芳砜綸混紡防護(hù)服織物的設(shè)計(jì)及性能研究

1 引言

“防護(hù)紡織品”被集體用于特定工作環(huán)境中必不可少的紡織品和服裝，無論是在實(shí)驗(yàn)室、醫(yī)院、戰(zhàn)場、救援還是工業(yè)應(yīng)用中。這些紡織品和服裝通常側(cè)重于功能方面，而不是美學(xué)方面。這些防護(hù)服的最新趨勢(shì)包括針對(duì)特定最終用途的堅(jiān)固、輕巧和安全的產(chǎn)品。紡織纖維材料是紡織半成品和由其制成的產(chǎn)品的基本元素。它們對(duì)于產(chǎn)品性能至關(guān)重要?；诜肿雍统肿咏Y(jié)構(gòu)，并確保最佳的合成和纖維形成過程，可生產(chǎn)出具有量身定制特性的高品質(zhì)纖維材料，例如芳砜綸就是一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)化高性能纖維，十分適用于通用防護(hù)服，特別是消防防護(hù)服和醫(yī)療防護(hù)服的制作。本文通過現(xiàn)階段國內(nèi)防護(hù)服的需求分析，設(shè)計(jì)了一種全新的芳砜綸混紡防護(hù)服織物，對(duì)其原料設(shè)計(jì)和組織設(shè)計(jì)加以論述，并探討了這種芳砜綸混紡防護(hù)服織物的性能特點(diǎn)，為我國未來防護(hù)服的生產(chǎn)提供一定的參考。

2 防護(hù)服的功能需求

防護(hù)服功能主要關(guān)注點(diǎn)是提供全面的防護(hù)，以防止熱量暴露，同時(shí)將足夠的代謝熱量散發(fā)到環(huán)境中。標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)服是多層結(jié)構(gòu)，以提供所需的熱防護(hù)。這繼而降低了防護(hù)服將內(nèi)部熱量傳遞到周圍大氣中的能力，并對(duì)防護(hù)服的穿著者產(chǎn)生熱應(yīng)力。因此，由出汗產(chǎn)生的水分保留在衣服系統(tǒng)內(nèi)，導(dǎo)致濕的緊貼感和穿著者的熱不適感[1]?，F(xiàn)階段，依據(jù)防護(hù)服所采用的面料的不同，市面上主要的防護(hù)服類型如表1所示。

在包括消防員在內(nèi)的多種防護(hù)服中，防護(hù)和舒適性要求始終是矛盾的事實(shí)。適當(dāng)?shù)牟牧线x擇，服裝設(shè)計(jì)和結(jié)果的最終評(píng)估對(duì)于預(yù)測服裝的性能和舒適性至關(guān)重要。在評(píng)價(jià)織物和材料的感官舒適性時(shí)，織物與皮膚之間的摩擦力和織物表面幾何粗糙度是兩個(gè)重要的組成部分。在織物與皮膚接觸時(shí)，會(huì)引發(fā)穿著者粗糙或光滑的感覺。根據(jù)這些感覺，人們判斷衣服的感覺和舒適度，傾向于選擇他們能接受的面料或材料。一般而言，表面粗糙的織物摩擦力較高，表面光滑的織物摩擦力較低[2]。

摩擦表面的摩擦特性通常用摩擦系數(shù)來描述，摩擦系數(shù)定義為摩擦力與接觸面上法向壓力的比值?？椢锖推つw的接觸已被發(fā)現(xiàn)是正相關(guān)的摩擦力，從而與感知的粗糙度。皮膚表面的水分可以改變感知到的織物粗糙度的強(qiáng)度：隨著水分含量的增加，摩擦和皮膚位移增加，以及激活更多的觸摸感受器。因此，被認(rèn)為在低濕度條件下感到舒適的非織造布可能會(huì)在高濕度或出汗條件下感到不舒服。因此，理想的防護(hù)服應(yīng)具備以下所有要求：輻射和對(duì)流耐熱性；耐沖擊和耐磨性；在各種天氣條件下的舒適性；防水性；易于清洗；耐化學(xué)藥品；耐用且成本合理；耐火花損傷；可調(diào)通風(fēng)冷卻；阻燃性。

