服用聚酰亚胺纤维织物的热学性能

杨 莉， 张艳艳， 杨 稳, 苏 瑞

(安徽工程大学 纺织服装学院， 安徽 芜湖 241000)

服用聚酰亚胺纤维织物的热学性能

杨 莉， 张艳艳， 杨 稳, 苏 瑞

(安徽工程大学 纺织服装学院， 安徽 芜湖 241000)

为研究聚酰亚胺纤维作为纺织服用纤维的热舒适性能，分别以聚酰亚胺纤维和聚酰亚胺针织物为研究对象，通过热重分析仪研究纤维的热力学特征，并对纤维的耐热性能进行测试，同时讨论织物结构对聚酰亚胺针织物阻燃性、保暖性及透气性能的影响。结果表明：可服用聚酰亚胺纤维有较好的耐热性能，在570 ℃左右开始发生热分解，在200 ℃下强度损失率较低，处理1.5 h后纤维强度仍可保持原纤维强度的80%左右；聚酰亚胺纤维织物有较好的阻燃性能，其极限氧指数均大于45%，且随织物面密度的增加，阻燃性增强；聚酰亚胺织物的保暖性受织物结构影响较大，对于结构稀松的织物，随透气量的增加保暖性不断下降，同时还受织物厚度的影响，在一定条件下，厚度对织物保暖性的影响起主导作用。

聚酰亚胺纤维织物； 热学性能； 保暖性能； 燃烧性能

聚酰亚胺纤维是指由聚酰胺酸或聚酰亚胺溶液纺制而成的在分子链上含有酰亚胺基团的一类芳杂环高分子聚合物，因其优良的耐热性能、耐低温性能、力学性能、耐腐蚀性能等特点被广泛应用于航天航空、过滤、阻燃、膜分离等工业领域[1]，但从未作为服用纤维原料用于纺织品中。长春高崎聚酰亚胺材料有限公司经过多年研究，开发出具有可服用性的聚酰亚胺纤维——轶纶95纤维[2]。

聚酰亚胺纤维因较好的耐热性可用于防火服材料的使用。而作为热防护性服装材料，除了应具有良好的阻燃性、热稳定性等外，还需要具备透气、透湿等热湿舒适性，但目前，关于可服用聚酰亚胺纤维的相关报道大都集中于其成纱、絮片、阻燃性等方面[3-5]，关于此纤维织物热舒适性的相关研究报道甚少，本文在分析可服用聚酰亚胺纤维热学性能的基础上，讨论不同针织结构对聚酰亚胺织物热舒适性的影响。

1 实验部分

1.1 材料及试样制备

实验材料：聚酰亚胺纤维，线密度为1.67 dtex，长度为38 mm，单纤维断裂强力为4.53 cN；聚酰亚胺纱线，线密度为18 tex，由北京金轮沃德科技有限公司提供；羊毛纤维纱线，18 tex，由山东如意集团提供。 试样制备：防火服除需具有较好的阻燃防火性外，还需具备隔热性，即隔离热环境中空气的热传导作用，防止人员被灼伤，同时还要保证汗液的有效散失[6]。而针织物的轻、暖、薄、透气性能好等特点可较好地满足上述条件，因此本文实验以聚酰亚胺针织物为研究对象，讨论不同针织结构对织物热舒适性的影响。织物厚度及内部静止空气含量是影响稳定环境下织物导热性能的重要因素。针织物是由线圈相互圈套而成的，其组织结构及其线圈大小直接影响到织物的厚度及静止空气含量，因此在过程中分别以织物结构和度目值为讨论因素。度目，也称弯纱，是表征线圈大小即弯纱深度的一种表现形式，是影响织物性能的重要指标之一[7]。纬平针组织是最常见的纬编单面针织物，具有较好的延展性；罗纹结构是由正面线圈与反面线圈以一定组合相间配置而成的双层织物，具有质地厚实、弹性大等特点，是保暖针织物中最为常用的组织结构。采用LXC-252SC型电脑横机(江苏金龙科技股份有限公司)织制不同组织结构的织物试样。为进一步分析聚酰亚胺纤维织物性能，制备了相同编织工艺的羊毛针织物，并对性能进行对比分析，具体编织工艺参数如表1所示。

1.2 性能测试

1.2.1 热质量损失测试

采用DTG-60H型微机差热天平(日本岛津公司)对纤维进行热重分析(TG)和差热分析(DTA)。

表1 试样织物编织工艺参数

用氮气做保护，样品从0 ℃加热到800 ℃，升温速率为10 ℃/min，流速为50 mL/min。

1.2.2 热力学测试

根据火场热流量强度和空气温度，国际上一般将火场环境分为3个等级，即常规、危险和危急状态，常规状态环境温度在60 ℃以下，危险状态温度指在60～300 ℃之间，危急状态温度在300～1 000 ℃范围内[8]，因此在采用马弗炉对聚酰亚胺纤维进行干热处理时，将处理温度分别定为200、400、500 ℃，处理时间为0.5、1、1.5 h，取出放置于干燥皿中冷却24 h，用YG001D型电子单纤维强力机测试处理后纤维的拉伸力学性能，测试根数为50，夹距距离为10 mm，拉伸速度为10 mm/min。

