組織結構對不銹鋼纖維/棉混紡織物阻燃性能的影響研究

嚴濤海

(閩江學院福建省新型功能紡織纖維與材料重點實驗室，福建福州 350108)

電焊行業在現代工業中具有重要地位，由于該職業的危險性，在進行電焊作業時電焊工人需要穿著有阻燃性能的面料制成防護服，來最大程度地抵御電焊作業時飛濺物對人體的傷害，保護其免受火焰灼燒或是陰燃傷害。 目前市面上的焊接服面料耐高溫性普遍不能完全保護電焊工作的作業安全，因此急需開發新型面向電焊工人作業環境的防燒焊飛濺物面料。 不銹鋼纖維作為常見的金屬纖維，具有良好的導電性以及耐高溫、耐腐蝕等特點，在氧化條件下工作環境溫度可高達600 ℃[1]。 由于人們對紡織品功能的要求不斷提高，各類功能性紡織品的需求也在不斷增加，因此，市場對不銹鋼纖維織物的需求也在不斷地向多元化發展。 阻燃改性方法根據阻燃劑的加入方式不同可以分為共聚法、共混法、復合紡絲法、表面接枝法以及后整理法[2]，本文采用后整理法對織物的阻燃性能進行優化。

金艷萍等人探討了織物結構參數與織物服用性能之間的關系[3]，研究結果表明織物的面密度與阻燃性能之間存在線性的正向關系。 Ozcan 等人采用垂直燃燒法對由4 種不同混紡比例原料制成的棉/針織物的坯布進行阻燃性能測試[4]，結果表明織物的單位面積質量對阻燃性能有較大影響。楊文芳等人以極限氧指數作為指標，探究紗線結構、織物結構與阻燃性性能的關系[5]，王增喜等人也研究了織物的不同組織結構對其阻燃性能的影響[6]。 考慮到焊接服的具體應用場景，對于原料種類的不同、織物厚度、織物密度、織物阻燃性能都有較大的區別，本文重點研究組織結構對織物舒適性及阻燃性能的影響，因此本課題以不銹鋼棉混紡紗為原料，以常見的平紋、斜紋、緞紋組織機織物為試驗樣本，從其組織系數、織物密度、單位面積質量及厚度等方面進行相應研究，而后再通過對阻燃性、舒適性等性能的檢測來探討織物結構對不銹鋼混紡織物性能的影響。

1 實驗

1.1 實驗原料與設備

320 T/M 不銹鋼纖維/棉混紡紗中不銹鋼纖維比例為20 %購于福建東龍針紡有限公司，紗線基本參數為捻度320 T/M，線密度166.334 tex，平均斷裂強度1.63 cN/dtex。 磷氮系阻燃處理劑阻燃整理劑購于江西百川防火技術咨詢有限公司。 溫州大榮紡織儀器有限公司自動織物硬挺度試驗儀YG022、數字式織物厚度儀YG141D、織物起毛起球儀YG502、織物透氣性測試儀YG461x、織物透濕量儀YG216－H、縷紗測長機YG086c，INSTRON 萬能材料試驗機3365，溫州方圓儀器有限公司織物阻燃性能測試儀YG815Alll，佛山喜強金屬制造有限公司立式小軋車P－A0。

1.2 面料的制備

為了更好地研究組織結構對于織物的性能影響，在三原組織的基礎上設計浮長分別為1、3、4 的1/1 平紋組織、3/3 斜紋組織和5/3 緯面緞紋組織三種織物組織類別。 樣品幅寬設計為25 cm，考慮到樣品布邊在織造過程中會出現脫線等現象，因此實際織造時按27 cm 的幅寬進行織造。 按照實際幅寬與設計經緯密計算，并考慮到穿綜過程中的經紗損耗，得出總經紗根數為600 根，選擇以110 筘號的筘齒，每個筘齒內穿2 根經紗的方法進行織造，采用SGA－598 型全自動劍桿織樣機織造試樣。采用浸漬法對樣品進行阻燃改性處理，將磷氮系列綠色環保高效阻燃劑與水按照1 ∶1比例調配好置入容器中，再將試樣完全浸入浸軋液中，確保試樣充分吸收浸軋液。 浸泡1 h 后將試樣取出，再使用立式小軋車擠壓去除試樣表面多余的浸軋液，帶液率92.20 %，再將試樣放置平臺上晾至半干，隨后使用電熱鼓風干燥箱以80 ℃的溫度將試樣烘干，賦予織物阻燃性能。