3 芳砜綸混紡防護(hù)服織物的設(shè)計(jì)

3.1 織物原料設(shè)計(jì)

在部分文獻(xiàn)資料中，研究人員針對(duì)芳砜綸織物物理性能(凸形纖維、纖維和紗線直徑、織物厚度、剛度等)進(jìn)行研究后，發(fā)現(xiàn)芳砜綸織物表面特性受織物結(jié)構(gòu)和密度、纖維類型、纖維混合比、紗線結(jié)構(gòu)等多種因素的影響[3]。其中，芳砜綸機(jī)織物的摩擦性能更是影響到織物的撕破強(qiáng)力。在研究中，芳砜綸機(jī)織物面對(duì)面接觸的力顯著高于背對(duì)背接觸。在進(jìn)一步研究了芳砜綸織物紗線表面性能對(duì)織物的影響后，得出結(jié)論：芳砜綸織物中，紗線結(jié)構(gòu)和織物摩擦力是正相關(guān)的，隨著芳砜綸織物結(jié)構(gòu)和后整理處理的變化，摩擦系數(shù)較高的紗線會(huì)生產(chǎn)出摩擦系數(shù)較高的織物，而摩擦系數(shù)較高的織物也往往擁有更加高的撕破強(qiáng)力。在滌混芳砜綸紡織物中，摩擦力隨著芳砜綸纖維成分的增加而增加，同時(shí)，芳砜綸纖維類型、表面纖維種群及其長度分布和低壓縮性能的差異可能導(dǎo)致芳砜綸混紡織物摩擦性能的差異。有鑒于此，本次設(shè)計(jì)的芳砜綸織物原料，選用的是芳砜綸/芳綸1313混紡紗，混紡比為75/25，紗線線密度為42tex，捻系數(shù)為319。其中，混紡紗斷裂強(qiáng)度為18.3cN/tex，3mm毛羽為20.08根，條干CV值為11.36%。

不同的芳砜綸織物處理方法，如漂白、染色和整理，通過增加芳砜綸表面纖維的擾動(dòng)和織物表面不規(guī)則性，導(dǎo)致芳砜綸織物的摩擦和粗糙度增加。同時(shí)，洗滌方式也會(huì)影響芳砜綸織物的表面性能。有鑒于此，針對(duì)芳砜綸緯紗未經(jīng)上漿，捻縮嚴(yán)重的問題，緯紗張力應(yīng)偏大掌握。實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，織物應(yīng)先經(jīng)過整經(jīng)工序，再漿紗。由于芳砜綸纖維初始模量較高，纖維卷曲穩(wěn)定性差，混紡紗加捻后扭結(jié)現(xiàn)象嚴(yán)重，影響后道織造工序，因此利用漿紗對(duì)紗線捻度進(jìn)行初定形，有利于穿結(jié)經(jīng)。上漿漿料選用部分醇解的PVA和變性淀粉混合漿，混合比為70：30，調(diào)漿含固率為5%，漿槽溫度保持在90℃以上方可上漿。退漿采用清水煮漿的方法，在沸水中煮30min后，用熱水沖洗兩遍，然后換冷水漂洗干凈。

3.2 織物組織設(shè)計(jì)

研究表明，針織聚合物復(fù)合材料的機(jī)械性能在很大程度上取決于針織織物的結(jié)構(gòu)，并且可以在很寬的范圍內(nèi)發(fā)生顯著變化。在基于針織物的復(fù)合材料的制造中，最好采用1+1羅紋和米蘭羅紋結(jié)構(gòu)平衡的編織[4]，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的濕熱處理方法對(duì)于芳砜綸纖維制成的編織物是不可接受的，因此防止織物扭曲非常重要?，F(xiàn)有文獻(xiàn)資料中，研究人員針對(duì)相同材質(zhì)和相同經(jīng)緯密度、不同組織規(guī)格三上一下破斜紋、二上二下斜紋、二上二下方平組織、三上一下斜紋的芳砜綸織物撕破性能進(jìn)行研究，得出二上二下方平組織芳砜綸織物具有撕破性能上的優(yōu)勢(shì)，其組織結(jié)構(gòu)帶來的綜合力學(xué)性能在幾種組織中是最優(yōu)的[5]。有鑒于此，本次設(shè)計(jì)的織物組織選用二上二下方平組織。它具有較高的耐熱性和抗紫外線性，由包含聚苯并咪唑和對(duì)位芳綸短纖的短纖紗制成，具有優(yōu)異的機(jī)械性能，高耐熱性（700℃）和低耐紫外線性。

