光濕復合老化對消防服用織物性能的影響

馬春杰，崔志英

(東華大學服裝藝術·設計學院，上海 200051)

在消防環境-服裝-人體系統中，消防環境是前提條件，服裝研究是途徑，人體的需求是研究的依據和目的，其中環境對服裝以及人體的影響不容忽視，惡劣的火災環境中熱、濕、光、氣、應力等多種因素并存，不僅損害了服裝本身，也威脅到消防員的人身安全。由于環境的復雜性，目前大部分國內外學者對防護服的研究均是模擬高溫、低溫、濕、光等單一因素［1－3］，少數學者模擬2種因素組合的環境條件，如M.Fu［4］曾對熱輻射作用下，干濕條件對消防服織物熱防護性能的影響進行了研究;劉君杰［5］研究了光熱作用下幾種消防服用纖維的老化性能。本文以常用的消防服用織物為對象，研究光濕復合作用后織物的力學性能及熱防護性能，以進一步探討多種復合環境因素對消防服用織物使用性能的影響，為消防服使用過程中性能的評價提供參考。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

消防服通常由4層織物構成，分別為外層、透氣層、隔熱層及舒適層。本文選用的試樣為:A1、A2、A3是秋冬款消防服外層面料;A4是夏款消防服面料;B、C、D分別為透氣層、隔熱層及舒適層。織物的物理參數如表1所示。

1.2 實驗儀器

依據太陽光基本理論［6］及AATCC TM 16-2004《紡織品 耐光照色牢度》、ISO 105 B02-1994《紡織品色牢度試驗》等標準，采用氙燈作為模擬日光光源，其功率為1500W，濾光系統選用紫外延展濾光器，長寬厚為350mm×90mm×5mm，波長截止點為275 nm，其允許透過比地球表面太陽光的波長截止點290 nm更短的紫外線。采用DT-1300照度計和JTR09高溫輻射熱計標定輻照度，UV-340A紫外輻照計標定輻照度控制點，保證在300～420 nm段控制范圍的輻射量不小于42 W/m2。織物光老化儀器示意圖如圖1所示。

表1 消防服多層面料的物理參數Tab.1 Physical characteristics of multilayered fabrics of firefighter protective clothing

圖1 光老化儀示意圖Fig.1 Schematic diagram of light aging instrument

1.3 光濕老化實驗方案

1.3.1 織物水處理方法

根據ISO 15383—2001《消防隊員的保護手套-試驗室試驗方法和性能要求》及AATCC Test Method 70—2010《拒水性:翻轉式容器動態吸水試驗》，在恒溫恒濕的環境下，將試樣完全浸潤在溫度為(20±2)℃的水中，根據面料的防水程度選擇浸潤時間，以達到設定的浸潤程度，A1和A2面料防水性強，且厚度和面密度較大，浸潤時間遠長于A3和A4面料。浸潤取出后，在試樣的上方和下方加上吸水紙，施加3.5 kPa(換算成質量為21 kg)的壓力，保持20 min。試樣在狀態調節后密封在塑料帶中，以便于進行其他實驗。面料潤濕程度用含水率表示，計算公式［7］如下:

式中:W為含水率，%;G0為織物浸潤前的質量，g;G為織物浸潤后的質量，g。

織物的潤濕狀態設定為2種狀態:含水量約40%和飽和潤濕狀態。

1.3.2 光濕復合老化

模擬日光老化的主要參數:光輻照強度值為(5.4 ±0.27)kW/m2，輻照時間分別為 0、15、30、45、60 min。預實驗發現光濕老化順序對實驗結果無顯著影響，故本文設計先光照后潤濕的老化實驗。

1.4 織物性能測試

1.4.1 織物表面色差值測試

采用島津UV-3600分光光度計對樣品顏色的光譜進行測量，根據CIEXYZ D65標準光源的光譜功率分布，通過三刺激值計算公式和色度公式計算測得樣品的三刺激值以及色度坐標［8］。

三刺激值計算公式為

式中:I(λ)為反射光源的光譜能量分布;X(λ)、Y(λ)、Z(λ)為CIEXYZ標準色度系統的光譜三刺激值;x、y、z為樣品的色度坐標值;k為歸化系數。

利用MatLab軟件進行織物表面色差值的計算［9］。首先，利用load函數導入標準光源數據和樣品的光譜功率分布數據(光反射率)，并導入CIE標準D65光源的三刺激值，編寫wlen、interp和ccolor 3個功能函數獲取樣品光譜功率的三刺激值和色度坐標;然后編寫空間轉換函數xyz2Lab，計算樣品的Lab坐標值;最后利用色差公式計算對比樣之間的平均色差值。色差值計算公式為

圖2和表2分別示出試樣A1的光譜曲線圖及色差。

1.4.2 力學性能測試

采用Y 511型織物密度鏡、YG(B)141D數字式織物厚度儀、織物電子天平、YG 46lE型電腦式透氣性測試儀及Instron 3365萬能材料試驗機分別測試織物的經緯紗線密度、厚度、面密度、透氣性、斷裂強力和撕破強力。采用美國CSI-206型TPP熱防護性能測試儀進行熱防護性能測試。

