高性能纖維防火氈的綜合性能分析

謝雅婷，唐 虹

(南通大學 紡織服裝學院，江蘇 南通 226019)

高性能纖維發展迅速，其在防火材料中應用日益廣泛，成為投資的新熱點、新趨勢。全球防火紡織品市場的銷售額為每年200億美元[1]，而中國大陸防火防護品的需求也在200億人民幣左右，未來功能性紡織品的市場銷售額每年還將以1.8%的速度增長。新技術新產品不斷更新，新纖維及其應用成為研究的熱點[2]。

高性能纖維是目前防火氈的主要原料。高性能纖維是指與傳統的天然纖維和合成纖維相比，具有高彈性系數、高強度、耐熱性、耐化學藥品性、電絕緣性的新型化學纖維，并對外部的作用不易產生反應[3]。目前國內外用于防火氈的材料主要有碳纖維、芳綸纖維、預氧化纖維，3種纖維性能各異，碳纖維有比強度比模量大、耐磨、抗疲勞、耐高溫、熱膨脹系數小、耐化學腐蝕等特點，但極限延伸率小，使用時加工編織纏繞性略差，抗剪強度較低，易折斷；芳綸纖維彈性好，有很高的延展率，但耐熱性能差，易吸濕，密度低；預氧化纖維耐高溫、耐燃，纖維表面光滑、挺直，但強度低、靜電嚴重，紡織加工難度大[4]。為充分發揮高性能纖維的性能優勢，取長補短，可用高性能纖維與普通纖維如滌綸混紡以改善其性能、提高性價比。

本文通過對碳纖維、芳綸纖維、預氧化纖維3種高性能纖維純紡及與滌綸等比例混紡紗的6種防火氈進行服用性與功能性測試與分析，比較純紡和混紡紗防火氈的性能變化規律性，用灰關聯分析方法找出防火毯最佳纖維組合，為科學設計防火氈提供理論依據。

1 試樣準備

分別采用碳纖維、芳綸纖維、預氧化纖維3種高性能纖維純紡及2種80%高性能纖維/20%滌綸混紡紗制成6種防火氈，比較其服用性和功能性。防火氈加工流程為：高性能纖維→梳毛機梳理→鋪成網狀→搗氈縮絨→二次搗氈→拉毛烘干→高溫定形→成品處理→質量檢驗→入庫儲存。試樣規格見表1。

表1 試樣規格

2 性能測試與分析

實驗測試6種防火氈的阻燃性能、吸附性能、頂破性能、剪切性能、隔熱性能和透氣性能，實驗儀器分別為LLY-07 A織物阻燃性測試儀、蒸化機(南通市特種與功能化纖維及應用工程技術研究中心)，YG(B)032D電子式織物頂破強力試驗儀、YG821 L面料風格儀、YG(B)751D數字式恒溫恒濕箱、YG(B)461E數字式織物透氣性能測定儀(江蘇省安全與防護用紡織品工程實驗室)。測試指標分別為損毀長度、苯吸附率、頂破強度、剪切剛度、熱阻、透氣量。按照GA10—2014《消防員滅火防護服》的相關要求測試，其中損毀長度越大表示阻燃性能越差、苯吸附率越高表示吸附性能越好、頂破強度越大表示頂破性能越高、剪切剛度越大表示不易變形、熱阻越大表示隔熱性能越好、透氣量越大表示透氣性能越好[5]。3種高性能纖維及其混紡產品的綜合性能測試數據如圖1所示。

圖1 3種高性能纖維及混紡防火氈的防火性能

分析圖1可知，純紡產品的損毀長度均低于相應的混紡產品。純紡產品的損毀長度由高到低的順序為芳綸、預氧化纖維、碳纖維，混紡產品的損毀長度由高到低順序為芳綸、碳纖維、預氧化纖維。純紡產品的平均損毀長度為1.53 cm，混紡后產品平均損毀長度為2.71 cm，上升了77.1%，滌綸的混入降低了防火氈的阻燃性。純紡產品的苯吸附率低于混紡后產品的苯吸附率，3種高性能纖維純紡和混紡產品的吸附性能一致性較好，由高到低的順序為碳纖維、芳綸、預氧化纖維。純紡產品的平均苯吸附率為4.58%，混紡產品的平均苯吸附率為5.08%，平均上升了10.9%,滌綸的加入改善了防火氈的吸附性。