表1 防護(hù)服分類表

現(xiàn)有文獻(xiàn)資料中顯示，采用斜紋結(jié)構(gòu)的刀片抗切割性，能夠?qū)⒎柬烤]混紡防護(hù)服織物防護(hù)等級(jí)提高到KR 70:30[6]。在耐穿刺性上，平紋和斜紋編織方面保持在相同的防護(hù)水平；平紋和斜紋編織的K100%耐磨性和HWPC表現(xiàn)出相同的防護(hù)等級(jí)，但斜紋編織的平均循環(huán)次數(shù)略高于平紋編織；斜紋組織比平紋組織具有更高的抗撕裂性。有鑒于此，本次所設(shè)計(jì)的織物采取斜紋組織，經(jīng)密和緯密分別是300根/10cm和210根/10cm。同時(shí)，為進(jìn)一步增加織物組織的防撕裂性能，本次設(shè)計(jì)將芳砜綸芳綸1313混紡紗進(jìn)行特殊排列，即每隔9根經(jīng)紗將3根經(jīng)紗穿入同一綜絲，每隔5根緯紗將3根緯紗同時(shí)引入。組織如圖1所示。

圖1 織物組織圖示

4 芳砜綸混紡防護(hù)服織物的性能

4.1 舒適性能測試及結(jié)果

現(xiàn)階段，無論是采用哪種材料制作的防護(hù)服，都是在犧牲防護(hù)服穿著人員的生理舒適性的同時(shí)，來實(shí)現(xiàn)高水平的防護(hù)[7]。這一點(diǎn)從2020年新型冠狀病毒疫情期間，火神山醫(yī)院醫(yī)護(hù)人員的渾身大汗、脫水等能看出。極不舒適的防護(hù)服，不僅降低了身著防護(hù)服的工作人員的工作效率，而且縮短了身著防護(hù)服的工作人員的工作時(shí)間。有鑒于此，選擇兼顧性能和舒適性材料以及合適的服裝設(shè)計(jì)可以有效減少防護(hù)服穿著者的熱應(yīng)力，提升防護(hù)服的舒適度。

舒適性性能測試主要以織物的“熱吸收率量”為標(biāo)準(zhǔn)，來量化防護(hù)服的舒適性。這是因?yàn)?，熱吸收率量化了?dāng)人的皮膚接觸織物時(shí)的瞬時(shí)熱傳導(dǎo)，該織物的溫度通常低于皮膚的溫度，這是因?yàn)闊崃繒?huì)從皮膚流走?？椢锏臒嵛章试礁撸つw中的溫度下降就越高。為了確定穩(wěn)態(tài)條件下針織物的熱性能，將織物在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件[（20±2)℃和RH（65±2）%]下放置72小時(shí)以放松，然后將織物制成防護(hù)服后，用溫水（40℃）充分漂洗，并在室溫下干燥，以釋放張力并放松其結(jié)構(gòu)。

此方法的原理是通過監(jiān)視溫度降（冷卻線）來確定介質(zhì)的熱阻，具體結(jié)果如表2所示。

表2 芳砜綸混紡防護(hù)服織物的熱性能表 %

表2的系數(shù)是指纖維的有效導(dǎo)熱系數(shù)。該系數(shù)可以作為空隙體積分?jǐn)?shù)的函數(shù)給出。通過有限元分析驗(yàn)證模型的有效性。根據(jù)絕對(duì)熱阻值Rabs，表面積Ak（m2），然后按式（1）計(jì)算織物的厚度t（cm），熱導(dǎo)率λ（Wm-1· K-1）。