圖2 D65光源下試樣A1在光老化后顏色的光譜曲線Fig.2 Spectral curves of sample A1 after photoaging under light D65

表2 光老化后A1表面顏色色差Tab.2 Color difference of sample A1 after photoaging

2 實驗結果與分析

2.1 光濕復合對織物表面性能的影響

經過光老化后各試樣表面顏色變暗，手感變硬、毛糙，并有碳化現象，其中A2最為明顯。圖3示出光濕復合作用下織物色差值的測試結果。

由圖3可知，各試樣在光濕老化過程中，色差值隨光照時間的增加而增大。光照15 min后，各試樣的色差值均大于3，顏色較原樣變化明顯，其中A2干態下的色差值最大，為9.49，這是由于偏黃色的染料及試樣吸收的光偏藍紫光，高能量的短波加速了織物的老化，顏色變化大。光老化60 min后，A2、A3、A4干態下的色差值分別是15 min的2倍，色差值為6～19.68，屬于大色差范圍［8］，潤濕時試樣的色差值略有增加，其中吸水性最好的A4色差值增加最大，干態為6.15，飽和潤濕時為12.85。其原因是水分子在一定程度上阻礙了光的反射。利用SPSS分析得到光照時間、潤濕程度對色差值影響均顯著(光老化P＜0.001，潤濕P＜0.05)，即光照時間越長或潤濕程度越大，織物顏色越深，色差值越大。

圖3 光濕復合作用下織物的色差值Fig.3 Color difference of fabrics under effect of light and moisture treatment

2.2 光濕復合對織物力學性能的影響

表3示出光老化后織物的基本物理參數。可以看出，光老化過程中各試樣的厚度均呈增加趨勢。經緯密度的變化情況是:除A1經15 min光老化后經緯密減小、透氣率增大外，其他試樣的經緯密整體均呈增大趨勢，透氣率整體均呈減小趨勢，各試樣的透氣率變化率絕對值最大為17.9%，同時通過掃描電子顯微鏡可觀察到(圖4示出試樣A3光老化前后的SEM照片)，織物中纖維束開裂，雜亂地糾纏分布，使得包裹的紗線熱膨脹，各紗線間的空隙變小，同時受織物熱收縮的影響，導致織物厚度變大、透氣性變差。潤濕后，織物的經緯密度和厚度較干態時幾乎不變，但透氣性顯著減小，其中A4變化最顯著，其飽和潤濕后的透氣率比干態時減小了200mm/s，經SPSS分析得潤濕程度與織物透氣率呈顯著負相關關系(r=－0.893，P＜0.001)。

表3 光老化后織物物理參數Tab.3 Physical parameters of fabrics after photoaging

圖4 光老化后A3的SEM照片Fig.4 SEM images of sample A3 after photoaging.(a)Untreated A3 enlarged(×100);(b)60 min-photoaged A3 enlarged(×100);(c)Untreated A3 enlarged(×500);(d)60 min-photoaged A3 enlarged(×100)

各試樣未經光濕復合老化的撕破強力和斷裂強力如表4所示，其性能均滿足GA 10—2002《消防員滅火防護服》標準規定的要求。

表4 光濕復合老化前試樣的強力Tab.4 Strength of untreated samples

圖5示出織物光濕老化后的撕破強力保持率。可看出，光濕老化過程中，織物的撕破強力保持率隨著光照時間及潤濕度增加而減小，其中光老化60 min后，A2的干態經向撕破強力分別為119.32、100.33 N，強力保持率約為65%，保持性最好，而A3的撕破強力下降最大，保持率約為50%，其緯向強力為96.06 N。由SPSS分析得到:光照時間對經、緯向撕破強力影響顯著(P＜0.001);潤濕程度對經、緯向撕破強力影響顯著(P＜0.05)。

表5示出織物光濕復合作用后的斷裂強力保持率。可看出，光濕老化后除了A4，其他試樣的斷裂強力保持率均呈遞減趨勢，且A4潤濕后出現緯向強力(飽和潤濕狀態下為641.69 N)低于650 N，而其他試樣的強力均高于標準值，其中A2的濕強保持性最好，光老化60 min后，在飽和潤濕狀態下強力保持率大于87%。由SPSS分析可得，潤濕程度對斷裂強力影響顯著(P＜0.01)。

2.3 光濕復合對織物熱防護性能的影響

測試光濕復合作用后試樣的熱防護性能，總熱流量設定為83.5 kW·s/m2，結果見表6。經模擬光照后，干態下外層織物的TPP值總體上略有增加，光照15 min后各試樣的TPP值增大，增加值最大為16.70 kW·s/m2，45 min日曬后TPP值減小，但經過更長時間的日曬后TPP值又開始增大，這與已有的研究結論［10］一致，織物TPP值與其厚度密切相關，厚度越大，TPP值越大。而干態下多層組合織物的TPP值變化和外層的情況相似。由SPSS分析可得，光老化對外層以及多層TPP值的影響均顯著(P＜0.05)。一定時間的光照后，織物熱防護性能沒有減小反而有一定程度的提高。

