手部防護用紡織品耐磨性增強技術的研究進展

吳磊磊，趙 衛，農歆玥，嚴雪峰，馬 巖

(1.南通大學 紡織服裝學院，江蘇 南通 226019； 2.南通大學 安全防護用特種纖維復合材料研發國家地方聯合工程研究中心，江蘇 南通 226019； 3.賽立特(南通)安全用品有限公司，江蘇 南通 226400)

隨著社會的進步，人們的安全防護意識不斷增強，尤其是在危險性作業環境下(如化工、冶金、建筑、風電等)，從業者對防護紡織品提出了更高的性能要求，如高耐磨、防切割、防震、防化、防油污、防酸堿等。在工傷事故中，手部傷害所占比例更高，因而手部防護紡織品在勞動防護用品中有著十分重要的地位。手部防護紡織品的耐磨要求比普通服用紡織品高出許多，一方面，手部防護紡織品在勞動作業過程中，長期受作業人員手部施加的強載荷與作業對象接觸并發生高頻次摩擦，易發生磨損；另一方面，紡織品的耐磨性能是其他防護性能保持的前提和基礎，比如接觸面發生磨損，防化類紡織品耐化學侵蝕能力會迅速下降等。因此，手部防護紡織品的耐磨增加技術一直備受關注。

1 耐磨性的基本理論及測試評價

1.1 耐磨性的基本原理

摩擦是工業領域和日常生活中難以避免的過程。宏觀上看，摩擦是由2個表面凹凸不平的物體接觸后，在力的作用下發生相對滑動，把物體表面凸出部分破壞掉的過程。微觀上看，摩擦是由于2個物體相接觸后，接觸表面的分子進入彼此的分子間的引力圈內，產生分子間相互作用的過程[1]。防護紡織品的耐磨性是評價其防護性能的重要指標。

1.2 紡織品耐磨性的測試評價

紡織品的耐磨性是指紡織品抵抗反復作用的機械力引起磨損的能力[2]。紡織品在使用過程中難免會與其他物體發生接觸，且由于紡織品表面凹凸不平，使紡織品表面凸出來的紗線或纖維與其他物體相對運動時，不斷拉扯凸出來的紗線或纖維，長此以往，紗線或纖維達到疲勞極限而斷裂或從紡織品表面抽出，導致紡織品表面破損、掉色、質量減少和起毛起球等。

國內外測試紡織品耐磨性的耐磨儀有很多，根據所測試紡織品的類型及部位，可以分為平磨、曲磨、折邊磨等。目前使用最多、最廣泛的測試方法是平磨法，代表儀器是馬丁代爾耐磨儀[3](圖1(a))和泰伯耐磨儀[3](圖2(a))。馬丁代爾耐磨儀是將樣品用夾持器夾好，放在恒定載荷的摩擦頭下，在標準磨料上以一定的速度沿著李莎如曲線軌跡運動(圖1(b))。泰伯耐磨儀[3]是將樣品固定在圓盤上，讓砂輪在樣品表面線性運動(圖2(b))。與泰伯磨損儀相比，馬丁代爾耐磨儀測試效率較低，但磨料情況穩定，且樣品在各方向均受磨損、受力均勻，與紡織品在實際受摩致損情況相符。評價樣品耐磨性的方法主要有質量損失法、外觀變化法等。質量損失法是將樣品經過一定數量摩擦的損失質量與其初始質量的比值作為評價紡織品耐磨性的定量標準，應用最為廣泛。外觀變化法是在樣品經過一定摩擦次數后，觀察樣品表面的顏色變化、磨損程度、有無起毛起球現象等來評判紡織品的耐磨性[4-5]。

圖1 馬丁代爾耐磨儀及其摩擦運動軌跡

圖2 泰伯耐磨儀及其摩擦運動軌跡

2 勞動防護用紡織品耐磨增強技術

2.1 纖維及其集合體增強耐磨性

影響紡織品耐磨性最為直接的因素是紡織品自身的組成與結構，如構成紡織品的纖維、所選纖維的長度和細度、紗線的捻度和合股數、混紡紗、紡織品的經密和緯密、紡織品組織和厚度等。

