阻燃紗線分層配置方式對(duì)織物阻燃性能的影響

施楣梧 肖 紅 唐守榮 楊祖民 靳仕華

（1.軍事科學(xué)院軍需工程技術(shù)研究所，北京，100082；2.山東沃源新型織物股份有限公司，山東淄博，256100；3.山東宏業(yè)紡織股份有限公司，山東濟(jì)南，251600）

在社會(huì)日益重視人員安全健康的形勢(shì)下，軍警、廠礦等部門使用的職業(yè)防護(hù)服和一般民用紡織品均對(duì)阻燃性能有著強(qiáng)烈的需求。但因現(xiàn)有阻燃纖維及其阻燃紡織品尚不能良好地兼顧防護(hù)效果、舒適性和經(jīng)濟(jì)性，影響了阻燃紡織品的推廣應(yīng)用，也削弱了對(duì)職業(yè)人員和一般民眾的防護(hù)效果。研究者提出了基于多種阻燃纖維混配形成阻燃協(xié)同效應(yīng)的阻燃織物設(shè)計(jì)加工方法［1?2］，可提高阻燃織物的性價(jià)比，并兼顧舒適性和其他服用性能。該方法有良好的降低成本、兼顧舒適性的效果，在軍警和廠礦防護(hù)服裝上進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用。但多種阻燃纖維的配置方式不應(yīng)該局限于紡紗過程中的混紡方式，還可以構(gòu)筑多層次的織物結(jié)構(gòu)，在不同織物層次中探討不同阻燃性能的紗線的合理配置方式，進(jìn)一步發(fā)揮阻燃協(xié)同效應(yīng)。雖然傳統(tǒng)的織物阻燃涂層整理技術(shù)也可以看作是構(gòu)成不同層次結(jié)構(gòu)的織物，正面施加阻燃涂層應(yīng)用于輸送帶［3］、蓬蓋布［4］、耐高溫防護(hù)織物［5］等，反面施加阻燃涂層應(yīng)用于地毯等；并且涌現(xiàn)出層層自組裝［6?7］、溶膠?凝膠［8］等新型施加技術(shù)，但在織物結(jié)構(gòu)上進(jìn)行不同阻燃紗線分層次設(shè)計(jì)的報(bào)導(dǎo)尚不多見。本研究設(shè)計(jì)制造了不同材質(zhì)和混紡比的阻燃紗線，針對(duì)緯二重、緯三重兩種織物結(jié)構(gòu)，在不同織物結(jié)構(gòu)層次配置不同阻燃性能及其他服用性能的純紡或混紡紗線，試圖在紗線混紡結(jié)構(gòu)層面運(yùn)用協(xié)同效應(yīng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步在織物層次結(jié)構(gòu)上構(gòu)筑阻燃協(xié)同效應(yīng)，以期獲得性價(jià)比更高、更能兼顧其他服用性能的阻燃紡織品設(shè)計(jì)加工方法。

1 試驗(yàn)部分

1.1 纖維選用

均采用中長(zhǎng)型纖維。其中間位芳綸（代號(hào)F）、對(duì)位芳綸（K）源于煙臺(tái)泰和公司，阻燃粘膠纖維（代號(hào)ZR）來(lái)自?shī)W地利蘭精公司，阻燃維綸（代號(hào)ZV）由上海全宇公司提供，阻燃滌綸（代號(hào)ZD）選自四川東材公司，阻燃錦綸（代號(hào)ZJ）取自無(wú)錫恒天公司，寶德綸（代號(hào)B）、三聚氰胺纖維（代號(hào)QA）、阻燃萊賽爾纖維（代號(hào)ZL）、普通滌綸（代號(hào)PD）和普通錦綸（代號(hào)PJ）均從山東宏業(yè)公司的庫(kù)存纖維中選出。芳綸基導(dǎo)電纖維代號(hào)E。

1.2 紗線混紡比和規(guī)格

所有紗線均為環(huán)錠紗，細(xì)度29 tex，捻系數(shù)340。紗線編號(hào)及各自的混紡比例如表1 所示。這些紗線將在緯二重織物和緯三重織物中使用。其中H 系列紗線和ZRS262 是山東宏業(yè)正常生產(chǎn)的阻燃紗線產(chǎn)品，其他紗線由山東宏業(yè)采用細(xì)紗試驗(yàn)線專門紡制而成，每個(gè)品種紡制1 kg 紗線。

