光熱復(fù)合老化對(duì)消防服用織物性能的影響*

馬春杰 丁作偉 崔志英 于偉東

1. 東華大學(xué)服裝·藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，上海 200051；2. 東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海 201620

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光熱復(fù)合老化對(duì)消防服用織物性能的影響*

馬春杰1丁作偉2崔志英1于偉東2

1. 東華大學(xué)服裝·藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，上海 200051；2. 東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海 201620

選擇常用的消防服用織物進(jìn)行光熱復(fù)合老化試驗(yàn)，測(cè)試織物的表面色差、物理力學(xué)性能和熱防護(hù)性能(TPP值)。結(jié)果表明：光、熱單獨(dú)作用及復(fù)合作用過(guò)程中，織物表面色差呈增大趨勢(shì)，熱老化對(duì)織物顏色的影響顯著(P<0.01)；光、熱的交互作用對(duì)織物的面密度影響最顯著(P=0.039)；撕破強(qiáng)力和斷裂強(qiáng)力保持率隨著光照時(shí)間和熱輻射時(shí)間的增加而減小，其中，光、熱先后作用30 min復(fù)合老化后，織物的緯向撕破強(qiáng)力低于標(biāo)準(zhǔn)值100 N；光、熱單獨(dú)作用對(duì)織物強(qiáng)力保持率影響顯著(P<0.05)，而光、熱交互作用對(duì)撕破強(qiáng)力保持率影響顯著(P<0.05)；外層織物的TPP值隨著光照時(shí)間及熱輻射時(shí)間的增加而增大，其中，光、熱先后老化30 min時(shí)，PBI織物的熱防護(hù)性能最好，光、熱交互作用對(duì)外層和組合織物的TPP值均有顯著影響(P=0)。

消防服，光熱復(fù)合老化，表面色差，物理力學(xué)性能，熱防護(hù)性能

消防服在實(shí)際使用中不可避免地會(huì)遭受熱(如熱輻射、熱對(duì)流)、光(如紅外光、紫外光、太陽(yáng)光)等許多環(huán)境因素的影響。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)熱環(huán)境或日曬條件下消防服及其織物性能的研究比較充分[1-4]，而對(duì)光熱復(fù)合作用條件下的研究相對(duì)較少，而且僅是針對(duì)高性能纖維的研究。劉曉艷[5]、蔡光明[6]對(duì)光熱作用下Kevlar、 Kermel、 PBO三種高性能纖維進(jìn)行了研究。劉君杰[7]通過(guò)對(duì)光熱老化機(jī)理的深入分析，認(rèn)為光熱同時(shí)作用會(huì)使芳綸紗線及其織物的力學(xué)性能下降更為明顯，且加快了其老化速度，說(shuō)明光熱復(fù)合對(duì)纖維存在交互作用。本文以常用的消防服用織物為對(duì)象，研究光熱復(fù)合作用下織物的表觀性能、力學(xué)性能及熱防護(hù)性能，對(duì)比分析不同作用形式對(duì)織物的老化強(qiáng)弱，以進(jìn)一步探討更為復(fù)雜的環(huán)境下消防服性能的變化，為消防服使用過(guò)程中的性能評(píng)價(jià)和壽命預(yù)測(cè)提供參考，從而更好地保護(hù)消防員的人身安全。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

消防服通常由四層織物構(gòu)成，分別為外層、透氣層、隔熱層及舒適層。本文選用四種外層試樣：A1為藏青色Nomex ⅢA[構(gòu)成為Nomex/Kevlar/P140(93/5/2)]、A2為土黃色PBI[構(gòu)成為Kevlar/PBI/P140(58/40/2)]、A3為橙紅色國(guó)產(chǎn)芳綸[構(gòu)成為國(guó)產(chǎn)芳綸1313/Kevlar/P140(93/5/2)]、A4為暗橙色Nomex ⅢA[構(gòu)成為Nomex/Kevlar/P140(93/5/2)]；透氣層B、隔熱層C及舒適層D分別為聚四氟乙烯(PTFE)膜、隔熱氈和阻燃黏膠。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 光熱老化測(cè)量裝置與方法

