多功能隔絕式化學防護復合面料的制備及性能

顧玉培 季 濤,2 高 強,2 楊智聯 劉其霞

（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）

目前，危險化學品泄露事故和恐怖分子利用有害化學品襲擊事件頻繁發生，給公共安全造成了嚴重威脅。暴露于化學品污染環境中的人員需要化學防護裝備，以避免氣溶膠、固態、液態以及氣態危險化學品通過皮膚或呼吸道進入人體［1］?；瘜W防護裝備根據其防護原理不同，可以分為隔絕式化學防護材料、透氣式防護材料、半透氣式防護材料和選擇透氣式防護材料4 類［2］。其中，隔絕式化學防護材料是利用材料的阻隔能力來延長危險化學品滲透時間，從而實現有效防護，一般采用橡膠基復合面料、聚合物涂層面料和聚合物薄膜復合面料制成［3-4］。

橡膠基復合面料生產工藝復雜，防護效果單一；聚合物涂層面料耐老化性能較差；兩者都存在材料厚重的問題［5］。隨著隔絕式化學防護裝備的發展，隔絕式化學防護面料的研究需要兼顧防護服的防護性能、舒適性和靈活性［6］。聚合物阻隔膜具有面密度低、化學穩定性好、化學品阻隔性能優良等特點，將其作為阻隔材料與織物復合制備的防護面料具有優異的化學防護性能。

本研究以聚合物薄膜為化學防護材料，通過結構設計、材料優選、復合工藝優化，制備了一款多功能隔絕式化學防護復合面料，并測試了其性能。

1 產品設計

根據隔絕式化學防護裝備的使用需求，兼顧復合面料的力學性能、防護性能等，設計的復合面料為多層結構，包括功能層、承力層、黏合層、阻隔層和保護層，如圖1 所示。

圖1 復合面料多層結構圖

阻隔層。聚乙烯-乙烯醇（EVOH）是由乙烯和乙烯醇通過皂化反應或部分皂化反應生成的產物，被稱為三大阻隔樹脂（聚乙烯-乙烯醇、聚偏二氯乙烯、聚酰胺）之一。EVOH 分子鏈中的羥基可以通過氫鍵產生強烈的鍵合作用，使分子間的內聚力增加，內聚能密度提高，使氧氣等非極性基團難以通過，從而具有很好的氣體阻隔性能［7-8］。因此選擇EVOH 薄膜作為阻隔層。

承力層。為滿足復雜嚴苛的使用環境，隔絕式化學防護面料需要具備較高的力學性能。錦綸66 長絲織物具有優良的機械性能，強力高，耐磨性好，抗疲勞性好，且耐腐蝕、耐堿［9］。因此選擇輕質高強錦綸66 長絲織物為承力層。

保護層。輕薄錦綸長絲織物單位面積質量小且具有良好的耐磨性。因此以其為保護層。

黏合層。聚乙烯-醋酸乙烯酯（EVA）膠黏劑對較平滑的黏接面能表現出優良的黏合力，其固化快，柔韌性和耐久性良好。因此用其作為復合面料的黏合層。

功能層。溴-銻復配阻燃整理涂層以十溴二苯乙烷和三氧化二銻作為阻燃劑，在燃燒過程中可產生溴化氫氣體和溴化銻氣體，實現隔離氧氣，同時切斷燃燒自由基反應鏈，從而達到良好的阻燃效果［10］。因此以溴-銻阻燃整理涂層為功能層。

2 復合面料加工工藝流程和性能測試

2.1 復合面料加工工藝流程

熱壓復合工藝。將各層材料按“承力層-黏合層-阻隔層-黏合層-保護層”的結構平鋪，在熱壓成形機上進行復合加工，熱壓復合溫度65 ℃～125 ℃。熱壓時間30 s，壓力0.5 MPa。完成熱壓復合后，室溫靜置24 h。

表面阻燃涂層整理。將耐酸PU 膠、N，N-二甲基甲酰胺、甲苯、十溴二苯乙烷、三氧化二銻、偶聯劑 FP-80、促進劑 FP-7925 按照 100∶20∶20∶68∶34∶2∶1 比例混合均勻，得到溴-銻復配阻燃整理劑。在涂布機上對完成熱壓復合的面料一側面進行阻燃涂層整理并烘干。然后，對另一側面進行阻燃涂層整理并烘干。濕膜厚度300 μm，烘干溫度80 ℃，烘干時間 20 s。

2.2 性能測試

拉伸斷裂強力、撕破強力和剝離強度均采用5969 型萬能拉伸試驗儀測試，分別依據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 3917.2—2009《紡織品 織物撕破性能 第2 部分：褲形試樣（單縫）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》。

化學品滲透時間采用PK739 型化學品滲透性測試儀測試，依據GB 24540—2009《防護服裝酸堿類化學品防護服》，測試溫度30 ℃。

水蒸氣透過量采用W-3031 型水蒸氣透過率測試儀測試，依據GB/T 1037—2021《塑料薄膜與薄片水蒸氣透過性能測定杯式增重與減重法》，測試溫度38 ℃，相對濕度98%。

