美軍M53防毒面具防護頭罩帽兜織物材料研究

劉 虹 王得印 黃 強 皇甫喜樂

1. 海軍裝備部項目管理中心，北京 100071；2. 國民核生化災害防護國家重點實驗室，北京 100191；3. 防化研究院，北京 100191

防毒面具是核生化個體防護裝備的典型代表，其綜合運用了過濾[1]、吸附[2]、阻隔[3]等技術，能保護佩戴人員的呼吸道、眼睛、頭面部皮膚等免受氣溶膠、氣體、液體等形式的放射性落下灰、生物戰劑、化學毒劑或有毒化學工業品的傷害。M50面具是在美軍聯合勤務通用面具計劃(Joint Service General Purpose Mask，JSGPM)支持下，歷經多年研發的全新一代防毒面具，其在形式結構和材料方面進行了大量革新，設計定型后成功列裝于美國海、陸、空及海軍艦艇部隊、海岸警衛隊等多個軍兵種，防護性能和使用性能大幅提升[4]。

在M50的基礎上，美軍還設計定型了M53防毒面具以滿足特種作戰部隊、國民警衛隊及其他執法力量的特殊要求，能應對多種化學、生物、放射、核(簡稱“化生放核”，CBRN)，以及有毒工業化學品/有毒材料(TICs/TIMs)的威脅。M53防毒面具配備有防護頭罩，可與其配套使用(圖1)[5]。防護頭罩主要由帽兜織物和橡膠面托組合而成。該設計不僅能夠防止著配人員的頭、頸部免受化生放核毒劑的沾染，而且提高了防毒面具與防毒服接口的匹配性，改善了穿著舒適度。

本文將采用衰減全反射-傅里葉紅外光譜(ATR-FTIR)、差熱(DSC)、熱重(TG/DTG)、掃描電鏡(SEM)、能譜(EDS)等分析表征方法，對M53防毒面具防護頭罩的帽兜織物材料進行化學組成與物理結構分析，并測試其力學性能、親疏水性能、透濕性能及防護性能，以期對我軍未來防毒面具防護頭罩的研制提供借鑒和啟發。

1 試驗部分

1.1 化學組成分析

采用德國布魯克公司VERTEK 70V型紅外分析儀進行ATR-FTIR測試。光譜范圍為4 500～400 cm-1。

采用美國TA公司Q100型差示掃描量熱儀進行DSC測試。N2氣氛，升溫速率為10 ℃/min，從30 ℃升至375 ℃。

采用日本Rigaku公司TG-DTA8122型熱重差熱分析儀進行TG/DTG測試。N2氣氛，升溫速率為10 ℃/min，從30 ℃升至1 000 ℃。

1.2 物理結構分析

采用日本JEOL公司JSM-7900F型場發射掃描電鏡及美國EDAX公司TEAMTM掃描電鏡能譜儀進行SEM和EDS分析。加速電壓為20 kV，測試樣表面采用噴金處理。

1.3 性能測試

采用深圳SANS材料檢測有限公司CMT4104型電子拉力機，依據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)》、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》和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》標準，分別進行斷裂強力、撕破強力和T剝離強力測試。

采用上海中晨數字技術設備有限公司JC2000D型接觸角測量儀，于常溫下采用五點擬合法進行接觸角測試，測試液體為去離子水。

依照GB/T 12704.1—2009《紡織品 織物透濕性試驗方法 第1部分：吸濕法》標準，利用大榮紡織儀器有限公司YG(B)216G型織物透濕儀，采用正杯吸濕法，在溫度為42 ℃、相對濕度為90%的條件下進行透濕性能測試。

采用沾染-圓盤(Spot-Disc)法測試36 ℃條件下試樣對芥子氣液滴的防護時間。具體步驟：①將試樣放置在毒劑滲透儀測試盒內，試樣正面上方放置棉球，背面緊貼放置用于穿透顯色指示的氯胺-剛果紅試紙，然后將測試盒放入恒溫箱內穩定2.0～4.0 h；②正面上方滴加芥子氣液滴(32 μL)，記錄芥子氣液滴從正面滴加結束到背面試紙變色的時間即為試樣對芥子氣液滴的防護時間t(h)[6-7]。

2 結果與討論

2.1 化學組成

譜帶歸屬是研究聚合物化學組成的重要手段。帽兜織物宏觀結構上由外到內可分為三層——外層綠色織物、中間層白色薄膜和內層黑色網眼布。本文將對這三層材料依次進行ATR-FTIR分析，官能團區(4 000～1 330 cm-1)和指紋區(1 330～500 cm-1)譜圖如圖2所示，相應的譜峰歸屬歸納于表1。

表1 外層綠色織物的紅外光譜譜峰歸屬

表2 中間層白色薄膜的紅外光譜譜峰歸屬

表3 內層黑色網眼布的紅外光譜譜峰歸屬

根據圖2和表1～表3可以確認：外層綠色織物材質為PET，起抗皺和保形的作用；中間層白色薄膜材質為PTFE，起阻隔氣溶膠粒子和液體毒劑的作用[8-10]；內層黑色網眼布材質為PA66，起耐磨的作用。

DSC的分析結果(圖3)支持了ART-FTIR的結論。從圖3可以發現：外層綠色織物在252.0 ℃處出現熔融吸熱峰，對應PET的熔點；中間層白色薄膜在328.6 ℃處出現熔融吸熱峰，對應PTFE的熔點；內層黑色網眼布在254.8 ℃處出現熔融吸熱峰，對應PA66的熔點。