表1 所列紗線中，專門紡制的WES1～WES16用于織造具有層次結(jié)構(gòu)的緯二重織物，對(duì)比整體配比相同但阻燃纖維分層配置和均勻分布織物的阻燃性能差異；類似地，WSS1～WSS6 紗線用于織造緯三重織物。

表1 紗線規(guī)格

1.3 織物樣品制備

在機(jī)織物上實(shí)現(xiàn)多層次結(jié)構(gòu)，可采用重經(jīng)組織、重緯組織和多層組織來(lái)實(shí)現(xiàn)。相比而言，重經(jīng)、重緯組織比較容易加工，特別在用小樣機(jī)織造樣品時(shí)采用重緯組織最為方便。因此，織物樣品采用緯二重和緯三重組織織造。按表2 所列的經(jīng)紗、表緯和里緯的紗線配置方式得到35 種緯二重織物。按表3 所列的經(jīng)紗、表緯、中緯和里緯的紗線配置方式得到13 種緯三重織物。以上織物樣品均由山東沃源新型織物股份有限公司在織造小樣機(jī)上加工而成。

緯二重和緯三重兩組樣品因經(jīng)紗及各種緯紗的紗號(hào)是統(tǒng)一的，且每組樣品的織法也相同，故每組樣品具有相同的經(jīng)密緯密。緯二重織物經(jīng)密300 根/10 cm、緯密632 根/10 cm，表緯和里緯各占一半根數(shù)，則經(jīng)紗/表緯/里緯的質(zhì)量之比為1/1.05/1.05，織物中經(jīng)紗占32.26%、表緯占33.87%、里緯占33.87%。緯三重織物經(jīng)密296根/10 cm、緯密936 根/10 cm。表緯、中緯和里緯的根數(shù)各占1/3，則經(jīng)紗/表緯/中緯/里緯的質(zhì)量之比為 1/1.03/1.03/1.03，織物中經(jīng)紗占24.4%、表緯占25.2%、中緯占25.2%、里緯占25.2%。根據(jù)上述數(shù)據(jù)可計(jì)算得到每塊織物的各品種纖維的含量比例，即織物成分。

表2 中的專制均質(zhì)對(duì)比樣WEB1 與纖維成分分層分布樣品WE5 具有相同的織物整體成分；WEB2 與 WE8、WEB3 與 WE12、WEB4 與 WE13、WEB5 與 WE14、WEB6 與 WE15、WEB7 與WE16、WEB8 與 WE17、也有相同的整體織物成分。表3 中緯三重織物WS1～WS10 的里緯均采用了純阻燃萊賽爾紗，以提高面料的舒適性。阻燃萊賽爾與阻燃粘膠均屬于阻燃再生纖維素纖維，有類似的回潮率，在提高織物舒適性、手感及多纖維協(xié)同效果的阻燃機(jī)理方面，可以認(rèn)為這兩種纖維是等效的。故試驗(yàn)中利用已有的含阻燃粘膠紗線和含阻燃萊賽爾紗線，進(jìn)行了相同阻燃纖維素纖維含量下的專制均質(zhì)對(duì)比樣與纖維成分分層分布樣的對(duì)比。 WSB1 與 WS1、WSB2 與 WS3、WSB3 與WS4 可視為具有相同的成分。以上設(shè)計(jì)是為了對(duì)比分析織物在相同整體成分條件下，因阻燃纖維在層次結(jié)構(gòu)中的配置方式不同，而帶來(lái)的阻燃性能差異，并根據(jù)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)織物舒適性的差異。