傳熱系數(shù)h（Wm-2·K-1）通過式（2）計(jì)算：

其中dQ/dt（W）是測得的從系統(tǒng)通過樣品到系統(tǒng)周圍環(huán)境的熱傳遞，而ΔT（K）是系統(tǒng)的平均溫度與環(huán)境溫度之間的差。由于熱擴(kuò)散率是通過織物的熱傳遞速度的量度，因此該參數(shù)的值越高，表示將更快地達(dá)到熱平衡，這對(duì)于防護(hù)服是十分理想的材料。

4.2 拉伸性能和阻燃性能測試及結(jié)果

芳砜綸纖維具有高拉伸強(qiáng)度和耐熱性（在480℃時(shí)會(huì)降解），以及更高的拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度[8]。為了檢測本次設(shè)計(jì)的芳砜綸混紡防護(hù)服織物的拉伸性能，采用梯形撕破法測試了織物的撕破強(qiáng)力，以026d型織物強(qiáng)力機(jī)對(duì)未縫合結(jié)構(gòu)的芳砜綸混紡防護(hù)服織物和多縫合結(jié)構(gòu)的芳砜綸混紡防護(hù)服織物的拉伸強(qiáng)度性能進(jìn)行測試，結(jié)果如表3所示。

表3 織物的拉伸性能

如表3所示，芳砜綸混紡防護(hù)服織物未縫合結(jié)構(gòu)的離軸拉伸強(qiáng)度略高于多縫合結(jié)構(gòu)的離軸拉伸強(qiáng)度。原因是多針縫合過程導(dǎo)致長絲斷裂。當(dāng)結(jié)構(gòu)中的縫合方向和縫合密度增加時(shí)，它們的離軸拉伸模量降低。因此，復(fù)合結(jié)構(gòu)上的縫合方向、縫合密度和縫合紗被認(rèn)為是重要的參數(shù)。所有在軸外拉伸載荷下的結(jié)構(gòu)均具有正形變形、角度變形或?qū)挾仁湛s。此外，在兩個(gè)和四個(gè)定向縫合結(jié)構(gòu)中，大多數(shù)都發(fā)生了法向變形和寬度縮小。另一方面，織物組織結(jié)構(gòu)僅顯示收縮寬度后角度變形。這些結(jié)果表明，縫合方向和密度影響多層縫合的離軸拉伸性能。

此外，以美國的ATLAS型織物垂直燃燒試驗(yàn)儀測試了本次設(shè)計(jì)的芳砜綸混紡防護(hù)服織物的阻燃性能。具體測試結(jié)果如表4所示。

表4 織物撕破強(qiáng)力測試和抗阻燃測試表

芳族聚酰胺纖維的特征是在高達(dá)400℃～450℃溫度下的尺寸穩(wěn)定性；收縮率或自發(fā)伸長率不超過0.5%～1%。表4的結(jié)果表明在點(diǎn)火器離開后，芳砜綸織物立即停止燃燒，且后續(xù)沒有發(fā)現(xiàn)陰燃和續(xù)燃現(xiàn)象，表明這種織物具有一定的阻燃性能；損毀長度表明織物燃燒后有一定的殘留。它的特點(diǎn)是高強(qiáng)度和在紡絲狀態(tài)下抵抗熱收縮的高穩(wěn)定性。這些性質(zhì)歸因于初始共聚酰胺的半剛性鏈特性，在聚合物沉淀階段的纖維紡絲過程中，這些聚合物中可發(fā)生相轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蛞壕B(tài)。

5 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的芳砜綸混紡防護(hù)服織物，可以實(shí)現(xiàn)防護(hù)服更好的保護(hù)和舒適感。這項(xiàng)技術(shù)可以幫助設(shè)計(jì)重量輕、體積小、阻隔好的防護(hù)服，從而減輕面料負(fù)擔(dān)，增強(qiáng)防護(hù)服的舒適度和防護(hù)程度。使用該技術(shù)可以更好地克服化學(xué)和生物危害帶來的新威脅。當(dāng)然，在應(yīng)用芳砜綸混紡防護(hù)服織物的過程中，也需要注意人造纖維有可能帶來的健康和環(huán)境危害，這也是未來的研究目標(biāo)之一。