消防員化學(xué)防護(hù)服面料用涂層織物的研究

徐田慧 郭榮如 陳旭煒 李毓陵 杜衛(wèi)平

(1.東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海，201620; 2.常州三毛紡織集團(tuán)有限公司，常州，213004;3.上海紡織集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，上海，200336)

消防員化學(xué)防護(hù)服面料用涂層織物的研究

徐田慧1郭榮如2陳旭煒1李毓陵1杜衛(wèi)平3

(1.東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海，201620; 2.常州三毛紡織集團(tuán)有限公司，常州，213004;3.上海紡織集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，上海，200336)

化學(xué)防護(hù)服是消防員進(jìn)入化學(xué)毒劑和化學(xué)危險(xiǎn)物品和腐蝕性物品火災(zāi)或事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行滅火戰(zhàn)斗時(shí)必須穿著的個(gè)人防護(hù)裝備。選擇聚四氟乙烯(PTFE)薄膜在聚苯硫醚(PPS)織物表面覆膜，以求涂層后織物達(dá)到一定的耐化學(xué)品滲透性能。先將混有硅烷偶聯(lián)劑的PTFE乳液處理PPS織物表面，并形成一層牢固的高分子改性膜;進(jìn)而將PTFE薄膜覆在改性后PPS織物表面，進(jìn)行熱壓復(fù)合;最后按照GA 770—2008標(biāo)準(zhǔn)對(duì)外層面料要求，測(cè)試涂層織物的基本力學(xué)性能以及阻燃性。耐化學(xué)品滲透試驗(yàn)按照EN 374標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。測(cè)試結(jié)果表明，涂層織物的阻燃測(cè)試和耐化學(xué)品滲透性能均符合GA 770—2008標(biāo)準(zhǔn)的要求。

化學(xué)防護(hù)服，涂層，聚苯硫醚織物，聚四氟乙烯薄膜，硅烷偶聯(lián)劑，耐化學(xué)品滲透

聚苯硫醚(PPS)纖維具有優(yōu)異的耐化學(xué)腐蝕性(200℃下無(wú)溶劑可溶)、阻燃(LOI≥35)、耐輻射(GY≥1×107)和良好的機(jī)械性能及優(yōu)良的電絕緣性能等特點(diǎn)［1］。在國(guó)外PPS被廣泛用于防腐材料，我國(guó)過(guò)去主要用作吸塵器用袋濾器等工業(yè)原料，現(xiàn)在主要將PPS用于防腐蝕涂料，而在防護(hù)服領(lǐng)域卻較少用到。鑒于PPS本身優(yōu)異的性能，考慮將PPS織物用作化學(xué)防護(hù)服面料的基布。按照GA 770—2008［2］對(duì)化學(xué)防護(hù)服外層面料的要求，化學(xué)防護(hù)服外層面料除了應(yīng)具備一定基本力學(xué)性能外，還應(yīng)有一定的耐化學(xué)品滲透性及阻燃性。

張抗震［3］研究得出PPS織物的拉伸、撕裂等基本性能均符合GA 770—2008的要求，因此本文旨在此基礎(chǔ)上為PPS織物做涂層，以達(dá)到一定的耐化學(xué)品滲透性能。

1 PPS織物的織造

(1)織物組織選擇1/2斜紋組織。

(2)織物緊度。織物緊度是指織物的緊密程度，即織物中紗線的投影面積與織物的全部面積之比。因此設(shè)計(jì)織物時(shí)需要在其強(qiáng)力和面密度達(dá)到防化服標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上，需要選擇較小的緊度。同時(shí)，根據(jù)《棉織手冊(cè)》(上)中本色棉布代表性品種對(duì)Ej和Ew上下界的要求［4］，并參照卡其的參數(shù)，選擇 Ej=80%，Ew=40%試織［3］，所得織物參數(shù)如表1所示。

表1 PPS織物參數(shù)

2 防化服外層面料性能要求

本課題主要研究PPS織物作為化學(xué)防護(hù)服外層面料基布的應(yīng)用。化學(xué)防護(hù)服對(duì)面料性能測(cè)試的核心指標(biāo)是測(cè)試防化服是否具有阻隔有害化學(xué)物質(zhì)的能力，以及是否達(dá)到一定的基本力學(xué)性能等。阻隔有害化學(xué)物質(zhì)包括抗穿透以及耐化學(xué)品滲透能力。化學(xué)穿透既與防護(hù)服材料的結(jié)構(gòu)、纖維與紗線之間的空隙、材料與液體之間的親和性等有關(guān)，也和服裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、接縫密封方式、輔料的性能有密切的關(guān)系［5］。

