基于聚酰亞胺纖維的新型防火面料與芳綸纖維的性能對比研究

王晉芳 陳坤 朱瑞 徐壽坤 張國琛 紅于 李車

摘要：為探尋新型森林防火服的發展方向，邀請了300余名全國各地在職森林消防員參與調查問卷，并就芳綸1313、芳綸1414和甲綸布三種纖維材料的阻燃性能、熱穩定性能、撕破強力和斷裂強力等進行實驗分析和數據比對。結論如下，甲綸布相較于芳綸1313和芳綸1414，其阻燃性能，力學性能，燃燒穩定性能都更加優越，綜合性能優于其它兩種材料，可作為新型防火服研發的主要纖維材料。

關鍵詞：芳綸1313;芳綸1414;阻燃性能;熱穩定性能;力學性能

中圖分類號：TU545? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：2096-1227（2021）06-0018-04

近年，我國始終致力于綠色可持續發展和生態文明建設，全國綠化面積和森林蓄積量不斷增加。在環境得到改善的同時，森林草原防火形勢愈發嚴峻，對防滅火管理工作也提出了更高的要求。調查數據表明，我國是森林火災多發的國家[1]，撲火人員根據各類森林火災情況研發出了多種滅火方式，但受復雜地形和科技水平等因素限制，大部分森林火災仍需人工進行撲打。國內外各類防災減災戰略要求明確提出要以人為本[2]，而近距離滅火作戰嚴重威脅撲火人員的人身安全，防火服是不可或缺的裝備。防火服具有阻燃、隔熱、抗熱輻射等特性，可以有效避免消防員身體與火焰的接觸，既能減少或者避免撲火人員受到傷害，降低安全風險，又能有效保障滅火作戰的勝利[3]。根據調查問卷顯示，當前森林消防隊伍配備的防火服可基本滿足滅火作戰需要，但其相關防護性能仍需要進一步提高，特別是隨著科技水平和人文社會的發展，對保障消防員的人身安全也提出了更高要求，因此對新型防火服的研究必須加緊腳步。

長期以來，阻燃隔熱和舒適耐用一直是防火服急需提升的重點性能，合理采用性能優越的纖維材料，對于防火服的設計制造尤為重要。防火服外層的材料是直接面對火焰的，所以在選擇防火外層材料時，要選擇阻燃性以及耐高溫性質較強的材料。本文主要采取調查問卷和實驗對比分析兩種方式進行探索，依托中國消防救援學院干部培訓大隊學員一隊在全國各地森林消防員中展開了大量調查問卷，切實掌握一線消防員對當前防火服的改進期盼，進一步明確目標。

經過長期對防火阻燃纖維的研究，聚酰亞胺（PI）、芳綸等高性能纖維不斷取得突破性進展[4]。劉超[5]等對幾種多組分阻燃防護織物研究探討，得出結論為：聚酰亞胺、芳綸1414和芳綸1313等高性能纖維在織物中的比例增加，其阻燃性能也會得到明顯改善。沈德垚[6]等研究結果表明聚酰亞胺纖維拉伸性較好，阻燃和熱穩定性能都明顯超過芳綸1313和芳綸1414，但對于150℃的水蒸氣耐受強度不足。

就目前來看，僅單一的芳綸1313或1414阻燃面料已經不能滿足森林消防員滅火作戰的需求。而聚酰亞胺作為新型的材料，具有絕佳的阻燃性能以及熱穩定性能，更加容易滿足消防員的需求。因此在目前消防服的最外層防火面料中加入高阻燃性的聚酰亞胺纖維具有重要研究意義。通過參考劉呈坤[7]等對高檔阻燃防護服的設計探討思路，重點對外層面料纖維的選擇進行了反復思量，我們最終以含有聚酰亞胺成分的高分子復合材料甲綸布（85%聚酰亞胺纖維、13%芳綸1414和2%導電纖維）為對象進行研究。

一、問卷調查

任何科研產品都必須要經過實踐的檢驗，只有經過實踐檢驗合格的產品，才能進行廣泛的生產應用。在防火服性能和可操作性上，基層一線消防指戰員是最具發言權的群體。本文除了對相關纖維材料進行實驗研究和理論分析外，充分借助微信小程序和電話訪談相結合的方式開展調查問卷，其中以微信小程序調查問卷為主。調查對象為全國各省市國家綜合性消防救援隊伍（森林消防）指戰員，累計填寫問卷343人次，有效問卷343人次。經整理、統計后總結為以下幾點：

