美軍M53防毒面具防護(hù)頭罩帽兜織物材料研究

劉 虹 王得印 黃 強(qiáng) 皇甫喜樂

1. 海軍裝備部項(xiàng)目管理中心，北京 100071；2. 國民核生化災(zāi)害防護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100191；3. 防化研究院，北京 100191

防毒面具是核生化個(gè)體防護(hù)裝備的典型代表，其綜合運(yùn)用了過濾[1]、吸附[2]、阻隔[3]等技術(shù)，能保護(hù)佩戴人員的呼吸道、眼睛、頭面部皮膚等免受氣溶膠、氣體、液體等形式的放射性落下灰、生物戰(zhàn)劑、化學(xué)毒劑或有毒化學(xué)工業(yè)品的傷害。M50面具是在美軍聯(lián)合勤務(wù)通用面具計(jì)劃(Joint Service General Purpose Mask，JSGPM)支持下，歷經(jīng)多年研發(fā)的全新一代防毒面具，其在形式結(jié)構(gòu)和材料方面進(jìn)行了大量革新，設(shè)計(jì)定型后成功列裝于美國海、陸、空及海軍艦艇部隊(duì)、海岸警衛(wèi)隊(duì)等多個(gè)軍兵種，防護(hù)性能和使用性能大幅提升[4]。

在M50的基礎(chǔ)上，美軍還設(shè)計(jì)定型了M53防毒面具以滿足特種作戰(zhàn)部隊(duì)、國民警衛(wèi)隊(duì)及其他執(zhí)法力量的特殊要求，能應(yīng)對(duì)多種化學(xué)、生物、放射、核(簡(jiǎn)稱“化生放核”，CBRN)，以及有毒工業(yè)化學(xué)品/有毒材料(TICs/TIMs)的威脅。M53防毒面具配備有防護(hù)頭罩，可與其配套使用(圖1)[5]。防護(hù)頭罩主要由帽兜織物和橡膠面托組合而成。該設(shè)計(jì)不僅能夠防止著配人員的頭、頸部免受化生放核毒劑的沾染，而且提高了防毒面具與防毒服接口的匹配性，改善了穿著舒適度。

本文將采用衰減全反射-傅里葉紅外光譜(ATR-FTIR)、差熱(DSC)、熱重(TG/DTG)、掃描電鏡(SEM)、能譜(EDS)等分析表征方法，對(duì)M53防毒面具防護(hù)頭罩的帽兜織物材料進(jìn)行化學(xué)組成與物理結(jié)構(gòu)分析，并測(cè)試其力學(xué)性能、親疏水性能、透濕性能及防護(hù)性能，以期對(duì)我軍未來防毒面具防護(hù)頭罩的研制提供借鑒和啟發(fā)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 化學(xué)組成分析

采用德國布魯克公司VERTEK 70V型紅外分析儀進(jìn)行ATR-FTIR測(cè)試。光譜范圍為4 500～400 cm-1。

采用美國TA公司Q100型差示掃描量熱儀進(jìn)行DSC測(cè)試。N2氣氛，升溫速率為10 ℃/min，從30 ℃升至375 ℃。

采用日本Rigaku公司TG-DTA8122型熱重差熱分析儀進(jìn)行TG/DTG測(cè)試。N2氣氛，升溫速率為10 ℃/min，從30 ℃升至1 000 ℃。

1.2 物理結(jié)構(gòu)分析

采用日本JEOL公司JSM-7900F型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡及美國EDAX公司TEAMTM掃描電鏡能譜儀進(jìn)行SEM和EDS分析。加速電壓為20 kV，測(cè)試樣表面采用噴金處理。

1.3 性能測(cè)試

采用深圳SANS材料檢測(cè)有限公司CMT4104型電子拉力機(jī)，依據(jù)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(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 2791—1995《膠粘劑T剝離強(qiáng)度試驗(yàn)方法 撓性材料對(duì)撓性材料》標(biāo)準(zhǔn)，分別進(jìn)行斷裂強(qiáng)力、撕破強(qiáng)力和T剝離強(qiáng)力測(cè)試。

采用上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司JC2000D型接觸角測(cè)量?jī)x，于常溫下采用五點(diǎn)擬合法進(jìn)行接觸角測(cè)試，測(cè)試液體為去離子水。

依照GB/T 12704.1—2009《紡織品 織物透濕性試驗(yàn)方法 第1部分：吸濕法》標(biāo)準(zhǔn)，利用大榮紡織儀器有限公司YG(B)216G型織物透濕儀，采用正杯吸濕法，在溫度為42 ℃、相對(duì)濕度為90%的條件下進(jìn)行透濕性能測(cè)試。

