光热复合老化对消防服用织物性能的影响*

马春杰 丁作伟 崔志英 于伟东

1. 东华大学服装·艺术设计学院，上海 200051；2. 东华大学纺织学院，上海 201620



光热复合老化对消防服用织物性能的影响*

马春杰1丁作伟2崔志英1于伟东2

1. 东华大学服装·艺术设计学院，上海 200051；2. 东华大学纺织学院，上海 201620

选择常用的消防服用织物进行光热复合老化试验，测试织物的表面色差、物理力学性能和热防护性能(TPP值)。结果表明：光、热单独作用及复合作用过程中，织物表面色差呈增大趋势，热老化对织物颜色的影响显著(P<0.01)；光、热的交互作用对织物的面密度影响最显著(P=0.039)；撕破强力和断裂强力保持率随着光照时间和热辐射时间的增加而减小，其中，光、热先后作用30 min复合老化后，织物的纬向撕破强力低于标准值100 N；光、热单独作用对织物强力保持率影响显著(P<0.05)，而光、热交互作用对撕破强力保持率影响显著(P<0.05)；外层织物的TPP值随着光照时间及热辐射时间的增加而增大，其中，光、热先后老化30 min时，PBI织物的热防护性能最好，光、热交互作用对外层和组合织物的TPP值均有显著影响(P=0)。

消防服，光热复合老化，表面色差，物理力学性能，热防护性能

消防服在实际使用中不可避免地会遭受热(如热辐射、热对流)、光(如红外光、紫外光、太阳光)等许多环境因素的影响。目前，国内外对热环境或日晒条件下消防服及其织物性能的研究比较充分[1-4]，而对光热复合作用条件下的研究相对较少，而且仅是针对高性能纤维的研究。刘晓艳[5]、蔡光明[6]对光热作用下Kevlar、 Kermel、 PBO三种高性能纤维进行了研究。刘君杰[7]通过对光热老化机理的深入分析，认为光热同时作用会使芳纶纱线及其织物的力学性能下降更为明显，且加快了其老化速度，说明光热复合对纤维存在交互作用。本文以常用的消防服用织物为对象，研究光热复合作用下织物的表观性能、力学性能及热防护性能，对比分析不同作用形式对织物的老化强弱，以进一步探讨更为复杂的环境下消防服性能的变化，为消防服使用过程中的性能评价和寿命预测提供参考，从而更好地保护消防员的人身安全。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

消防服通常由四层织物构成，分别为外层、透气层、隔热层及舒适层。本文选用四种外层试样：A1为藏青色Nomex ⅢA[构成为Nomex/Kevlar/P140(93/5/2)]、A2为土黄色PBI[构成为Kevlar/PBI/P140(58/40/2)]、A3为橙红色国产芳纶[构成为国产芳纶1313/Kevlar/P140(93/5/2)]、A4为暗橙色Nomex ⅢA[构成为Nomex/Kevlar/P140(93/5/2)]；透气层B、隔热层C及舒适层D分别为聚四氟乙烯(PTFE)膜、隔热毡和阻燃黏胶。

1.2 试验方法

1.2.1 光热老化测量装置与方法

依据太阳光基本理论及ISO 105 B02—1994《纺织品 色牢度试验》等标准，采用氙灯作为模拟日光光源，其功率为1500 W；滤光系统选用紫外延展滤光器，长×宽×厚为350 mm×90 mm×5 mm， 波长截止点为275 nm，其允许透过比地球表面太阳光的波长截止点290 nm更短的紫外线。依据NFPA 1971 Standard on Protective Ensemble for Structural Fire Fighting 及ISO 17492—2003《隔热和防热服 暴露于火和辐射热时防护服的热传递的测定》等标准，采用远红外乳白石英加热管模拟热源，其外径为10 mm，长为350 mm，功率为300 W/根，共9根。采用JTR09型高温辐射热计标定光强度和热辐射强度，UV-340A型紫外辐照计标定光辐照度控制点，保证在300～420 nm段控制范围的辐射量不小于42 W/m2。织物光老化仪和热老化仪如图1所示。

图1 织物光、热老化仪示意图

本文设计先光照后热辐射的老化试验，模拟日光老化的辐照强度为(5.40±0.27) kW/m2，热辐射的热流强度为(5.40±0.27) kW/m2。光热老化的组合方案如表1所示。

