發(fā)生收縮變化時的環(huán)境溫度，測量處理前后試樣長度的變化，計算其相較原試樣長度變化的百分比及熱收縮率。

2.2.5 纖維耐候性強(qiáng)度保持率測試

參照GB/T 31899—2015《紡織品 耐候性試驗 紫外光曝曬》，采用DSSN-9000 氙燈耐氣候試驗箱，在對纖維式樣進(jìn)行60 ℃紫外光照100 h，-50 ℃冷凝50 h后，測試試驗前后纖維的強(qiáng)力并計算出強(qiáng)度保持率，將其在160～185 ℃水蒸氣中處理24 h,測試試驗前后的斷裂強(qiáng)度并計算出斷裂強(qiáng)度保持率。

2.2.6 織物阻燃性能測試

參照GB/T 5455—2014《紡織品 燃燒性能 垂直方向 損毀長度、陰燃和續(xù)燃時間的測定》，采用CZF-3型水平垂直燃燒試驗機(jī)對面密度相近的4種阻燃面料進(jìn)行阻燃性能測試，取尺寸為300 mm×89 mm，經(jīng)緯向各5塊試樣進(jìn)行垂直法燃燒，記錄陰燃及續(xù)燃時間，并通過重錘法測量并記錄試樣撕裂的長度，各測量10次并取平均值。

2.2.7 織物斷裂強(qiáng)力和撕裂強(qiáng)力測試

參照GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能 第1部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測定(條樣法)》、GB/T 3917.5—2009《紡織品 織物撕破性能 第5部分：翼形試樣(單縫)撕破強(qiáng)力的測定》，采用YG026B電子織物強(qiáng)力儀對4種織物斷裂及撕裂強(qiáng)力進(jìn)行測試，測量斷裂強(qiáng)力時采用5 N的預(yù)加張力加持試樣，拉伸試樣至斷脫，記錄斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率，取平均值。測量撕裂強(qiáng)力時將試樣的一端剪成兩翼形狀并將兩翼傾斜于被撕裂紗線的方向進(jìn)行夾持，施加5 N的機(jī)械拉力，記錄撕破強(qiáng)力，并取平均值。

2.2.8 織物熱防護(hù)性能測試

參照GA 10—2014《消防員滅火防護(hù)服》，采用RFH-I熱防護(hù)性能測試儀對4種面料進(jìn)行熱防護(hù)性能(TPP)試驗，分別對單層和4層結(jié)構(gòu)織物進(jìn)行輻射熱和對流熱的防護(hù)性能進(jìn)行測試，測量透過織物引起人體二度燒傷的熱通量，并觀察試樣在熱防護(hù)試驗后的狀態(tài)。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 纖維拉伸性能分析

纖維是長徑比較大的柔性物體，纖維的拉伸性能與紡織加工性能和紡織品的服用性能有著密切的關(guān)系[5]。纖維斷裂強(qiáng)度表示纖維能承受拉伸負(fù)荷的最大能力，纖維斷裂強(qiáng)度大有利于纖維成紗。纖維斷裂伸長率是指纖維拉伸斷裂時產(chǎn)生的伸長占原來長度的百分率，它是表征纖維柔軟性能和彈力性能的指標(biāo)，纖維斷裂伸長率越大，表示其柔軟性能和彈性能越好[6]。選取線密度均為1.67 tex×2的4種纖維，纖維拉伸性能見表1。可以看出，芳綸1414的斷裂強(qiáng)度最高，PBI纖維最低，聚酰亞胺纖維斷裂強(qiáng)度僅次于芳綸1414，因此在加工過程中芳綸1414加工效率最高，聚酰亞胺纖維相對較高，PBI纖維的加工效率相對較低。由表1可知，芳綸1313的斷裂伸長率最大為22.00%，芳綸1414最小為2.40%，聚酰亞胺纖維斷裂伸長率達(dá)到了20.00%，因此聚酰亞胺纖維的柔軟性能和彈性性能表現(xiàn)相對優(yōu)異，其織物柔軟舒適，服用舒適性較好。