采用沾染-圓盤(Spot-Disc)法測(cè)試36 ℃條件下試樣對(duì)芥子氣液滴的防護(hù)時(shí)間。具體步驟：①將試樣放置在毒劑滲透儀測(cè)試盒內(nèi)，試樣正面上方放置棉球，背面緊貼放置用于穿透顯色指示的氯胺-剛果紅試紙，然后將測(cè)試盒放入恒溫箱內(nèi)穩(wěn)定2.0～4.0 h；②正面上方滴加芥子氣液滴(32 μL)，記錄芥子氣液滴從正面滴加結(jié)束到背面試紙變色的時(shí)間即為試樣對(duì)芥子氣液滴的防護(hù)時(shí)間t(h)[6-7]。

2 結(jié)果與討論

2.1 化學(xué)組成

譜帶歸屬是研究聚合物化學(xué)組成的重要手段。帽兜織物宏觀結(jié)構(gòu)上由外到內(nèi)可分為三層——外層綠色織物、中間層白色薄膜和內(nèi)層黑色網(wǎng)眼布。本文將對(duì)這三層材料依次進(jìn)行ATR-FTIR分析，官能團(tuán)區(qū)(4 000～1 330 cm-1)和指紋區(qū)(1 330～500 cm-1)譜圖如圖2所示，相應(yīng)的譜峰歸屬歸納于表1。

表1 外層綠色織物的紅外光譜譜峰歸屬

表2 中間層白色薄膜的紅外光譜譜峰歸屬

表3 內(nèi)層黑色網(wǎng)眼布的紅外光譜譜峰歸屬

根據(jù)圖2和表1～表3可以確認(rèn)：外層綠色織物材質(zhì)為PET，起抗皺和保形的作用；中間層白色薄膜材質(zhì)為PTFE，起阻隔氣溶膠粒子和液體毒劑的作用[8-10]；內(nèi)層黑色網(wǎng)眼布材質(zhì)為PA66，起耐磨的作用。

DSC的分析結(jié)果(圖3)支持了ART-FTIR的結(jié)論。從圖3可以發(fā)現(xiàn)：外層綠色織物在252.0 ℃處出現(xiàn)熔融吸熱峰，對(duì)應(yīng)PET的熔點(diǎn)；中間層白色薄膜在328.6 ℃處出現(xiàn)熔融吸熱峰，對(duì)應(yīng)PTFE的熔點(diǎn)；內(nèi)層黑色網(wǎng)眼布在254.8 ℃處出現(xiàn)熔融吸熱峰，對(duì)應(yīng)PA66的熔點(diǎn)。

圖3 帽兜織物DSC曲線

TG/DTG曲線(圖4)也對(duì)上述結(jié)論做了佐證。圖4中：(1)外層織物出現(xiàn)了兩步熱失重，起始分解溫度(Td)為383.3 ℃，相應(yīng)DTG曲線出現(xiàn)了兩處最大熱失重峰，相應(yīng)的最大熱分解溫度(Tmax)分別為422.1 ℃和583.1 ℃，前鋒對(duì)應(yīng)PET織物的最大熱分解溫度，后峰對(duì)應(yīng)PET織物背面所黏附的PTFE微孔膜的最大熱分解溫度；(2)白色中間層的Td和Tmax分別為545.2 ℃和581.7 ℃，對(duì)應(yīng)PTFE材料的起始熱分解溫度和最大熱分解溫度；(3)黑色內(nèi)層的Td和Tmax分別為412.3 ℃和448.8 ℃，對(duì)應(yīng)PA66的起始熱分解溫度和最大熱分解溫度。

圖4 帽兜織物TG/DTG曲線

2.2 物理結(jié)構(gòu)

2.2.1 織造結(jié)構(gòu)

利用SEM對(duì)外層、中間層及內(nèi)層材料的織造結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 帽兜織物各層SEM照片

從圖5可以看出：(1)外層PET織物由線圈相互串套連接而成，且按縱向(經(jīng)向)順序成圈，呈典型的經(jīng)編針織物結(jié)構(gòu)特征。這種組織結(jié)構(gòu)可提高織物的堅(jiān)牢度，并減少脫散。外層織物用紗線為無捻復(fù)絲，并合長(zhǎng)絲根數(shù)為11，纖維直徑約15.0 μm。(2)中間層PTFE微孔膜呈典型的微纖-結(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，立體交叉的微孔可有效阻止液態(tài)水的潤(rùn)濕和毛細(xì)凝聚。(3)內(nèi)層為PA66經(jīng)編網(wǎng)眼布，能更好地提高復(fù)合織物的透氣性。網(wǎng)眼近似呈六邊形，網(wǎng)眼邊長(zhǎng)約0.65 mm。內(nèi)層網(wǎng)眼布用紗線也為無捻復(fù)絲，并合長(zhǎng)絲根數(shù)為8，纖維直徑約20.0 μm。