表1 光热复合老化试验的组合方案

注：“√”表示有组合，“×”表示无组合。

通过预试验发现，热辐射30 min 时，各试样的纬向撕破强力和断裂强力均低于标准值，已无法正常使用，若继续热辐射更长时间，试样的机械强力将远低于标准值，对试验研究失去意义。而光老化30 min 时，各试样的机械强力尚可，所以将光照时间设为0、 15、 30、 45、 60 min， 热辐射时间设为0、 15、 30 min。

1.2.2 其他测试方法与仪器

1.2.2.1 织物表面色彩的测试

CIELAB颜色空间是国际照明委员会CIE制定的一种均匀的颜色系统，对于任何一种颜色都能在CIELAB色空间中表示出来。其中，L是光亮度，取值范围为0(黑色)～100(白色)；a和b表示色坐标(其中a代表红绿轴，b代表黄蓝轴)，它们的取值范围为-128～127。获取Lab值的前提是测得样品的三刺激值(X、Y、Z)及色度坐标(x、y、z)。三刺激值计算公式如下：

(1)

式中：I(λ)——光源经物体反射进入人眼的光谱能量分布；

λ——光谱波长；

k——归化系数[8]。

色度坐标公式如下：

(2)

三刺激值与色度坐标转化过程的计算比较复杂，本文采用的方法：①采用岛津UV-3600型分光光度计对样品进行光谱测量；②通过MATLAB软件编程[9]，利用load函数导入标准光源数据、样品的光谱功率分布数据(光反射率)及CIE标准D65光源的三刺激值；③编写wlen、interp和ccolor三个功能函数,获取样品光谱功率的三刺激值和色度坐标；④编写空间转换函数xyz2lab，计算样品的Lab值。图2是各外层试样表面颜色的光谱曲线，表2是测得的色彩信息。

图2 D65光源下外层试样颜色的光谱曲线

表2 外层试样表面颜色信息

1.2.2.2 织物性能测试

采用Y 511型织物密度镜、YG(B) 141D型数字式织物厚度仪、织物电子天平、YG 46lE型电脑式透气性测试仪及美国Instron 3365型万能材料试验机，分别测试织物的经纬纱线密度、厚度、面密度、透气性、断裂强力和撕破强力；采用美国CSI-206 型热防护性能测试仪测试织物的热防护性能(TPP值)。

2 试验结果与分析

2.1 光热复合老化对织物表面性能的影响

图3反映了光热老化后织物表面的变化。从图中可以看出：光、热单独作用过程中，织物表面颜色变暗，手感变硬、毛糙，并有炭化现象，且在热辐射30 min 时织物的颜色比光照30 min时稍暗；光、热先后各作用30 min后，织物的颜色比光、热单独作用30 min及光老化60 min时都要暗，炭化现象更为明显。表3是光热复合老化后织物表面的色差值，从表中可看出，光、热单独作用过程中，各试样表面色差值均呈上升趋势，经SPSS分析[10]得，光、热单独作用时间对织物色差值影响显著(F检验时均有P<0.01)。光热复合老化过程中，各试样表面色差值整体均呈上升趋势，且光、热先后各作用30 min后色差变化显著，此作用下各试样的色差值由大到小为A3(26.03)>A2(25.47)>A4(21.03)>A1(6.72)。一般情况下，织物的颜色与所用染料浓度呈正相关[11]，且偏黄色的染料吸收偏蓝紫的光。染色织物光老化后褪色甚至炭化的原因是，光优先致使染料聚合物发生氧化降解，经过一定时间后(色素基本不再分解)，再进入纤维层发生光化学反应。在聚合物光降解的过程中不可避免地产生热的作用，光氧化反应引发速率高，热氧化经过光的诱导和自催化后伴随着光氧化发生[5]，所以土黄色织物(A2)的色差值远大于藏青色织物(A1)；又由于国产芳纶的耐热性和耐光性比Nomex和PBI差，所以A3的色差值最大。

图3 光热老化后织物的外观形态

有关研究[12]表明，在5.42 kW/m2的光辐照度下，芳纶织物和NomexⅢA织物光照约12 min后色素分解基本稳定，后期的色变主要原因是纤维发生光氧降解和热氧降解致使织物炭化。但是光老化产生的热效应远不及热辐射的热效应，织物经受热辐射的表面温度要高于光照时的温度，从图4的光、热单独作用下织物的表面温度变化(以A1和A2为例)可得以验证。所以，相同作用时间下，不同老化形式对芳香族聚酰胺纤维织物(A1、 A3和A4)老化程度中，热老化对织物性能的损伤最大，其次是光热复合老化和光老化。而PBI织物由于其组分PBI纤维的耐热性非常好，织物表面受损的主导因素是光的作用，所以其在经过光热复合老化30 min之前遵循的规律：光老化>光热复合老化>热老化，光热复合老化时间超过30 min，以及更长的老化时间后，遵循的规律与芳香族聚酰胺纤维织物相同。