表1 纖維拉伸性能

3.2 纖維燃燒性能及熱穩(wěn)定性能分析

纖維的燃燒性能及熱穩(wěn)定性能是評價其阻燃能力的重要指標(biāo)，極限氧指數(shù)表示纖維的難燃程度，一般高性能阻燃纖維極限氧指數(shù)>30%，熱分解溫度、干熱收縮溫度及干熱收縮率都體現(xiàn)了纖維在熱環(huán)境中的穩(wěn)定性能。4種纖維的燃燒性能及熱穩(wěn)定性能見表2?？梢钥闯?，聚酰亞胺和PBI纖維的極限氧指數(shù)都超過了30%，其中聚酰亞胺纖維達(dá)到了49%，故其難燃性能最為優(yōu)異；聚酰亞胺纖維的熱分解溫度僅次于PBI纖維，其干熱收縮溫度為280 ℃，在4種纖維最高，干熱收縮率僅為0.03%，遠(yuǎn)低于其他3種纖維，總體而言，聚酰亞胺纖維的熱穩(wěn)定性能最佳，能夠顯著提高消防服的阻燃隔熱性能。

表2 纖維燃燒性能及熱穩(wěn)定性能

3.3 纖維耐候性能分析

纖維的耐候性能主要用于評價纖維在長時間紫外光照環(huán)境、低溫環(huán)境及熱蒸汽環(huán)境下的強(qiáng)力穩(wěn)定性能，4種阻燃纖維的耐候性能見表3。其中光照后強(qiáng)力保持率指纖維經(jīng)60 ℃紫外光照100 h，并在-50 ℃冷凝50 h后的纖維強(qiáng)力保持率，熱蒸汽處理后強(qiáng)力保持率指纖維經(jīng)160～185 ℃水蒸氣中處理24 h后的纖維強(qiáng)力保持率。纖維強(qiáng)力保持率R的計算公式為：

式中：F為未經(jīng)處理前試樣的強(qiáng)力，N；F0為經(jīng)光照或熱蒸汽處理后試樣的強(qiáng)力，N。

表3 纖維耐候性能 %

由表3可以看出，聚酰亞胺纖維光照后強(qiáng)力保持率最高為81%，熱蒸汽處理后強(qiáng)力保持率77%，高于芳綸1313但低于PBI和芳綸1414?？傮w而言，聚酰亞胺纖維的耐光照和低溫性能優(yōu)異，但在耐高溫水蒸氣性能需要進(jìn)一步改進(jìn)。

3.4 灰色關(guān)聯(lián)度分析與求解

灰色關(guān)聯(lián)分析的原理是根據(jù)序列曲線幾何形狀的相似程度來判斷其關(guān)系是否緊密，曲線越接近，相應(yīng)序列之間的關(guān)聯(lián)度就越大，反之就越小[7]。

將纖維的各項性能看作一個灰色系統(tǒng)，將纖維的熱分解指標(biāo)看作參考數(shù)列，記Χ0=(x0(1),x0(2),x0(3),x0(4))，將纖維的其他性能作為比較數(shù)列，記Χi=(xi(1),xi(2),xi(3),xi(4)),i=1,2,…，7，即Χ1為斷裂強(qiáng)度，Χ2為斷裂伸長率，Χ3為極限氧指數(shù)，Χ4為干熱收縮溫度，Χ5為干熱收縮率，Χ6為光照后強(qiáng)力保持率，Χ7為熱蒸汽處理后強(qiáng)力保持率。均值化見式(1)，求差序列見式(2)：

(1)

(2)

求2級差:m=minimink|x0(k)-xi(k)|為2級最小差，M=maximaxk|x0(k)-xi(k)|為2級最大差。

關(guān)聯(lián)系數(shù)計算見式(3)，關(guān)聯(lián)度ri計算見式(4)：

(3)

(4)

式中：ρ為分辨系數(shù)，ρ∈(0,1)，ρ=0.5；ξi(k)為比較序列與參考數(shù)列的關(guān)聯(lián)系數(shù);ri為比較序列與參考數(shù)列的關(guān)聯(lián)度。

ri反映了比較數(shù)列xi與參考數(shù)列x0的相關(guān)程度，ri值越大，表示二者的關(guān)系越密切，說明比較數(shù)列xi對參考數(shù)列x0的影響因素越大，通過灰色關(guān)聯(lián)度分析，找出對纖維熱性能影響程度大的因素作為主要因子。關(guān)聯(lián)度和關(guān)聯(lián)系數(shù)計算結(jié)果見表4。

表4 纖維性能關(guān)聯(lián)系數(shù)與關(guān)聯(lián)度

由表4可以看出，4種纖維熱性能之間的關(guān)聯(lián)度均在0.6以上，表示7個性能指標(biāo)均可在某種程度上影響纖維的熱性能。分析后得出影響纖維熱性能關(guān)聯(lián)度大小的排序：光照后強(qiáng)力保持率>干熱收縮溫度>極限氧指數(shù)>熱蒸汽處理后強(qiáng)力保持率>斷裂強(qiáng)度>斷裂伸長率>干熱收縮率，驗證了聚酰亞胺纖維相較于其他3種纖維在熱性能上表現(xiàn)更加優(yōu)異。

