輕質高阻隔化學防護復合面料的制備及性能

顧玉培 劉其霞 葛建龍 季 濤 吳嵩彬

（1.南通大學，江蘇南通，226019；2.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.咸陽際華新三零印染有限公司，陜西咸陽，712099）

隨著制造業的迅速發展，危險化學品事故頻繁發生，尤其是在化學品的存儲和運輸階段；此外，恐怖分子利用危險化學品發動襲擊事件也時有發生，給公共安全造成了極大威脅。一旦發生此類事故，需要采取隔離現場、人員疏散、現場控制以及洗消等應急處置，為在場人員提供安全可靠的防護［1?2］。

隔絕式化學防護面料是利用材料的高阻隔性和化學穩定性，將有毒有害化學品與人體隔絕，從而實現化學防護功能，適用于高度危險的化學品泄漏環境以及緊急情況的處置［3］。隔絕式防護面料一般為復合結構的柔性防護面料，即通過涂覆或層壓復合的方式，將高阻隔材料與織物進行復合而制得［4?5］。其中的高阻隔材料具有良好的氣密性和化學穩定性，能夠在人體與固體、液體、氣體或氣溶膠等狀態的有害化學品之間建立一個有效的防護屏障［6］。

本研究通過多層復合結構設計、綜合材料優選和復合工藝優化，將多層不同的材料通過熱壓復合，制備出質量輕、強度高、防護性能優異的隔絕式化學防護復合面料。

1 產品設計

1.1 多層結構設計

綜合考慮復合面料防護性能、力學性能和材料單位面積質量，對復合面料進行多層結構設計。化學防護復合面料的結構包括功能層、承力層、第一黏合層、阻隔層、第二黏合層和保護層。其中，功能層是功能整理層，為復合面料提供疏水疏油功能；承力層為復合面料提供較高的力學性能；阻隔層為聚合物阻隔膜；保護層為聚合物阻隔膜提供保護，防止在使用過程中出現阻隔膜破損等問題；黏合層為膠黏劑，將各層材料進行黏合。

1.2 各層材料設計

阻隔層。隔絕式化學防護面料中的阻隔材料一般采用橡膠或聚合物薄膜［7］。橡膠材料氣密性良好。但是單一橡膠材料也存在缺陷，例如丁基橡膠硫化工藝復雜且速度慢，不耐苯類有機溶劑等，一般適用于重型隔絕式化學防護裝備［8］。相比于橡膠材料，聚合物薄膜不僅具有良好的化學防護能力，還具有輕薄、易加工等優點。目前隔絕式化學防護面料更傾向于使用聚合物阻隔膜作為阻隔材料。PVDC分子鏈排列規整，分子鏈呈對稱狀，容易形成結晶，滲透物小分子難以在PVDC分子間通過，從而具有良好的阻氣、阻濕性能，對于酸、堿環境均能表現出較好的穩定性［9］。因此，本研究選擇PVDC薄膜材料作為化學防護復合面料的阻隔層。

承力層。隔絕式化學防護復合面料在使用過程中不僅要考慮防護性能，還需要考慮面料的力學性能和重量負荷等問題。承力層作為復合面料的骨架需具備較高的強力，通過優選承力層材料可以避免面料過于厚重。輕質高強錦綸織物具有堅韌耐用、高強耐磨的特點，還能有效地控制復合面料的單位面積質量［10］。因此，選擇輕質高強錦綸織物作為復合面料的承力層材料。

保護層。錦綸織物耐磨性能較好，在復合面料中能夠對聚合物阻隔膜起到很好的保護作用，避免其在使用和運輸過程中出現劃傷、劃破等問題。輕薄型錦綸織物單位面積質量低，不會給復合面料帶來較大的重量負荷。因此，本試驗以輕薄型錦綸織物作為復合面料的保護層材料。