依據(jù)太陽(yáng)光基本理論及ISO 105 B02—1994《紡織品 色牢度試驗(yàn)》等標(biāo)準(zhǔn)，采用氙燈作為模擬日光光源，其功率為1500 W；濾光系統(tǒng)選用紫外延展濾光器，長(zhǎng)×寬×厚為350 mm×90 mm×5 mm， 波長(zhǎng)截止點(diǎn)為275 nm，其允許透過(guò)比地球表面太陽(yáng)光的波長(zhǎng)截止點(diǎn)290 nm更短的紫外線。依據(jù)NFPA 1971 Standard on Protective Ensemble for Structural Fire Fighting 及ISO 17492—2003《隔熱和防熱服 暴露于火和輻射熱時(shí)防護(hù)服的熱傳遞的測(cè)定》等標(biāo)準(zhǔn)，采用遠(yuǎn)紅外乳白石英加熱管模擬熱源，其外徑為10 mm，長(zhǎng)為350 mm，功率為300 W/根，共9根。采用JTR09型高溫輻射熱計(jì)標(biāo)定光強(qiáng)度和熱輻射強(qiáng)度，UV-340A型紫外輻照計(jì)標(biāo)定光輻照度控制點(diǎn)，保證在300～420 nm段控制范圍的輻射量不小于42 W/m2。織物光老化儀和熱老化儀如圖1所示。

圖1 織物光、熱老化儀示意圖

本文設(shè)計(jì)先光照后熱輻射的老化試驗(yàn)，模擬日光老化的輻照強(qiáng)度為(5.40±0.27) kW/m2，熱輻射的熱流強(qiáng)度為(5.40±0.27) kW/m2。光熱老化的組合方案如表1所示。

表1 光熱復(fù)合老化試驗(yàn)的組合方案

注：“√”表示有組合，“×”表示無(wú)組合。

通過(guò)預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，熱輻射30 min 時(shí)，各試樣的緯向撕破強(qiáng)力和斷裂強(qiáng)力均低于標(biāo)準(zhǔn)值，已無(wú)法正常使用，若繼續(xù)熱輻射更長(zhǎng)時(shí)間，試樣的機(jī)械強(qiáng)力將遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值，對(duì)試驗(yàn)研究失去意義。而光老化30 min 時(shí)，各試樣的機(jī)械強(qiáng)力尚可，所以將光照時(shí)間設(shè)為0、 15、 30、 45、 60 min， 熱輻射時(shí)間設(shè)為0、 15、 30 min。

1.2.2 其他測(cè)試方法與儀器

1.2.2.1 織物表面色彩的測(cè)試

CIELAB顏色空間是國(guó)際照明委員會(huì)CIE制定的一種均勻的顏色系統(tǒng)，對(duì)于任何一種顏色都能在CIELAB色空間中表示出來(lái)。其中，L是光亮度，取值范圍為0(黑色)～100(白色)；a和b表示色坐標(biāo)(其中a代表紅綠軸，b代表黃藍(lán)軸)，它們的取值范圍為-128～127。獲取Lab值的前提是測(cè)得樣品的三刺激值(X、Y、Z)及色度坐標(biāo)(x、y、z)。三刺激值計(jì)算公式如下：

(1)

式中：I(λ)——光源經(jīng)物體反射進(jìn)入人眼的光譜能量分布；

λ——光譜波長(zhǎng)；

k——?dú)w化系數(shù)[8]。

色度坐標(biāo)公式如下：

(2)

三刺激值與色度坐標(biāo)轉(zhuǎn)化過(guò)程的計(jì)算比較復(fù)雜，本文采用的方法：①采用島津UV-3600型分光光度計(jì)對(duì)樣品進(jìn)行光譜測(cè)量；②通過(guò)MATLAB軟件編程[9]，利用load函數(shù)導(dǎo)入標(biāo)準(zhǔn)光源數(shù)據(jù)、樣品的光譜功率分布數(shù)據(jù)(光反射率)及CIE標(biāo)準(zhǔn)D65光源的三刺激值；③編寫wlen、interp和ccolor三個(gè)功能函數(shù),獲取樣品光譜功率的三刺激值和色度坐標(biāo)；④編寫空間轉(zhuǎn)換函數(shù)xyz2lab，計(jì)算樣品的Lab值。圖2是各外層試樣表面顏色的光譜曲線，表2是測(cè)得的色彩信息。

