撕裂性能增強型阻燃面料的制備與研究*

丁 倩 李俊玲 王肖杰 卜佳仙 張小云 汪 軍

1. 東華大學紡織學院，上海201620；2. 中國紡織科學研究院江南分院，浙江 紹興312071

聚酰亞胺是一種熱穩(wěn)定性極佳的高性能纖維，是滅火防護服外層面料的理想材料[1]。軼綸95是我國自主研發(fā)生產(chǎn)的環(huán)保型高性能聚酰亞胺纖維，其線密度為1.67 dtex，極限氧指數(shù)高達38.0%，具有永久阻燃的特點[2]。研究表明，采用線密度為18.25 tex×2的軼綸95聚酰亞胺股線制備的面料，其撕裂性能尚不能滿足相關標準要求(≥100.0 N)[3]。

本文根據(jù)行業(yè)標準GA 10—2014《消防員滅火防護服》[4]對滅火防護服外層面料撕裂強力的要求，以軼綸95 雙股紗線為原料，在滿足拉伸斷裂強力和面密度要求的同時，通過設計經(jīng)緯紗的織造密度和織物組織結構，開發(fā)可滿足撕裂強力標準要求的滅火防護服外層面料，并探究織物密度和組織結構對其撕裂性能的影響。

1 試樣制備

滅火防護服外層屬于工裝服用面料，常見品種有斜紋、嗶嘰、卡其、平布等，相應的織物組織結構分別為1/2斜紋、1/3斜紋、2/2方平組織和平紋等。但采用這些組織結構制備的織物，其撕裂性能不能滿足使用要求。2/2方平組織因經(jīng)緯紗交織點較多，拉伸時紗線間相對移動程度較大，受力三角區(qū)中的紗線根數(shù)較多，在提高織物的撕裂性能方面有明顯優(yōu)勢。因此，本文滅火防護服外層面料試樣的設計選用方平組織，以線密度為18.25 tex×2、拉伸斷裂強力為95.7 N的軼綸95雙股紗為原料，按照GA 10—2014的要求，防護服外層面料的面密度需為190.0～210.0 g/m2，根據(jù)織物面密度的計算公式和機織物條樣法對織物經(jīng)緯向拉伸斷裂強度的估算[5]，得出符合標準要求的織物的經(jīng)緯向密度為479根/(10 cm)≤PT+PW≤506根/(10 cm)(PT為經(jīng)密，PW為緯密)，且經(jīng)緯密度均需大于136根/(10 cm)。

試驗設計的2種防護服外層面料(編號為1#和2#)的經(jīng)緯向密度分別為240根/(10 cm)×240根/(10 cm)、 250根/(10 cm)×250根/(10 cm)。使用THY 101B-20型劍桿小樣織機對設計試樣進行上機織造，試樣下機后測試其面密度(表1)。

表1 織物試樣的織造密度和面密度

2 性能測試

由表1知，1#和2#試樣的面密度都能滿足標準要求(190.0～210.0 g/m2)，因所用原料相同，織物規(guī)格不會對其熱學性能產(chǎn)生明顯影響，因此，本文以1#試樣的測試結果為依據(jù)來評估2/2方平組織面料的熱防護性能和阻燃性能。

2.1 熱防護性能

采用熱輻射與對流共同作用的熱防護性能測試方法[6]，在環(huán)境溫度為21 ℃，相對濕度為65%的條件下，測試1#試樣的熱防護性能指標。結果發(fā)現(xiàn)，1#試 樣的熱防護值為117.5 J/cm2。按照GA 10—2014對滅火阻燃外層面料的要求，該防護服面料的熱防護值需≥117.2 J/cm2，說明該方平組織織物試樣的熱防護性能剛好能滿足標準要求。

2.2 阻燃性能

表征織物阻燃性能的指標包括燃燒損毀長度、陰燃時間、續(xù)燃時間以及燃燒過程中的熔融滴落現(xiàn)象[7]。其中，燃燒損毀長度表示面料經(jīng)、緯方向燃燒損毀的最大距離，陰燃時間指移開火源后面料無焰燃燒的時間，續(xù)燃時間是指移開火源，面料有焰燃燒的時間。對1#和2#試樣進行了阻燃防火性能測試，圖1為水洗前和一定次數(shù)水洗后，試樣的阻燃測試實物照片，相應的測試數(shù)據(jù)如表2。

表2 織物試樣阻燃性能測試指標

從圖1和表2可以發(fā)現(xiàn)，1#試樣的燃燒損毀長度小于15.00 mm，燃燒過程中無熔融和滴落現(xiàn)象且離火自熄。

按照GA10—2014對滅火阻燃外層面料的要求，經(jīng)一定次數(shù)洗滌后，其燃燒損毀長度應<100.00 mm，續(xù)燃時間<2 s。根據(jù)以上測試結果可知，方平組織織物試樣的阻燃性能可滿足標準要求。

2.3 力學性能

2.3.1 拉伸斷裂強力及撕裂強力

根據(jù)GB/T 3923.1—2013《斷裂強力和斷裂伸長率的測定(條樣法)》和GB/T 3917.3—2009《梯形試樣撕破強力的測定》的規(guī)定，在標準溫濕度環(huán)境條件下(20 ℃，相對濕度65%)調(diào)濕試樣24 h，然后對1#和2#試樣的經(jīng)緯向分別進行拉伸斷裂強力和撕裂強力的測試。

