聚酰亚胺与其他常用消防服阻燃材料的性能对比

沈德垚，侯东昱

(1.河北科技大学 纺织服装学院，河北 石家庄 050000； 2.河北省纺织服装工程技术研究中心，河北 石家庄 050000)

随着火场环境的日益复杂，消防官兵在火场救援作业中受到灼伤及高温伤害的威胁更加严重，消防服作为保护消防官兵安全的特种装备，其阻燃及防护效果主要由材料性能决定，国内外学者在传统消防服材料方面均做了充分的研究。李小辉等[1]对防火服织物的服用热防护性能评价方法进行了总结分析，针对当前国内外缺少有效评价服装热防护性能通用量化指标的现状，提出了基于织物热防护性能(TPP)及燃烧假人烧伤评估方法共同评价不同防护服热防护性能的差异。王肖杰等[2]以聚酰亚胺纤维为原料开发新型灭火防护服外层面料，通过对其进行热学性能及力学性能测试分析，得出聚酰亚胺纤维制成的新型防护面料具有优异的热防护性能及热稳定性能，拉伸断裂性能较好但撕裂性能不佳的结论。付立凡等[3]开发了3种应用于消防服的聚酰亚胺织物，并介绍了其结构及性能，测量了聚酰亚胺面料的克罗值和阻燃性能。本文通过对聚酰亚胺和3种常用消防服阻燃材料的纤维和面料进行性能对比分析，探究了聚酰亚胺相较于现有阻燃纤维的优越性，结合消防服的优化进行分析研究。

1 聚酰亚胺纤维结构及性能

聚酰亚胺纤维是分子主链上含有酰亚胺环的一种有机纤维。聚酰亚胺分子式见图1。

图1 聚酰亚胺分子式

聚酰亚胺纤维是一种聚酰亚胺高性能聚合物材料，具有极高的阻燃隔热性能及高温稳定性。轶纶95纤维是我国国产聚酰亚胺纤维，是永久性本体阻燃纤维[4]。聚酰亚胺的综合性能在高性能纤维中非常出色，最高耐温达 400 ℃以上，在-200～300 ℃的环境下长期使用不会改变性能，无明显熔点，具有很高的绝缘性能，在103 Hz下介电常数为4.0，介电损耗仅为0.004～0.007，属F至H级绝缘材料。具有极好的耐高、低温性能，兼具优异的力学、绝缘、阻燃、耐辐照、耐候性能，可广泛应用于航空航天、浮空器、特种防护、阻燃隔热等多种领域。聚酰亚胺纤维极限氧指数极高，属离火自熄纤维，高温环境下无熔滴现象，明火燃烧后仅褪色且燃烧过程中不产生有毒物质，可保证织物在高、低温环境下均具有优良的力学性能和尺寸稳定性。

2 试验部分

2.1 试验材料与仪器

材料：聚酰亚胺纤维、芳纶1313纤维、芳纶1414纤维、PBI(聚苯并咪唑)纤维，芳纶1313阻燃面料(98%芳纶1313、2%导电纤维)、芳纶3A面料(93%芳纶1313、5%芳纶1414、2%导电纤维)、PBI面料(40%PBI纤维、58%芳纶1414、2%导电纤维)、聚酰亚胺面料(98%聚酰亚胺、2%导电纤维)，试验材料由北京金轮亿德科技有限公司及沈阳普力防护科技有限公司提供。

仪器：YG020型单纱强力机(常州中纤仪器有限公司)，JF-5全自动极限氧指数测试仪(北京中航时代仪器设备有限公司)，DSC差示扫描量热仪(东莞高升电子精密科技有限公司)、XH-I型纤维热收缩测试仪(上海新纤仪器有限公司)、DSSN-9000 氙灯耐气候试验箱(厦门东仕检测设备有限公司)、CZF-3型水平垂直燃烧试验机(北京中航时代仪器设备有限公司)、热防护性能测试仪RFH-I(陕西元丰纺织技术研究有限公司)、YG026B电子织物强力仪(常州中纤仪器有限公司)。