1.3 測試

參考按照GB/T 3923.1－2013?紡織品織物拉伸性能第1 部分:斷強力和斷伸長率的測定(條樣法)?測試織物斷裂強力，參照GB/T 18318.1－2009?紡織品彎曲性能的測定第1 部分:斜面法?測試織物硬挺度，參照GB/T 4802.1—2008?紡織品織物起毛起球性能的測定第1 部分:圓軌跡法?測試織物耐磨性，參照GB/T 5453—1997?紡織品織物透氣性的測定?測試織物透氣性能，按照GB/T 12704.1—2009?紡織品織物透濕性試驗方法?測試織物透濕性能，本次測試按照GA10－2014 行業標準附錄B 方法進行測試熱收縮性，參照標準GB 8965.1－2020?防護服裝阻燃防護第1 部分:阻燃服?測試面料阻燃性能。

2 數據及分析

2.1 織物結構參數測試與計算

2.1.1 織物組織系數計算

組織系數是一種反映織物組織松緊程度的指標，其值較大，表明織物組織緊度較低，反之，其值較低，表明織物組織緊度較高。 計算組織系數公式如公式(1)和公式(2)所示:

式中:Rj?Rw——織物循環的經緯紗根數；tj?tw——織物循環內所有經緯紗的交錯次數。

計算結果見表2。

2.1.2 織物單位質量測試

織物單位質量也稱為織物的克重，單位為g/m2。 本次測試參照標準GB/T4669－2008?紡織品機織物單位長度質量和單位面積質量的測定?。 測試結果見表2。

2.1.3 織物厚度測試

紡織品厚度是指對紡織品施加規定壓力的兩參考版間的垂直距離。 本次測試按照標準GB/T 3820?紡織品和紡織制品厚度的測定?進行測試。經測量記錄數據后通過計算獲得織物的平均厚度。測試結果見表1。

表1 織物厚度測試數據

2.1.4 織物織縮率計算

本課題設計的織物密度為220×152 根/10 cm，由于織物按照設計的經緯密參數上機織造的過程中存在織縮率，因此下機后織物的實際經緯密參數會發生變化。 織縮率常用的測定方法是取一定長規格的織物試樣，先量取織物上經紗與緯紗的長度，再從織物經緯向最邊緣分別拆出經、緯紗線并將拆取下的經緯紗線拉直后量取長度，最后通過公式(3)計算求得經紗織縮率，通過公式(4)計算求得緯紗織縮率。 求出織縮率后即可通過公式(5)求出織物的下機經緯密。

式中:a——經紗織縮率；L1——拉直后(即原來的)經紗長度；L2——布樣的經紗長度；

式中:b——緯紗織縮率；L3——拉直后的緯紗長度；L4——布樣的緯紗長度。

式中:ρ——下機經緯密，根/10 cm；ρj——坯布經密，根/10 cm；c——織縮率，%。

計算結果見表2。

表2 織物結構參數

2.2 織物透氣性

透氣性是指在織物兩側設置一定氣壓差后測試空氣對織物的滲透性。 將試樣夾持在試樣圓臺上，采用20 cm2的試樣圓臺進行測試，設置織物兩側的氣壓差為100 Pa，啟動機器后待壓力逐漸降低至規定值并達到穩定后記錄數據。 測試結果見表3。

表3 織物透氣性數據

織物組織結構是影響織物透氣性的重要因素。織物的經緯線交織次數越多，織物緊密度就越大，相應的紗線間孔隙就越小，所以空氣透過織物的速率也就越小。

從測試結果得出三種組織中5/3 緯面緞紋織物的透氣性能最好，3/3 斜紋織物的透氣性次之，1/1 平紋織物的透氣性最差。 可以得出三種組織結構的織物的透氣性關系為:5/3 緯面緞紋織物>3/3 斜紋織物>1/1 平紋織物。 這是因為三種織物組織結構的經緯紗交織規律不同，1/1 平紋織物的經緯紗線每隔1 根就交錯1 次，3/3 斜紋的經緯紗線每隔3 根就交錯1 次，而5/3 緯面緞紋的經緯紗線每隔4 根交錯4 次。 其中1/1 平紋組織的經緯線交織次數較其他兩種組織結構的織物都要多，其紗線間孔隙較小，透氣性也較小。

2.3 織物透濕性

透濕率是指在一定的溫濕度條件下，在規定時間內垂直通過單位面積試樣的水分質量。 根據數據計算試驗透濕度率，計算公式如公式(6)所示:

式中:WVT——透濕率，g/(m2?24h)；Δm——同一試驗組合體兩次稱量之差，g；Δm’——空白試樣的同一試驗組合體兩次稱量之差，g；(不做空白試驗時，Δm’＝0。)A——有效試驗面積，m2；t——試驗時間，h。

測試結果見表4。

表4 織物透濕性數據

織物的厚度是影響織物透濕性的因素之一。織物厚度越大，水分在纖維之間的孔隙中流動所需的時間也會增加，在相同時間內通過厚度大的織物的水汽量就會減少，織物的透濕性也就越小。 此外織物的緊度也會對織物的透氣性能產生影響，通常情況下織物結構越緊密，水汽越難透過織物，織物透濕性就越小。