圖3 帽兜織物DSC曲線

TG/DTG曲線(圖4)也對上述結論做了佐證。圖4中：(1)外層織物出現了兩步熱失重，起始分解溫度(Td)為383.3 ℃，相應DTG曲線出現了兩處最大熱失重峰，相應的最大熱分解溫度(Tmax)分別為422.1 ℃和583.1 ℃，前鋒對應PET織物的最大熱分解溫度，后峰對應PET織物背面所黏附的PTFE微孔膜的最大熱分解溫度；(2)白色中間層的Td和Tmax分別為545.2 ℃和581.7 ℃，對應PTFE材料的起始熱分解溫度和最大熱分解溫度；(3)黑色內層的Td和Tmax分別為412.3 ℃和448.8 ℃，對應PA66的起始熱分解溫度和最大熱分解溫度。

圖4 帽兜織物TG/DTG曲線

2.2 物理結構

2.2.1 織造結構

利用SEM對外層、中間層及內層材料的織造結構進行分析，結果如圖5所示。

圖5 帽兜織物各層SEM照片

從圖5可以看出：(1)外層PET織物由線圈相互串套連接而成，且按縱向(經向)順序成圈，呈典型的經編針織物結構特征。這種組織結構可提高織物的堅牢度，并減少脫散。外層織物用紗線為無捻復絲，并合長絲根數為11，纖維直徑約15.0 μm。(2)中間層PTFE微孔膜呈典型的微纖-結點結構，立體交叉的微孔可有效阻止液態水的潤濕和毛細凝聚。(3)內層為PA66經編網眼布，能更好地提高復合織物的透氣性。網眼近似呈六邊形，網眼邊長約0.65 mm。內層網眼布用紗線也為無捻復絲，并合長絲根數為8，纖維直徑約20.0 μm。

2.2.2 界面結構

利用SEM對帽兜織物層與層之間的黏合情況進行表征，結果如圖6所示，可以發現：(1)外層PET織物與中間層PTFE微孔膜之間存在連續的黏合層(圖6中箭頭及方框部分)，層厚約10.0 μm；(2)中間層PTFE微孔膜與內層PA66網眼布之間為點狀黏合，這種黏合方式可避免PTFE微孔膜的微孔在與PA66網眼布復合時被黏合劑堵塞。

圖6 帽兜織物的界面結合情況

在常用的水性黏合劑、溶劑型黏合劑和熱熔型黏合劑中，熱熔型黏合劑清潔、無煙霧、無需烘干、使用方便，其種類繁多，如乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)型、聚乙烯(PE)型、聚酰胺(PA)型、聚酯(PES)型、聚氨酯(PU)型等。對剝離的界面進行EDS分析，結果如圖7和表4所示。圖7a)反映了剝離界面，其中Ⅰ為PTFE微孔膜粘接PA66網眼布的界面，Ⅱ為PTFE微孔膜，Ⅲ為PTFE微孔膜粘接PET織物的界面。通過圖7b)可以發現,Ⅰ和Ⅱ兩個界面主要含C、O元素，說明所用的黏合劑極有可能是PES熱熔膠，即PET織物與PTFE微孔膜之間可能采用的是薄膜型PES熱熔膠，PTFE微孔膜與PA66網眼布之間則可能采用的是點狀PES熱熔膠。

圖7 剝離界面的EDS分析

2.3 性能

帽兜織物的拉伸強力-位移曲線和撕破強力-位移曲線見圖8。拉伸強力-位移曲線呈現出明顯的多步斷裂特征：帽兜織物受力后，內層PA66網眼布率先發生斷裂，緊接著外層PET經編織物發生斷裂，最后PTFE微孔膜發生斷裂。其中，PTFE微孔膜在斷裂前會發生較大的形變位移，這一方面是因為較低的氟原子極化率導致分子間凝聚力低，分子易于滑動，另一方面與PTFE分子結構高對稱性導致的高結晶度和極易被拉出的帶狀結晶結構有關。帽兜織物斷裂強力為350 N，斷裂伸長率為50%。撕破強力-位移曲線與拉伸強力-位移曲線類似，帽兜織物撕破強力為315 N。

帽兜織物層與層之間的T剝離強力-位移曲線見圖9，可以發現：中間層PTFE微孔膜與內層PA66網眼布之間的T剝離強力較低，僅為3 N(剝離強度0.12 kN/m)；中間層PTFE微孔膜與外層PET經編織物之間的T剝離強力為9 N(剝離強度0.36 kN/m), 說明外層與中間層的結合較為牢固。

圖9 帽兜織物T剝離強力-位移曲線

帽兜織物的其他性能測試結果見表5。從水接觸角和透濕率可以看出，帽兜織物表面具有一定的疏水性能，其與橡塑涂層織物制成的傳統帽兜材料相比具有一定的防水透濕功能；對芥子氣液滴的防護時間為1.8 h，能有效保護著配人員的頭、頸部免受化生放核毒劑等的沾染。

表5 帽兜織物其他性能測試結果

3 結論

M53防毒面具防護頭罩的結構和材料都十分新穎，其帽兜織物由外層PET經編織物、中間層PTFE微孔膜及內層PA66經編網眼布復合而成，材料柔軟輕便，不僅具有一定的防水透濕功能，還能夠實現對液態化學毒劑的有效防護，對我軍核生化個人防護裝備的研制具有良好的借鑒意義。