氧氣透過量采用Basic201 型壓差法氣體滲透儀測試，依據GB/T 1038—2000《塑料薄膜和薄片氣體透過性試驗方法壓差法》。

阻燃性能采用YG（B）815D-I 型織物阻燃性能測試儀測試，依據GB/T 5455—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》。

表面接觸角采用OCA15EC 型接觸角測量儀測試，依據GB/T 30447—2013《納米薄膜接觸角測量方法》。

拒水性能采用YS813 型織物沾水度儀測試，依據GB/T 4745—2012《紡織品防水性能的檢測和評價沾水法》。

耐靜水壓采用YG（B）812D-20 型數字式滲水性測定儀測試，依據GB/T 4744—2013《紡織品防水性能的檢測和評價靜水壓法》。

耐高溫性能、耐低溫性能、耐三合二洗消液、耐120#溶劑油的測試均依據GJB 6629—2008《軍用隔絕式個人防護裝具規范》。其中，耐高溫性能采用DHG 型干燥箱測試（測試溫度140 ℃，時間 8 h）；耐低溫性能采用BCD-642 型冰箱測試［測試溫度（-25±2）℃，時間5 min］。

3 工藝優化

3.1 材料優選

3.1.1 承力層和保護層

通過前期試驗，篩選出2 種保護層面料和3種承力層面料，依次記為PA1#、PA2#、PA3#、PA4#和PA5#，織物組織均為平紋，長絲線密度依次為 1.66 tex、3.33 tex、4.44 tex、11.11 tex 和23.33 tex，織物厚度依次為0.049 mm、0.074 mm、0.113 mm、0.148 mm 和 0.250 mm，單位面積質量 依 次 為 29.39 g/m2、32.00 g/m2、65.40 g/m2、78.04 g/m2和 216.44 g/m2。5 種面料的拉伸斷裂強力測試結果如圖2 所示，撕破強力測試結果如圖3 所示。

圖2 錦綸長絲織物拉伸斷裂強力

圖3 錦綸長絲織物撕破強力

PA1#和PA2#應用于保護層，可以看出兩者的單位面積質量相差不大，但PA2#的拉伸斷裂強力遠高于PA1#。因此，選用PA2#作為復合面料的保護層。

PA3#、PA4#和PA5#應用于承力層。相較于PA4#和PA5#，PA3#的單位面積質量較低，同時拉伸斷裂強力和撕破強力也較低。PA5#拉伸斷裂強力最高，但面料單位面積質量達216.44 g/m2，較為厚重。PA4#織物經向和緯向拉伸斷裂強力分別為891 N 和448 N，經向和緯向撕破強力分別為48 N 和54 N，且單位面積質量適中。因此，選用PA4#為復合面料的承力層。

3.1.2 阻隔層

滲透物小分子在聚合物分子鏈間的微小空間內發生滲透，需繞過晶區，從非晶區通過［11-12］。聚合物阻隔膜的阻隔性能受其材質、厚度等因素的影響。對于相同材質的阻隔膜，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，滲透物分子擴散的難度越大［13］。通過前期試驗，篩選出3 種不同規格的EVOH 阻隔膜，分別記為EVOH1#（厚度 35 μm）、EVOH2#（厚度 80 μm）、EVOH3#（厚度 100 μm），其阻隔性能測試結果如圖4 所示。

由圖4 可知，EVOH1#的厚度最小，氧氣透過量和水蒸氣透過量最大，即阻隔性能較差。EVOH2#和EVOH3#的厚度均大于EVOH1#，EVOH3#的氧氣透過量小于EVOH2#，而水蒸氣透過量相差不大。但是，EVOH3#的厚度最大，不利于控制材料質量和黏合效果。綜合考慮，最終選用EVOH2#為化學防護復合面料的阻隔層，其厚度適中，阻隔能力也較好。

圖4 EVOH 阻隔膜的阻隔性能測試結果

3.1.3 黏合層

選用厚度60 μm 的EVA 熱熔膠膜為黏合層。

3.2 制備工藝優化

采用不同溫度進行熱壓復合，并測試阻隔層與承力層黏合界面的剝離強度，結果如圖5 所示。由圖5 可知，隨著熱壓溫度的升高，EVOH 復合面料黏合界面的剝離強度呈現先增加后趨于穩定的趨勢，且經向和緯向剝離強度均在75 ℃時達到最大。這是因為熱處理溫度越高，膠黏劑融化程度越高，能夠充分與纖維接觸，形成良好的黏合力。另外，在黏接過程中會產生小分子物質，如果這些小分子存留在黏合界面中會形成缺陷，而較高的溫度有利于這些小分子揮發，減少界面缺陷［14］。但是，當溫度超過臨界值，膠黏劑會進一步分解，導致界面黏合力下降。

