芳砜綸混紡防護服織物的設計及性能研究

1 引言

“防護紡織品”被集體用于特定工作環境中必不可少的紡織品和服裝，無論是在實驗室、醫院、戰場、救援還是工業應用中。這些紡織品和服裝通常側重于功能方面，而不是美學方面。這些防護服的最新趨勢包括針對特定最終用途的堅固、輕巧和安全的產品。紡織纖維材料是紡織半成品和由其制成的產品的基本元素。它們對于產品性能至關重要。基于分子和超分子結構，并確保最佳的合成和纖維形成過程，可生產出具有量身定制特性的高品質纖維材料，例如芳砜綸就是一種具有自主知識產權的國產化高性能纖維，十分適用于通用防護服，特別是消防防護服和醫療防護服的制作。本文通過現階段國內防護服的需求分析，設計了一種全新的芳砜綸混紡防護服織物，對其原料設計和組織設計加以論述，并探討了這種芳砜綸混紡防護服織物的性能特點，為我國未來防護服的生產提供一定的參考。

2 防護服的功能需求

防護服功能主要關注點是提供全面的防護，以防止熱量暴露，同時將足夠的代謝熱量散發到環境中。標準防護服是多層結構，以提供所需的熱防護。這繼而降低了防護服將內部熱量傳遞到周圍大氣中的能力，并對防護服的穿著者產生熱應力。因此，由出汗產生的水分保留在衣服系統內，導致濕的緊貼感和穿著者的熱不適感[1]。現階段，依據防護服所采用的面料的不同，市面上主要的防護服類型如表1所示。

在包括消防員在內的多種防護服中，防護和舒適性要求始終是矛盾的事實。適當的材料選擇，服裝設計和結果的最終評估對于預測服裝的性能和舒適性至關重要。在評價織物和材料的感官舒適性時，織物與皮膚之間的摩擦力和織物表面幾何粗糙度是兩個重要的組成部分。在織物與皮膚接觸時，會引發穿著者粗糙或光滑的感覺。根據這些感覺，人們判斷衣服的感覺和舒適度，傾向于選擇他們能接受的面料或材料。一般而言，表面粗糙的織物摩擦力較高，表面光滑的織物摩擦力較低[2]。

摩擦表面的摩擦特性通常用摩擦系數來描述，摩擦系數定義為摩擦力與接觸面上法向壓力的比值。織物和皮膚的接觸已被發現是正相關的摩擦力，從而與感知的粗糙度。皮膚表面的水分可以改變感知到的織物粗糙度的強度：隨著水分含量的增加，摩擦和皮膚位移增加，以及激活更多的觸摸感受器。因此，被認為在低濕度條件下感到舒適的非織造布可能會在高濕度或出汗條件下感到不舒服。因此，理想的防護服應具備以下所有要求：輻射和對流耐熱性；耐沖擊和耐磨性；在各種天氣條件下的舒適性；防水性；易于清洗；耐化學藥品；耐用且成本合理；耐火花損傷；可調通風冷卻；阻燃性。

3 芳砜綸混紡防護服織物的設計

3.1 織物原料設計

在部分文獻資料中，研究人員針對芳砜綸織物物理性能(凸形纖維、纖維和紗線直徑、織物厚度、剛度等)進行研究后，發現芳砜綸織物表面特性受織物結構和密度、纖維類型、纖維混合比、紗線結構等多種因素的影響[3]。其中，芳砜綸機織物的摩擦性能更是影響到織物的撕破強力。在研究中，芳砜綸機織物面對面接觸的力顯著高于背對背接觸。在進一步研究了芳砜綸織物紗線表面性能對織物的影響后，得出結論：芳砜綸織物中，紗線結構和織物摩擦力是正相關的，隨著芳砜綸織物結構和后整理處理的變化，摩擦系數較高的紗線會生產出摩擦系數較高的織物，而摩擦系數較高的織物也往往擁有更加高的撕破強力。在滌混芳砜綸紡織物中，摩擦力隨著芳砜綸纖維成分的增加而增加，同時，芳砜綸纖維類型、表面纖維種群及其長度分布和低壓縮性能的差異可能導致芳砜綸混紡織物摩擦性能的差異。有鑒于此，本次設計的芳砜綸織物原料，選用的是芳砜綸/芳綸1313混紡紗，混紡比為75/25，紗線線密度為42tex，捻系數為319。其中，混紡紗斷裂強度為18.3cN/tex，3mm毛羽為20.08根，條干CV值為11.36%。