2.2 测试方法

2.2.1 纤维断裂强力和断裂伸长率测试

参照GB/T 14344—2008《化学纤维 长丝拉伸性能试验方法》，使用YG020型单纱强力机对4种纤维的断裂强力和断裂伸长率进行测试。在试验前先进行调湿预处理，将试验材料置于环境温度20 ℃，相对湿度为65%的条件下24 h平衡调温，然后用镊子随机夹取试样，在设置好的预加张力下，将纤维按照先上后下的顺序放入夹持器，检查夹持稳定后摁下电源按钮开始试验。试验时注意保持待测纤维位于上下夹持器的中间位置而不发生滑落，通过仪器施加张力拉伸纤维，在纤维完全断裂时记录所需数据。每类纤维重复试验50次，取均值得出断裂强力、断裂长度，并计算断裂伸长率。

2.2.2 纤维极限氧指数测试

参照GB/T 5454—1997《纺织品 燃烧性能试验 氧指数法》，采用JF-5全自动极限氧指数测试仪对4种纤维进行燃烧性能测试，采用试样夹夹取试样并使其垂直于燃烧筒内，在向上流动的氧氮气流中，观察其燃烧特性，通过对试样在不同氧浓度中燃烧表现，读取维持燃烧所需的最低氧气百分含量，以体积分数表示燃烧所需的极限氧指数。

2.2.3 纤维热分解温度测试

参照GB/T 37631—2019《化学纤维 热分解温度试验方法》，采用DSC差示扫描量热仪对4种纤维进行热分解温度测试，取0.5 g纤维试样，用剪刀剪碎放入坩埚，设置吹扫流速100 mL/min、升温速率15 ℃/min、起始温度50 ℃、终止温度800 ℃进行测试，通过质量分数变化量与温度(TC曲线)读出热重数据，得到其分解温度。

2.2.4 纤维干热收缩温度和收缩率测试

参照GB/T 6505—2017《化学纤维 长丝热收缩率试验方法(处理后)》，采用XH-I型纤维热收缩测试仪对4种纤维的干热收缩温度进行测试，通过热介质(干热空气)处理试样，记录开始发生收缩变化时的环境温度，测量处理前后试样长度的变化，计算其相较原试样长度变化的百分比及热收缩率。

2.2.5 纤维耐候性强度保持率测试

参照GB/T 31899—2015《纺织品 耐候性试验 紫外光曝晒》，采用DSSN-9000 氙灯耐气候试验箱，在对纤维式样进行60 ℃紫外光照100 h，-50 ℃冷凝50 h后，测试试验前后纤维的强力并计算出强度保持率，将其在160～185 ℃水蒸气中处理24 h,测试试验前后的断裂强度并计算出断裂强度保持率。

2.2.6 织物阻燃性能测试

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》，采用CZF-3型水平垂直燃烧试验机对面密度相近的4种阻燃面料进行阻燃性能测试，取尺寸为300 mm×89 mm，经纬向各5块试样进行垂直法燃烧，记录阴燃及续燃时间，并通过重锤法测量并记录试样撕裂的长度，各测量10次并取平均值。

2.2.7 织物断裂强力和撕裂强力测试

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)》、GB/T 3917.5—2009《纺织品 织物撕破性能 第5部分：翼形试样(单缝)撕破强力的测定》，采用YG026B电子织物强力仪对4种织物断裂及撕裂强力进行测试，测量断裂强力时采用5 N的预加张力加持试样，拉伸试样至断脱，记录断裂强力和断裂伸长率，取平均值。测量撕裂强力时将试样的一端剪成两翼形状并将两翼倾斜于被撕裂纱线的方向进行夹持，施加5 N的机械拉力，记录撕破强力，并取平均值。

2.2.8 织物热防护性能测试

参照GA 10—2014《消防员灭火防护服》，采用RFH-I热防护性能测试仪对4种面料进行热防护性能(TPP)试验，分别对单层和4层结构织物进行辐射热和对流热的防护性能进行测试，测量透过织物引起人体二度烧伤的热通量，并观察试样在热防护试验后的状态。