表2 緯二重織物的紗線配方和織物層次配方

表3 緯三重織物的紗線配方和織物層次配方

1.4 織物樣品測(cè)試

上述48 種織物樣品在山東沃源新型織物股份有限公司實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了主要物理性能的測(cè)試。具體測(cè)試方法參考GB/T 4669—2008《紡織品機(jī)織物單位長(zhǎng)度質(zhì)量和單位面積質(zhì)量的測(cè)定》、GB/T 3923.1—2013《紡織品織物拉伸性能 第1部分?jǐn)嗔褟?qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定（條樣法）》、GB/T 3917.3—2009《紡織品 織物撕破性能 第3部分梯形試樣撕破強(qiáng)力的測(cè)定》和GB/T 5455—2014《紡織品燃燒性能垂直方向損毀長(zhǎng)度陰燃和續(xù)燃時(shí)間的測(cè)定》。因織物樣品是由小樣機(jī)加工得到的，經(jīng)向長(zhǎng)度有限，故只對(duì)緯向進(jìn)行了強(qiáng)度和阻燃性能的測(cè)試。所得各指標(biāo)均為3 個(gè)子樣的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 測(cè)試結(jié)果

表4 和表5 分別列出了緯二重織物和緯三重織物的測(cè)試結(jié)果。

2.2 力學(xué)性能分析

首先對(duì)比分析具有相同織物結(jié)構(gòu)和整體織物成分的8 對(duì)織物的力學(xué)性能，見表6。

從表6 可知，多數(shù)層次分布樣的單位面積質(zhì)量稍大于均質(zhì)樣，但兩者差異不超過3.05%，故具有良好的可比性。層次分布樣的拉伸斷裂強(qiáng)力均小于均質(zhì)樣，最小下降8.74%，最大下降28.01%，說明不同阻燃紗線分別作為表緯和里緯使用時(shí)，兩種緯紗的斷裂不同時(shí)性導(dǎo)致其中斷裂伸長(zhǎng)率小的紗線先發(fā)生斷裂，最終導(dǎo)致強(qiáng)度下降。雖然在實(shí)際使用中織物的損壞往往并不是源于一次拉伸，而是受較小拉力和摩擦力對(duì)織物的反復(fù)損傷，故實(shí)際使用中織物牢度的下降將小于表6 所列的程度。設(shè)計(jì)中使織物同系統(tǒng)多種紗線的拉伸斷裂伸長(zhǎng)盡量一致，可控制強(qiáng)度損失程度。

從表6 可知，有3 個(gè)層次分布樣的撕裂強(qiáng)力大于相同配方和規(guī)格下的均質(zhì)樣，說明分層配置阻燃紗線的辦法，還有可能成為提高織物撕破強(qiáng)力的一種辦法。

對(duì)表4 所列全部緯二重織物而言，拉伸斷裂強(qiáng)力和撕破強(qiáng)力最高的是同一個(gè)織物，即由純芳綸作為經(jīng)紗、表緯和里緯織成的WE2。說明在紗線層面和織物層面有均勻一致材質(zhì)，是得到高強(qiáng)織物的最佳條件。但為了得到較好的阻燃性能及其他性能，適當(dāng)犧牲一部分強(qiáng)力也是值得的。對(duì)拉伸斷裂強(qiáng)力而言，WE25、WE26、WE18 是強(qiáng)力最低的3 塊織物。以全部緯二重織物的平均拉伸斷裂強(qiáng)力1 593.7 N 為基準(zhǔn)，分別偏小34.93%、33.61%和30.66%，下降明顯。其原因一方面是表緯由多種纖維組成，且均有斷裂伸長(zhǎng)較小的阻燃粘膠和阻燃維綸存在，紗中纖維斷裂就不同時(shí)；另外里緯采用阻燃錦綸的純紡或混紡紗，阻燃錦綸斷裂伸長(zhǎng)率大，與表緯的伸長(zhǎng)能力差異大，故造成表緯和里緯的斷裂不同時(shí)；阻燃錦綸與阻燃粘膠之間也因斷裂伸長(zhǎng)率差異很大，導(dǎo)致里緯中的纖維斷裂不同時(shí)，使強(qiáng)度有明顯下降。但是這3個(gè)樣品的強(qiáng)力仍然在可以使用的范圍之內(nèi)。