3.5 面料斷裂強(qiáng)力和撕裂強(qiáng)力性能分析

在翼形法撕裂方式下,面料破壞模式主要表現(xiàn)為非受拉伸系統(tǒng)紗線斷裂[8]，消防阻燃面料的斷裂強(qiáng)力及撕裂強(qiáng)力主要表現(xiàn)消防服裝的表面力學(xué)防護(hù)性能，有效防止消防人員被銳利的物品割傷或因劇烈的救援活動導(dǎo)致消防服破裂。4種面料的斷裂強(qiáng)力及撕裂強(qiáng)力見表5?？梢钥闯觯埘啺访媪系慕?jīng)、緯向斷裂強(qiáng)力分別達(dá)到1 960、1 742 N，經(jīng)、緯向撕破強(qiáng)力分別達(dá)到235、184 N，均為4種面料的最高值，故其制作防護(hù)性服裝的表面力學(xué)防護(hù)性能最為優(yōu)異，能更大限度的保證消防人員的安全。

表5 面料斷裂強(qiáng)力及撕裂強(qiáng)力 N

3.6 面料阻燃性能分析

面料的阻燃性能主要體現(xiàn)了面料在燃燒后的穩(wěn)定性及發(fā)生持續(xù)燃燒的能力，面密度相近的4種面料的阻燃性能見表6?？梢钥闯?，4種面料都無陰燃續(xù)燃現(xiàn)象發(fā)生，2種芳綸面料損毀長度較大，PBI面料損毀長度較低，而聚酰亞胺面料無損毀長度，表明聚酰亞胺面料經(jīng)燃燒后的尺寸穩(wěn)定性極佳，其用于消防服面料可為消防員提供持久可靠保護(hù)。

表6 面料阻燃性能

3.7 纖維熱防護(hù)性能分析

阻燃織物作為消防服材料使用時，對輻射熱和對流熱的阻隔效果直接影響熱防護(hù)安全性能，有效地阻隔外界高溫?zé)嵛：κ菧缁鸱雷o(hù)服最基本的性能要求[9]。選取50%輻射熱源結(jié)合50%對流熱源條件[10]，對4種面料在短時間內(nèi)的熱通量進(jìn)行測試，面料熱通量見表7。可以看出，單層聚酰亞胺面料的熱通量達(dá)到了21 kW·s/m2，4層面料的熱通量達(dá)到了41 kW·s/m2，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他3種面料的熱通量，說明聚酰亞胺面料的熱防護(hù)性能最佳，應(yīng)用于消防服時也能最大限度地減少燒傷情況，更好地為消防員提供隔熱防護(hù)。

表7 面料熱通量 kW·s/m2

4 結(jié) 論

通過對消防服的阻燃材料聚酰亞胺、芳綸1313、芳綸1414及PBI纖維的拉伸性能、燃燒及熱穩(wěn)定性能、耐候性能進(jìn)行對比研究，采用灰色關(guān)聯(lián)度分析得出纖維性能對其熱性能的影響。同時對芳綸1313面料、芳綸3A面料、PBI面料及聚酰亞胺面料的斷裂強(qiáng)力及撕裂強(qiáng)力、阻燃性能及熱防護(hù)性能進(jìn)行了試驗探究。研究結(jié)果表明聚酰亞胺纖維的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率較好，極限氧指數(shù)、熱分解溫度、干熱穩(wěn)定性在4種纖維中最優(yōu)異，在耐候性上對60 ℃紫外線及-50 ℃低溫的耐受性最佳，但對于150 ℃的水蒸氣耐受強(qiáng)度不足；聚酰亞胺面料機(jī)械防護(hù)性能優(yōu)異，阻燃及熱防護(hù)性能相較芳綸和PBI面料也有顯著優(yōu)勢，用聚酰亞胺面料替代現(xiàn)有的芳綸3A面料應(yīng)用在新一代消防服中，能更加有效地應(yīng)對復(fù)雜多變的新型火場形勢，賦予消防服更佳的力學(xué)防護(hù)性能及熱防護(hù)性能。實際研發(fā)生產(chǎn)中應(yīng)注意提高消防服高溫濕態(tài)防護(hù)能力，以適應(yīng)高溫高濕環(huán)境中的消防救援活動。