黏合層。聚氨酯膠黏劑分子中含有強極性的異氰酸酯基（—NCO）和氨酯基（—NHCOO—），對多種材料有優良的黏接力且容易浸潤，工藝性好，使用期長，且具有耐沖擊、耐疲勞、耐化學品等優點，可以實現織物等多孔隙表面和聚合物材料等光滑表面的黏接［11?12］。因此，選擇熱塑性聚氨酯（TPU）膠膜作為黏合層材料。

功能層。功能層為復合面料的疏水疏油整理層，可防止液態物質在防護面料表面積聚。十七氟癸基三乙氧基硅烷（以下簡稱AC?FAS）是纖維材料常用的疏水疏油整理劑。試驗采用AC?FAS對復合面料的錦綸織物表面進行疏水整理，從而在復合面料表面獲得較好的疏水效果。

2 復合面料制備工藝

2.1 復合面料加工工藝流程

將各層材料鋪好，在NSC 100×100熱壓成型機層壓加工，復合工藝：承力層、第一黏合層、阻隔層、第二黏合層、保護層在115℃～155℃、0.5 MPa下熱壓復合30 s，溫室放置24 h后經AC?FAS溶液浸軋、預烘、焙烘，完成表面疏水整理，制得化學防護復合面料。

熱壓復合過程中，復合溫度對防護面料的力學性能和阻隔性能均有較大影響，是復合過程中的關鍵工藝參數。本試驗將熱壓復合溫度設置在115℃～155℃，以研究復合溫度對防護面料綜合性能的影響；壓力設置0.5 MPa，熱壓時間設置30 s；完成熱壓復合后在室溫環境放置24 h。

表面疏水整理工藝中，將AC?FAS調配為質量分數1%、3%、5%的乙醇溶液，對復合面料進行“浸?軋?預烘?焙烘”疏水處理，預烘溫度60℃，時間30 min；焙烘溫度90℃，時間2 min。

2.2 測試

利用美國英斯特朗公司的5969型電子萬能拉伸試驗儀，按照GB/T 3923.1—2013《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）》，對錦綸織物以及多層復合面料進行拉伸斷裂強力測試；按照GB/T 2791—1995《膠粘劑T剝離強度試驗方法撓性材料對撓性材料》，對“承力層/阻隔層”界面進行剝離強度測試。

利用濟南蘭光機電技術有限公司的W?3031型水蒸氣透過率測試儀，根據GB/T 1037—1988《塑料薄膜和片材透水蒸氣性試驗方法杯式法》，對阻隔膜和多層復合面料進行透濕性能測試。利用濟南蘭光機電技術有限公司的Basic 201型壓差法氣體滲透儀，根據GB/T 1038—2000《塑料薄膜和薄片氣體透過性試驗方法壓差法》，對阻隔膜和多層復合面料進行透氣性能測試。

利用溫州市大榮紡織儀器有限公司的YG（B）812D?20型數字式滲水性測定儀，根據FZ/T 01004—2008《涂層織物 抗滲水性的測定》，對多層復合面料進行抗滲水性能測試。

利用德國Dataphysics公司的OCA15EC型接觸角測量儀，根據GB/T 30447—2013《納米薄膜接觸角測量方法》，對復合面料外側表面的水靜態接觸角進行測試。

根據GB 24540—2009《防護服裝 酸堿類化學品防護服》化學品滲透時間指示劑測試法，對復合面料進行化學品滲透時間測試。

3 工藝優化

3.1 材料優選

3.1.1 阻隔層

滲透物分子通過致密膜中的自由體積——聚合物分子熱運動引起的聚合物鏈間的微小空間發生滲透，需要繞過晶區，從非晶區通過［13］。膜的厚度越大，滲透物小分子在膜材料中的滲透路徑越長，且越復雜，使得滲透物分子擴散的難度越大，阻隔能力越好。但是，阻隔膜越厚，對復合面料造成的重量負荷也會越大。