織物編號(hào)WE1 WE2 WE3 WE4 WE5 WE6 WE7 WE8 WE9 WE10 WE11 WE12 WE13 WE14 WE15 WE16 WE17 WE18 WE19 WE20 WE21 WE22 WE23 WE24 WE25 WE26 WE27 WEB1 WEB2 WEB3 WEB4 WEB5 WEB6 WEB7 WEB8單位面積質(zhì)量/（g·m-2）288.9 279.0 274.0 273.8 274.6 269.8 267.5 280.3 271.9 287.7 273.5 271.0 274.1 272.6 269.1 274.0 289.6 285.3 274.1 255.0 259.5 270.0 271.6 252.1 277.4 279.0 274.8 268.0 286.9 268.0 266.0 267.5 263.5 272.1 287.7緯向拉伸斷裂強(qiáng)力/N 2 379 2 517 1 650 1 460 2 171 1 483 1 851 1 713 1 469 1 764 1 438 1 336 1 199 1 549 1 180 1 449 1 167 1 105 1 315 1 681 1 301 1 468 1 517 1 655 1 037 1 058 1 309 2 379 2 012 1 653 1 448 1 949 1 626 1 869 1 621緯向撕破強(qiáng)力/N 193.0 297.4 173.5 167.5 207.1 181.1 183.8 202.5 188.7 194.8 117.1 116.4 102.6 123.0 101.7 113.1 141.8 100.6 139.0 111.9 91.3 145.0 107.6 113.6 119.9 108.9 133.1 241.9 182.3 144.8 91.7 175.7 127.1 149.6 129.4續(xù)燃時(shí)間/s＜1.0 0 0 0＜1.0 0 0 27.8 0 2.0 0 0 0＜1.0 0＜1.0 146.0＜1.0＜1.0 0 0 41.9 0 0 21.3 0＜1.0＜1.0 69.0 0 0＜1.0 0 0 2.2陰燃時(shí)間/s 0＜1＜1＜1＜1＜1＜1 0＜1＜1＜1＜1＜1＜1＜1＜1＜1＜1＜1＜1＜1＜1＜1＜1＜1＜1＜1＜1 0＜1＜1＜1＜1＜1＜1損毀長(zhǎng)度/mm 39 28 29 32 61 41 49 116 46 47 35 34 36 69 50 49 252 50 52 38 33 129 49 54 214 56 66 79 124 35 36 73 36 59 75

類似地，WE21、WEB4、WE18 是撕破強(qiáng)力最低的3 塊織物。以全部緯二重織物的平均撕破強(qiáng)力 149.1 N 為基準(zhǔn)，分別小 38.77%、38.50% 和32.53%，下降比例明顯。總體而言，均因表緯、里緯內(nèi)的多種纖維的斷裂不同時(shí)，及部分纖維的強(qiáng)度（如阻燃粘膠）低。但即使撕破強(qiáng)力顯著偏離以上樣品的平均值，仍然可以使用。

如表7 所示，3 對(duì)緯三重織物具有非常接近的單位面積質(zhì)量，盡管層次分布樣采用的是強(qiáng)度較高的阻燃萊賽爾，而均質(zhì)樣采用的是強(qiáng)度較低的阻燃粘膠，但層次分布樣的拉伸斷裂強(qiáng)力的下降幅度仍然很大；而撕破強(qiáng)力則可以高于相同整體成分的均質(zhì)樣，并且上升比例可以高達(dá)1/3。

表5 緯三重織物的測(cè)試結(jié)果

表6 相同織物結(jié)構(gòu)和織物成分的8 對(duì)緯二重織物的力學(xué)性能對(duì)比

表7 相同織物結(jié)構(gòu)和織物成分的3 對(duì)緯三重織物的力學(xué)性能對(duì)比

再針對(duì)表5 所列全部緯二重織物而言，拉伸斷裂強(qiáng)力最高的是均質(zhì)樣WSB1，最低的是WS8。WS8 中的三聚氰胺纖維的強(qiáng)度較低（1.6 cN/dtex），而中緯阻燃錦綸與里緯阻燃萊賽爾纖維的斷裂伸長(zhǎng)有很大差異，故強(qiáng)度急劇下降。