圖2 D65光源下外層試樣顏色的光譜曲線

表2 外層試樣表面顏色信息

1.2.2.2 織物性能測(cè)試

采用Y 511型織物密度鏡、YG(B) 141D型數(shù)字式織物厚度儀、織物電子天平、YG 46lE型電腦式透氣性測(cè)試儀及美國(guó)Instron 3365型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，分別測(cè)試織物的經(jīng)緯紗線密度、厚度、面密度、透氣性、斷裂強(qiáng)力和撕破強(qiáng)力；采用美國(guó)CSI-206 型熱防護(hù)性能測(cè)試儀測(cè)試織物的熱防護(hù)性能(TPP值)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 光熱復(fù)合老化對(duì)織物表面性能的影響

圖3反映了光熱老化后織物表面的變化。從圖中可以看出：光、熱單獨(dú)作用過(guò)程中，織物表面顏色變暗，手感變硬、毛糙，并有炭化現(xiàn)象，且在熱輻射30 min 時(shí)織物的顏色比光照30 min時(shí)稍暗；光、熱先后各作用30 min后，織物的顏色比光、熱單獨(dú)作用30 min及光老化60 min時(shí)都要暗，炭化現(xiàn)象更為明顯。表3是光熱復(fù)合老化后織物表面的色差值，從表中可看出，光、熱單獨(dú)作用過(guò)程中，各試樣表面色差值均呈上升趨勢(shì)，經(jīng)SPSS分析[10]得，光、熱單獨(dú)作用時(shí)間對(duì)織物色差值影響顯著(F檢驗(yàn)時(shí)均有P<0.01)。光熱復(fù)合老化過(guò)程中，各試樣表面色差值整體均呈上升趨勢(shì)，且光、熱先后各作用30 min后色差變化顯著，此作用下各試樣的色差值由大到小為A3(26.03)>A2(25.47)>A4(21.03)>A1(6.72)。一般情況下，織物的顏色與所用染料濃度呈正相關(guān)[11]，且偏黃色的染料吸收偏藍(lán)紫的光。染色織物光老化后褪色甚至炭化的原因是，光優(yōu)先致使染料聚合物發(fā)生氧化降解，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后(色素基本不再分解)，再進(jìn)入纖維層發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)。在聚合物光降解的過(guò)程中不可避免地產(chǎn)生熱的作用，光氧化反應(yīng)引發(fā)速率高，熱氧化經(jīng)過(guò)光的誘導(dǎo)和自催化后伴隨著光氧化發(fā)生[5]，所以土黃色織物(A2)的色差值遠(yuǎn)大于藏青色織物(A1)；又由于國(guó)產(chǎn)芳綸的耐熱性和耐光性比Nomex和PBI差，所以A3的色差值最大。

圖3 光熱老化后織物的外觀形態(tài)

有關(guān)研究[12]表明，在5.42 kW/m2的光輻照度下，芳綸織物和NomexⅢA織物光照約12 min后色素分解基本穩(wěn)定，后期的色變主要原因是纖維發(fā)生光氧降解和熱氧降解致使織物炭化。但是光老化產(chǎn)生的熱效應(yīng)遠(yuǎn)不及熱輻射的熱效應(yīng)，織物經(jīng)受熱輻射的表面溫度要高于光照時(shí)的溫度，從圖4的光、熱單獨(dú)作用下織物的表面溫度變化(以A1和A2為例)可得以驗(yàn)證。所以，相同作用時(shí)間下，不同老化形式對(duì)芳香族聚酰胺纖維織物(A1、 A3和A4)老化程度中，熱老化對(duì)織物性能的損傷最大，其次是光熱復(fù)合老化和光老化。而PBI織物由于其組分PBI纖維的耐熱性非常好，織物表面受損的主導(dǎo)因素是光的作用，所以其在經(jīng)過(guò)光熱復(fù)合老化30 min之前遵循的規(guī)律：光老化>光熱復(fù)合老化>熱老化，光熱復(fù)合老化時(shí)間超過(guò)30 min，以及更長(zhǎng)的老化時(shí)間后，遵循的規(guī)律與芳香族聚酰胺纖維織物相同。