表3 光热复合老化后织物表面色差值

图4 光、热单独作用下A1和A2的表面温度

2.2 光热复合老化对织物物理性能的影响

表4为光热老化后织物的基本物理参数。从表4中可以看出，光、热单独老化过程中，织物厚度整体均呈增大趋势。经SPSS分析可得，光、热老化时间对厚度影响显著(P分别为0.001、 0)；光老化时间对面密度、透气率及经纬密度影响不显著(P>0.05)，而热老化时间对面密度影响显著(P=0.027)。热老化过程中面密度的增大说明织物发生了热收缩，使得单位面积空隙变小，而热老化过程中织物经纬密度的增大和透气率的下降与这一解释相符。光热复合老化过程中，光热的交互作用对面密度影响最显著(P=0.039)。 从表4中还可看出，相同作用时间下，不同老化形式对A1、 A3、 A4的破坏程度为热老化>光热复合老化>光老化。以A1为例，热辐射30 min、光照15 min+ 热辐射15 min及光照30 min 后，A1的面密度分别为212.80、 213.19、 204.12 g/m2。而A2因含有经黄色染料染色的PBI纤维，其光热老化过程与其他织物有差异，老化30 min 前，A2表现为对光更敏感，光老化的破坏更大，30 min 后的情况则与A1相似，且这一规律与色差变化的规律相一致。

表4 光热复合老化后织物物理参数

图5和图6分别为织物光热老化后的撕破强力保持率和断裂强力保持率。从图5可看出，光热老化过程中，织物的撕破强力保持率随着光照时间及热辐射时间的增加而减小，其中热辐射15 min时，经纬向撕破强力保持率下降最明显，最大变化率为44.78%(A3经过单独热辐射15 min时，经向撕破强力保持率为55.22%)。其原因是热老化15 min时，A1～A4表面温度(分别为297、 283、 277、 269 ℃)已达到Nomex和国产芳纶1313纤维的玻璃化温度(约270 ℃)，在这一温度下试样内部的分子链段获得了足够的运动能量和空间后形成了比较稳定的分子间键，使得纤维内部局部的折叠链和孔洞增大，因而纤维的撕破强力大幅下降。光、热先后各作用30 min 后，各试样撕破强力及强力保持率下降显著，其中A3的经向撕破强力保持率仅为49.91%，而各试样的纬向撕破强力均低于100 N。从图6可以看出，光热老化过程中，织物的断裂强力保持率随着光照时间及热辐射时间的增加而减小。其中光、热先后作用30 min后，各试样的断裂强力及强力保持率变化显著，其中最小的是A4，纬向断裂强力及强力保持率分别为629.52 N、 89.33%，其他试样的经纬向断裂强力均高于650 N。由此说明，光热复合老化60 min (光照30 min+热辐射30 min)后，A4的断裂强力已不符合标准，不能再继续使用；而其他试样的纬向撕破强力低于标准值，虽然断裂强力仍符合标准，但耐久性较差。经SPSS分析可得，光、热老化时间对织物的经纬向撕破强力保持率影响显著(P=0)，光、热老化时间对织物的经纬向断裂强力保持率影响显著(P<0.05)，而光、热的交互作用只对撕破强力保持率影响显著(经向P=0.018，纬向P=0.02)。

图5 光热复合作用下织物的撕破强力保持率

图6 光热复合作用下织物的断裂强力保持率

表5是相同时间不同老化形式下织物经向撕破强力的比较。从表5中可看出，老化30 min前，除了A2，其他试样经过相同时间不同老化形式的作用后，经向撕破强力由大到小依次为光老化>光热复合老化>热老化。以A1为例，光照30 min、光热复合(光照15 min+热辐射15 min)及热辐射30 min后，A1的经向撕破强力分别为181.20、 180.22、 179.91 N，与老化45及60 min的情况相同。而老化30 min前，A2的经向撕破强力与其他织物有差异，但随着时间的增加，热效应变为老化的主因，撕破强力的变化规律与A1相同，其原因与色差和面密度变化的解释一致，可认为色差变大、面密度变大的趋势与经向撕破强力变小的趋势相对应。相同老化时间不同老化形式下，各试样的纬向撕破强力及经纬向断裂强力的大小顺序与经向撕破强力的规律相同。