圖5 光濕復合作用下織物的撕破強力保持率Fig.5 Retention rate of tear strength of fabrics under effect of light and moisture treatment.(a)A1 warp;(b)A1 weft;(c)A2 warp;(d)A2 weft;(e)A3 warp;(f)A3 weft;(g)A4 warp;(h)A4 weft

表5 光濕復合作用下織物的斷裂強力保持率Tab.5 Retention rate of breaking strength of fabrics under effect of light and moisture treatment %

表6 光濕復合作用下外層織物的TPP值Tab.6 TPP values of outer fabrics under effect of light and moisture treatment kW·s/m2

從表6可看出，相同時間的日曬下，TPP值隨潤濕程度的增加而變大，A3和A4在潤濕飽和狀態下TPP值增加值達原樣的1倍，多層組合織物的TPP值變化趨勢與外層相近，這是由于水分使織物的加熱速率下降并延遲了織物點燃，從而使模擬皮膚到達二度燒傷的時間加長。由SPSS分析得，潤濕程度對外層及多層組合試樣的熱防護性能影響顯著(P＜0.05)。

3 結論

本文對消防服常用外層織物進行了光濕復合老化實驗，實驗結果表明:織物表面顏色隨著光老化時間的延長而加深，其中PBI織物變化最為顯著，光照15 min后，其色差值為9.49，潤濕程度對織物表面顏色影響顯著(P＜0.05)。

光濕老化過程中，織物的撕破強力和斷裂強力都隨著光照時間及潤濕度增加而減小，光老化對撕破強力的影響大于斷裂強力。光濕老化對織物的撕破強力具有顯著影響，光照60 min后國產芳綸織物的干態緯向撕破強力為96.06 N，強力保持率約為50%，強力下降最大;而PBI織物仍具有約65%的強力，保持率最好。而光老化對斷裂強力影響不顯著，潤濕程度對斷裂強力影響顯著(經緯向 P＜0.05)。實驗結果表明，國產芳綸織物的力學保持性較Nomex?ⅢA和PBI織物差，且在光老化60 min后國產芳綸織物的干態緯向撕破強力已不能滿足GA 10—2002標準要求，因此需進一步提高其力學性能。而織物的TPP值經過光濕復合作用后都有一定程度的增加，即熱防護性能變好。

［1］李俊，何佳臻，王云儀.常用高溫及低溫防護服隔熱性能的對比［J］.紡織學報，2013，34(10):121－126.LI Jun，HE Jiazhen，WANG Yunyi.Comparison of heat insulation performance between commonly used hightemperature and low-temperature protective clothing［J］Journal of Textile Research，2013，34(10):121－126.

［2］潘巧靈，杜以軍，蔣金華，等.聚芳酯織物的光老化性能［J］.紡織學報，2014，35(7):53－56.PAN Qiaoling， DU Yijun， JIANG Jinhua，etal.Photoaging properties of Vectran fabric［J］.Journal of Textile Research，2014，35(7):53－56.

［3］DAVIS Rick，CHIN Joannie，LIN Chiaochi，et al.Accelerated weathering of polyaramid and polybenzimidazole firefighter protective clothing fabrics［J］.Polymer Degradation and Stability，2010，95:1642－1654.

［4］FU M，WENG W G，YUAN H Y.Quantitative assessment of the relationship between radiant heat exposure and protective performance of multilayer thermal protective clothing during dry and wet conditions［J］. Journal of Hazardous Materials，2014(5):56－60.

［5］劉君杰.幾種高性能纖維熱松弛及光熱老化機制與性能表征［D］.上海:東華大學，2011:148－170.LIU Junjie.Characterization and mechanisms analysis of thermal relaxation and light-heat aging of high performance fibers［D］. Shanghai: Donghua University，2011:148－170.

［6］李景鎮.光學手冊［M］.西安:陜西出版集團，2010:1－56.LI Jingzhen.Optical Manual［M］.Xi'an:Shaanxi Publishing Group，2010:1－56.

［7］于偉東.紡織材料學［M］.北京:中國紡織出版社，2006:289－299.YU Weidong.Textile Materials Science［M］.Beijing:China Textile＆ Apparel Press，2006:289－299.

［8］色彩學編寫組.色彩學［M］.北京:科學出版社，2001:4－97.Chromatology Editorial Committee.Chromatology［M］.Beijing:Science Press，2001:4 －97.

［9］胡曉冬，董辰輝.Matlab從入門到精通［M］.北京:人民郵電出版社，2010:4－50.HU Xiaodong，DONG Chenhui.Matlab from Entry to Master［M］.Beijing:People's Posts and Telecommunications Press，2010:4 －50.

［10］李俊，王云儀，張向輝，等.消防服多層織物系統的組合構成與性能［J］.東華大學學報:自然科學版，2008，34(4):411－413.LI Jun， WANG Yunyi， ZHANG Xianghui， et al.Properties and combination of multilayered fabrics of firefighter protective clothing［J］.Journal of Donghua University:Natural Science Edition，2008，34(4):411－413.