間隔跨距對玄武巖纖維/聚酰亞胺纖維三維間隔熱防護織物性能的影響

杜琳琳,吳改紅,劉淑強,張 曼,靖逸凡,張愛琴,李慧敏,李 甫,賈 潞,張鈺晶,李靜靜,張 菂,劉 霞,楊智超

(太原理工大學 輕紡工程學院,山西 晉中 030600)

消防員是戰(zhàn)斗在火災現(xiàn)場第一線的戰(zhàn)士,其所穿著的高溫防火服是消防員在高溫火場中實施救援行動的重要防護用具[1-2],因此開發(fā)設計熱防護性能優(yōu)良的防火服具有重要現(xiàn)實意義[3-4]。

目前熱防護面料一般由經(jīng)阻燃劑改性的纖維或高性能阻燃纖維制成[5-6],前者價格相對便宜,但阻燃性能相對較差,后者具有良好阻燃性,但價格相對較高。我國消防服面料主要為4層結構:外層、防水透氣層、隔熱層和內(nèi)襯。多層熱防護織物可滿足各種性能要求,但多層織物堆疊往往導致織物完整性差,織物過厚[7]。

本文設計一種熱防護用三維間隔機織物,其中織物的上外表層(朝向外界高溫環(huán)境)為玄武巖纖維[8-9]單層結構,下內(nèi)表層(朝向人體)為聚酰亞胺纖維[10-11]雙層結構,玄武巖間隔紗排列在上、下層交錯的2根經(jīng)紗之間以支撐整個織物。間隔織物結構兼顧傳統(tǒng)消防服面料的外層和隔熱層性能,通過多種測試研究間隔跨距對玄武巖纖維/聚酰亞胺纖維三維間隔熱防護面料性能的影響,以有效減少消防服面料層數(shù),降低面料質量。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

本文設計的三維間隔機織物上層經(jīng)紗、緯紗以及間隔紗采用278.2 tex的玄武巖纖維長絲紗(西晉投玄武巖開發(fā)有限公司),下層經(jīng)紗、緯紗采用71.43 tex×2的聚酰亞胺短纖紗(江蘇奧神新材料股份有限公司)。

1.2 三維間隔機織物結構設計

三維間隔機織物的上層為玄武巖長絲紗單層結構,下層為聚酰亞胺纖維雙層結構[12],玄武巖間隔紗排列在下層交錯的2根經(jīng)紗之間。本文不同間隔跨距(間隔跨距為間隔緯紗的根數(shù))的三維間隔機織物的間隔高度均為4 mm。圖1為間隔跨距為5根緯紗的三維間隔機織物經(jīng)向截面圖,實線表示玄武巖纖維經(jīng)紗和間隔紗,虛線表示聚酰亞胺紗線,黑色圓表示玄武巖纖維緯紗,灰色圓表示聚酰亞胺纖維緯紗。間隔跨距為5根緯紗的三維間隔機織物組織圖如圖2所示。

圖1 間隔跨距為5根緯紗的三維間隔機織物經(jīng)向截面圖Fig.1 Warp section of 3D spacer fabric with interval span of 5

圖2 間隔跨距為5根緯紗的三維間隔機織物上機組織圖Fig.2 Fabric drawing of 3D spacer fabric with spacer span of 5

1.3 結構與性能表征

1.3.1 織物表觀形貌測試

使用尼康D5300相機(日本尼康株式會社)觀察織物整體形貌以及間隔成型情況。

1.3.2 力學性能測試

參照GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能 第1部分:斷裂強力和斷裂伸長率的測定(條樣法)》進行拉伸試驗。將試樣裁成30 cm×6 cm的矩形,采用YG(B)026D-500型號電子織物強力機(西安明克斯檢測設備有限公司)測試試樣斷裂強力,設置拉伸速度為20 mm/min。