（一）83.97%消防員對新型防火服的研發抱有較大期盼。

（二）68.81%的消防員認為當前配發的防火服防護性能良好。

（三）64.72%的消防員對隔熱性能的滿意度較好。

（四）78.42%的消防員對阻燃性能較滿意。

（五）56.27%對改進方向的期盼為提升舒適度和耐高溫性能。

從調查結果來看，一線消防員對當前所裝備的森林防火服性能較為滿意，能夠滿足滅火作戰需要;但是不難看出，還是有少部分消防員希望能夠進一步提高防火服的舒適性，耐高溫性和阻燃等性能，特別是隔熱和舒適度兩個方面仍需要重點注意。

二、聚酰亞胺和芳綸分子結構簡介

聚酰亞胺纖維（polyimide fiber）又稱為芳酰亞胺纖維，是指分子鏈中含有芳酰亞胺的纖維（如圖1所示）[7]。由于其具有耐高低溫特性、阻燃性，穿著舒適，永久性阻燃[8]，不熔滴，離火自熄以及極佳的隔溫性，被廣泛用于制作裝甲部隊的防護服、賽車服、飛行服等防火阻燃服[9]。

芳綸1313（又稱Nomex纖維），屬于間位芳香族聚酞胺纖維，分子結構如圖2所示[4]，[10]。其生產的芳綸1313織物，是一種難燃紡織品，具有不助燃及自熄的功能特點，而且尺寸穩定性好，物理和力學性能均優良，是制備消防服及特種行業個人安全防護服的重要材料[10]。

芳綸1414（聚對苯二甲酰對苯二胺）是芳綸中一種具有高強高模特性的高分子材料[11]，又稱為對位芳綸、芳綸Ⅱ，主鏈結構具有高度的規則性，大分子呈十分伸展的狀態[5]。其阻燃性能優良，具有很好的耐高溫性。且有高強度、高模量、密度小、等特點，曾一度廣泛應用于軍工和民品的各個領域。其分子結構式如圖3所示[12]。

三、實驗部分

（一）實驗原料及儀器

奧神甲綸布面料（85% 聚酰亞胺纖維，13%芳綸1414，2% 導電纖維），芳綸1313面料（98%芳綸1313，2%導電纖維），芳綸1414面料（98%芳綸1414，2%導電纖維）均采購于江蘇奧神新材料股份有限公司。

實驗儀器包括：等速伸長（CRE）試驗儀，干燥箱，垂直燃燒測試儀（PX-03-001），多功能電子織物強力儀（YG026H），數字式織物撕裂儀（YG033B），熱重分析（TGA）使用熱分析儀（Q50，TAInstruments），傅里葉變換紅外光譜（IR）儀（日本島津，DTGS 檢測器）。

（二）實驗方法：

1.阻燃性能

參照GB/T5455—2014《紡織品燃燒性能 垂直方向 損毀長度、陰燃和續燃時間的測定》，將尺寸為300mmx89mm的面料，經（縱）向取5塊，緯（橫）向取5塊，共10塊試樣。將剪取試樣距離布邊至少100mm。試樣的兩邊分別與織物的經（縱）向和緯（橫）向平行。而后將試樣放置在GB/T 6529規定的標準大氣條件下進行調濕，然后將調濕后的試樣敵入密封容器內。在溫度為10～30℃。相對濕度為30%-80%的大氣環境中進行試驗。

2.熱穩定性能

參照GB8965.1—2009《防護服裝阻燃防護第一部分：阻燃服》附錄B：熱穩定性實驗方法，分別取用尺寸100mmx100mm，沿徑向，緯向數量各為三塊的試樣。按照GB/T17596規定洗滌三次，而后在標準大氣壓，溫度20℃±2℃和65%±5%的相對濕度條件下，將樣品保持24小時，將干燥箱加熱至所需溫度（260℃±2℃），迅速將懸掛試樣放入干燥箱內，從關上干燥箱門開始記錄時間（注：試樣應不與干燥箱壁接觸），5分鐘后打開干燥箱門，取出試樣。2分鐘內，在常溫環境下測量完長，寬方向尺寸。而后計算。

3.斷裂強力

參照GB/T 3923.1—3013《紡織品 織物拉伸性能 第1部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測定（條樣法）》，使用等速伸長（CRE）試驗儀。分別剪取三種無褶皺及疵點織物1m長的全幅寬為實驗樣品。在進行調濕后，在夾鉗中心位置夾持試樣，實驗開始后，使可移動的夾持器移動，拉伸試樣直至斷脫。而后記錄斷裂強力。