由圖2可知，1#和2#試樣的經(jīng)向拉伸斷裂強力分別為1 252.8 N和1 337.3 N，緯向的拉伸斷裂強力分別為1 170.1 N和1 252.8 N [圖2a)]，均可滿足GA 10-2014的要求。圖2b)表明，2/2方平織物的撕裂性能極佳，1#和2#試樣的經(jīng)向撕裂強力分別達144.1 N和146.3 N， 緯向撕裂強力分別為136.5 N和133.9 N，約為標準要求的1.5倍。對比發(fā)現(xiàn)，兩種試樣的經(jīng)緯密度對其撕裂強力有一定的影響。對于同一試樣，其經(jīng)緯向的撕裂強力也有一定的偏差，且經(jīng)向的撕裂強力大于緯向，這可能是經(jīng)緯實際密度與設計密度的偏差所導致。在撕裂強力測試過程中，隨著儀器拉伸系統(tǒng)施加負荷的增加，縱向紗線逐漸分開，并在橫向非受拉伸系統(tǒng)紗線上產(chǎn)生滑移，形成受力三角區(qū)。受力三角區(qū)內(nèi)紗線的根數(shù)決定了試樣撕裂性能的好壞?？椢锝?jīng)緯密度的改變會影響受力三角區(qū)內(nèi)的紗線根數(shù)，因此，織物經(jīng)緯向密度的偏差是織物試樣經(jīng)緯向撕裂強力產(chǎn)生差異的原因之一。

因織縮率和上機織造時紗線所受張力的存在，下機后試樣的實際經(jīng)緯密度和設計經(jīng)緯密度會存在偏差。本試驗2/2方平組織織物試樣的經(jīng)緯密度偏差如表3所示。結果顯示，隨著織物經(jīng)緯向密度偏差的增加，其經(jīng)緯向的撕裂強力的偏差也逐漸增加。在測試織物經(jīng)緯向撕裂強力的過程中，由于緯紗給予經(jīng)紗的摩擦力小于經(jīng)紗給予緯紗的摩擦力，測試時形成的受力三角區(qū)內(nèi)經(jīng)向受力紗線根數(shù)多于緯向，因此，試樣經(jīng)向撕裂強力大于緯向。在聚酰亞胺纖維面料的實際生產(chǎn)中，可通過適當降低經(jīng)緯密度偏差，從而避免面料經(jīng)緯向的撕裂性能產(chǎn)生較大差異。

表3 織物經(jīng)緯密度與撕裂強力的偏差

2.3.2 組織結構對織物撕裂強力的影響

由文獻[8]可知，在織物經(jīng)緯密度相同或偏差較小的情況下，織物組織結構會影響其撕裂強力?？椢锏乃毫堰^程實際是受力三角區(qū)內(nèi)紗線逐根斷裂的過程，因此，紗線的拉伸斷裂性能是影響織物撕裂強力的重要因素之一。此外，在紗線逐根斷裂的過程中，撕裂三角區(qū)內(nèi)的其他紗線同樣也會受力，因此，織物經(jīng)緯密度越低，受力過程中紗線越容易產(chǎn)生滑移，三角區(qū)承受外力的紗線根數(shù)越多，織物的撕裂強力越高[9-10]。對于2/2方平組織的織物，撕裂過程中部分紗線斷裂后不斷有兩根一組的并列紗線滑移并補充到三角區(qū)內(nèi)，織物可承受力增強，撕裂強力得以提高。

本試驗接著設計了經(jīng)緯向密度為240根/(10 cm)、240根/(10 cm)、組織結構為3/3方平組織的3#試樣，并對其撕裂強力進行了測試(圖3)。

圖3 2/2和3/3方平組織試樣的撕裂強力對比

由圖3可知，3#試樣的經(jīng)向撕裂強力為195.6 N， 緯向撕裂強力為177.7 N。與2/2方平組織相比，在經(jīng)緯密度相同的情況下，3/3方平組織織物的經(jīng)緯向撕裂強力分別提高了36.0 %和 22.0 %， 可見，方平組織的組織循環(huán)數(shù)越大，相應織物的結構越松散，三角區(qū)內(nèi)紗線根數(shù)越多，撕裂強力越大。說明增加方平組織的組織循環(huán)數(shù)可達到提高織物撕裂強力的目的。

3 結論

本文通過織物設計與試驗分析發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)緯密度范圍479根/(10 cm)≤PT+PW≤506根/(10 cm)內(nèi)，可以通過變換組織結構增強防護服外層阻燃面料試樣的撕裂強力。該方平組織試樣具有良好的熱防護性能(熱防護值達117.5 J/cm2)，其拉伸斷裂強力和撕裂強力均較高。此外，應盡量減小織物經(jīng)緯向密度的差異，以提高織物緯向的撕裂強力。隨著方平組織循環(huán)數(shù)的增多，織物的撕裂強力也隨之增大，其能很好地滿足阻燃防火面料的使用要求?？梢姡狡浇M織阻燃面料有望在消防等領域發(fā)揮更大的作用。