组织结构对不锈钢纤维/棉混纺织物阻燃性能的影响研究

严涛海

(闽江学院福建省新型功能纺织纤维与材料重点实验室，福建福州 350108)

电焊行业在现代工业中具有重要地位，由于该职业的危险性，在进行电焊作业时电焊工人需要穿着有阻燃性能的面料制成防护服，来最大程度地抵御电焊作业时飞溅物对人体的伤害，保护其免受火焰灼烧或是阴燃伤害。 目前市面上的焊接服面料耐高温性普遍不能完全保护电焊工作的作业安全，因此急需开发新型面向电焊工人作业环境的防烧焊飞溅物面料。 不锈钢纤维作为常见的金属纤维，具有良好的导电性以及耐高温、耐腐蚀等特点，在氧化条件下工作环境温度可高达600 ℃[1]。 由于人们对纺织品功能的要求不断提高，各类功能性纺织品的需求也在不断增加，因此，市场对不锈钢纤维织物的需求也在不断地向多元化发展。 阻燃改性方法根据阻燃剂的加入方式不同可以分为共聚法、共混法、复合纺丝法、表面接枝法以及后整理法[2]，本文采用后整理法对织物的阻燃性能进行优化。

金艳萍等人探讨了织物结构参数与织物服用性能之间的关系[3]，研究结果表明织物的面密度与阻燃性能之间存在线性的正向关系。 Ozcan 等人采用垂直燃烧法对由4 种不同混纺比例原料制成的棉/针织物的坯布进行阻燃性能测试[4]，结果表明织物的单位面积质量对阻燃性能有较大影响。杨文芳等人以极限氧指数作为指标，探究纱线结构、织物结构与阻燃性性能的关系[5]，王增喜等人也研究了织物的不同组织结构对其阻燃性能的影响[6]。 考虑到焊接服的具体应用场景，对于原料种类的不同、织物厚度、织物密度、织物阻燃性能都有较大的区别，本文重点研究组织结构对织物舒适性及阻燃性能的影响，因此本课题以不锈钢棉混纺纱为原料，以常见的平纹、斜纹、缎纹组织机织物为试验样本，从其组织系数、织物密度、单位面积质量及厚度等方面进行相应研究，而后再通过对阻燃性、舒适性等性能的检测来探讨织物结构对不锈钢混纺织物性能的影响。

1 实验

1.1 实验原料与设备

320 T/M 不锈钢纤维/棉混纺纱中不锈钢纤维比例为20 %购于福建东龙针纺有限公司，纱线基本参数为捻度320 T/M，线密度166.334 tex，平均断裂强度1.63 cN/dtex。 磷氮系阻燃处理剂阻燃整理剂购于江西百川防火技术咨询有限公司。 温州大荣纺织仪器有限公司自动织物硬挺度试验仪YG022、数字式织物厚度仪YG141D、织物起毛起球仪YG502、织物透气性测试仪YG461x、织物透湿量仪YG216－H、缕纱测长机YG086c，INSTRON 万能材料试验机3365，温州方圆仪器有限公司织物阻燃性能测试仪YG815Alll，佛山喜强金属制造有限公司立式小轧车P－A0。

1.2 面料的制备

为了更好地研究组织结构对于织物的性能影响，在三原组织的基础上设计浮长分别为1、3、4 的1/1 平纹组织、3/3 斜纹组织和5/3 纬面缎纹组织三种织物组织类别。 样品幅宽设计为25 cm，考虑到样品布边在织造过程中会出现脱线等现象，因此实际织造时按27 cm 的幅宽进行织造。 按照实际幅宽与设计经纬密计算，并考虑到穿综过程中的经纱损耗，得出总经纱根数为600 根，选择以110 筘号的筘齿，每个筘齿内穿2 根经纱的方法进行织造，采用SGA－598 型全自动剑杆织样机织造试样。采用浸渍法对样品进行阻燃改性处理，将磷氮系列绿色环保高效阻燃剂与水按照1 ∶1比例调配好置入容器中，再将试样完全浸入浸轧液中，确保试样充分吸收浸轧液。 浸泡1 h 后将试样取出，再使用立式小轧车挤压去除试样表面多余的浸轧液，带液率92.20 %，再将试样放置平台上晾至半干，随后使用电热鼓风干燥箱以80 ℃的温度将试样烘干，赋予织物阻燃性能。