從測試結果得出三種組織結構織物的透濕性關系為:5/3 緯面緞紋織物>3/3 斜紋織物>1/1 平紋織物。 從表2－7 可知，1/1 平紋織物的平均厚度最大，則在相同的溫度和濕度條件下，水汽通過1/1平紋織物間的孔隙所走路徑就越長，在相同時間內，透過織物的水汽較少；而5/3 緯面緞紋織物的平均厚度最小，因此其透濕性相較其他兩種組織織物最高。 另外1/1 平紋織物的紗線交織點較其他兩種組織織物都要多，其織物緊度要大于其他兩種組織，其抗滲水性能越好，故1/1 平紋織物的透濕性相較最小。

2.4 織物硬挺度

每種試樣經向緯向各取一次規格為2.5 cm×25 cm 的試樣，將試樣在YG(B)022E 型全自動織物硬挺度儀上并設置角度為41.5°，試樣壓板推進速度為0.4 cm/s 進行硬挺度測試。 可根據測試結果計算彎曲長度、抗彎剛度與抗彎模量來作為織物硬挺度的指標。 計算公式如公式(7)、公式(8)所示:

式中: L—彎曲長度， mm； D—抗彎剛度，N?mm2；

式中: E—抗彎彈性模量；δ—織物厚度，0.01 mm；D—抗彎剛度，N?mm2。

測試結果見表5。

表5 織物硬挺度數據

織物的彎曲長度越大說明織物硬挺度越好，織物越不易彎曲，反之織物越容易彎曲，硬挺度較小。織物的抗彎剛度越大，說明織物越剛硬，織物硬挺度越好。 具有較高的抗彎彈性模量的纖維具有更高的剛性以及越不容易發生彎曲變形。

從測試結果得出三種組織結構織物的硬挺度關系為:1/1 平紋織物>3/3 斜紋織物>5/3 緯面緞紋織物。 這是因為抗彎剛度隨織物厚度而變化，由表1 可知三種組織結構織物的厚度關系為:1/1 平紋織物>3/3 斜紋織物>5/3 緯面緞紋織物。 1/1 平紋組織平均厚度最大，因此其抗彎剛度也越大，織物硬挺度越大；相反地，5/3 緯面緞紋組織平均厚度最小，因此其抗彎剛度也越小，硬挺度越低。

另外從測試結果可以看出，1/1 平紋與3/3 斜紋的經向彎曲長度、抗彎剛度與抗彎模量都比緯向數值要大，這是因為1/1 平紋組織與3/3 斜紋組織都屬于經向組織，其經組織點多于緯組織點，因此織物經向密度要大于緯向密度，所以其經向硬挺度要優于緯向硬挺度。 同理，5/3 緯面緞紋組織由于是緯面織物，其緯組織點要多于經組織點，其織物緯向密度要大于經向密度，所以5/3 緯面緞紋組織的緯向彎曲長度、抗彎剛度與抗彎模量數值要大于經向，織物緯向硬挺度要優于經向硬挺度。

2.5 織物阻燃性能

每種組織結構的樣品分別量取尺寸為300 mm×80 mm 的試樣，用試樣夾將試樣固定，將試樣對樣品分別進行測試，將試樣觀察樣品的阻燃性能，當陰燃時間越小、續燃時間越小、損毀長度越短，織物的阻燃性能越好。 測試結果見表6。

表6 織物阻燃性測試數據

將測試結果與表5 阻燃服阻燃性能標準參數對比得出三種組織的阻燃性能都符合標準，得出三種組織結構織物的阻燃性能關系為:5/3 緯面緞紋織物>3/3 斜紋織物>1/1 平紋織物。 其中5/3 緯面緞紋織物的阻燃性能最好，而1/1 平紋織物中經向織物的阻燃性要優于緯向織物的阻燃性，3/3 斜紋織物和5/3 緯面緞紋織物中經向織物的阻燃性與緯向織物的阻燃性無明顯差別。

3 結論

本文以經過并線加捻技術制成的320 T/M 不銹鋼棉混紡紗作為原料，設計了三種不同織物結構參數的基本織物組織，運用機織方法進行織造不銹鋼混紡織物，并運用浸漬法對織物進行阻燃改性處理，賦予織物更好的阻燃性能，分析了織物組織結構對面料舒適性及阻燃性的影響。 在織物透氣性和透濕性測試中發現這兩種性能和織物的組織結構和織物厚度之間存在一定規律，即織物結構越緊密、厚度越大，織物的透氣透濕性能越差。 3 組試樣中阻燃性能最好的織物組織結構為5/3 緯面緞紋，其經向密度為218.55 根/10 cm，緯向密度為147.622 根/10 cm，平均厚度為1.41 mm，單位面積質量為701.83 g /m2。