2.1.1 纖維的優選及改性

構成大多數紡織品的最小單元是纖維，選用一種或多種高性能纖維材料來加工，可以有效提高紡織品的耐磨性。牛仔褲原本是美國西部的淘金工人在勞動時穿的緊身工作褲。范亞妮等[6]研究了纖維原料對牛仔面料耐磨性的影響，發現棉∶滌綸∶氨綸質量比為65∶33∶2時，牛仔面料耐磨性最好，耐磨圈數最高，為640圈。除了選用高性能纖維，還可以對纖維進行改性處理以提高織物的耐磨性。Mao L等[7]通過合成聚氨酯-硅烷復合施膠劑，并將其應用于不同施膠速率的纖維表面來提高纖維束的抗拉強度和耐磨性。結果表明：在優化施膠率的纖維作用下，織物在厚度方向和平面內的損傷區域明顯減小。纖維表面的混合施膠增強了纖維間的結合強度，有效地提高了纖維束的抗拉強度和耐磨性。

2.1.2 紗線的組成與結構

紗線自身的規格、對紗線的處理、加捻的方式、包覆工藝、紡紗方式等都會影響紡織品的耐磨性。張晨曙等[8]討論了紗線自身規格及對紗線處理對聚芳酯纖維Vectran長絲耐磨性能的影響，結果表明：線密度越大，摩擦速度越慢，預加張力越小，Vectran長絲的磨損越小。武昊巖等[9]討論了捻度與合股數對紗線與紗線之間耐磨損性能的影響，試驗表明：隨著捻度的增加，單紗及各股線的點段相磨耐磨性呈現出先升后降的趨勢，且耐磨性隨捻度變化程度最小的是單紗，此外，負重對應增加的情況下，合股數的增加會使點段相磨耐磨性有所提高；而負重不變的情況下，合股數的增加會使點段相磨耐磨性急劇升高，其升高趨勢遠高于合股數的增加。王子新等[10]使用包覆機將錦綸外包在亞麻紗上，并通過設計正交試驗來研究包覆紗針織物的最佳包覆工藝，并對其性能進行研究。研究表明：用錦綸包覆亞麻紗后，紗線的耐磨性提升了很多，其中，采用雙包方式提升的最為明顯，與未包覆之前相比提升了106%。Gourkar P等[11]使用Sirius倍捻機制備不同捻向的紗線，并用Sitra耐磨性測試儀進行測試，結果表明：同向加捻股線比反向加捻股線具有更好的耐磨性。唐新軍等[12]通過不同的紡紗方法(傳統環錠紡、集聚紡、賽絡紡、集聚賽絡紡、噴氣渦流紡)進行紡紗，結果表明，集聚賽絡紡紡出的紗線的耐磨性最好。

2.1.3 織物的組織與結構

除了構成織物所用的纖維或紗線，織物的組織與結構也會影響紡織品的耐磨性。范亞妮等[6]通過實驗研究了織物組織與厚度對牛仔面料耐磨性的影響，發現厚度在0.136～0.138 mm之間或織物組織為斜紋時，牛仔面料的耐磨性更好。Kaynak H K等[13]通過馬丁代爾法對具有不同織物組織的純棉紡織品進行摩擦測試，并以質量損失評價其耐磨性，實驗結果表明，紡織品中經緯紗的交織次數越多，紡織品的結構就越緊密，紡織品的耐磨性越好，因此，相較于斜紋和緞紋紡織品，平紋紡織品的耐磨性更好。Akgun M等[14]通過對不同經緯紗線密度、經緯向密度和紡織品組織的紡織品進行摩擦測試，并分析其對紡織品表面粗糙度的影響。研究發現：紡織品的不同的結構參數，如經緯紗的線密度、經緯向密度以及紡織品組織會影響紡織品的表面粗糙度，表面粗糙度越高的紡織品耐磨性越差，并且紡織品表面的磨損情況取決于紡織品結構的緊密程度，同時發現，相對于長絲紗織造的紡織品，短纖紗織造的紡織品更容易受到磨損。