參照GB/T 19976—2005《紡織品 頂破強力的測定 鋼球法 》進行頂破性能測試。將試樣裁成直徑為5 cm的圓形,采用YG026M-250電子織物強力機(浙江方圓檢測股份有限公司)測試試樣頂破強力,設置試驗機速度為300 mm/min。

1.3.3 阻燃性能測試

參照GB/T 5454—1997《紡織品 燃燒性能試驗 氧指數(shù)法》進行阻燃性能測試。裁取6.5 cm×10.0 cm的矩形間隔織物試樣,在標準大氣條件下進行調(diào)濕。采用M606B型數(shù)顯氧指數(shù)測定儀(青島山紡儀器有限公司)測試試樣極限氧指數(shù)(LOI)。

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》進行紡織品垂直燃燒測試。將試樣裁成300 mm×80 mm的矩形,采用M601垂直法阻燃性能測試儀(青島山紡儀器有限公司)測定織物的續(xù)燃、陰燃時間等參數(shù),并對其燃燒性能進行分析。

1.3.4 隔熱性能測試

參照GB/T 11048—2018《紡織品 生理舒適性 穩(wěn)態(tài)條件下熱阻和濕阻的測定(蒸發(fā)熱板法)》進行織物隔熱性能測試。采用YG606D型平板式織物保溫儀(寧波紡織儀器廠)測定織物的克羅值和保溫率,并對熱阻值進行計算。

1.3.5 熱防護性能測試

參照GB/T 38302—2019《防護服裝 熱防護性能測試方法》進行熱防護性能測試。裁取15 cm×15 cm的正方形間隔織物試樣,采用FFZ334-Ⅱ熱防護性能測試儀(浙江方圓檢測股份有限公司)測定織物熱防護性能(TPP),每塊樣品測試5次。

1.3.6 熱穩(wěn)定性測試

參照GB 8965.1—2020《防護服裝 阻燃服》進行熱穩(wěn)定性能測試。裁取10 cm×10 cm的正方形間隔織物試樣,采用ZKFF-210恒溫鼓風干燥箱(南京百夫諾機械設備有限公司)將織物烘干,然后放入(260± 5)℃ KSL-1200X馬弗爐(合肥科晶材料技術有限公司)中加熱60 min,測量并對比加熱前后織物質量和尺寸的變化,每塊樣品測試5次。

2 結果與討論

2.1 三維間隔機織物形貌分析

三維間隔機織物的形貌如圖3所示。4組三維間隔機織物整體成型良好,間隔效果明顯。間隔跨距為5、11、17根緯紗時,上下層布面縫隙(稀密路織疵)相對較小,當間隔跨距達到23根緯紗時,上下層布面縫隙(稀密路織疵)逐漸增大。形成稀密路織疵的原因在于隨著間隔跨距增大,張力不勻現(xiàn)象越嚴重,使織物表面出現(xiàn)較為明顯的縫隙。從圖3織物側面可以看出所有織物的間隔效果明顯,間隔紗可以很好的支撐起整個織物。

圖3 三維間隔織物外觀形貌Fig.3 Appearance of basalt/polyimide 3D spacer fabrics

2.2 間隔跨距對力學性能的影響

不同間隔跨距的玄武巖纖維/聚酰亞胺纖維三維間隔織物斷裂強力和頂破強力測試結果如圖4所示。4組樣品的拉伸斷裂強力均大于2 000 N,頂破強力均在2 000 N以上。隨著間隔跨距增大,織物的斷裂強力逐漸增強;而織物的頂破強力隨著間隔跨距增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,當間隔17根緯紗時頂破強力達到最大,之后開始下降。這是由于隨著跨距的增大,間隔紗上下交替屈曲的頻率降低,織物的薄弱點減少,因此頂破強力增大;間隔跨距達到23根緯紗時,相同單位長度下間隔紗的密度較低,支撐作用也隨之下降,2組間隔紗中間易向下凹陷,在外力作用下易產(chǎn)生應力集中,出現(xiàn)頂破現(xiàn)象。