圖5 不同溫度熱壓復合黏合界面的剝離強度

采用不同溫度進行熱壓復合，對復合面料的拉伸斷裂強力進行測試，結果如圖6 所示。由圖6可知，隨著熱壓復合溫度的升高，復合面料的拉伸斷裂強力呈現先增加后降低的趨勢，經向和緯向拉伸斷裂強力均在105 ℃時達到最高。這是因為熱壓復合溫度越高，膠黏劑與纖維之間接觸越充分，使纖維之間的黏合力越大；當織物受到拉力時，纖維間滑移的幾率越小，拉伸斷裂強力則越大。但是，隨著溫度的進一步升高，纖維發生了較大程度的收縮，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，導致纖維的拉伸斷裂強力下降［15］。

圖6 不同溫度熱壓復合面料拉伸斷裂強力

采用不同溫度進行熱壓復合，對復合面料進行撕破強力測試，結果如圖7 所示。由圖7 可知，隨著熱壓復合溫度的升高，撕破強力呈現降低趨勢。這是因為復合面料經過熱壓處理后，膠黏劑與纖維充分接觸，固化后纖維之間黏合力更好，滑移的可能性也越小，紗線的柔軟性能和彈性越低，降低了斷裂伸長，導致撕破三角區變小，撕破強力變小。

圖7 不同溫度熱壓復合面料的撕破強力

采用不同溫度進行熱壓復合，對復合面料阻隔性能進行測試，結果如圖8 所示。由圖8 可知，隨著熱壓復合溫度的升高，復合面料的氧氣透過量和水蒸氣透過量均呈現先降低后增加的趨勢，表明阻隔性能先提高后降低，并都在85 ℃時達到最佳。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［16］。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，破壞了聚合物的分子結構，或使材料表面出現裂紋等缺陷，導致氧氣和水蒸氣分子容易透過，從而使材料的阻隔性能降低。

圖8 不同溫度熱壓復合面料的阻隔性能

綜合考慮熱壓復合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，最終熱壓復合溫度設定為85 ℃。

4 復合面料的防護性能測試

以 35 μm 厚度的 EVOH 阻隔膜為阻隔層，以PA4#為承力層，以 PA2#為保護層，以 60 μm 厚度的EVA 熱熔膠膜為黏合層，以溴-銻阻燃涂層為功能層，通過熱壓復合（熱壓復合溫度85 ℃）和表面涂層整理制得了多功能隔絕式化學防護復合面料。

測試其經向拉伸斷裂強力1 925 N，緯向拉伸斷裂強力1 885 N，經向撕破強力53 N，緯向撕破強力55 N?？梢钥闯觯瑥秃厦媪暇哂辛己玫牧W性能，能夠滿足化學防護裝備在復雜環境中的使用需求。

對復合面料進行化學品滲透時間測試，測試試劑包括質量分數98%硫酸、質量分數30%鹽酸、質量分數40%氫氧化鈉和質量分數40%氫氧化鉀，測得上述試劑的穿透時間均在480 min 以上，表明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）。

通過垂直燃燒法對復合面料阻燃性能進行測試，其中經向陰燃+續燃時間0 s，緯向陰燃+續燃時間5.0 s，經向損毀長度8.11 cm，緯向損毀長度9.28 cm，滿足GJB 6629—2008 阻燃時間小于15 s 的要求，阻燃性能較好。

對復合面料進行表面疏水性能測試，測得復合面料左側接觸角113.7°，右側接觸角111.7°。復合面料具有良好的疏水性能，可有效避免液態有害物質在材料表面積聚。對復合面料進行拒水性能測試，測得復合面料經過噴淋后，表面留有水珠，但測試表面沒有被潤濕，沾水等級為4—5 級，具有很好的抗沾濕性能。

對復合面料進行耐靜水壓性能測試。結果表明，復合面料耐靜水壓值大于50 kPa，達到GB/T 4744—2013 抗靜水壓等級5 級，具有優異的抗靜水壓性能。

對復合面料進行耐高溫和耐低溫性能測試。結果表明，復合面料經140 ℃高溫8 h 處理后表面未出現黏連情況，經-25 ℃低溫5 min 處理后無裂紋產生。表明復合面料具有良好的耐高溫和耐低溫性能。

對復合面料進行耐三合二洗消溶液測試。經過洗消后，復合面料經向拉伸斷裂強力1 645 N，緯向拉伸斷裂強力1 605 N，經向和緯向拉伸斷裂強力保持率為85%，高于GJB 6629—2008 機械性能大于原指標75%的要求。

對復合面料進行耐120#溶劑油測試。經測試后發現，復合面料經過120#溶劑油性處理后，表面不發黏，無裂紋，滿足GJB 6629—2008 要求。

5 結束語

本研究針對多功能隔絕式化學防護復合面料的性能要求，設計了多層結構。根據各層材料承擔的功能進行材料優選，并通過熱壓復合和表面涂層整理，制備了多功能隔絕式化學防護復合面料。當熱壓復合溫度為85 ℃時，復合面料的性能達到最佳，經向拉伸斷裂強力1 925 N，緯向拉伸斷裂強力1 885 N，經向撕破強力53 N，緯向撕破強力55 N。對于常見酸堿試劑的防護時間均大于480 min，并具有良好的疏水性能，復合面料耐靜水壓值大于50 kPa，且可有效防止液態化學品在其表面積聚。