间隔跨距对玄武岩纤维/聚酰亚胺纤维三维间隔热防护织物性能的影响

杜琳琳,吴改红,刘淑强,张 曼,靖逸凡,张爱琴,李慧敏,李 甫,贾 潞,张钰晶,李静静,张 菂,刘 霞,杨智超

(太原理工大学 轻纺工程学院,山西 晋中 030600)

消防员是战斗在火灾现场第一线的战士,其所穿着的高温防火服是消防员在高温火场中实施救援行动的重要防护用具[1-2],因此开发设计热防护性能优良的防火服具有重要现实意义[3-4]。

目前热防护面料一般由经阻燃剂改性的纤维或高性能阻燃纤维制成[5-6],前者价格相对便宜,但阻燃性能相对较差,后者具有良好阻燃性,但价格相对较高。我国消防服面料主要为4层结构:外层、防水透气层、隔热层和内衬。多层热防护织物可满足各种性能要求,但多层织物堆叠往往导致织物完整性差,织物过厚[7]。

本文设计一种热防护用三维间隔机织物,其中织物的上外表层(朝向外界高温环境)为玄武岩纤维[8-9]单层结构,下内表层(朝向人体)为聚酰亚胺纤维[10-11]双层结构,玄武岩间隔纱排列在上、下层交错的2根经纱之间以支撑整个织物。间隔织物结构兼顾传统消防服面料的外层和隔热层性能,通过多种测试研究间隔跨距对玄武岩纤维/聚酰亚胺纤维三维间隔热防护面料性能的影响,以有效减少消防服面料层数,降低面料质量。

1 试验部分

1.1 试验原料

本文设计的三维间隔机织物上层经纱、纬纱以及间隔纱采用278.2 tex的玄武岩纤维长丝纱(西晋投玄武岩开发有限公司),下层经纱、纬纱采用71.43 tex×2的聚酰亚胺短纤纱(江苏奥神新材料股份有限公司)。

1.2 三维间隔机织物结构设计

三维间隔机织物的上层为玄武岩长丝纱单层结构,下层为聚酰亚胺纤维双层结构[12],玄武岩间隔纱排列在下层交错的2根经纱之间。本文不同间隔跨距(间隔跨距为间隔纬纱的根数)的三维间隔机织物的间隔高度均为4 mm。图1为间隔跨距为5根纬纱的三维间隔机织物经向截面图,实线表示玄武岩纤维经纱和间隔纱,虚线表示聚酰亚胺纱线,黑色圆表示玄武岩纤维纬纱,灰色圆表示聚酰亚胺纤维纬纱。间隔跨距为5根纬纱的三维间隔机织物组织图如图2所示。

图1 间隔跨距为5根纬纱的三维间隔机织物经向截面图Fig.1 Warp section of 3D spacer fabric with interval span of 5

图2 间隔跨距为5根纬纱的三维间隔机织物上机组织图Fig.2 Fabric drawing of 3D spacer fabric with spacer span of 5

1.3 结构与性能表征

1.3.1 织物表观形貌测试

使用尼康D5300相机(日本尼康株式会社)观察织物整体形貌以及间隔成型情况。

1.3.2 力学性能测试

参照GB/T 3923.1—2013《纺织品 织物拉伸性能 第1部分:断裂强力和断裂伸长率的测定(条样法)》进行拉伸试验。将试样裁成30 cm×6 cm的矩形,采用YG(B)026D-500型号电子织物强力机(西安明克斯检测设备有限公司)测试试样断裂强力,设置拉伸速度为20 mm/min。

参照GB/T 19976—2005《纺织品 顶破强力的测定 钢球法 》进行顶破性能测试。将试样裁成直径为5 cm的圆形,采用YG026M-250电子织物强力机(浙江方圆检测股份有限公司)测试试样顶破强力,设置试验机速度为300 mm/min。

1.3.3 阻燃性能测试

参照GB/T 5454—1997《纺织品 燃烧性能试验 氧指数法》进行阻燃性能测试。裁取6.5 cm×10.0 cm的矩形间隔织物试样,在标准大气条件下进行调湿。采用M606B型数显氧指数测定仪(青岛山纺仪器有限公司)测试试样极限氧指数(LOI)。

参照GB/T 5455—2014《纺织品 燃烧性能 垂直方向损毁长度、阴燃和续燃时间的测定》进行纺织品垂直燃烧测试。将试样裁成300 mm×80 mm的矩形,采用M601垂直法阻燃性能测试仪(青岛山纺仪器有限公司)测定织物的续燃、阴燃时间等参数,并对其燃烧性能进行分析。

1.3.4 隔热性能测试

参照GB/T 11048—2018《纺织品 生理舒适性 稳态条件下热阻和湿阻的测定(蒸发热板法)》进行织物隔热性能测试。采用YG606D型平板式织物保温仪(宁波纺织仪器厂)测定织物的克罗值和保温率,并对热阻值进行计算。

1.3.5 热防护性能测试

参照GB/T 38302—2019《防护服装 热防护性能测试方法》进行热防护性能测试。裁取15 cm×15 cm的正方形间隔织物试样,采用FFZ334-Ⅱ热防护性能测试仪(浙江方圆检测股份有限公司)测定织物热防护性能(TPP),每块样品测试5次。

1.3.6 热稳定性测试

参照GB 8965.1—2020《防护服装 阻燃服》进行热稳定性能测试。裁取10 cm×10 cm的正方形间隔织物试样,采用ZKFF-210恒温鼓风干燥箱(南京百夫诺机械设备有限公司)将织物烘干,然后放入(260± 5)℃ KSL-1200X马弗炉(合肥科晶材料技术有限公司)中加热60 min,测量并对比加热前后织物质量和尺寸的变化,每块样品测试5次。