表3 光熱復(fù)合老化后織物表面色差值

圖4 光、熱單獨(dú)作用下A1和A2的表面溫度

2.2 光熱復(fù)合老化對(duì)織物物理性能的影響

表4為光熱老化后織物的基本物理參數(shù)。從表4中可以看出，光、熱單獨(dú)老化過(guò)程中，織物厚度整體均呈增大趨勢(shì)。經(jīng)SPSS分析可得，光、熱老化時(shí)間對(duì)厚度影響顯著(P分別為0.001、 0)；光老化時(shí)間對(duì)面密度、透氣率及經(jīng)緯密度影響不顯著(P>0.05)，而熱老化時(shí)間對(duì)面密度影響顯著(P=0.027)。熱老化過(guò)程中面密度的增大說(shuō)明織物發(fā)生了熱收縮，使得單位面積空隙變小，而熱老化過(guò)程中織物經(jīng)緯密度的增大和透氣率的下降與這一解釋相符。光熱復(fù)合老化過(guò)程中，光熱的交互作用對(duì)面密度影響最顯著(P=0.039)。 從表4中還可看出，相同作用時(shí)間下，不同老化形式對(duì)A1、 A3、 A4的破壞程度為熱老化>光熱復(fù)合老化>光老化。以A1為例，熱輻射30 min、光照15 min+ 熱輻射15 min及光照30 min 后，A1的面密度分別為212.80、 213.19、 204.12 g/m2。而A2因含有經(jīng)黃色染料染色的PBI纖維，其光熱老化過(guò)程與其他織物有差異，老化30 min 前，A2表現(xiàn)為對(duì)光更敏感，光老化的破壞更大，30 min 后的情況則與A1相似，且這一規(guī)律與色差變化的規(guī)律相一致。

表4 光熱復(fù)合老化后織物物理參數(shù)

圖5和圖6分別為織物光熱老化后的撕破強(qiáng)力保持率和斷裂強(qiáng)力保持率。從圖5可看出，光熱老化過(guò)程中，織物的撕破強(qiáng)力保持率隨著光照時(shí)間及熱輻射時(shí)間的增加而減小，其中熱輻射15 min時(shí)，經(jīng)緯向撕破強(qiáng)力保持率下降最明顯，最大變化率為44.78%(A3經(jīng)過(guò)單獨(dú)熱輻射15 min時(shí)，經(jīng)向撕破強(qiáng)力保持率為55.22%)。其原因是熱老化15 min時(shí)，A1～A4表面溫度(分別為297、 283、 277、 269 ℃)已達(dá)到Nomex和國(guó)產(chǎn)芳綸1313纖維的玻璃化溫度(約270 ℃)，在這一溫度下試樣內(nèi)部的分子鏈段獲得了足夠的運(yùn)動(dòng)能量和空間后形成了比較穩(wěn)定的分子間鍵，使得纖維內(nèi)部局部的折疊鏈和孔洞增大，因而纖維的撕破強(qiáng)力大幅下降。光、熱先后各作用30 min 后，各試樣撕破強(qiáng)力及強(qiáng)力保持率下降顯著，其中A3的經(jīng)向撕破強(qiáng)力保持率僅為49.91%，而各試樣的緯向撕破強(qiáng)力均低于100 N。從圖6可以看出，光熱老化過(guò)程中，織物的斷裂強(qiáng)力保持率隨著光照時(shí)間及熱輻射時(shí)間的增加而減小。其中光、熱先后作用30 min后，各試樣的斷裂強(qiáng)力及強(qiáng)力保持率變化顯著，其中最小的是A4，緯向斷裂強(qiáng)力及強(qiáng)力保持率分別為629.52 N、 89.33%，其他試樣的經(jīng)緯向斷裂強(qiáng)力均高于650 N。由此說(shuō)明，光熱復(fù)合老化60 min (光照30 min+熱輻射30 min)后，A4的斷裂強(qiáng)力已不符合標(biāo)準(zhǔn)，不能再繼續(xù)使用；而其他試樣的緯向撕破強(qiáng)力低于標(biāo)準(zhǔn)值，雖然斷裂強(qiáng)力仍符合標(biāo)準(zhǔn)，但耐久性較差。經(jīng)SPSS分析可得，光、熱老化時(shí)間對(duì)織物的經(jīng)緯向撕破強(qiáng)力保持率影響顯著(P=0)，光、熱老化時(shí)間對(duì)織物的經(jīng)緯向斷裂強(qiáng)力保持率影響顯著(P<0.05)，而光、熱的交互作用只對(duì)撕破強(qiáng)力保持率影響顯著(經(jīng)向P=0.018，緯向P=0.02)。

