撕裂性能增强型阻燃面料的制备与研究*

丁 倩 李俊玲 王肖杰 卜佳仙 张小云 汪 军

1. 东华大学纺织学院，上海201620；2. 中国纺织科学研究院江南分院，浙江 绍兴312071

聚酰亚胺是一种热稳定性极佳的高性能纤维，是灭火防护服外层面料的理想材料[1]。轶纶95是我国自主研发生产的环保型高性能聚酰亚胺纤维，其线密度为1.67 dtex，极限氧指数高达38.0%，具有永久阻燃的特点[2]。研究表明，采用线密度为18.25 tex×2的轶纶95聚酰亚胺股线制备的面料，其撕裂性能尚不能满足相关标准要求(≥100.0 N)[3]。

本文根据行业标准GA 10—2014《消防员灭火防护服》[4]对灭火防护服外层面料撕裂强力的要求，以轶纶95 双股纱线为原料，在满足拉伸断裂强力和面密度要求的同时，通过设计经纬纱的织造密度和织物组织结构，开发可满足撕裂强力标准要求的灭火防护服外层面料，并探究织物密度和组织结构对其撕裂性能的影响。

1 试样制备

灭火防护服外层属于工装服用面料，常见品种有斜纹、哔叽、卡其、平布等，相应的织物组织结构分别为1/2斜纹、1/3斜纹、2/2方平组织和平纹等。但采用这些组织结构制备的织物，其撕裂性能不能满足使用要求。2/2方平组织因经纬纱交织点较多，拉伸时纱线间相对移动程度较大，受力三角区中的纱线根数较多，在提高织物的撕裂性能方面有明显优势。因此，本文灭火防护服外层面料试样的设计选用方平组织，以线密度为18.25 tex×2、拉伸断裂强力为95.7 N的轶纶95双股纱为原料，按照GA 10—2014的要求，防护服外层面料的面密度需为190.0～210.0 g/m2，根据织物面密度的计算公式和机织物条样法对织物经纬向拉伸断裂强度的估算[5]，得出符合标准要求的织物的经纬向密度为479根/(10 cm)≤PT+PW≤506根/(10 cm)(PT为经密，PW为纬密)，且经纬密度均需大于136根/(10 cm)。

试验设计的2种防护服外层面料(编号为1#和2#)的经纬向密度分别为240根/(10 cm)×240根/(10 cm)、 250根/(10 cm)×250根/(10 cm)。使用THY 101B-20型剑杆小样织机对设计试样进行上机织造，试样下机后测试其面密度(表1)。

表1 织物试样的织造密度和面密度

2 性能测试

由表1知，1#和2#试样的面密度都能满足标准要求(190.0～210.0 g/m2)，因所用原料相同，织物规格不会对其热学性能产生明显影响，因此，本文以1#试样的测试结果为依据来评估2/2方平组织面料的热防护性能和阻燃性能。

2.1 热防护性能

采用热辐射与对流共同作用的热防护性能测试方法[6]，在环境温度为21 ℃，相对湿度为65%的条件下，测试1#试样的热防护性能指标。结果发现，1#试 样的热防护值为117.5 J/cm2。按照GA 10—2014对灭火阻燃外层面料的要求，该防护服面料的热防护值需≥117.2 J/cm2，说明该方平组织织物试样的热防护性能刚好能满足标准要求。

2.2 阻燃性能

表征织物阻燃性能的指标包括燃烧损毁长度、阴燃时间、续燃时间以及燃烧过程中的熔融滴落现象[7]。其中，燃烧损毁长度表示面料经、纬方向燃烧损毁的最大距离，阴燃时间指移开火源后面料无焰燃烧的时间，续燃时间是指移开火源，面料有焰燃烧的时间。对1#和2#试样进行了阻燃防火性能测试，图1为水洗前和一定次数水洗后，试样的阻燃测试实物照片，相应的测试数据如表2。

表2 织物试样阻燃性能测试指标

从图1和表2可以发现，1#试样的燃烧损毁长度小于15.00 mm，燃烧过程中无熔融和滴落现象且离火自熄。

按照GA10—2014对灭火阻燃外层面料的要求，经一定次数洗涤后，其燃烧损毁长度应<100.00 mm，续燃时间<2 s。根据以上测试结果可知，方平组织织物试样的阻燃性能可满足标准要求。