本研究選3種不同規格的PVDC阻隔膜，依次記為PVDC 1#、PVDC 2#和PVDC 3#，厚度依次為15μm、20μm和70μm，單位面積質量依次為20 g/m2、35 g/m2和65 g/m2。測得3種規格的PVDC阻隔膜氧氣透過量（壓力0.1 MPa條件下）依 次 為47.68 cm3/（m2·24 h）、33.80 cm3/（m2·24 h）和23.04 cm3/（m2·24 h）；水蒸氣透過量依 次 為6.86 g/（m2·24 h）、3.78 g/（m2·24 h）和1.79 g/（m2·24 h）。

可以看出，PVDC 1#的厚度和單位面積質量最小，氧氣透過量和水蒸氣透過量最大，即阻隔性能較差。PVDC 2#的厚度和單位面積質量都稍大于PVDC 1#，其阻隔能力也優于PVDC 1#。PVDC 3#的厚度最大，氧氣和水蒸氣的透過量也最低，表明阻隔性能最好。綜合考慮，PVDC 2#厚度適中，阻隔能力較好，因此將其作為化學防護復合面料的阻隔層。

3.1.2 承力層

相同條件下，織物所用紗線的線密度越大，紗線的強力越高，織物的強力也越高。紗線線密度的增加，會導致織物的單位面積質量提高。因此，需要綜合考慮紗線線密度對織物強力和單位面積質量的影響。本研究選3種不同規格的錦綸織物，依次記為PA 1#、PA 2#和PA 3#，長絲細度依次為4.44 tex、11.1 tex和23.3 tex，單位面積質量依次為65 g/m2、78 g/m2、134 g/m2。3種織物經向斷裂強力依次為557 N、891 N和1 451 N，緯向斷裂強力依次為371 N、448 N和1 346 N。

可以看出，織物所用紗線線密度越大，斷裂強力越大。其中，PA 1#錦綸織物單位面積質量低，同時，斷裂強力也較低。PA 3#錦綸織物經向、緯向斷裂強力分別為1 451 N和1 346 N。雖然PA 3#錦綸織物強力很高，但面料單位面積質量達134 g/m2，較為厚重。PA 2#錦綸織物經向、緯向斷裂強力分別為891 N和448 N，能夠滿足試驗設計的強力要求，且織物單位面積質量為78 g/m2，質量適中。所以，本試驗選擇PA 2#錦綸織物作為化學防護復合面料的承力層，既能保證復合面料具有足夠的強力，又可以合理降低復合面料的質量，達到輕質的效果。

3.1.3 保護層和黏接層

保護層選用22.2 dtex錦綸織物作為復合面料的保護層材料，單位面積質量24 g/m2。黏合層選用厚度80μm的TPU熱熔膠膜作為膠黏劑。

3.2 制備工藝優化

對115℃、125℃、135℃、145℃和155℃復合溫度下制得的復合面料的阻隔層與承力層界面剝離強度進行測試，結果如圖1所示。可以看出，隨著熱壓溫度的增加，黏合界面的剝離強度增加，表明界面黏合性能提高。這是由于越高的溫度能夠使熱熔膠分子鏈獲得更充分的交聯、伸展。另外，在黏接過程中會產生小分子物質，若這些小分子存留在黏接界面中會形成缺陷，較高的溫度有利于這些小分子揮發，從而提高界面間的剝離強度。

圖1 不同溫度熱壓復合界面剝離強度

對115℃、125℃、135℃、145℃和155℃復合溫度下制得的復合面料斷裂強力進行測試，結果如圖2所示。可以看出，隨著熱壓溫度的增加，復合面料經向、緯向斷裂強力增加，經向、緯向斷裂強力都在145℃時達到最高。隨著溫度的進一步增加，復合面料的斷裂強力下降。這是因為在一定范圍內，溫度越高，膠膜的融化程度越高。在壓力作用下，能夠與織物達到更充分的接觸，更好地填補面料內部的孔隙，增強了纖維之間的抱合力。并且，適當溫度的熱處理使織物發生輕微的收縮，織物單位面積質量和厚度均會增加，從而使得面料的強力提高。但是，隨著溫度的進一步升高，纖維的收縮程度也越大，造成纖維內部應力松弛。同時，纖維無定形區分子鏈熱運動能提高，降低了纖維原本具有的取向，導致纖維的斷裂強力下降［14］。因此，復合面料的強力在145℃之后呈下降趨勢。