圖5 光熱復(fù)合作用下織物的撕破強(qiáng)力保持率

圖6 光熱復(fù)合作用下織物的斷裂強(qiáng)力保持率

表5是相同時(shí)間不同老化形式下織物經(jīng)向撕破強(qiáng)力的比較。從表5中可看出，老化30 min前，除了A2，其他試樣經(jīng)過(guò)相同時(shí)間不同老化形式的作用后，經(jīng)向撕破強(qiáng)力由大到小依次為光老化>光熱復(fù)合老化>熱老化。以A1為例，光照30 min、光熱復(fù)合(光照15 min+熱輻射15 min)及熱輻射30 min后，A1的經(jīng)向撕破強(qiáng)力分別為181.20、 180.22、 179.91 N，與老化45及60 min的情況相同。而老化30 min前，A2的經(jīng)向撕破強(qiáng)力與其他織物有差異，但隨著時(shí)間的增加，熱效應(yīng)變?yōu)槔匣闹饕颍浩茝?qiáng)力的變化規(guī)律與A1相同，其原因與色差和面密度變化的解釋一致，可認(rèn)為色差變大、面密度變大的趨勢(shì)與經(jīng)向撕破強(qiáng)力變小的趨勢(shì)相對(duì)應(yīng)。相同老化時(shí)間不同老化形式下，各試樣的緯向撕破強(qiáng)力及經(jīng)緯向斷裂強(qiáng)力的大小順序與經(jīng)向撕破強(qiáng)力的規(guī)律相同。

表5 相同時(shí)間不同老化形式下織物的經(jīng)向撕破強(qiáng)力

2.3 光熱復(fù)合老化對(duì)織物熱防護(hù)性能的影響

圖7為光熱復(fù)合老化后外層織物和多層組合織物的TPP值。從圖中可看出，外層織物的TPP值隨著光照時(shí)間及熱輻射時(shí)間的增加而增大，其中光、熱先后老化30 min時(shí)，各試樣TPP值變化明顯，A1～A4的TPP值增量分別為1.7、 1.7、 1.6、 1.3 cal/cm2。TPP值增加的原因是織物受光熱作用發(fā)生熱收縮，使得厚度增大，加上炭化效應(yīng)，從而在表面形成一道保護(hù)屏障，使得其熱防護(hù)性能更好。光熱老化過(guò)程中，組合織物的TPP值變化與外層織物相似，整體呈變大趨勢(shì)，且光、熱先后各作用30 min 后，A2的TPP值及增加值最大，分別為34.7 和3.2 cal/cm2。由SPSS分析可得，光老化時(shí)間對(duì)外層織物的TPP值影響不顯著，對(duì)組合織物的TPP值影響顯著(P=0.026)；熱老化時(shí)間對(duì)外層和組合織物的TPP值影響均顯著(外層P=0，組合P=0.007)；光、熱的交互作用對(duì)外層和組合織物的TPP值均影響顯著(P均為0)。