純紡產品的頂破強度高于混紡產品的頂破強度[6]。純紡產品的頂破強度由高到低的順序為芳綸、碳纖維、預氧化纖維，混紡產品頂破強度由高到低順序為預氧化纖維、碳纖維、芳綸。純紡產品的平均頂破強度為369.47 N，混紡產品的平均頂破強度為180.4 N，平均下降了51.2%,滌綸的混入降低了防火氈的頂破性能。

純紡產品的剪切剛度高于混紡產品的剪切剛度。純紡產品的剪切剛度與混紡產品的剪切剛度一致性好，由高到低的順序為碳纖維、預氧化纖維、芳綸。純紡產品的平均剪切剛度為57.97 N/m2，混紡產品的平均剪切剛度為24.47 N/m2，平均下降了57.8%。滌綸的加入顯著降低了防火氈的剪切性，剪切剛度明顯減小，織物變得柔軟。

純紡產品的熱阻性能由高到低的順序為碳纖維、芳綸、預氧化纖維，混紡產品的損毀長度由高到低順序為碳纖維、芳綸、預氧化纖維。純紡產品的平均熱阻為0.19 m2·K/W，混紡產品的平均熱阻為0.20 m2·K/W，平均上升了5.3%。滌綸的混入略微提升了防火氈的隔熱性能。

純紡產品的透氣量明顯低于混紡產品的透氣量。純紡產品的透氣量由高到低的順序為芳綸、碳纖維、預氧化纖維，混紡產品的透氣量由高到低順序為芳綸、預氧化纖維、碳纖維。純紡產品的平均透氣量為813.67 mm/s，混紡產品的平均透氣量為1 217.53 mm/s，平均上升了49.6%，滌綸的加入顯著提升了防火氈的透氣性。

3 防火氈綜合性能灰關聯分析

灰色關聯度是根據因素之間發展態勢的相似程度來衡量因素之間關聯的程度，它揭示了事物動態關聯的特征與程度[7]。本文通過灰關聯分析出最佳性能參數，然后通過關聯度比較，找出最佳防火氈材料步驟為：

①確定參考數列Xi和比較數列Yj。

②無量綱化處理參考數列和比較數列。初值化：矩陣中的每個數均除以第1個數得到的新矩陣；均值化：矩陣中的每個數均除以用矩陣所有元素的平均值得到的新矩陣；區間相對值化。

③求兩極最大差Δmax和兩極最小差Δmin。

④求灰色關聯系數εji(k)：

式中ρ為分辨系數，ρ∈(0，1)，一般取0.5。

⑤求關聯度r：

r值越接近1，說明相關性越好[8]。

結合灰關聯分析方法，得出防火氈性能參數(損毀長度、苯吸附率、強力、剪切剛度、熱阻、透氣率)最佳組合分別為(0，7.56，108.4，82，0.38，1 633.51)，并以組合作為最優參數，關聯系數取ρ=0.5，可求得關聯系數矩陣為：

因為r1>r4>r2>r5>r6>r3,所以試樣1與最優材料參數的關聯度最大；根據關聯度大小,又因作為防火氈材料，阻燃性能為主要功能，綜合本文上述2個模塊的分析，評價試樣1的性能優于其他材料，損毀長度低，苯吸附率較高，頂破強力大，剪切剛度大，隔熱性能優異，透氣性較好。得到不同材料試樣綜合性能排名為：碳纖維100>芳綸/滌綸80/20>碳纖維/滌綸80/20>預氧化100>預氧化/滌綸80/20>芳綸100。

4 結 論

高性能纖維防火氈，在其舒適性與功能性上各有差異，與纖維的特性、纖維組合有關。

① 3種高性能纖維在功能性與服用性上差異明顯。碳纖維防火氈阻燃性能優異，吸附性好，剪切剛度大，織物硬，隔熱性能好；預氧化纖維防火氈阻燃性、透氣性等一般，吸附功能和隔熱功能較低；芳綸纖維防火氈阻燃性能較差，頂破性能弱，剪切剛度小，織物柔軟，透氣性好。

② 3種高性能纖維防火氈加入20%滌綸后，各項性能均發生了變化。滌綸的加入降低了阻燃功能和頂破功能，但改善了吸附性，織物柔軟，透氣性顯著提升，隔熱性略有提升。

③通過灰關聯分析，找出了各項性能的影響因素，得出碳纖維防火氈綜合性能最為優越。