表5 相同时间不同老化形式下织物的经向撕破强力

2.3 光热复合老化对织物热防护性能的影响

图7为光热复合老化后外层织物和多层组合织物的TPP值。从图中可看出，外层织物的TPP值随着光照时间及热辐射时间的增加而增大，其中光、热先后老化30 min时，各试样TPP值变化明显，A1～A4的TPP值增量分别为1.7、 1.7、 1.6、 1.3 cal/cm2。TPP值增加的原因是织物受光热作用发生热收缩，使得厚度增大，加上炭化效应，从而在表面形成一道保护屏障，使得其热防护性能更好。光热老化过程中，组合织物的TPP值变化与外层织物相似，整体呈变大趋势，且光、热先后各作用30 min 后，A2的TPP值及增加值最大，分别为34.7 和3.2 cal/cm2。由SPSS分析可得，光老化时间对外层织物的TPP值影响不显著，对组合织物的TPP值影响显著(P=0.026)；热老化时间对外层和组合织物的TPP值影响均显著(外层P=0，组合P=0.007)；光、热的交互作用对外层和组合织物的TPP值均影响显著(P均为0)。

图7 光热复合作用下织物的TPP值

表6是相同时间不同老化形式下外层织物的TPP值比较。从表6可看出，除了A2，其他试样经过相同时间不同老化形式的作用后，TPP值由大到小依次为热老化>光热复合老化>光老化。以A1为例，热辐射30 min，光、热先后各作用15 min及光照30 min后，A1的TPP值分别为9.7、 9.6、 8.4 cal/cm2， 与老化45及60 min的情况相同。而老化30 min前A2的TPP值的变化规律与其他试样有差异，但随着时间的增加，热效应变为老化的主因，TPP值的变化规律与A1相同，其原因与色差和面密度变化的解释一致，可认为色差变大、面密度变大的趋势与外层织物热防护性能变好的趋势相对应。相同老化时间不同老化形式下，组合织物的TPP值的变化规律与外层织物相同。

表6 相同时间不同老化形式下外层织物TPP值的比较

3 结语

本文对消防服常用外层织物进行了光热复合老化试验。通过试验得到，光、热单独作用及复合作用过程中，各试样表面色差值均呈上升趋势；经SPSS分析得到，光、热老化时间对织物色差值影响显著(P<0.01)，且光、热先后各作用30 min后色差变化显著，色差值最大为26.03(国产芳纶)。

光热老化过程中，光、热的交互作用对面密度影响最显著(P=0.039)。织物的撕破强力和断裂强力保持率随着光照时间及热辐射时间的增加而减小。光、热先后各作用30 min后，国产芳纶的经向撕破强力保持率仅为49.91%，且各试样的纬向撕破强力均低于100 N。光、热单独作用对织物断裂强力保持率影响显著(P<0.05)，而光热交互作用只对撕破强力保持率影响显著。

外层织物的TPP值随着光照时间及热辐射时间的增加而增大。光、热先后各作用30 min后，PBI织物的热防护性能最好，光热交互作用对外层和组合织物的TPP值均影响显著(P=0)。

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防治雾霾 人人有责

绿色生活 人人共享

Effects of light and heat on the performance of the fabrics for fire suit

MaChunjie1，DingZuowei2，CuiZhiying1，YuWeidong2

1. College of Fashion and Art Design, Donghua University, Shanghai 200051, China;2. College of Textiles, Donghua University, Shanghai 201620, China

Fabrics commonly used for fire suit were exposed to light and heat. The surface color difference, physical and mechanical performance and thermal protective performance(TPP) of the fabrics were evaluated in laboratory. The results revealed that color difference increased as fabric was exposed to either light or heat or both, and the effect of heat aging on color was significant (P<0.01). The gram weight of the fabric was greatly affected by the interaction between light and heat (P=0.039). With the increase of exposure time and heat radiation time, both tearing strength and breaking strength decreased, and weft tearing strength was under standard value (100 N) after 30 min of light and heat aging in order. Either light or heat had great influence on the reduction ratio of fabric strength (P<0.05), and interaction had great influence on the reduction ratio of tearing strength (P<0.05). TPP value of the outer fabric increased with the increase of light and heat time, and thermal protective performance of PBI fabric was the best after 30 min of light and heat aging in order. TPP value of the outer or combination fabric was significantly affected by the interaction of light and heat (P=0).

fire suit, light and heat aging, color difference, physical and mechanical performance, thermal protective performance

*国家自然科学基金项目(51303023)

2014-09-16

马春杰，女，1989年生，在读硕士研究生，研究方向为服装舒适性与功能性

崔志英，E-mail:cuizy@dhu.edu.cn

TS941.731

A

1004-7093(2016)02-0018-08