2 结果与讨论

2.1 三维间隔机织物形貌分析

三维间隔机织物的形貌如图3所示。4组三维间隔机织物整体成型良好,间隔效果明显。间隔跨距为5、11、17根纬纱时,上下层布面缝隙(稀密路织疵)相对较小,当间隔跨距达到23根纬纱时,上下层布面缝隙(稀密路织疵)逐渐增大。形成稀密路织疵的原因在于随着间隔跨距增大,张力不匀现象越严重,使织物表面出现较为明显的缝隙。从图3织物侧面可以看出所有织物的间隔效果明显,间隔纱可以很好的支撑起整个织物。

图3 三维间隔织物外观形貌Fig.3 Appearance of basalt/polyimide 3D spacer fabrics

2.2 间隔跨距对力学性能的影响

不同间隔跨距的玄武岩纤维/聚酰亚胺纤维三维间隔织物断裂强力和顶破强力测试结果如图4所示。4组样品的拉伸断裂强力均大于2 000 N,顶破强力均在2 000 N以上。随着间隔跨距增大,织物的断裂强力逐渐增强;而织物的顶破强力随着间隔跨距增大呈现先增大后减小的趋势,当间隔17根纬纱时顶破强力达到最大,之后开始下降。这是由于随着跨距的增大,间隔纱上下交替屈曲的频率降低,织物的薄弱点减少,因此顶破强力增大;间隔跨距达到23根纬纱时,相同单位长度下间隔纱的密度较低,支撑作用也随之下降,2组间隔纱中间易向下凹陷,在外力作用下易产生应力集中,出现顶破现象。

图4 三维间隔织物的断裂强力和顶破强力Fig.4 Breaking strength and bursting strength of basalt/polyimide 3D spacer fabric

2.3 间隔跨距对阻燃性能的影响

4组不同间隔跨距的样品的极限氧指数以及垂直燃烧测试结果如表1所示。4组样品极限氧指数均高于35%,属于不燃纺织品。随着间隔跨距的增加,聚酰亚胺纤维层极限氧指数逐渐降低,原因在于间隔跨距的增加,使得织物中空气的含量增大且纤维与空气的接触面增大,织物更易发生燃烧,进而降低织物的阻燃性能。垂直燃烧测试中,4组样品阴燃、续燃时间均为0 s,无熔融、滴落现象。玄武岩纤维织物层损毁长度均为0 mm,而聚酰亚胺纤维织物层的损毁长度介于0.58～0.64 mm之间。

表1 不同间隔跨距的三维间隔织物极限氧指数测试及垂直燃烧测试结果Tab.1 Oxygen index test and vertical combustion test results of three-dimensional spacer fabrics with different spacer spans

2.4 间隔跨距对隔热性能的影响

不同间隔跨距的三维间隔机织物的隔热性能见图5。

图5 三维间隔织物的保温率与热阻变化图Fig.5 Variation of thermal resistance and insulation rate of 3D spacer fabric

从图5可以看出,随着间隔跨距的增大,4组样品的保温率与热阻值呈现先增大后减小的趋势,当间隔跨距为17根纬纱时,达到最大值。这是由于间隔织物的中间空气层随着间隔跨距的增大而增大,空气层的增大使得热量传递速率降低,织物热阻增大,保温率提高。当间隔跨距达到23根纬纱,织物布面缝隙较大,同时间隔结构不稳定,使得热量透过缝隙进入织物内部,热阻降低,保温率下降。

2.5 间隔跨距对热防护性能的影响

图6为不同间隔跨距的三维间隔织物热防护性能图。4组样品TPP值均在1 000 kW·s/m2以上,远高于GA 10—2014《消防员灭火防护服》要求的28 kW·s/m2,织物热防护性能优良。TPP值随着间隔跨距的增加呈现先增大后减小的趋势。当间隔跨距为17根纬纱时,TPP值最大,达到了1 136 kW·s/m2。当间隔跨距达到23根纬纱时,间隔纱的密度较低,支撑作用下降,织物变得扁平,热量更容易透过织物,热防护性能随之下降,TPP测试结果和热阻曲线走向一致。

图6 三维间隔织物的TPP值Fig.6 TPP values of 3D spacer fabric with different spacer spans

2.6 间隔跨距对热稳定性的影响

在热稳定性测试中,织物经过高温处理后经向、纬向和高度方向的尺寸变化率都为0,说明三维间隔机织物受热前后的尺寸稳定性好,不会发生收缩或延展。间隔跨距为5、11、17、23根纬纱的织物质量变化率分别为0.29%、0.37%、0.36%、0.38%,这是由于水分以及杂质的蒸发,材料本身没有发生热分解。

3 结 论

本文以玄武岩纱线、聚酰亚胺纱线为原料设计并织造了4种不同间隔跨距的三维间隔机织物,并对其性能进行测试。三维间隔机织物具有良好的顶破性能、撕裂性能以及良好的阻燃隔热性能、热防护性能和热稳定性。当间隔跨距增加到17根纬纱时,三维间隔机织物的热阻达到最大,为59.15 ℃·m2/W,表明在稳定结构下,三维间隔机织物中间空气层能有效减缓热量传递,从而提高织物的隔热性能以及热防护性能,为热防护用三维间隔机织物的应用提供了一种可能性。