2.2.2 界面結(jié)構(gòu)

利用SEM對(duì)帽兜織物層與層之間的黏合情況進(jìn)行表征，結(jié)果如圖6所示，可以發(fā)現(xiàn)：(1)外層PET織物與中間層PTFE微孔膜之間存在連續(xù)的黏合層(圖6中箭頭及方框部分)，層厚約10.0 μm；(2)中間層PTFE微孔膜與內(nèi)層PA66網(wǎng)眼布之間為點(diǎn)狀黏合，這種黏合方式可避免PTFE微孔膜的微孔在與PA66網(wǎng)眼布復(fù)合時(shí)被黏合劑堵塞。

圖6 帽兜織物的界面結(jié)合情況

在常用的水性黏合劑、溶劑型黏合劑和熱熔型黏合劑中，熱熔型黏合劑清潔、無煙霧、無需烘干、使用方便，其種類繁多，如乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)型、聚乙烯(PE)型、聚酰胺(PA)型、聚酯(PES)型、聚氨酯(PU)型等。對(duì)剝離的界面進(jìn)行EDS分析，結(jié)果如圖7和表4所示。圖7a)反映了剝離界面，其中Ⅰ為PTFE微孔膜粘接PA66網(wǎng)眼布的界面，Ⅱ?yàn)镻TFE微孔膜，Ⅲ為PTFE微孔膜粘接PET織物的界面。通過圖7b)可以發(fā)現(xiàn),Ⅰ和Ⅱ兩個(gè)界面主要含C、O元素，說明所用的黏合劑極有可能是PES熱熔膠，即PET織物與PTFE微孔膜之間可能采用的是薄膜型PES熱熔膠，PTFE微孔膜與PA66網(wǎng)眼布之間則可能采用的是點(diǎn)狀PES熱熔膠。

圖7 剝離界面的EDS分析

2.3 性能

帽兜織物的拉伸強(qiáng)力-位移曲線和撕破強(qiáng)力-位移曲線見圖8。拉伸強(qiáng)力-位移曲線呈現(xiàn)出明顯的多步斷裂特征：帽兜織物受力后，內(nèi)層PA66網(wǎng)眼布率先發(fā)生斷裂，緊接著外層PET經(jīng)編織物發(fā)生斷裂，最后PTFE微孔膜發(fā)生斷裂。其中，PTFE微孔膜在斷裂前會(huì)發(fā)生較大的形變位移，這一方面是因?yàn)檩^低的氟原子極化率導(dǎo)致分子間凝聚力低，分子易于滑動(dòng)，另一方面與PTFE分子結(jié)構(gòu)高對(duì)稱性導(dǎo)致的高結(jié)晶度和極易被拉出的帶狀結(jié)晶結(jié)構(gòu)有關(guān)。帽兜織物斷裂強(qiáng)力為350 N，斷裂伸長(zhǎng)率為50%。撕破強(qiáng)力-位移曲線與拉伸強(qiáng)力-位移曲線類似，帽兜織物撕破強(qiáng)力為315 N。

帽兜織物層與層之間的T剝離強(qiáng)力-位移曲線見圖9，可以發(fā)現(xiàn)：中間層PTFE微孔膜與內(nèi)層PA66網(wǎng)眼布之間的T剝離強(qiáng)力較低，僅為3 N(剝離強(qiáng)度0.12 kN/m)；中間層PTFE微孔膜與外層PET經(jīng)編織物之間的T剝離強(qiáng)力為9 N(剝離強(qiáng)度0.36 kN/m), 說明外層與中間層的結(jié)合較為牢固。

圖9 帽兜織物T剝離強(qiáng)力-位移曲線

帽兜織物的其他性能測(cè)試結(jié)果見表5。從水接觸角和透濕率可以看出，帽兜織物表面具有一定的疏水性能，其與橡塑涂層織物制成的傳統(tǒng)帽兜材料相比具有一定的防水透濕功能；對(duì)芥子氣液滴的防護(hù)時(shí)間為1.8 h，能有效保護(hù)著配人員的頭、頸部免受化生放核毒劑等的沾染。

表5 帽兜織物其他性能測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)論

M53防毒面具防護(hù)頭罩的結(jié)構(gòu)和材料都十分新穎，其帽兜織物由外層PET經(jīng)編織物、中間層PTFE微孔膜及內(nèi)層PA66經(jīng)編網(wǎng)眼布復(fù)合而成，材料柔軟輕便，不僅具有一定的防水透濕功能，還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)液態(tài)化學(xué)毒劑的有效防護(hù)，對(duì)我軍核生化個(gè)人防護(hù)裝備的研制具有良好的借鑒意義。