高等級(jí)化學(xué)防護(hù)服則需要測(cè)試其滲透性。滲透過(guò)程是指化學(xué)物質(zhì)在防護(hù)服材料中溶解或化學(xué)物質(zhì)以分子運(yùn)動(dòng)的方式穿透防護(hù)服材料的過(guò)程［6］。化學(xué)防護(hù)服的外層面料通由高分子聚合物材料或膜材料構(gòu)成的，聚合物運(yùn)動(dòng)單元的多重性及高聚物的蠕變性使聚合物本質(zhì)上是可滲透的，化學(xué)防護(hù)服滲透性取決于透過(guò)物的種類、聚合物的結(jié)構(gòu)以及聚合物與透過(guò)物的相互作用［7］。除此之外，化學(xué)防護(hù)服外層面料還需具有阻燃性。

化學(xué)防護(hù)服的防滲透性能常以穿透時(shí)間和滲透率表示。穿透時(shí)間是指測(cè)試化學(xué)品分子從防護(hù)材料的一側(cè)滲透到另一測(cè)的時(shí)間。防護(hù)材料對(duì)不同化學(xué)物質(zhì)的耐滲透性能不同，當(dāng)一種化學(xué)物質(zhì)對(duì)防護(hù)材料的穿透時(shí)間超過(guò)某一時(shí)間限度時(shí)，則認(rèn)為防護(hù)服材料對(duì)該種化學(xué)物質(zhì)的抗?jié)B透性能是合格的。滲透率表示在單位時(shí)間內(nèi)單位面積的防護(hù)材料上化學(xué)物質(zhì)的滲透量。影響滲透率的因素很多，如化學(xué)物質(zhì)的濃度、防護(hù)服材料的厚度、環(huán)境溫濕度以及化學(xué)物質(zhì)的壓力等［8］。

因此，為滿足防化服外層面料要求，要對(duì)PPS織物表面進(jìn)行涂層，以達(dá)到耐化學(xué)品滲透性能。聚四氟乙烯(PTFE)薄膜耐酸堿性能優(yōu)異，由此選擇PTFE薄膜在PPS織物表面覆膜。由于PTFE和PPS的惰性均非常大，因此，找出能使得PTFE薄膜附著在PPS織物表面的偶聯(lián)劑配方是本課題第一大難點(diǎn)。通過(guò)與南京中材科技股份有限公司合作，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，得到了較好的成果，即找到了合適的配方，使得PTFE薄膜能較好的附著在PPS織物表面。

3 PPS織物與PTFE薄膜復(fù)合

復(fù)合有兩種方法，一種是膠合，即在基布表面涂覆一層膠，并通過(guò)膠將薄膜與基布粘結(jié)起來(lái)，這種方法的缺點(diǎn)是涂層織物過(guò)于厚重，而防護(hù)服外層面料講究輕薄。本課題采用第二種復(fù)合方法，即熱壓復(fù)合。國(guó)內(nèi)常用PPS針刺氈與PTFE薄膜復(fù)合，因PPS針刺氈表面毛羽豐厚，經(jīng)過(guò)燒毛處理后，表面的端點(diǎn)比較多，通過(guò)整理后容易和PTFE薄膜粘結(jié)牢固。而本課題用的PPS織物較薄，毛羽稀疏，熱壓復(fù)合時(shí)易熔融變性。因此需要用到偶聯(lián)劑。本課題選擇硅烷偶聯(lián)劑作為粘接劑。

硅烷偶聯(lián)劑是一類在分子中同時(shí)具有2種不同的性質(zhì)基團(tuán)(可水解基團(tuán)和非水解基團(tuán))的有機(jī)硅化合物。由美國(guó)聯(lián)合碳化合物公司和道康寧公司在上世紀(jì)40年代首先開(kāi)發(fā)。隨著工業(yè)發(fā)展，硅烷偶聯(lián)劑獨(dú)特的性能得到顯著的改性效果，其新品種也越來(lái)越多的問(wèn)世，使得其應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大［9］。目前，硅烷偶聯(lián)劑已成為有機(jī)硅工業(yè)的一個(gè)重要的分支。

3.1 PTFE薄膜與PPS織物粘接配方

PTFE薄膜惰性大，難以熔融，且表面難粘性強(qiáng)，而PPS惰性也非常大，O—S鍵能非常大，性能穩(wěn)定，因此覆膜前需要對(duì)PPS織物表面進(jìn)行改性。

選用硅烷偶聯(lián)劑KH550和PTFE乳液這兩種改性劑組分，通過(guò)一定比例混合，并在均勻涂覆在PPS織物表面，經(jīng)過(guò)浸漬，壓軋，烘焙等工藝，在PPS織物表面形成一層均勻牢固的高分子改性膜。硅烷偶聯(lián)劑KH550作為“橋梁”將PTFE乳液和PPS織物表面連接起來(lái)。