圖2 不同溫度熱壓復合面料斷裂強力

對115℃、125℃、135℃、145℃和155℃復合溫度下制得復合面料的阻隔性能進行測試，結果如圖3所示。可以看出，隨著復合溫度的增加，復合面料的氧氣透過量和水蒸氣透過量均逐漸降低，表明阻隔性能提高。隨著溫度的進一步增加，當溫度超過135℃時，復合面料的氧氣透過量呈上升趨勢，表明面料的阻氧性能下降；當溫度超過145℃時，復合面料的水蒸氣透過量呈上升趨勢，表明面料的阻濕性能下降。這是因為，一定溫度的熱處理可以增加聚合物材料分子鏈的運動幾率，一方面使分子鏈排列更加緊密，另一方面促使有缺陷的分子鏈段形成二次結晶，進一步提高材料的結晶度［15］。由于滲透物的小分子無法從阻隔材料的晶區通過，只能繞過晶區從非晶區通過，因此熱處理會提高聚合物膜的阻隔性能。當溫度進一步升高，會破壞聚合物的分子結構，或使材料表面出現裂紋等缺陷，導致氧氣、水蒸氣分子更容易透過，從而降低材料的阻隔性能。

圖3 不同溫度熱壓復合面料阻隔性能

綜合考慮熱壓溫度對復合面料力學性能、界面黏接性能和阻隔性能的影響，將熱壓溫度設定為135℃較為合適。

3.3 表面疏水整理工藝優化

未做疏水處理的復合面料表面靜態水接觸角為89.6°，而采用質量濃度1%、3%和5%的AC?FAS的乙醇溶液處理后面料的功能層靜態水接觸角測試結果依次為132.9°、136.8°和136.6°，均具有較好的疏水性，表明AC?FAS是良好的織物疏水整理劑。其中，采用質量百分濃度為3%的AC?FAS乙醇溶液處理后獲得的疏水效果最佳，且能有效節約成本。

4 復合面料防護性能測試

以35 g/m2PVDC阻隔膜作為阻隔層、以78 g/m2錦綸織物作為承力層、以24 g/m2錦綸織物作為保護層，在熱壓溫度135℃、熱壓時間30 s、壓力0.5 MPa的條件下制得隔絕式化學防護復合面料，分別進行耐靜水壓性和化學品滲透時間測試。

4.1 耐靜水壓性能

對上述工藝下制得的隔絕式化學防護復合面料進行耐靜水壓測試。材料在60 kPa的靜水壓下能夠保持超過20 min不出現滲水情況，具備良好的耐靜水壓能力。

4.2 化學品滲透時間

化學試劑滲透時間是表征化學防護面料性能的重要參數［16］。對上述工藝下制得的隔絕式化學防護復合面料進行化學品滲透性能測試，測試試劑包括質量分數98%硫酸溶液、30%鹽酸溶液、40%氫氧化鈉溶液和40%氫氧化鉀溶液，測得穿透時間均大于480 min。表明化學防護復合面料對酸堿類化學品具有良好的防護能力，達到3級防護標準（240 min以上）。

5 結語

針對氣密型化學防護面料防護性能與單位面積質量之間的矛盾問題，對化學防護多層復合面料進行結構設計、材料優選和復合工藝優化。通過熱壓復合工藝，選用35 g/m2PVDC阻隔膜作為阻隔層、78 g/m2錦綸織物作為承力層、24 g/m2錦綸織物作為保護層、熱壓溫度135℃制得的化學防護復合面料單位面積質量342 g/m2，經向斷裂強力1 418 N，緯向斷裂強力1 214 N，對常用酸堿試劑的防護時間均大于480 min。在保證防護面料高阻隔性能的同時，有效降低了復合面料單位面積質量，提高了產品在使用和運輸過程中的便捷性，且能夠滿足多種環境中的化學防護需求。