2.2 樹脂涂層增強耐磨性

除了優化紡織結構設計來提高紡織品耐磨性，還可以對紡織品進行涂層處理以提高紡織品抵抗磨損的能力。樹脂作為一種化學穩定性好、耐腐蝕、黏結性好的有機高聚物，在紡織品的涂層處理中有著廣泛的應用。樹脂涂層的種類有很多，其中應用最為廣泛的是環氧樹脂。李苗苗等[15]采用粉煤灰微珠作為填料填充環氧樹脂，并用KH550硅烷偶聯劑對微珠進行表面改性，制備出相應的復合涂層，探討了粉煤灰微珠的含量和粒徑對于涂層耐磨性能的影響。結果表明：當加入微珠的質量分數為15%時，樹脂涂層的磨耗率達到最低，但樹脂涂層的耐磨性隨著粉煤灰微珠的粒徑的增加而降低。Arivalagan P等[16]采用不同質量比的硅烷處理粉煤灰微球填充碳纖維增強環氧樹脂涂層，對其進行鑄造、切割和三體磨料磨損試驗。結果表明:未填充碳纖維增強環氧樹脂和粉煤灰微球填充碳纖維增強環氧樹脂涂層均表現出不同程度的磨損體積損失，其中未填充碳纖維增強環氧樹脂涂層的磨損體積損失最大。Hao Y等[17]通過填充金剛石、碳化硅、二硫化鉬MoS2和石墨制備了3種不同的環氧樹脂涂層。并研究了這些填料對復合涂層摩擦磨損性能的影響。結果表明：MoS2和石墨作為潤滑劑填充劑，在環氧復合涂層GME的磨損表面形成了連續的、較厚的潤滑膜，可以有效降低摩擦發熱，進一步減少基體損傷。張小博[18]將Al2O3與SiO2混合后，加入到環氧樹脂制備環氧樹脂涂層材料。實驗證明:當Al2O3/SiO2質量分數為 10%時，環氧樹脂材料的耐磨性最好，摩擦因數為0.25。

除了環氧樹脂，聚酰亞胺樹脂(PI)由于其耐高溫、力學性能優異、阻燃性好等優點而被用作涂層處理織物。Su C等[19]采用浸漬法制備了碳纖維/聚酰亞胺涂層(CF/PI)，并使用納米碳化硅對其進行了增強。結果表明，與未添加碳化硅的CF/PI涂層相比，納米碳化硅能顯著提高材料的硬度和耐磨性，體積為5%的SiC納米顆粒增強的CF/PI涂層表現出了最佳的摩擦學性能。Huang T等[20]利用強石墨烯基體界面的結構特性，通過石墨烯表面改性和原位聚合2個階段工藝制備了改性石墨烯/聚酰亞胺(MG/PI)納米涂層，結果表明：質量分數2%的 MG/PI納米涂層的耐磨性提高了20倍，摩擦因數降低了12%。Gang D等[21]采用熱模壓法制備了短碳纖維與SiO2復合的增強聚酰亞胺涂層，結果表明：在涂層中加入SiO2可以顯著提高CF/PI涂層的抗拉強度、抗磨損性能(圖3)和承載能力。在90～450 N載荷作用下，涂層的磨損率隨載荷的增大而增大。Su F等[22]采用噴涂工藝和連續固化法制備了PI涂層，涂層內填充了聚四氟乙烯(PTFE)和納米Si3N4。通過接枝3—氨基丙基三乙氧基硅烷對納米Si3N4粒子進行改性，以改善其在涂層中的分散性。結果表明，聚四氟乙烯和改性納米Si3N4粒子的加入大大提高了PI涂層的減摩性能和耐磨性。與質量分數20%的PTFE和質量分數5%的改性納米Si3N4共混的PI涂層具有最佳的摩擦性能。其磨損率比未填充的PI涂層低一個數量級，摩擦因數比未填充的PI涂層小2倍以上。

圖3 CF/PI與CF/PI/SiO2表面磨損的SEM圖

此外，還有一些樹脂也被用來對紡織品進行涂層處理，如聚氨酯樹脂、有機硅樹脂等。鄔淑芳等[23]通過使用聚氨酯樹脂整理增強纖維間的黏結作用來改善滌綸網絡絲仿麻織物的摩擦性能，并通過設計正交試驗探討樹脂整理劑的濃度、焙烘溫度和焙烘時間、處理液溫度等因素對紡織品摩擦性能的影響，實驗結果顯示:滌綸網絡絲仿麻織物在經過最佳工藝整理后，在相同摩擦次數下的質量損失率由未整理時的12.13%下降到5.34%。黃嬋娟等[24-25]通過正交試驗制備了一種有著優異的耐磨性能的有機硅樹脂基納米TiB2-TiC復合涂層溶液，將其分別噴涂在棉紡織品和滌綸紡織品的表面，并構建了各自表面的微觀結構。最終在基本不影響紡織品本身物理機械性能的前提下在紡織品表面實現良好的耐磨性能。海瀟涵等[26]利用浸漬法，將耐磨性較好的納米級的無機材料加入到蔗糖-三聚氰胺-甲醛(SMF)樹脂中來改善涂層的耐磨性。實驗證明：當納米三氧化二鋁LLAL-01的添加量為25 mg/mL，在60 °C下超聲40 min時，涂層表面磨耗值達到相對最低值為0.46 g/(1 000 r)，與GB/T 15102—2017《浸漬膠膜紙飾面纖維板和刨花板》標準耐磨磨耗值0.80 g/(1 000 r)相比，要小得多。