4.撕破強力

參照GB/T 3917.3—2009《紡織品 織物撕破性能 第3部分：梯形試樣撕破強力的測定》，使用等速伸長（CER）試驗儀，分別取尺寸（75±1）mmx（150±2）mm試樣，用樣板在每個試樣上畫等腰梯形。試驗開始前按照GB/T6529規定調濕試樣，在標準大氣壓下，眼梯形的不平行兩邊夾住試樣，使切口位于兩夾鉗中間，梯形短邊保持拉緊，長邊處于褶皺狀態。啟動儀器，自動計算記錄儀上徑向和緯向每塊試樣一系列有效峰值的平均值。

5.熱重和紅外分析

在空氣氣氛下（樣品吹掃流速為4mLmin-1）將5-6mg樣品裝入鉑坩堝中并以10攝氏度/分鐘的速率加熱至800℃。[13]

紅外光譜的掃描范圍是600-4000cm-1，掃描速率4cm-1/s。[14]

（三）性能分析

1.阻燃性能

實驗采用垂直燃燒法，將現階段兩種常用的阻燃面料以及新型的阻燃面料數據進行一個深入的對比分析，具體的數據如下表，從表中可以看出，甲綸布阻燃面料續燃和陰燃時間都為0秒。而其余兩種阻燃面料都有陰燃現象發生，并且芳綸1313及1414的摧毀面積較之甲綸布阻燃面料更大。這就表明，甲綸布在燃燒狀態下較之其余兩種面料更加穩定。更適合作為森林消防員在滅火作戰中的實踐應用。

2.熱穩定性能

從表2可以看出，三種阻燃面料的熱穩定性能指標都達到了260℃±5℃的高溫下形變率≤10的指標。表明三種阻燃面料都具有優秀的抗形變能力。

3.力學性能

消防阻燃面料的斷裂強力及撕裂強力在撲救森林火災中對保護消防員身體起到一個至關重要的作用6，表3是本次實驗三種面料的斷裂強力及撕破強力數據。可以看出，徑向的斷裂強力最高為芳綸1313阻燃面料，達到1400N，緯向斷裂強力最高為芳綸1414阻燃面料，達到1200N。而甲綸布阻燃面料斷裂強力介于兩者之間。但是甲綸布的撕破強力分別達到徑向254.5N和緯向199.3N，高于其余兩種面料。綜合數據來看，甲綸布阻燃面料更優于芳綸1313及芳綸1414。

4.紅外熱重性能

通過紅外光譜（圖4）驗證了甲綸布和芳綸1313的分子結構，其中在芳綸1313和甲綸的紅外光譜中，1400-1420cm-1處均出現一個尖銳的吸收峰，這歸屬于酰胺結構C-N的伸縮振動[15];甲綸布分子的紅外光譜1630-1670cm-1處有兩個中等強度的峰，這歸屬于叔酰胺的C=O伸縮振動。這說明甲綸布在芳綸纖維的基礎上成功摻雜了聚酰亞胺纖維。

通過熱重分析（圖5），我們可以發現，芳綸1313在空氣氣氛下的著火溫度為400℃左右，而摻雜了聚酰亞胺分子的甲綸纖維的著火溫度從400℃度提高到了500℃[16]，這對于森林消防員來說具有重要意義。此外，我們發現甲綸布在失重20%左右之后趨于穩定，這說明甲綸布纖維不會被完全氧化，通過觀察燃燒產物發現，形成了一層黑色物質覆蓋在鉑盤表面，這可以用于后續研究工作中物品表面的防火材料研究。

四、結語

通過對現階段常用森林防火服外層阻燃面料芳綸1313，芳綸1414以及新型的高分子復合材料聚酰亞胺甲綸布的阻燃性能，熱穩定性能，力學性能，紅外光譜和熱重性能的性能分析，不難發現，聚酰亞胺甲綸布阻燃面料的阻燃性能、撕破強力、燃燒穩定性相對于其余兩種面料更優，熱穩定性能與其余兩種面料并駕齊驅，斷裂強力介于兩種面料之間。綜合來看，聚酰亞胺纖維作為新型高分子復合材料，具有現階段防火服材料所不具備的優勢，其性能更加優越，適合作為下階段的森林防火服面料的選擇。

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作者簡介：

王晉芳（1989-），女，漢族，山西晉城人，畢業于中國人民大學物理化學專業。現任中國消防救援學院基礎部共同科目教研室講師。

陳坤（1996-），男，漢族，四川康定人，2016年參軍入伍，2019年考入中國消防救援學院，現為中國消防救援學院消防指揮（森林方向）學員。