3 试验结果与分析

3.1 纤维拉伸性能分析

纤维是长径比较大的柔性物体，纤维的拉伸性能与纺织加工性能和纺织品的服用性能有着密切的关系[5]。纤维断裂强度表示纤维能承受拉伸负荷的最大能力，纤维断裂强度大有利于纤维成纱。纤维断裂伸长率是指纤维拉伸断裂时产生的伸长占原来长度的百分率，它是表征纤维柔软性能和弹力性能的指标，纤维断裂伸长率越大，表示其柔软性能和弹性能越好[6]。选取线密度均为1.67 tex×2的4种纤维，纤维拉伸性能见表1。可以看出，芳纶1414的断裂强度最高，PBI纤维最低，聚酰亚胺纤维断裂强度仅次于芳纶1414，因此在加工过程中芳纶1414加工效率最高，聚酰亚胺纤维相对较高，PBI纤维的加工效率相对较低。由表1可知，芳纶1313的断裂伸长率最大为22.00%，芳纶1414最小为2.40%，聚酰亚胺纤维断裂伸长率达到了20.00%，因此聚酰亚胺纤维的柔软性能和弹性性能表现相对优异，其织物柔软舒适，服用舒适性较好。

表1 纤维拉伸性能

3.2 纤维燃烧性能及热稳定性能分析

纤维的燃烧性能及热稳定性能是评价其阻燃能力的重要指标，极限氧指数表示纤维的难燃程度，一般高性能阻燃纤维极限氧指数>30%，热分解温度、干热收缩温度及干热收缩率都体现了纤维在热环境中的稳定性能。4种纤维的燃烧性能及热稳定性能见表2。可以看出，聚酰亚胺和PBI纤维的极限氧指数都超过了30%，其中聚酰亚胺纤维达到了49%，故其难燃性能最为优异；聚酰亚胺纤维的热分解温度仅次于PBI纤维，其干热收缩温度为280 ℃，在4种纤维最高，干热收缩率仅为0.03%，远低于其他3种纤维，总体而言，聚酰亚胺纤维的热稳定性能最佳，能够显著提高消防服的阻燃隔热性能。

表2 纤维燃烧性能及热稳定性能

3.3 纤维耐候性能分析

纤维的耐候性能主要用于评价纤维在长时间紫外光照环境、低温环境及热蒸汽环境下的强力稳定性能，4种阻燃纤维的耐候性能见表3。其中光照后强力保持率指纤维经60 ℃紫外光照100 h，并在-50 ℃冷凝50 h后的纤维强力保持率，热蒸汽处理后强力保持率指纤维经160～185 ℃水蒸气中处理24 h后的纤维强力保持率。纤维强力保持率R的计算公式为：

式中：F为未经处理前试样的强力，N；F0为经光照或热蒸汽处理后试样的强力，N。

表3 纤维耐候性能 %

由表3可以看出，聚酰亚胺纤维光照后强力保持率最高为81%，热蒸汽处理后强力保持率77%，高于芳纶1313但低于PBI和芳纶1414。总体而言，聚酰亚胺纤维的耐光照和低温性能优异，但在耐高温水蒸气性能需要进一步改进。

3.4 灰色关联度分析与求解

灰色关联分析的原理是根据序列曲线几何形状的相似程度来判断其关系是否紧密，曲线越接近，相应序列之间的关联度就越大，反之就越小[7]。

将纤维的各项性能看作一个灰色系统，将纤维的热分解指标看作参考数列，记Χ0=(x0(1),x0(2),x0(3),x0(4))，将纤维的其他性能作为比较数列，记Χi=(xi(1),xi(2),xi(3),xi(4)),i=1,2,…，7，即Χ1为断裂强度，Χ2为断裂伸长率，Χ3为极限氧指数，Χ4为干热收缩温度，Χ5为干热收缩率，Χ6为光照后强力保持率，Χ7为热蒸汽处理后强力保持率。均值化见式(1)，求差序列见式(2)：

(1)

(2)

求2级差:m=minimink|x0(k)-xi(k)|为2级最小差，M=maximaxk|x0(k)-xi(k)|为2级最大差。

关联系数计算见式(3)，关联度ri计算见式(4)：

(3)

(4)