同樣，撕破強(qiáng)力最高的是WS9，最低的是WS6。WS9 之所以能得到最高的撕破強(qiáng)力，是因?yàn)楸砭暎ǚ季]）和中緯（寶德綸）具有很接近的拉伸特性，并占據(jù)了較大的份額；而WS6 因三聚氰胺纖維強(qiáng)度偏低、占較大份額的阻燃萊賽爾纖維斷裂伸長(zhǎng)偏低，導(dǎo)致撕破強(qiáng)力最低。

因此，在考慮形成阻燃協(xié)同效應(yīng)時(shí)，還需要考慮紗線內(nèi)各種纖維的拉伸斷裂伸長(zhǎng)接近、拉伸斷裂強(qiáng)度高，及各層次紗線的斷裂伸長(zhǎng)率接近、斷裂強(qiáng)度高，才能達(dá)到最優(yōu)的力學(xué)性能。

2.3 阻燃性能分析

本研究所采用的纖維多數(shù)是不發(fā)生熔融的阻燃纖維，即使采用一部分合成纖維改性的阻燃纖維甚至普通合成纖維，但因用量小或夾持在中間層，故每一個(gè)樣品均未出現(xiàn)熔融滴落的現(xiàn)象。另外由于本研究以獲得較高阻燃性能為目標(biāo)、采用了較多性能良好的阻燃纖維，或?qū)嵺`證明由多種阻燃纖維形成的協(xié)同效應(yīng)可達(dá)到與純芳綸織物類似的阻燃效果，如WE20 芳綸含量?jī)H20%，但該配方用于武警特戰(zhàn)、維和部隊(duì)等阻燃作戰(zhàn)服織物，阻燃指標(biāo)優(yōu)于相同規(guī)格的純芳綸織物，垂直燃燒法下無(wú)熔融滴落現(xiàn)象發(fā)生。故所有織物的阻燃性能測(cè)試結(jié)果中沒有列出燃燒狀態(tài)。

另外，因織物的單位面積質(zhì)量均較大，故織物的續(xù)燃時(shí)間和陰燃時(shí)間多數(shù)為0 s、或小于1 s。但也有個(gè)別織物的續(xù)燃時(shí)間很長(zhǎng)，如表4 中WE8的經(jīng)紗和表緯為純芳綸紗、里緯為阻燃錦綸紗，整體含量為F/ZJ 66.1/33.9，該樣品在垂直燃燒法下得到的續(xù)燃時(shí)間與陰燃時(shí)間為27.8 s 和0 s，而用阻燃滌綸代替阻燃錦綸的WE5，其續(xù)燃時(shí)間和陰燃時(shí)間均小于1 s。說明我國(guó)阻燃錦綸還沒有達(dá)到阻燃滌綸的性能水平。

表8 列出了織物組織和織物整體成分相同的8 對(duì)緯二重織物的垂直燃燒的測(cè)試結(jié)果。從表8可知，均質(zhì)樣的損毀長(zhǎng)度多數(shù)都大于層次分布樣，說明不同阻燃纖維紗線采用分層配置的方式，能降低損毀長(zhǎng)度，即提高阻燃性能。但也有特殊情況。采用阻燃錦綸為里緯的WE17，因里側(cè)表面主要由阻燃錦綸組成，阻燃性能較差，從而導(dǎo)致了損毀長(zhǎng)度很長(zhǎng)，樣條被燒通；另一個(gè)損毀長(zhǎng)度為負(fù)值、層次分布樣的損毀長(zhǎng)度大于均質(zhì)樣的樣品為WE15，其內(nèi)側(cè)面有較多的阻燃聚酯纖維和阻燃粘膠纖維，也導(dǎo)致里側(cè)阻燃性能較差。但當(dāng)該樣品不是從底邊點(diǎn)燃、而是從外側(cè)表面點(diǎn)燃時(shí)，將表現(xiàn)為更好的阻燃效果。另外損毀長(zhǎng)度變化率為0的樣品WE13，織物里側(cè)主要以阻燃性能較好的阻燃粘膠纖維為支撐面，沒有熱熔性合成纖維，也不會(huì)導(dǎo)致燈芯效應(yīng)，故其損毀長(zhǎng)度與相同配方下的均質(zhì)樣一致。

