消防服用芳綸隔熱層面料的熱防護性能研究

蔡普寧 林 娜 趙領航

(陜西省紡織科學研究所，西安，710038)

隨著消防服［1］面料及服裝標準的健全和提高，人們對各類防護服產品的性能要求也越來越高。目前防護面料［2］逐步由單一功能、單層結構向多種功能、多層結構轉變，材料由阻燃后整理向芳綸、PBI(聚苯并咪唑)等高性能纖維轉變，織造形式由單一化向多樣化轉變。熱防護系數［3-7］是評價消防服熱防護性能的關鍵指標，是對火災中強烈的對流熱和輻射熱防護性能的表征，它能客觀地預測消防服的實際應用效果。在熱防護［8-9］的過程中，熱防護材料充當一種介質，介于熱源與人體皮膚之間，目的就是盡可能地使熱源所產生的高溫及輻射熱對人體所產生的損傷程度減到最低。因此，熱防護材料的選擇十分重要，必須選擇熱傳導率低的纖維，受熱后要完全炭化，以起到較好的隔熱作用。常見的熱防護材料有芳綸1313、芳綸1414、玻璃纖維、石英纖維及碳纖維等。

消防服一般由外層、防水透氣層、隔熱層和內層舒適層四層結構組成，隔熱層對多層織物的綜合熱防護性能起著重要作用，而芳綸1414縫編復合氈作為隔熱層材料熱防護性能優良。本研究中外層選用芳綸，防水透氣層為PTFE(聚四氟乙烯)覆膜，舒適層選用100%阻燃棉材料，其中隔熱層的熱防護系數在各層面料中最大。芳綸1414縫編復合氈與PTFE覆膜的質量比傳統消防服中防水透氣層和隔熱層組合的質量輕，這樣有助于減輕消防服的整體質量，減小消防員的負荷。PTFE膜上有許多微孔，水蒸氣分子的直徑為0.4 nm，而雨水中直徑最小的輕霧的直徑為20 μm，PTFE薄膜的孔隙大小介于水蒸氣和雨水分子直徑之間，因此可以讓氣態的水自由通過，而把液態的水擋住，以達到透氣的效果。在用作消防服面料時，可以用特殊的黏合劑把PTFE黏合在隔熱層面料上。

作為隔熱層的織物，按照織造形式可分為機織物、針織物和非織造布。由于傳統的機織物、針織物組織結構中的紗線一直處于彎曲狀態，使得構成機織物或針織物的高性能纖維的性能沒有得到充分的發揮，從而影響材料的最終性能。而非織造布一方面改變了針織物纖維含量低及模量低的問題，另一方面也解決了機織物由于屈曲結構導致的材料性能不能充分發揮的問題，使最終材料的性能得到相應的提高。從織造形式來看，相比機織物和針織物，同面密度、同材料制成的非織造布的熱防護性能較好。這是因為非織造布結構松散，內部所含的空隙較多，包含的空氣也較多，而空氣的熱傳導率遠小于纖維材料的熱傳導率，從而降低了熱量的傳播速度。

本研究的隔熱氈為縫編復合氈［10-11］，由針刺氈、緯向間隔紗及綁縛紗線組成，這種結構能充分利用平行紗線的性能，提高材料的綜合性能，改善織物的拉伸、抗壓、抗沖擊等力學性能。縫編復合氈不僅性能優良，可設計性好，而且其工藝比傳統纖維增強材料更為簡單。

研究發現，在面密度相同的條件下，芳綸1414針刺氈的熱防護性能優于芳綸1313針刺氈;芳綸1414縫編復合氈不僅具有優異的力學性能，而且熱防護性能優良，是理想的消防服隔熱層材料。本文主要研究芳綸1313針刺氈、芳綸1414針刺氈和芳綸1414縫編復合氈的熱防護性能，通過洗滌前后試驗的對比，分析針刺氈基布與縫編復合氈以及相關組合織物的熱防護性能及影響因素，為消防服用新產品的研發和應用提供基礎數據和參考依據。

1 試驗

1.1 試樣的選擇

試樣采用芳綸1313和芳綸1414針刺氈、芳綸1414縫編復合氈及其組合織物共7種。試樣及其標號見表1，試樣大小均為150 mm×150 mm。

表1 試樣及其標號

1.2 熱防護性能測試

熱防護系數是評價織物熱防護性能的指標，是通過對織物表面導致人體二度燒傷所需熱能來評價的。熱防護系數越大，織物的熱防護性能越好。本試驗按照GB8965.1—2009《防護服裝 阻燃防護第1部分：阻燃服》中附錄A的測試方法進行，采用陜西元豐紡織技術研究有限公司生產的RFH-Ⅰ型織物熱防護性能測試儀。