由此可見，樹脂涂層在紡織品中有著十分廣泛的應用，此外，樹脂在紡織行業還有著“萬能膠”之稱。但經過樹脂處理后的紡織品通常都會很硬，不利于穿戴，會嚴重影響勞動者在工作時的舒適性和靈活性，特別是用于手部防護用紡織品時，會大大影響使用者的運動靈活性。

2.3 橡膠涂層增強耐磨性

與樹脂相比，橡膠憑借著其高彈性、可逆變形等特點，在紡織行業有著廣泛的應用，如絕緣膠鞋、絕緣手套、雨衣、海綿座墊等。

橡膠按來源可分為天然橡膠與合成橡膠，其中天然橡膠有著彈性好、耐堿性、耐磨性好等優點。岳紀玲[27]將碳納米管、炭黑分別作為增強體，以使用機械共混法合成了相同硬度的天然橡膠復合涂層，使用MZ-4061阿克隆磨耗機對樣品進行磨耗實驗。實驗結果顯示：碳納米管或炭黑含量越大，天然橡膠的磨耗越低；在相同的硬度下，碳納米管/天然橡膠復合涂層的耐磨性能大于炭黑/天然橡膠復合涂層。陸佳華等[28]先使用硬脂酸改性氧化石墨、酚醛樹脂改性膨脹石墨、聚丙烯酸酯改性氧化石墨烯，再將3種改性后的石墨與NR共混制得改性石墨/ NR復合涂層。實驗結果顯示：當改性氧化石墨用量占總質量的20%時，磨耗比達到最小，為0.98%；當改性膨脹石墨用量占總質量的5%時，改性膨脹石墨/ NR復合材料磨耗相對較低，為1.24%；當改性氧化石墨烯用量占總質量的5%時，磨耗比達到最低，為1.05%。朱永康等[29]分別將炭黑(N339)及美國PPG公司開發出來的商品名為“Agilon”的白炭黑作為填充劑加入到天然橡膠，并對填充了不同顆粒的天然橡膠的耐磨性進行了實驗對比。實驗結果顯示：在相同的實驗條件下，炭黑(N339)填充天然橡膠胎面膠的耐磨性要比Agilon填充天然橡膠胎面的耐磨性要好。

合成橡膠是采用不同的單體通過人工合成的。其中產量最大的就是丁苯橡膠，可以用于代替天然橡膠，其性能與天然橡膠類似，都有著彈性好、耐磨性好等特點。蘇玉仙等[30]結果表明：與白炭黑/丁苯橡膠復合涂層相比，KH550-氧化石墨烯-白炭黑/丁苯橡膠復合涂層在60 ℃時的損耗因子減小，耐磨性能提高。Malas A等[31]采用溶液插層法和熔體插層法制備了氯丁橡膠(CR)和氯磺聚氯乙烯(CSPE)基納米復合涂層，結果表明：隨著氧化石墨烯負載的增加，橡膠納米復合涂層的整體力學性能和耐磨性有所提高，彈性體復合材料的存儲模量也有顯著增加。Zhang S等[32]通過氧化石墨烯/丁苯橡膠母粒與二氧化硅共混，制備了氧化石墨烯和二氧化硅增強丁苯橡膠(SBR)復合涂層。研究了氧化石墨烯對復合涂層填充網絡和交聯網絡在疲勞過程中的演化影響，進而得到了不同氧化石墨烯含量復合涂層的疲勞壽命。如圖4所示是氧化石墨烯/SiO2/SBR復合涂層的TEM照片[32]，分別為未摩擦、摩擦2萬次、摩擦5萬次時的圖像。從中可以看出隨著摩擦次數的增加，顆粒的粒徑逐漸減小，并開始均勻分布在樣品表面。結果表明：加入氧化石墨烯后，改善了氧化石墨烯和二氧化硅構成的填料網絡，提高了復合涂層的力學性能和耐磨性能。任宏遠[33]通過使用不同種類的硅烷偶聯劑改性討論制備硅橡膠/乳聚丁苯橡膠的最佳工藝，并對硅橡膠/乳聚丁苯橡膠復合涂層的力學性能及耐磨性能進行了研究。最終結果顯示：用Si747偶聯劑得到的硅橡膠/乳聚丁苯橡膠復合涂層的耐磨性能最優。