280℃下，將PTFE薄膜與PPS織物熱壓復(fù)合，在此溫度下PPS織物表面上已經(jīng)包覆的高分子改性膜發(fā)生熔融，PTFE薄膜與改高分子改性膜在高溫下發(fā)生分子之間的纏結(jié)并伴隨著分子轉(zhuǎn)移，最終達(dá)到PTFE、PPS兩種界面的高溫?zé)釅簭?fù)合。

PTFE薄膜較好的與PPS織物粘接在一起，分別由配方A和配方B處理的涂層織物形態(tài)如圖1和圖2所示。

3.2 粘接機(jī)理分析

KH550溶入一定量的乙醇中，水解形成硅醇鍵，為PTFE的氟原子提供氨基，并與之形成氫鍵。

(1)PPS纖維在高溫下氧化分子末端會(huì)形成—SH鍵，Si—O—H鍵是能和SH鍵反應(yīng)形成Si—O—S的。高溫下氧化也會(huì)產(chǎn)生斷鏈，生成更多的SH鍵反應(yīng)。

圖2 配方B處理的涂層織物

(2)PTFE在高溫下是可以軟化的。因?yàn)镻PS織物表面上的高分子膜上已經(jīng)有PTFE在上面了，PTFE薄膜和已經(jīng)在PPS表面的PTFE是同種物質(zhì)，在高溫壓力下容易結(jié)合在一起。

3.3 薄膜粘接強(qiáng)度測(cè)試

由于PPS織物的強(qiáng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于PTFE薄膜的強(qiáng)力，因此考慮采用滲水性測(cè)試儀間接測(cè)試薄膜的粘接強(qiáng)度，即將涂層織物的覆膜面向上，在水壓下觀察涂層織物表面的變化，如果薄膜與布面發(fā)生分離，產(chǎn)生氣泡，則說(shuō)明在一定水壓下涂層覆膜出現(xiàn)分離破壞。測(cè)試采用YG825E型數(shù)字式滲水性測(cè)試儀，分別在水壓1547 Pa和最大水壓2 793 Pa下觀察涂層織物表面。圖3和圖4分別是試樣在滲水儀測(cè)試中和測(cè)試完畢從儀器移開(kāi)后的圖片，可以看出薄膜與織物表面之間并無(wú)氣泡產(chǎn)生，薄膜仍然與織物表面緊貼，因此得出結(jié)論，即粘接強(qiáng)度較合適。

圖3 2 793 Pa水壓時(shí)試樣狀態(tài)

圖4 滲水測(cè)試后試樣表面狀態(tài)

3.4 耐化學(xué)品滲透測(cè)試

由于難以獲得GA 770—2008要求的測(cè)試耐化學(xué)品滲透的儀器，因此采用 EN 374-3—2003［10］測(cè)試織物的耐化學(xué)品滲透性，表2列出了測(cè)試化學(xué)品表。

表2 測(cè)試化學(xué)品列表

表3和表4分別是分別經(jīng)兩種配方A和B處理的涂層織物的耐酸堿滲透性能測(cè)試數(shù)據(jù)列表，其中試樣1是指經(jīng)配方A處理的涂層織物，試樣2是指經(jīng)配方B處理的涂層織物。

表3 96%硫酸測(cè)試涂層織物滲透性

結(jié)果分析:試樣1在4 min時(shí)，硫酸傳輸速率為0.676 ＜0.7 μs/cm(滲透速率為 1 μg/(cm2·min)，在5 min時(shí)硫酸傳輸速率達(dá)到4.572 ＞0.7 μs/cm，穿透低于10 min，因此配方A處理的試樣即試樣1耐96%硫酸滲透等級(jí)為0級(jí)。試樣2在11 min時(shí)硫酸傳輸速率達(dá)到 0.681 ＜ 0.7 μs/cm，在第12 min時(shí)達(dá)到2.79 ＞ 0.7 μs/cm，穿透時(shí)間大于10 min，因此配方B處理的試樣即試樣2耐96%硫酸滲透等級(jí)為1級(jí)。

由此可以看出，配方B處理后的涂層織物的耐96%硫酸滲透性能比經(jīng)配方A處理的涂層織物的滲透性要好。經(jīng)配方A處理的涂層織物的耐96%硫酸滲透的等級(jí)為0級(jí)，即沒(méi)有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

表4 40%NAOH測(cè)試涂層織物耐滲透性

結(jié)果分析:試樣2在8 min硫酸傳輸速率達(dá)到3.06 ＞1.8 μs/cm(滲透速率為1 μg/(cm2·min)，穿透低于10 min，因此配方A處理的試樣即試樣1耐40%強(qiáng)氧化鈉滲透等級(jí)為0級(jí)。試樣2在14 min時(shí)硫酸傳輸速率達(dá)到 1.868 ＞ 1.8 μs/cm(滲透速率為 1 μg/(cm2·min)，穿透大于 10 min，因此配方B處理的試樣即試樣2耐40%氫氧化鈉滲透等級(jí)為1級(jí)。