1.3 测试

参考按照GB/T 3923.1－2013«纺织品织物拉伸性能第1 部分:断强力和断伸长率的测定(条样法)»测试织物断裂强力，参照GB/T 18318.1－2009«纺织品弯曲性能的测定第1 部分:斜面法»测试织物硬挺度，参照GB/T 4802.1—2008«纺织品织物起毛起球性能的测定第1 部分:圆轨迹法»测试织物耐磨性，参照GB/T 5453—1997«纺织品织物透气性的测定»测试织物透气性能，按照GB/T 12704.1—2009«纺织品织物透湿性试验方法»测试织物透湿性能，本次测试按照GA10－2014 行业标准附录B 方法进行测试热收缩性，参照标准GB 8965.1－2020«防护服装阻燃防护第1 部分:阻燃服»测试面料阻燃性能。

2 数据及分析

2.1 织物结构参数测试与计算

2.1.1 织物组织系数计算

组织系数是一种反映织物组织松紧程度的指标，其值较大，表明织物组织紧度较低，反之，其值较低，表明织物组织紧度较高。 计算组织系数公式如公式(1)和公式(2)所示:

式中:Rj•Rw——织物循环的经纬纱根数；tj•tw——织物循环内所有经纬纱的交错次数。

计算结果见表2。

2.1.2 织物单位质量测试

织物单位质量也称为织物的克重，单位为g/m2。 本次测试参照标准GB/T4669－2008«纺织品机织物单位长度质量和单位面积质量的测定»。 测试结果见表2。

2.1.3 织物厚度测试

纺织品厚度是指对纺织品施加规定压力的两参考版间的垂直距离。 本次测试按照标准GB/T 3820«纺织品和纺织制品厚度的测定»进行测试。经测量记录数据后通过计算获得织物的平均厚度。测试结果见表1。

表1 织物厚度测试数据

2.1.4 织物织缩率计算

本课题设计的织物密度为220×152 根/10 cm，由于织物按照设计的经纬密参数上机织造的过程中存在织缩率，因此下机后织物的实际经纬密参数会发生变化。 织缩率常用的测定方法是取一定长规格的织物试样，先量取织物上经纱与纬纱的长度，再从织物经纬向最边缘分别拆出经、纬纱线并将拆取下的经纬纱线拉直后量取长度，最后通过公式(3)计算求得经纱织缩率，通过公式(4)计算求得纬纱织缩率。 求出织缩率后即可通过公式(5)求出织物的下机经纬密。

式中:a——经纱织缩率；L1——拉直后(即原来的)经纱长度；L2——布样的经纱长度；

式中:b——纬纱织缩率；L3——拉直后的纬纱长度；L4——布样的纬纱长度。

式中:ρ——下机经纬密，根/10 cm；ρj——坯布经密，根/10 cm；c——织缩率，%。

计算结果见表2。

表2 织物结构参数

2.2 织物透气性

透气性是指在织物两侧设置一定气压差后测试空气对织物的渗透性。 将试样夹持在试样圆台上，采用20 cm2的试样圆台进行测试，设置织物两侧的气压差为100 Pa，启动机器后待压力逐渐降低至规定值并达到稳定后记录数据。 测试结果见表3。

表3 织物透气性数据

织物组织结构是影响织物透气性的重要因素。织物的经纬线交织次数越多，织物紧密度就越大，相应的纱线间孔隙就越小，所以空气透过织物的速率也就越小。

从测试结果得出三种组织中5/3 纬面缎纹织物的透气性能最好，3/3 斜纹织物的透气性次之，1/1 平纹织物的透气性最差。 可以得出三种组织结构的织物的透气性关系为:5/3 纬面缎纹织物>3/3 斜纹织物>1/1 平纹织物。 这是因为三种织物组织结构的经纬纱交织规律不同，1/1 平纹织物的经纬纱线每隔1 根就交错1 次，3/3 斜纹的经纬纱线每隔3 根就交错1 次，而5/3 纬面缎纹的经纬纱线每隔4 根交错4 次。 其中1/1 平纹组织的经纬线交织次数较其他两种组织结构的织物都要多，其纱线间孔隙较小，透气性也较小。

2.3 织物透湿性

透湿率是指在一定的温湿度条件下，在规定时间内垂直通过单位面积试样的水分质量。 根据数据计算试验透湿度率，计算公式如公式(6)所示:

式中:WVT——透湿率，g/(m2•24h)；Δm——同一试验组合体两次称量之差，g；Δm’——空白试样的同一试验组合体两次称量之差，g；(不做空白试验时，Δm’＝0。)A——有效试验面积，m2；t——试验时间，h。

测试结果见表4。

表4 织物透湿性数据

织物的厚度是影响织物透湿性的因素之一。织物厚度越大，水分在纤维之间的孔隙中流动所需的时间也会增加，在相同时间内通过厚度大的织物的水汽量就会减少，织物的透湿性也就越小。 此外织物的紧度也会对织物的透气性能产生影响，通常情况下织物结构越紧密，水汽越难透过织物，织物透湿性就越小。