在規定的距離內，熱源的發熱形式有兩種，即熱對流和熱輻射，其中熱對流和熱輻射各占50%。試驗時將樣品水平放置，并距離對流與輻射混合熱源一定距離，測量造成人體皮膚二度燒傷所需要的時間是試樣置于熱源后的量熱計溫度值隨熱源作用的時間而產生的變化，并以此來評價服裝的熱防護能力。當透過熱量與引起人體組織二度燒傷熱量相等時，記錄下暴露時間，熱防護系數(J/cm2)就是暴露的熱通量與暴露時間的乘積，即

熱防護系數 =qt

式中：q——暴露的面積熱流量，試驗時面積熱流量設定為 8.4 J/(cm2·s);

t——導致二度燒傷的時間，s。

1.3 洗滌試驗

根據GB/T8629—2001《紡織品 試驗用家庭洗滌和干燥程序》標準的要求，分別對7種試樣進行5次的洗滌試驗，洗滌后的樣品再進行熱防護性能測試。

2 結果與討論

2.1 測試結果

2.1.1 洗滌前試樣的熱防護性能測試結果

洗滌前試樣的測試結果見表2。圖1為芳綸1313針刺氈、芳綸1414針刺氈及芳綸1414縫編復合氈測試結束后織物表面的破壞程度。

2.1.2 洗滌后試樣的熱防護性能測試結果

洗滌后試樣的熱防護性能測試結果見表3。

2.2 分析與討論

圖1 試驗結束后織物表面的破壞程度

表2 洗滌前試樣測試結果

表3 洗滌后試樣測試結果

圖2為各試樣洗滌前后熱防護系數的對比圖，由圖2可知，試樣的熱防護系數大小排序為試樣Ⅰ＜試樣1，試樣1＜試樣3＜試樣5，試樣2＜試樣4＜試樣6，且試樣1＜試樣2，試樣3＜試樣4，試樣5＜試樣6。說明相同面密度的芳綸1414針刺氈的熱防護性能高于芳綸1313針刺氈;芳綸1414組合織物的熱防護性能高于單層織物;覆膜織物的熱防護性能高于無覆膜織物;芳綸1414縫編復合氈及其組合織物的熱防護性能高于芳綸1414針刺氈及其對應的組合織物。由圖1可以看出，在同樣的條件下，芳綸1313針刺氈的表面燒傷程度大于芳綸1414針刺氈，這是因為芳綸1414的耐熱性優于芳綸1313;芳綸1414針刺氈的表面燒傷程度大于芳綸1414縫編復合氈，由于縫編復合氈表面有緯向紗線以一定的間隔排列，中間靜止的空氣減小了對下層基氈的燒傷程度，起到了保護作用。從結構上分析，芳綸1414縫編復合氈由芳綸針刺氈和緯向間隔紗組成，形成了織物間隔層，從而保留了空氣，在服裝與人體間形成一個微氣候，可以阻止濕氣在皮膚表面累積，對濕氣有很好的緩沖作用，提供了良好的隔熱效果和穿著舒適性。從纖維組成成分上看，針刺氈選用芳綸1414，緯向間隔紗選用芳綸包覆玻璃纖維紗線，均為高性能阻燃纖維。織物覆膜后，熱防護系數高于未覆膜織物，主要是因為覆膜后織物與空氣的接觸面積減小，這樣就能減輕織物的燒傷程度。

圖2 試樣的熱防護系數對比圖

由圖2還可以看出，同一試樣洗滌前后的熱防護系數有所變化，且洗滌后試樣的熱防護系數均大于洗滌前。這是因為試樣由蓬松的針刺氈構成，洗滌后材料的結構被破壞，影響了各材料的緊密程度，變得更加蓬松，從而內部所含的空氣增多，而空氣的熱傳導率是纖維材料的1/10，因此，也就降低了熱量的傳播速度，各材料的熱防護系數沒有下降反而上升。隔熱層結構因選用芳綸1414縫編復合氈洗滌后沒有變得松散，不影響材料的強度;緯向間隔紗與線圈結構縫合加固了針刺氈結構，因此不會影響消防服的正常使用。

3 結語

本文探討了芳綸1313針刺氈、芳綸1414針刺氈、芳綸1414縫編復合氈及相關組合織物的熱防護性能，通過試樣洗滌前后試驗的對比，分析針刺氈基布與縫編復合氈以及相關組合織物的熱防護性能大小及影響因素。經試驗驗證及理論分析，得到以下結論：

(1)在面密度相同的條件下，芳綸1414針刺氈的熱防護性能優于芳綸1313針刺氈。

(2)芳綸1414縫編復合氈的熱防護性能高于芳綸1414針刺氈基布。

(3)縫編復合氈與針刺氈基布以及相關組合材料的熱防護性能與材料的多層結構有很大關系，對于同種材料，層數越多，熱防護性能越好;織物覆膜后，熱防護性能高于未覆膜的織物。

(4)洗滌后試樣的熱防護系數大于洗滌前，而隔熱層結構因選用芳綸1414縫編復合氈洗滌后沒有變得松散，不影響消防服的正常使用。因此，芳綸1414縫編復合氈作為消防服材料的隔熱層材料，將憑借其優異的熱防護性能深受人們的喜歡。

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