3.5 燃燒性能測(cè)試

采用YG815垂直法燃燒織物性能測(cè)試儀器，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GA 770—2008中的試驗(yàn)方法，測(cè)定阻燃織物的損毀長(zhǎng)度、續(xù)燃時(shí)間和陰燃時(shí)間。燃燒性能測(cè)試值見(jiàn)表5，燃燒后織物形態(tài)見(jiàn)圖5和圖6。

試驗(yàn)結(jié)果分析:

(1)織物的續(xù)燃時(shí)間和陰燃時(shí)間均為0 s，均符合GA 770—2008的要求，同時(shí)在燃燒過(guò)程中沒(méi)有熔滴現(xiàn)象。

表5 試樣的燃燒性能

圖5 配方A處理的涂層織物的燃燒后狀態(tài)

圖6 配方B處理的涂層織物的燃燒后狀態(tài)

(2)試樣的損毀長(zhǎng)度小于GA 770—2008要求的損毀長(zhǎng)度，其中，配方B處理后的涂層織物的損毀長(zhǎng)度明顯比配方A的小，因此可以看出配方B處理的后的涂層織物的阻燃性較好。

4 結(jié)論

(1)偶聯(lián)劑配方B能使的PTFE薄膜較好的與PPS織物表面貼合。經(jīng)反面滲水性測(cè)試間接測(cè)試薄膜粘接強(qiáng)度，粘接強(qiáng)度較好。

(2)配方B涂層織物的耐化學(xué)品滲透符合EN 374要求，阻燃性則符合GA 770—2008的要求。

［1］陳運(yùn)能.新型紡織原料［M］.北京:中國(guó)紡織出版社，1998.

［2］徐蘭娣.GA 770—2008，消防員化學(xué)防護(hù)服裝［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［3］張抗震.聚苯硫醚(PPS)用于防化服外層面料的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)［D］.東華大學(xué)，2011:13-44.

［4］高衛(wèi)東.棉織手冊(cè)(3版)［M］.北京:中國(guó)紡織出版社，2006.

［5］金郡潮.解析消防防化服防護(hù)性能的重要指標(biāo)—穿透性和滲透性［J］.中國(guó)個(gè)體防護(hù)裝備，2005(6):26-28.

［6］崔雪梅.化學(xué)防護(hù)服綜述［J］.中國(guó)個(gè)體防護(hù)裝備，2004(1):28-30.

［7］陳緒煌，李純清.聚丙烯/丁基橡膠共混體系對(duì)溶劑阻隔性的研究［J］.塑料科技，2006，34(4):42-44.

［8］朱華.工業(yè)用化學(xué)防護(hù)服概述［J］.上海紡織科技，2007(11):1-9.

［9］張旭華.新型硅烷偶聯(lián)劑的合成與應(yīng)用［D］.南昌大學(xué)，2008.

［10］CEN.BS EN 374-3—2003 standard on protective gloves against chemicals and micro-organisms［S］.European Standard，2003(9).

Research and development on the coated fabric based on thefabrics of fibrefighter’chemical protective clothing

Xu Tianhui1，Guo Rongru2，Chen Xuwei1，Li Yuling1，Du Weiping3
(1.College of Textiles，Donghua University; 2.Changzhou No.3 Worsted Textile Group Go.，Ltd.;3.Shanghai Textile Group Co，Ltd.)

Chemical protective clothing is a kind of clothes which the firefighter must put on when they approach to the scene of the fire or accidents，in order to protect people from chemical agent or corrosive things.This topic is mainly about the research on the coating fabric of PPS，in order to obtain the ability of resistance to permeation by chemical.PTFE emulsion mixed with silane coupling agent is used to process the surface of PPS fabrics，and a layer of polymer modification membrane is formed.After that，PTFE film is hot-pressed on the surface of modified PPS fabrics.According to the requirements of GA 770—2008，the basic mechanical properties of the coating fabric have been tested，as well as flame retardancy.EN 374 is used for the determination of resistance to permeation by chemical.The results of flame retardant and resistance to permeation meet the requirements of GA 770—2008.

chemical protective clothing，coating，PPS fabric，PTFE film，silane coupling agent，resistance to permeation by chemical

TS106.6

A

1004－7093(2012)04－0033－05

2012－01－11

徐田慧，女，1987年生，在讀碩士研究生。主要研究方向?yàn)橄阑瘜W(xué)防護(hù)服面料用涂層聚苯硫醚織物。

陳旭煒，E-mail:cxw@dhu.edu.cn