从测试结果得出三种组织结构织物的透湿性关系为:5/3 纬面缎纹织物>3/3 斜纹织物>1/1 平纹织物。 从表2－7 可知，1/1 平纹织物的平均厚度最大，则在相同的温度和湿度条件下，水汽通过1/1平纹织物间的孔隙所走路径就越长，在相同时间内，透过织物的水汽较少；而5/3 纬面缎纹织物的平均厚度最小，因此其透湿性相较其他两种组织织物最高。 另外1/1 平纹织物的纱线交织点较其他两种组织织物都要多，其织物紧度要大于其他两种组织，其抗渗水性能越好，故1/1 平纹织物的透湿性相较最小。

2.4 织物硬挺度

每种试样经向纬向各取一次规格为2.5 cm×25 cm 的试样，将试样在YG(B)022E 型全自动织物硬挺度仪上并设置角度为41.5°，试样压板推进速度为0.4 cm/s 进行硬挺度测试。 可根据测试结果计算弯曲长度、抗弯刚度与抗弯模量来作为织物硬挺度的指标。 计算公式如公式(7)、公式(8)所示:

式中: L—弯曲长度， mm； D—抗弯刚度，N•mm2；

式中: E—抗弯弹性模量；δ—织物厚度，0.01 mm；D—抗弯刚度，N•mm2。

测试结果见表5。

表5 织物硬挺度数据

织物的弯曲长度越大说明织物硬挺度越好，织物越不易弯曲，反之织物越容易弯曲，硬挺度较小。织物的抗弯刚度越大，说明织物越刚硬，织物硬挺度越好。 具有较高的抗弯弹性模量的纤维具有更高的刚性以及越不容易发生弯曲变形。

从测试结果得出三种组织结构织物的硬挺度关系为:1/1 平纹织物>3/3 斜纹织物>5/3 纬面缎纹织物。 这是因为抗弯刚度随织物厚度而变化，由表1 可知三种组织结构织物的厚度关系为:1/1 平纹织物>3/3 斜纹织物>5/3 纬面缎纹织物。 1/1 平纹组织平均厚度最大，因此其抗弯刚度也越大，织物硬挺度越大；相反地，5/3 纬面缎纹组织平均厚度最小，因此其抗弯刚度也越小，硬挺度越低。

另外从测试结果可以看出，1/1 平纹与3/3 斜纹的经向弯曲长度、抗弯刚度与抗弯模量都比纬向数值要大，这是因为1/1 平纹组织与3/3 斜纹组织都属于经向组织，其经组织点多于纬组织点，因此织物经向密度要大于纬向密度，所以其经向硬挺度要优于纬向硬挺度。 同理，5/3 纬面缎纹组织由于是纬面织物，其纬组织点要多于经组织点，其织物纬向密度要大于经向密度，所以5/3 纬面缎纹组织的纬向弯曲长度、抗弯刚度与抗弯模量数值要大于经向，织物纬向硬挺度要优于经向硬挺度。

2.5 织物阻燃性能

每种组织结构的样品分别量取尺寸为300 mm×80 mm 的试样，用试样夹将试样固定，将试样对样品分别进行测试，将试样观察样品的阻燃性能，当阴燃时间越小、续燃时间越小、损毁长度越短，织物的阻燃性能越好。 测试结果见表6。

表6 织物阻燃性测试数据

将测试结果与表5 阻燃服阻燃性能标准参数对比得出三种组织的阻燃性能都符合标准，得出三种组织结构织物的阻燃性能关系为:5/3 纬面缎纹织物>3/3 斜纹织物>1/1 平纹织物。 其中5/3 纬面缎纹织物的阻燃性能最好，而1/1 平纹织物中经向织物的阻燃性要优于纬向织物的阻燃性，3/3 斜纹织物和5/3 纬面缎纹织物中经向织物的阻燃性与纬向织物的阻燃性无明显差别。

3 结论

本文以经过并线加捻技术制成的320 T/M 不锈钢棉混纺纱作为原料，设计了三种不同织物结构参数的基本织物组织，运用机织方法进行织造不锈钢混纺织物，并运用浸渍法对织物进行阻燃改性处理，赋予织物更好的阻燃性能，分析了织物组织结构对面料舒适性及阻燃性的影响。 在织物透气性和透湿性测试中发现这两种性能和织物的组织结构和织物厚度之间存在一定规律，即织物结构越紧密、厚度越大，织物的透气透湿性能越差。 3 组试样中阻燃性能最好的织物组织结构为5/3 纬面缎纹，其经向密度为218.55 根/10 cm，纬向密度为147.622 根/10 cm，平均厚度为1.41 mm，单位面积质量为701.83 g /m2。