织物结构对间位芳纶织物阻燃性能的影响

逯凯美，董晓宁

(西安工程大学 纺织科学与工程学院，陕西西安 710048)

间位芳纶在空气中不燃烧，遇火自熄，极限氧指数大于28，有着“防火纤维”的美称[1]，因其优异的阻燃耐热性能，广泛应用于个体防护和特殊工业领域[2]。但由于间位芳纶分子的定向程度和结晶度较高，表面光滑，表面能低，亲水性较差，使得芳纶织物的舒适性受到影响[3]。

目前，就织物结构对芳纶阻燃性的影响，研究者采取了一系列的方法进行研究。刘维等[4]以间位芳纶与阻燃粘胶混纺纱织制不同规格的针织物，结果表明组织对阻燃性影响不明显，而密度与炭化长度呈显著负相关性，织物密度越大，阻燃性能越好；织物组织对极限氧指数影响不大，密度对极限氧指数有影响，且随着密度增大，氧指数增加。目前，对芳纶织物结构参数与阻燃性之间的影响关系有了一些研究，但对于纯间位芳纶的组织结构研究很少。颜梦佳等[5]应用灰色关联度分析法探究织造的15种Nomex®ⅢA 织物的结构参数对阻燃性影响程度，发现覆盖系数对Nomex®ⅢA 织物阻燃性能影响最显著；其次为厚度、单位面积质量；再是单位体积质量；织物组织对织物阻燃性能影响最小。为了探究织物组织结构对间位芳纶阻燃性的影响，运用正交设计实验，对间位芳纶的组织、密度、紧度等结构参数及阻燃性之间的关系进行科学分析。

1 实验

1.1 实验材料

三种间位芳纶双股线(上海圣欧同安防护用品开发有限公司)，规格分别为14.8tex×2、19.7tex×2、29.5tex×2。

1.2 实验仪器

YG141D型数字式织物厚度仪(宁波纺织仪器厂)；JT5003A电子天平(余姚市金诺天平仪器有限公司)；AUTO-SP01型垂直燃烧试验仪(深圳奥德赛创精密仪器有限公司)；钢尺；剪刀等。

1.3 织物规格设计

以纱线线密度划分，织物分为A(14.8tex×2)、B(19.7tex×2)、C(29.5tex×2)三个系列。纬向紧度均设为45%，A、B、C系列对应的纬密分别为223根/10cm、194根/10cm、158根/10cm。文中缎纹均指经面缎纹。根据组织结构、经向紧度、经纱密度的不同制织36块规格不同的间位芳纶织物如表1所示。

表1 织物结构参数

2 测试结果与分析

A系列织物性能测试结果如表2所示。

表2 A系列织物性能测试结果

B系列织物性能测试结果如表3所示。

表3 B系列织物性能测试结果

C系列织物性能测试结果如表4所示。

表4 C系列织物性能测试结果

从表2～4可看出：

(1)所有织物均满足续燃时间小于5s，阴燃时间小于5s，损毁长度小于150mm，达到了GB/T17591-2006《阻燃织物》中B1级水平。织物燃烧时有收缩，表面炭化无熔滴。织物的阻燃性能优异，这是由芳纶自身优异的阻燃耐高温性能决定的。

(2)整体而言，织物的续燃时间、阴燃时间以及损毁长度随着纱线线密度、织物紧度、平方米克重的增大而逐渐减小。因为随着紧度、平方米质量的增加，织物结构越来越紧密，纱线间空隙变小，所接触到的空气变少，减缓了织物的燃烧。

(3)缎纹织物燃烧时收缩程度最大，燃烧后的部位织物团缩在一起，有外力作用时不容易被撕裂。平纹织物交织次数多，纱线紧密，但织物较薄，碳化部位脆，容易被撕裂。从损毁长度可看出，缎纹织物的阻燃性优于平纹和斜纹织物。

(4)C系列织物的纱线较粗，织物表面毛羽相对较多，形成团状。当火源移开后，火源燃烧部位迅速熄灭，不再续燃和阴燃，织物表面毛羽会继续燃烧，但毛羽燃烧后的部位，与火源燃烧部位相比，表面几乎无损伤。这种燃烧的效果类似于织物烧毛处理，不会对织物的使用造成影响。

3 正交实验

3.1 方案设计

从表2～4中，可得出织物阻燃性与织物紧度、纱线线密度及织物组织间的整体趋势，但无法判断三个因素的影响大小及程度。因此，采用正交实验设计对试验方案的结果进行统计分析，得出较优方案，分析各试验因素对试验结果影响的重要程度[6]。实际中X、Z因素没有第四水平，采用拟水平法[7-8]，将较好的第三水平重复以代替第四水平。因素水平表如表5所示，正交试验方案如表6所示。