1.2.3 织物厚度测试

根据GB/T 3820—1997《纺织品和纺织制品厚度的测定》，采用YG141型织物厚度仪对织物厚度进行测试。选用压脚面积为100 mm2,施加压强为50 cN/cm2，每块试样选取10个不同位置进行测试，取其平均值。

1.2.4 阻燃性能测试

根据GB/T 5454—1997《纺织品 燃烧性能试验 氧指数法》，采用NR8819型数显氧指数测定仪测试织物的燃烧性能。取测试试样15块，试样尺寸为150 mm×58 mm，取其平均值。

1.2.5 保暖性能测试

根据GB/T 11048—2008《纺织品 生理舒适性 稳态条件下热阻和湿阻的测定》，采用YG606D型平板保温仪对试样的保温性能进行测试。取试样尺寸为30 cm×30 cm，循环5次，取其平均值。

1.2.6 透气性能测试

根据GB/T 5453—1997《纺织品 织物透气性的测定》，采用YG461D-1型数字式织物透气仪对织物透气性能进行测试。内外压差为100 Pa，测试面积为20 cm2，每块试样分别测试5个不同位置，取其平均值。

1.2.7 化学结构测试

采用IRPrestige-21型傅里叶变换红外光谱仪(日本岛津)测试经干热处理后的纤维化学结构。将纤维制成粉未，采用KBr压片法进行测试，扫描范围为4 500～0 cm-1。

2 结果与分析

表2示出聚酰亚胺针织物试样与羊毛针织物试样的性能指标。由表可知，在编织纱线线密度相同，编织工艺参数相同的情况下，聚酰亚胺针织物的面密度略大于羊毛织物，厚度基本相当。

表2 试样性能指标

2.1 热质量损失分析

图1示出聚酰亚胺纤维的热分析曲线图。由图1(a)可知，聚酰亚胺纤维有2个质量损失阶，第1质量损失阶发生在50 ℃附近，主要是由纤维中的水分和小分子物质溢出所引起的质量损失，损失率较小，仅为3.0%左右；第2失质量损失阶为聚酰亚胺纤维的主失重阶段，发生在587～671 ℃之间，这一阶段聚酰亚胺纤维质量损失明显，质量损失率急增，说明聚酰亚胺纤维开始分解和降解，有新的小分子物质和相对分子质量较低的可挥分性化合物产生。这一点也可通过聚酰亚胺纤维的DTA曲线(见图1(b))得到进一步的证实，曲线在50 ℃附近有1个小的吸热峰，而在570 ℃附近有较强放热峰。通过对聚酰亚胺的质量损失重分析可知，聚酰亚胺纤维有较好的耐热性，可满足作为防火服材料在危急状态环境中的使用需求。

图1 纤维的热分析曲线Fig.1 Thermal analysis of fibers

2.2 热力学性能分析

表3示出聚酰亚胺纤维经过200、400、500 ℃干热处理后的强伸性随时间的变化情况。

表3 热处理后纤维的强伸性

分析发现，低温处理对纤维强度影响不大，200 ℃ 条件下处理0.5 h后，纤维强度仅下降6.4%，处理1.5 h后，强度也可保持在原强度的80%左右。随着处理温度的升高，纤维强度受损情况明显。在400 ℃条件下处理0.5 h后，强度损失率为22.31%，而经500 ℃、0.5 h处理后纤维强度损失率达到了47.69%，近一半的强度损失。随处理时间的增加，纤维强度损伤情况加剧，在500 ℃条件下处理1.5 h后，纤维强度仅保留为原强度的不足30%。纤维的断裂伸长率随处理时间的增加不断减小。同样在低温情况下，断裂伸长率减小不明显，随处理温度的升高，断裂伸长率逐渐减小。当经过500 ℃，1.5 h处理后，纤维断裂伸长率仅为原纤维的21.7%，说明纤维经高温长时间处理后，不但强度下降明显，纤维形态稳定性也开始变差。

这一现象也可通过纤维处理前后的红外光谱图得到进一步证实。图2示出聚酰亚胺纤维经干热处理后的红外光谱图。

图2 聚酰亚胺纤维经干热处理前后的红外光谱图Fig.2 FT-IR spectra of polyimide fibers before and after heat treatment

2.3 透气性能分析

透气性能是评价织物穿着舒适性的重要性能指标，也是影响织物保暖性的重要指标。表4示出织物的透气性能指标。根据测试数据分析发现，在相同编结工艺参数相同情况下，纬平针织物透气性不及1+2罗纹和2+2罗纹织物，1+1罗纹织物的透气性最好。在相同组织结构情况下，织物透气性均随度目值的增加而增大。通过对织物的性能分析可知，随度目值的增加，织物的密度减小，线圈间空隙增大，导致透气量增加[9]，而1+1罗纹织物由于编织牵伸力较小，密度较小，且1+1罗纹结构属于隔针编织，沉降弧较长，导致织物结构稀松，透气性增强。而纬平针织物线圈间纱线屈曲空间较小，结构较紧密，所以透气量最小。