圖7 光熱復(fù)合作用下織物的TPP值

表6是相同時(shí)間不同老化形式下外層織物的TPP值比較。從表6可看出，除了A2，其他試樣經(jīng)過(guò)相同時(shí)間不同老化形式的作用后，TPP值由大到小依次為熱老化>光熱復(fù)合老化>光老化。以A1為例，熱輻射30 min，光、熱先后各作用15 min及光照30 min后，A1的TPP值分別為9.7、 9.6、 8.4 cal/cm2， 與老化45及60 min的情況相同。而老化30 min前A2的TPP值的變化規(guī)律與其他試樣有差異，但隨著時(shí)間的增加，熱效應(yīng)變?yōu)槔匣闹饕颍琓PP值的變化規(guī)律與A1相同，其原因與色差和面密度變化的解釋一致，可認(rèn)為色差變大、面密度變大的趨勢(shì)與外層織物熱防護(hù)性能變好的趨勢(shì)相對(duì)應(yīng)。相同老化時(shí)間不同老化形式下，組合織物的TPP值的變化規(guī)律與外層織物相同。

表6 相同時(shí)間不同老化形式下外層織物TPP值的比較

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)消防服常用外層織物進(jìn)行了光熱復(fù)合老化試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)得到，光、熱單獨(dú)作用及復(fù)合作用過(guò)程中，各試樣表面色差值均呈上升趨勢(shì)；經(jīng)SPSS分析得到，光、熱老化時(shí)間對(duì)織物色差值影響顯著(P<0.01)，且光、熱先后各作用30 min后色差變化顯著，色差值最大為26.03(國(guó)產(chǎn)芳綸)。

光熱老化過(guò)程中，光、熱的交互作用對(duì)面密度影響最顯著(P=0.039)。織物的撕破強(qiáng)力和斷裂強(qiáng)力保持率隨著光照時(shí)間及熱輻射時(shí)間的增加而減小。光、熱先后各作用30 min后，國(guó)產(chǎn)芳綸的經(jīng)向撕破強(qiáng)力保持率僅為49.91%，且各試樣的緯向撕破強(qiáng)力均低于100 N。光、熱單獨(dú)作用對(duì)織物斷裂強(qiáng)力保持率影響顯著(P<0.05)，而光熱交互作用只對(duì)撕破強(qiáng)力保持率影響顯著。

外層織物的TPP值隨著光照時(shí)間及熱輻射時(shí)間的增加而增大。光、熱先后各作用30 min后，PBI織物的熱防護(hù)性能最好，光熱交互作用對(duì)外層和組合織物的TPP值均影響顯著(P=0)。

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防治霧霾 人人有責(zé)

綠色生活 人人共享

Effects of light and heat on the performance of the fabrics for fire suit

MaChunjie1，DingZuowei2，CuiZhiying1，YuWeidong2

1. College of Fashion and Art Design, Donghua University, Shanghai 200051, China;2. College of Textiles, Donghua University, Shanghai 201620, China

Fabrics commonly used for fire suit were exposed to light and heat. The surface color difference, physical and mechanical performance and thermal protective performance(TPP) of the fabrics were evaluated in laboratory. The results revealed that color difference increased as fabric was exposed to either light or heat or both, and the effect of heat aging on color was significant (P<0.01). The gram weight of the fabric was greatly affected by the interaction between light and heat (P=0.039). With the increase of exposure time and heat radiation time, both tearing strength and breaking strength decreased, and weft tearing strength was under standard value (100 N) after 30 min of light and heat aging in order. Either light or heat had great influence on the reduction ratio of fabric strength (P<0.05), and interaction had great influence on the reduction ratio of tearing strength (P<0.05). TPP value of the outer fabric increased with the increase of light and heat time, and thermal protective performance of PBI fabric was the best after 30 min of light and heat aging in order. TPP value of the outer or combination fabric was significantly affected by the interaction of light and heat (P=0).

fire suit, light and heat aging, color difference, physical and mechanical performance, thermal protective performance

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51303023)

2014-09-16

馬春杰，女，1989年生，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)榉b舒適性與功能性

崔志英，E-mail:cuizy@dhu.edu.cn

TS941.731

A

1004-7093(2016)02-0018-08