圖4 三維間隔織物的斷裂強力和頂破強力Fig.4 Breaking strength and bursting strength of basalt/polyimide 3D spacer fabric

2.3 間隔跨距對阻燃性能的影響

4組不同間隔跨距的樣品的極限氧指數(shù)以及垂直燃燒測試結果如表1所示。4組樣品極限氧指數(shù)均高于35%,屬于不燃紡織品。隨著間隔跨距的增加,聚酰亞胺纖維層極限氧指數(shù)逐漸降低,原因在于間隔跨距的增加,使得織物中空氣的含量增大且纖維與空氣的接觸面增大,織物更易發(fā)生燃燒,進而降低織物的阻燃性能。垂直燃燒測試中,4組樣品陰燃、續(xù)燃時間均為0 s,無熔融、滴落現(xiàn)象。玄武巖纖維織物層損毀長度均為0 mm,而聚酰亞胺纖維織物層的損毀長度介于0.58～0.64 mm之間。

表1 不同間隔跨距的三維間隔織物極限氧指數(shù)測試及垂直燃燒測試結果Tab.1 Oxygen index test and vertical combustion test results of three-dimensional spacer fabrics with different spacer spans

2.4 間隔跨距對隔熱性能的影響

不同間隔跨距的三維間隔機織物的隔熱性能見圖5。

圖5 三維間隔織物的保溫率與熱阻變化圖Fig.5 Variation of thermal resistance and insulation rate of 3D spacer fabric

從圖5可以看出,隨著間隔跨距的增大,4組樣品的保溫率與熱阻值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,當間隔跨距為17根緯紗時,達到最大值。這是由于間隔織物的中間空氣層隨著間隔跨距的增大而增大,空氣層的增大使得熱量傳遞速率降低,織物熱阻增大,保溫率提高。當間隔跨距達到23根緯紗,織物布面縫隙較大,同時間隔結構不穩(wěn)定,使得熱量透過縫隙進入織物內(nèi)部,熱阻降低,保溫率下降。

2.5 間隔跨距對熱防護性能的影響

圖6為不同間隔跨距的三維間隔織物熱防護性能圖。4組樣品TPP值均在1 000 kW·s/m2以上,遠高于GA 10—2014《消防員滅火防護服》要求的28 kW·s/m2,織物熱防護性能優(yōu)良。TPP值隨著間隔跨距的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當間隔跨距為17根緯紗時,TPP值最大,達到了1 136 kW·s/m2。當間隔跨距達到23根緯紗時,間隔紗的密度較低,支撐作用下降,織物變得扁平,熱量更容易透過織物,熱防護性能隨之下降,TPP測試結果和熱阻曲線走向一致。

圖6 三維間隔織物的TPP值Fig.6 TPP values of 3D spacer fabric with different spacer spans

2.6 間隔跨距對熱穩(wěn)定性的影響

在熱穩(wěn)定性測試中,織物經(jīng)過高溫處理后經(jīng)向、緯向和高度方向的尺寸變化率都為0,說明三維間隔機織物受熱前后的尺寸穩(wěn)定性好,不會發(fā)生收縮或延展。間隔跨距為5、11、17、23根緯紗的織物質量變化率分別為0.29%、0.37%、0.36%、0.38%,這是由于水分以及雜質的蒸發(fā),材料本身沒有發(fā)生熱分解。

3 結 論

本文以玄武巖紗線、聚酰亞胺紗線為原料設計并織造了4種不同間隔跨距的三維間隔機織物,并對其性能進行測試。三維間隔機織物具有良好的頂破性能、撕裂性能以及良好的阻燃隔熱性能、熱防護性能和熱穩(wěn)定性。當間隔跨距增加到17根緯紗時,三維間隔機織物的熱阻達到最大,為59.15 ℃·m2/W,表明在穩(wěn)定結構下,三維間隔機織物中間空氣層能有效減緩熱量傳遞,從而提高織物的隔熱性能以及熱防護性能,為熱防護用三維間隔機織物的應用提供了一種可能性。