表4 织物试样透气性

2.4 保暖性能分析

保暖率和克罗值是评价织物热舒适性的常用指标。保暖率是指保持热体恒温时所需要的能量；克罗值是表征热阻和隔热性的定量指标，是指静坐或从事轻度劳动者其代谢作用产生热量约为210 kJ/(m2·h)，在室温为20～21 ℃，相对湿度小于50%，风速不超过0.1 m/s的环境中感觉舒适，可将皮肤平均温度维持在33 ℃左右时，所穿服装的隔热值定义为1 clo[10]。

表5示出试样织物的保暖性指标。由表可知，在相同组织规格的条件下，聚酰亚胺针织物保暖性明显优于羊毛针织物，且通过克罗值的比较，聚酰亚胺织物隔热性也明显优于羊毛织物，即聚酰亚胺织物具有更强的保暖性和隔热性。同时，通过测试数据可知，2种原料的织物都是1+1罗纹织物的保暖性最差，且随度目值的增大而减小；而纬平针织物保暖性随度目值的增大而增强。在相同度目值情况下，2+2罗纹织物的保暖性最好。分析其原因，织物的保暖性受其厚度和透气性的双重影响。一般情况下，织物的厚度增加，保暖性增加，透气性增强，保暖性下降，二者之间存在相互制衡关系。对于纬平针织物，在一定度目值情况下，厚度的影响大于透气性对保暖性的影响，随着厚度的增加，保暖性增强，当度目值超过一定范围，即织物的透气性增大速度大于厚度时，保暖性开始下降[7]。而1+1罗纹织物由于随着度目的增加厚度不断变薄，透气性也不断增强，导致保暖性不断下降；而1+2罗纹织物和2+2罗纹织物虽然透气率大于纬平针织物，但其厚度远大于纬平针织物，因此保暖性较好。

表5 织物试样保暖性指标

2.5 阻燃性分析

表6示出为聚酰亚胺织物的极限氧指数。通过测试发现，聚酰亚胺织物具有优良的阻燃性，极限氧指数均大于45%，远远大于阻燃纺织品的国标要求。且从测试数据也可发现，织物的面密度越大，织物的阻燃性越好，度目值对织物的阻燃性影响不大。

表6 织物试样极限氧指数

3 结 论

1)可服用聚酰亚胺纤维具有较好耐热性能，在570 ℃左右纤维才开始发生热分解现象。可服用的聚酰亚胺纤维在低温条件下强度损失率较低，当温度超过400 ℃后纤维的强度损失率增大。

2)可服用聚酰亚胺纤维织物具有较强的阻燃性能，且阻燃性能受织物面密度的影响较大，受度目影响较小。

3)可服用聚酰亚胺纤维针织物的透气性受织物组织、弯纱深度及牵拉张力影响较大。弯纱深度增大，线圈间孔隙增大，透气性能增强。

4)可服用聚酰亚胺纤维针织物具有较好的保暖性能和隔热性能，但受织物结构影响较大，对于单一线圈结构组织，随着织物厚度的增加保暖性增强，对于结构稀疏织物，随着透气性能的增加保暖性下降。

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Thermal properties of polyimide fiber fabrics for textiles

YANG Li， ZHANG Yanyan， YANG Wen， SU Rui

(DepartmentofTextilesandApparel,AnhuiPolytechnicUniversity,Wuhu,Anhui241000,China)

In order to study the thermal properties of polyimide fibers as textile fibers, polyimide fibers and polyimide knitted fabric were used as the research object. TG and DTA were used to analyze the thermodynamic properties of polyimide fibers, and the heat resistance of the fibers were tested; at the same time,the influence of the fabric structure on the flame retardancy, warmth retention properties and air permeability of polyimide fabrics was discussed. The results show that polyimide fibers have good heat resistance, began to thermally decompose at about 570 ℃ and has lower strength loss rate at 200 ℃, and the strength of the fiber can still maintain at 80% of that of original fiber after treatment for 1.5 h. Polyimide fiber fabrics have better flame retardancy and the limit oxygen index greater than 45%, and the flame retardancy is enhanced with the increase of the surface density of the fabrics; and the warmth retention properties of the polyimide fabrics are greatly influenced by the fabric structure, for structure loose fabrics, the warmth retention decreases with the increase of gas permeability, it is also influenced by the fabric thickness, and under certain conditions, the fabric thickness plays a leading role in the warm retention properties.

polyimide fiber fabric; thermal property; warmth retention; combustion behavior

10.13475/j.fzxb.20160801206

2016-08-05

2017-03-20

安徽省高等教育提升计划项目(TSKJ2014B21)；安徽省级大学生创新创业训练计划项目(AH201410363201)

杨莉(1978—)，女，副教授，硕士。主要从事新型纺织材料及复合材料的研究。E-mail:tianmaxingyang@sohu.com。

TS 184

A