式中：ρ为分辨系数，ρ∈(0,1)，ρ=0.5；ξi(k)为比较序列与参考数列的关联系数;ri为比较序列与参考数列的关联度。

ri反映了比较数列xi与参考数列x0的相关程度，ri值越大，表示二者的关系越密切，说明比较数列xi对参考数列x0的影响因素越大，通过灰色关联度分析，找出对纤维热性能影响程度大的因素作为主要因子。关联度和关联系数计算结果见表4。

表4 纤维性能关联系数与关联度

由表4可以看出，4种纤维热性能之间的关联度均在0.6以上，表示7个性能指标均可在某种程度上影响纤维的热性能。分析后得出影响纤维热性能关联度大小的排序：光照后强力保持率>干热收缩温度>极限氧指数>热蒸汽处理后强力保持率>断裂强度>断裂伸长率>干热收缩率，验证了聚酰亚胺纤维相较于其他3种纤维在热性能上表现更加优异。

3.5 面料断裂强力和撕裂强力性能分析

在翼形法撕裂方式下,面料破坏模式主要表现为非受拉伸系统纱线断裂[8]，消防阻燃面料的断裂强力及撕裂强力主要表现消防服装的表面力学防护性能，有效防止消防人员被锐利的物品割伤或因剧烈的救援活动导致消防服破裂。4种面料的断裂强力及撕裂强力见表5。可以看出，聚酰亚胺面料的经、纬向断裂强力分别达到1 960、1 742 N，经、纬向撕破强力分别达到235、184 N，均为4种面料的最高值，故其制作防护性服装的表面力学防护性能最为优异，能更大限度的保证消防人员的安全。

表5 面料断裂强力及撕裂强力 N

3.6 面料阻燃性能分析

面料的阻燃性能主要体现了面料在燃烧后的稳定性及发生持续燃烧的能力，面密度相近的4种面料的阻燃性能见表6。可以看出，4种面料都无阴燃续燃现象发生，2种芳纶面料损毁长度较大，PBI面料损毁长度较低，而聚酰亚胺面料无损毁长度，表明聚酰亚胺面料经燃烧后的尺寸稳定性极佳，其用于消防服面料可为消防员提供持久可靠保护。

表6 面料阻燃性能

3.7 纤维热防护性能分析

阻燃织物作为消防服材料使用时，对辐射热和对流热的阻隔效果直接影响热防护安全性能，有效地阻隔外界高温热危害是灭火防护服最基本的性能要求[9]。选取50%辐射热源结合50%对流热源条件[10]，对4种面料在短时间内的热通量进行测试，面料热通量见表7。可以看出，单层聚酰亚胺面料的热通量达到了21 kW·s/m2，4层面料的热通量达到了41 kW·s/m2，均远远高于其他3种面料的热通量，说明聚酰亚胺面料的热防护性能最佳，应用于消防服时也能最大限度地减少烧伤情况，更好地为消防员提供隔热防护。

表7 面料热通量 kW·s/m2

4 结 论

通过对消防服的阻燃材料聚酰亚胺、芳纶1313、芳纶1414及PBI纤维的拉伸性能、燃烧及热稳定性能、耐候性能进行对比研究，采用灰色关联度分析得出纤维性能对其热性能的影响。同时对芳纶1313面料、芳纶3A面料、PBI面料及聚酰亚胺面料的断裂强力及撕裂强力、阻燃性能及热防护性能进行了试验探究。研究结果表明聚酰亚胺纤维的断裂强度和断裂伸长率较好，极限氧指数、热分解温度、干热稳定性在4种纤维中最优异，在耐候性上对60 ℃紫外线及-50 ℃低温的耐受性最佳，但对于150 ℃的水蒸气耐受强度不足；聚酰亚胺面料机械防护性能优异，阻燃及热防护性能相较芳纶和PBI面料也有显著优势，用聚酰亚胺面料替代现有的芳纶3A面料应用在新一代消防服中，能更加有效地应对复杂多变的新型火场形势，赋予消防服更佳的力学防护性能及热防护性能。实际研发生产中应注意提高消防服高温湿态防护能力，以适应高温高湿环境中的消防救援活动。