2.3 力学性能

2.3.1 拉伸断裂强力及撕裂强力

根据GB/T 3923.1—2013《断裂强力和断裂伸长率的测定(条样法)》和GB/T 3917.3—2009《梯形试样撕破强力的测定》的规定，在标准温湿度环境条件下(20 ℃，相对湿度65%)调湿试样24 h，然后对1#和2#试样的经纬向分别进行拉伸断裂强力和撕裂强力的测试。

由图2可知，1#和2#试样的经向拉伸断裂强力分别为1 252.8 N和1 337.3 N，纬向的拉伸断裂强力分别为1 170.1 N和1 252.8 N [图2a)]，均可满足GA 10-2014的要求。图2b)表明，2/2方平织物的撕裂性能极佳，1#和2#试样的经向撕裂强力分别达144.1 N和146.3 N， 纬向撕裂强力分别为136.5 N和133.9 N，约为标准要求的1.5倍。对比发现，两种试样的经纬密度对其撕裂强力有一定的影响。对于同一试样，其经纬向的撕裂强力也有一定的偏差，且经向的撕裂强力大于纬向，这可能是经纬实际密度与设计密度的偏差所导致。在撕裂强力测试过程中，随着仪器拉伸系统施加负荷的增加，纵向纱线逐渐分开，并在横向非受拉伸系统纱线上产生滑移，形成受力三角区。受力三角区内纱线的根数决定了试样撕裂性能的好坏。织物经纬密度的改变会影响受力三角区内的纱线根数，因此，织物经纬向密度的偏差是织物试样经纬向撕裂强力产生差异的原因之一。

因织缩率和上机织造时纱线所受张力的存在，下机后试样的实际经纬密度和设计经纬密度会存在偏差。本试验2/2方平组织织物试样的经纬密度偏差如表3所示。结果显示，随着织物经纬向密度偏差的增加，其经纬向的撕裂强力的偏差也逐渐增加。在测试织物经纬向撕裂强力的过程中，由于纬纱给予经纱的摩擦力小于经纱给予纬纱的摩擦力，测试时形成的受力三角区内经向受力纱线根数多于纬向，因此，试样经向撕裂强力大于纬向。在聚酰亚胺纤维面料的实际生产中，可通过适当降低经纬密度偏差，从而避免面料经纬向的撕裂性能产生较大差异。

表3 织物经纬密度与撕裂强力的偏差

2.3.2 组织结构对织物撕裂强力的影响

由文献[8]可知，在织物经纬密度相同或偏差较小的情况下，织物组织结构会影响其撕裂强力。织物的撕裂过程实际是受力三角区内纱线逐根断裂的过程，因此，纱线的拉伸断裂性能是影响织物撕裂强力的重要因素之一。此外，在纱线逐根断裂的过程中，撕裂三角区内的其他纱线同样也会受力，因此，织物经纬密度越低，受力过程中纱线越容易产生滑移，三角区承受外力的纱线根数越多，织物的撕裂强力越高[9-10]。对于2/2方平组织的织物，撕裂过程中部分纱线断裂后不断有两根一组的并列纱线滑移并补充到三角区内，织物可承受力增强，撕裂强力得以提高。

本试验接着设计了经纬向密度为240根/(10 cm)、240根/(10 cm)、组织结构为3/3方平组织的3#试样，并对其撕裂强力进行了测试(图3)。

图3 2/2和3/3方平组织试样的撕裂强力对比

由图3可知，3#试样的经向撕裂强力为195.6 N， 纬向撕裂强力为177.7 N。与2/2方平组织相比，在经纬密度相同的情况下，3/3方平组织织物的经纬向撕裂强力分别提高了36.0 %和 22.0 %， 可见，方平组织的组织循环数越大，相应织物的结构越松散，三角区内纱线根数越多，撕裂强力越大。说明增加方平组织的组织循环数可达到提高织物撕裂强力的目的。

3 结论

本文通过织物设计与试验分析发现，在经纬密度范围479根/(10 cm)≤PT+PW≤506根/(10 cm)内，可以通过变换组织结构增强防护服外层阻燃面料试样的撕裂强力。该方平组织试样具有良好的热防护性能(热防护值达117.5 J/cm2)，其拉伸断裂强力和撕裂强力均较高。此外，应尽量减小织物经纬向密度的差异，以提高织物纬向的撕裂强力。随着方平组织循环数的增多，织物的撕裂强力也随之增大，其能很好地满足阻燃防火面料的使用要求。可见，方平组织阻燃面料有望在消防等领域发挥更大的作用。