不同的芳砜綸織物處理方法，如漂白、染色和整理，通過增加芳砜綸表面纖維的擾動和織物表面不規則性，導致芳砜綸織物的摩擦和粗糙度增加。同時，洗滌方式也會影響芳砜綸織物的表面性能。有鑒于此，針對芳砜綸緯紗未經上漿，捻縮嚴重的問題，緯紗張力應偏大掌握。實際工業生產中，織物應先經過整經工序，再漿紗。由于芳砜綸纖維初始模量較高，纖維卷曲穩定性差，混紡紗加捻后扭結現象嚴重，影響后道織造工序，因此利用漿紗對紗線捻度進行初定形，有利于穿結經。上漿漿料選用部分醇解的PVA和變性淀粉混合漿，混合比為70：30，調漿含固率為5%，漿槽溫度保持在90℃以上方可上漿。退漿采用清水煮漿的方法，在沸水中煮30min后，用熱水沖洗兩遍，然后換冷水漂洗干凈。

3.2 織物組織設計

研究表明，針織聚合物復合材料的機械性能在很大程度上取決于針織織物的結構，并且可以在很寬的范圍內發生顯著變化。在基于針織物的復合材料的制造中，最好采用1+1羅紋和米蘭羅紋結構平衡的編織[4]，因為傳統的濕熱處理方法對于芳砜綸纖維制成的編織物是不可接受的，因此防止織物扭曲非常重要。現有文獻資料中，研究人員針對相同材質和相同經緯密度、不同組織規格三上一下破斜紋、二上二下斜紋、二上二下方平組織、三上一下斜紋的芳砜綸織物撕破性能進行研究，得出二上二下方平組織芳砜綸織物具有撕破性能上的優勢，其組織結構帶來的綜合力學性能在幾種組織中是最優的[5]。有鑒于此，本次設計的織物組織選用二上二下方平組織。它具有較高的耐熱性和抗紫外線性，由包含聚苯并咪唑和對位芳綸短纖的短纖紗制成，具有優異的機械性能，高耐熱性（700℃）和低耐紫外線性。

表1 防護服分類表

現有文獻資料中顯示，采用斜紋結構的刀片抗切割性，能夠將芳砜綸混紡防護服織物防護等級提高到KR 70:30[6]。在耐穿刺性上，平紋和斜紋編織方面保持在相同的防護水平；平紋和斜紋編織的K100%耐磨性和HWPC表現出相同的防護等級，但斜紋編織的平均循環次數略高于平紋編織；斜紋組織比平紋組織具有更高的抗撕裂性。有鑒于此，本次所設計的織物采取斜紋組織，經密和緯密分別是300根/10cm和210根/10cm。同時，為進一步增加織物組織的防撕裂性能，本次設計將芳砜綸芳綸1313混紡紗進行特殊排列，即每隔9根經紗將3根經紗穿入同一綜絲，每隔5根緯紗將3根緯紗同時引入。組織如圖1所示。

圖1 織物組織圖示

4 芳砜綸混紡防護服織物的性能

4.1 舒適性能測試及結果

現階段，無論是采用哪種材料制作的防護服，都是在犧牲防護服穿著人員的生理舒適性的同時，來實現高水平的防護[7]。這一點從2020年新型冠狀病毒疫情期間，火神山醫院醫護人員的渾身大汗、脫水等能看出。極不舒適的防護服，不僅降低了身著防護服的工作人員的工作效率，而且縮短了身著防護服的工作人員的工作時間。有鑒于此，選擇兼顧性能和舒適性材料以及合適的服裝設計可以有效減少防護服穿著者的熱應力，提升防護服的舒適度。