表5 因素水平表

表6 正交试验方案

3.2 试验结果分析

3.2.1 方差分析

为确定或否定某些因素或交互作用的重要性或显著性，对试验结果进行方差分析[9]。方差分析表如表7所示。

表7 方差分析表

(注：纬向续燃时间因素J的离差平方和归入误差项；显著为*，极显著为**。)

从表7中可看出，对于给定的显著水平α=0.1，织物紧度对于续燃时间的影响不明显，而纱线线密度和织物组织的影响则较大；织物紧度、纱线线密度及织物组织对于阴燃时间有显著影响；织物紧度、纱线线密度及织物组织对于损毁长度有显著影响。

3.2.2 直观分析

通过方差分析可得出三个因素对织物阻燃性有显著影响，但无法判断其主次顺序和各个指标对应的优方案，因此采用直观分析[10]来得到进一步的结论。直观分析表如表8所示。

织物续燃时间、阴燃时间及损毁长度值越小，织物的阻燃性越好，因此在确定各因素优水平时应取k值小的水平。

表8 直观分析表

(注：由于数据较大，计算复杂，所以损毁长度计算时以(损毁长度-30)计算。)

从表8中可看出：对于经纬向的各个单一指标来说，可明显看出各个指标对应的优方案，但试验中影响织物阻燃性能的因素主次顺序各不相同，应将所有性能结合起来综合评价其优劣。

4 综合平衡分析

4.1 经向阻燃优水平分析

将方差分析与直观分析的结果结合起来，间位芳纶织物经向阻燃性能优方案为J3X3Z3，即纱线线密度为29.5tex×2，织物密度为299×158根/10cm的8/3经面缎纹织物的经向阻燃性能最好。具体平衡过程如下：

(1)紧度：紧度为阴燃时间的主要影响因素，且影响非常显著，在确定优水平时应重点考虑，而从极差分析中可得到三种方案的紧度均为3水平。根据多数倾向原则和紧度对不同指标的重要程度，选J3。

(2)线密度：三种方案中，X3出现两次，线密度对于损毁长度这一指标为主要影响因素且影响非常显著，此时线密度为3水平；根据实际织造过程中的情况，纱线较粗时整经、穿经都比较容易，因此取X3。

(3)组织：三种方案中，Z3出现两次，对于续燃时间这一指标，因素Z为主要影响因素，此时因素Z为3水平。因此选Z3。

4.2 纬向阻燃优水平分析

将直观分析和方差分析结合起来对织物纬向阻燃性能做综合评价，可得到优方案为J3X3Z3，即纱线线密度为29.5tex×2，经纬密为299×158根/10cm的8/3经面缎纹织物的纬向阻燃性能最好。具体平衡过程如下：

(1)紧度：三种方案中，紧度取3水平的次数最多，紧度是损毁长度的主要影响因素且影响非常显著，而此时紧度的最优选择为3水平。因此取J3。

(2)线密度：三个方案中，X3出现两次，线密度是阴燃时间的主要影响因素且影响非常显著，在确定优水平时应该重点考虑，而此时线密度为3水平；实际织造过程中X3情况下织造最容易。综上选X3。

(3)组织：三个方案中，Z3出现次数最多，对于续燃时间这一指标，组织为主要影响因素且影响非常显著，此时组织为3水平。最终确定因素Z选3水平。

织物经向阻燃性与纬向阻燃性综合考虑的结果均为J3X3Z3是优方案，因此可得出试验所织的36种织物中，阻燃性能最好的织物规格为纱线线密度29.5tex×2，织物密度299×158根/10cm，8/3经面缎纹。

5 结论

(1)36种规格的间位芳纶织物均满足续燃时间小于5s，阴燃时间小于5s，损毁长度小于150mm，达到了GB/T17591-2006《阻燃织物》中B1级水平，所制织的间位芳纶织物具有优异的阻燃性能。

(2)阻燃性最优的间位芳纶织物是C43织物，其结构参数为纱线线密度29.5tex×2，经纬密299×158根/10cm，8/3经面缎纹。

(3)随着紧度的增加，纱线线密度的增大，织物续燃时间、阴燃时间及损毁长度会出现逐渐减小的趋势；随着织物平方米质量的增加，织物的阻燃性有逐渐增强的趋势。

(4)织物紧度、纱线线密度及织物组织对于间位芳纶织物的阻燃性均有显著性影响。整体而言，织物组织的变化对于织物阻燃性的影响最大，纱线线密度的影响居中，织物紧度的影响在三者中最小。