表8 相同織物結(jié)構(gòu)和織物成分的8 對(duì)緯二重織物的阻燃性能對(duì)比

再結(jié)合表2 和表4 來(lái)看 ，WE1 和 WE2 仍 然是均質(zhì)樣品，因WE1 含有2%的導(dǎo)電纖維和5%的對(duì)位芳綸，損毀長(zhǎng)度稍長(zhǎng)于純對(duì)位芳綸的WE2；WE3～WE10 的經(jīng)紗和表緯均采用純芳綸紗線，而里緯則分別采用了各種純紡（如阻燃萊賽爾纖維或者阻燃滌綸、阻燃錦綸）紗線、及兩種阻燃纖維（甚至普通纖維）的混紡紗線。其中采用了阻燃錦綸的WE8 具有最長(zhǎng)的損毀長(zhǎng)度，采用了阻燃滌綸的WE5 損毀長(zhǎng)度也超出了GB 8965.1—2020《防護(hù)服裝阻燃服》規(guī)定的A 級(jí)防護(hù)等級(jí)要求；WE11～WE19 采用F/ZR 80/20 混紡紗為經(jīng)紗和表緯，其阻燃性能稍差于WE3～WE10，但服用舒適性會(huì)有所提高；里緯采用阻燃錦綸的WE17，損毀長(zhǎng)度達(dá)到最長(zhǎng)；后一組采用F/ZV/B/ZR 20/36/14/30 混紡紗為經(jīng)紗和表緯的WE20～WE27，其里緯采用的紗線也包括阻燃滌綸、阻燃錦綸、阻燃粘膠或者萊賽爾纖維，損毀長(zhǎng)度的整體水平與采用純芳綸或F/ZR 80/20 為經(jīng)紗和表緯的織物基本類似，說明F/ZV/B/ZR 20/36/14/30 混紡比具有良好的協(xié)同阻燃效應(yīng)；里緯為阻燃錦綸的WE25 的損毀長(zhǎng)度達(dá)214 mm；而以PJ/ZR 50/50混紡紗為里緯的WE27，雖然采用了普通錦綸，但損毀長(zhǎng)度也只有66 mm，說明如果錦綸的用量不大，即使采用普通錦綸，也可以達(dá)到B 級(jí)防護(hù)效果。

表9 列出了織物組織和織物整體成分相同的3 對(duì)緯三重織物垂直燃燒的測(cè)試結(jié)果。從表9 可知，均質(zhì)樣損毀長(zhǎng)度多大于層次分布樣，即分層配置時(shí)多數(shù)條件下可以提高阻燃性能。但在使用較多的阻燃錦綸時(shí)，即使是在中緯這一層次采用了阻燃錦綸，仍然會(huì)降低其阻燃效果。WS4 與WS8均采用 F100 為經(jīng)紗、ZJ100 為中緯、ZL100 為里緯 ，但 WS4 采 用 F100 為 表 緯 、WE8 采 用 F/QA 65/35 混紡紗為表緯，最終得到的損毀長(zhǎng)度是WS4 為 60 mm、WS8 為 96 mm，說明表經(jīng)配方對(duì)織物的損毀長(zhǎng)度有影響，三聚氰胺纖維尚不能建立有利于提高整體阻燃性能的協(xié)同效應(yīng)。

表9 相同織物結(jié)構(gòu)和織物成分的3 對(duì)緯三重織物的阻燃性能對(duì)比

3 結(jié)論

（1）不同材質(zhì)纖維制成的紗線以分層配置方式制得織物后，多數(shù)情況下其力學(xué)性能不如纖維均勻配置的織物，但在適當(dāng)?shù)呐渲梅绞较驴商岣呖椢锏乃浩茝?qiáng)力。

（2）不同材質(zhì)紗線在多層次結(jié)構(gòu)織物中的分層配置狀態(tài)，有可能成為另一種形式的多組分協(xié)同效應(yīng)阻燃的結(jié)構(gòu)方式。在適當(dāng)?shù)呐渲梅绞皆O(shè)計(jì)條件下，可獲得比均質(zhì)織物更好的阻燃效果，并且可使用一部分阻燃性能較差、價(jià)格便宜、但強(qiáng)度更高的改性阻燃纖維甚至普通非阻燃纖維，獲得較高的性價(jià)比。