圖4 氧化石墨烯/SiO2/SBR復合涂層的TEM圖像

由于天然橡膠與合成橡膠各有優缺點，因此不少研究人員開始嘗試研究天然橡膠與合成橡膠混合后涂層耐磨性及其他性能的變化。李寧[34]使用乳液-共絮凝法制備了MoS2/炭黑/丁腈橡膠復合涂層，比較MoS2在未經剝離和剝離狀態下的力學性能及耐磨性能的差異。實驗結果顯示：相比于未經剝離的MoS2，經過液相剝離的MoS2填充復合涂層的力學性能和耐磨性能有較大提高。王恒等[35]采用天然橡膠、順丁橡膠為主體材料來制備橡膠涂層，研究了天然橡膠/順丁橡膠混合比、炭黑、白炭黑及硅烷偶聯劑等對膠料性能的影響。實驗結果顯示：當天然橡膠/順丁橡膠混合比為70/30，加入炭黑的規格為N234，并加入少量的硅烷偶聯劑Si69和白炭黑時，橡膠的各項性能(如拉伸強度、硬度、耐磨性等)均達到最優。

橡膠與樹脂相比，雖然有一定的彈性，使得經過橡膠涂層處理過的勞動用防護紡織品具備了一定的柔軟度與靈活性，但橡膠自身是一種固體，不利于與基體結合，且與基體之間的結合力較小，使用過程中容易發生剝離。

2.4 膠乳涂層增強耐磨性

膠乳作為一種可再生的高聚物，是橡膠未經凝固和干燥時的狀態，即橡膠微粒的水分散體系，具有優異的物理性能及良好的成膜性和彈性，在紡織行業有著十分廣泛的應用，特別是在安全防護用紡織品領域，可用作涂層來增強紡織品的耐磨性及其他性質。

Suki F M M等[36]通過球磨和超聲相結合的方式，討論在不同的工藝參數下，對碳酸鈣粒子在天然膠乳中分散的影響及其對碳酸鈣/天然膠乳(CaCO3/NRL)膜的力學性能的影響。結果表明，粒徑較小的CaCO3顆粒對碳酸鈣/天然膠乳(CaCO3/NRL)膜的力學性能影響較大，碳酸鈣粒子的加入有利于天然膠乳膜耐磨性能的提高。Anand K等[37]采用無溶液機械化學法制備了氧化鋅納米粒子，研究了其對預硫化天然膠乳性能的影響。研究了納米氧化鋅負載對預硫化乳膠硫化膠膨脹性能、抗菌性能、力學性能、耐磨性能和老化性能的影響，并與常規微氧化鋅填充硫化膠進行了比較。與微填充系統相比，納米填充系統在各個方面表現出更好的性能，納米ZnO膠乳膜能抵抗更大的摩擦力。

膠乳與樹脂和橡膠相比，既可以作為一種基體，通過加入顆粒來增加自身的耐磨性，進而作為涂層來提升紡織品的耐磨損能力，又可以作為一種發泡體，在烘干成型后，具備一定的舒適性與透氣性，實現增強手部防護紡織品耐磨性的同時，提高運動靈活性。相比較而言，膠乳更適合用于涂層處理手部防護紡織品。

3 結束語

隨著人們對紡織品耐磨性增強技術的深入研究，通過單純的紡織結構設計來提高紡織品耐磨性已難以獲得理想效果，涂層技術因其與紡織基體之間具有較好的結合性能，且其自身與耐磨因子兼容性好，對于紡織品耐磨性能的提升有著重要意義。近年來，對樹脂涂層和橡膠涂層增強紡織品耐磨性研究成果顯著，但仍然存在著一些問題，如樹脂涂層在固化后的硬度高，影響穿著舒適性，不利于運動靈活性；而橡膠增強體雖然具有一定的柔軟度、拉伸變形能力，但因其自身為固體形式，耐磨因子摻雜以及與紡織基體復合存在諸多不便。膠乳是一種液體形態，可以為耐磨因子的添加提供良好的分散介質，同時，其固化后又具有橡膠材質的柔軟性和彈性，且其自身亦具有良好的耐磨性，逐漸成為紡織品耐磨增強材料的首選。目前越來越多的研究者開始關注膠乳涂層增強紡織品耐磨性的技術，但是關于手部防護紡織品耐磨增強技術研究成果還相對較少。未來，人們對于手部安全防護用紡織品耐磨性的要求越來越高，而納米材料也由于其特殊的效應及性能，在紡織領域備受關注，主要表現在復合纖維及紡織后整理等方面。因此，如何結合微納米技術，研究微納米顆粒的制備、粒徑分布、形貌控制，解決微納米顆粒在膠乳中均勻有效的分散，以及微納米顆粒如何緊密地分散在紡織品表面等問題，都將會成為手部防護紡織品耐磨增加技術的研究熱點。