舒適性性能測試主要以織物的“熱吸收率量”為標準，來量化防護服的舒適性。這是因為，熱吸收率量化了當人的皮膚接觸織物時的瞬時熱傳導，該織物的溫度通常低于皮膚的溫度，這是因為熱量會從皮膚流走。織物的熱吸收率越高，皮膚中的溫度下降就越高。為了確定穩態條件下針織物的熱性能，將織物在標準大氣條件[（20±2)℃和RH（65±2）%]下放置72小時以放松，然后將織物制成防護服后，用溫水（40℃）充分漂洗，并在室溫下干燥，以釋放張力并放松其結構。

此方法的原理是通過監視溫度降（冷卻線）來確定介質的熱阻，具體結果如表2所示。

表2 芳砜綸混紡防護服織物的熱性能表 %

表2的系數是指纖維的有效導熱系數。該系數可以作為空隙體積分數的函數給出。通過有限元分析驗證模型的有效性。根據絕對熱阻值Rabs，表面積Ak（m2），然后按式（1）計算織物的厚度t（cm），熱導率λ（Wm-1· K-1）。

傳熱系數h（Wm-2·K-1）通過式（2）計算：

其中dQ/dt（W）是測得的從系統通過樣品到系統周圍環境的熱傳遞，而ΔT（K）是系統的平均溫度與環境溫度之間的差。由于熱擴散率是通過織物的熱傳遞速度的量度，因此該參數的值越高，表示將更快地達到熱平衡，這對于防護服是十分理想的材料。

4.2 拉伸性能和阻燃性能測試及結果

芳砜綸纖維具有高拉伸強度和耐熱性（在480℃時會降解），以及更高的拉伸強度和撕裂強度[8]。為了檢測本次設計的芳砜綸混紡防護服織物的拉伸性能，采用梯形撕破法測試了織物的撕破強力，以026d型織物強力機對未縫合結構的芳砜綸混紡防護服織物和多縫合結構的芳砜綸混紡防護服織物的拉伸強度性能進行測試，結果如表3所示。

表3 織物的拉伸性能

如表3所示，芳砜綸混紡防護服織物未縫合結構的離軸拉伸強度略高于多縫合結構的離軸拉伸強度。原因是多針縫合過程導致長絲斷裂。當結構中的縫合方向和縫合密度增加時，它們的離軸拉伸模量降低。因此，復合結構上的縫合方向、縫合密度和縫合紗被認為是重要的參數。所有在軸外拉伸載荷下的結構均具有正形變形、角度變形或寬度收縮。此外，在兩個和四個定向縫合結構中，大多數都發生了法向變形和寬度縮小。另一方面，織物組織結構僅顯示收縮寬度后角度變形。這些結果表明，縫合方向和密度影響多層縫合的離軸拉伸性能。

此外，以美國的ATLAS型織物垂直燃燒試驗儀測試了本次設計的芳砜綸混紡防護服織物的阻燃性能。具體測試結果如表4所示。

表4 織物撕破強力測試和抗阻燃測試表

芳族聚酰胺纖維的特征是在高達400℃～450℃溫度下的尺寸穩定性；收縮率或自發伸長率不超過0.5%～1%。表4的結果表明在點火器離開后，芳砜綸織物立即停止燃燒，且后續沒有發現陰燃和續燃現象，表明這種織物具有一定的阻燃性能；損毀長度表明織物燃燒后有一定的殘留。它的特點是高強度和在紡絲狀態下抵抗熱收縮的高穩定性。這些性質歸因于初始共聚酰胺的半剛性鏈特性，在聚合物沉淀階段的纖維紡絲過程中，這些聚合物中可發生相轉變為有序液晶態。

5 結論

本文所設計的芳砜綸混紡防護服織物，可以實現防護服更好的保護和舒適感。這項技術可以幫助設計重量輕、體積小、阻隔好的防護服，從而減輕面料負擔，增強防護服的舒適度和防護程度。使用該技術可以更好地克服化學和生物危害帶來的新威脅。當然，在應用芳砜綸混紡防護服織物的過程中，也需要注意人造纖維有可能帶來的健康和環境危害，這也是未來的研究目標之一。