阻燃纱线分层配置方式对织物阻燃性能的影响

2021-03-12施楣梧唐守荣杨祖民靳仕华

棉纺织技术 2021年3期

施楣梧肖红唐守荣杨祖民靳仕华

（1.军事科学院军需工程技术研究所，北京，100082；2.山东沃源新型织物股份有限公司，山东淄博，256100；3.山东宏业纺织股份有限公司，山东济南，251600）

在社会日益重视人员安全健康的形势下，军警、厂矿等部门使用的职业防护服和一般民用纺织品均对阻燃性能有着强烈的需求。但因现有阻燃纤维及其阻燃纺织品尚不能良好地兼顾防护效果、舒适性和经济性，影响了阻燃纺织品的推广应用，也削弱了对职业人员和一般民众的防护效果。研究者提出了基于多种阻燃纤维混配形成阻燃协同效应的阻燃织物设计加工方法［1⁃2］，可提高阻燃织物的性价比，并兼顾舒适性和其他服用性能。该方法有良好的降低成本、兼顾舒适性的效果，在军警和厂矿防护服装上进入了实际应用。但多种阻燃纤维的配置方式不应该局限于纺纱过程中的混纺方式，还可以构筑多层次的织物结构，在不同织物层次中探讨不同阻燃性能的纱线的合理配置方式，进一步发挥阻燃协同效应。虽然传统的织物阻燃涂层整理技术也可以看作是构成不同层次结构的织物，正面施加阻燃涂层应用于输送带［3］、蓬盖布［4］、耐高温防护织物［5］等，反面施加阻燃涂层应用于地毯等；并且涌现出层层自组装［6⁃7］、溶胶⁃凝胶［8］等新型施加技术，但在织物结构上进行不同阻燃纱线分层次设计的报导尚不多见。本研究设计制造了不同材质和混纺比的阻燃纱线，针对纬二重、纬三重两种织物结构，在不同织物结构层次配置不同阻燃性能及其他服用性能的纯纺或混纺纱线，试图在纱线混纺结构层面运用协同效应的基础上，进一步在织物层次结构上构筑阻燃协同效应，以期获得性价比更高、更能兼顾其他服用性能的阻燃纺织品设计加工方法。

1 试验部分

1.1 纤维选用

均采用中长型纤维。其中间位芳纶（代号F）、对位芳纶（K）源于烟台泰和公司，阻燃粘胶纤维（代号ZR）来自奥地利兰精公司，阻燃维纶（代号ZV）由上海全宇公司提供，阻燃涤纶（代号ZD）选自四川东材公司，阻燃锦纶（代号ZJ）取自无锡恒天公司，宝德纶（代号B）、三聚氰胺纤维（代号QA）、阻燃莱赛尔纤维（代号ZL）、普通涤纶（代号PD）和普通锦纶（代号PJ）均从山东宏业公司的库存纤维中选出。芳纶基导电纤维代号E。

1.2 纱线混纺比和规格

所有纱线均为环锭纱，细度29 tex，捻系数340。纱线编号及各自的混纺比例如表1 所示。这些纱线将在纬二重织物和纬三重织物中使用。其中H 系列纱线和ZRS262 是山东宏业正常生产的阻燃纱线产品，其他纱线由山东宏业采用细纱试验线专门纺制而成，每个品种纺制1 kg 纱线。

表1 所列纱线中，专门纺制的WES1～WES16用于织造具有层次结构的纬二重织物，对比整体配比相同但阻燃纤维分层配置和均匀分布织物的阻燃性能差异；类似地，WSS1～WSS6 纱线用于织造纬三重织物。

表1 纱线规格

1.3 织物样品制备

在机织物上实现多层次结构，可采用重经组织、重纬组织和多层组织来实现。相比而言，重经、重纬组织比较容易加工，特别在用小样机织造样品时采用重纬组织最为方便。因此，织物样品采用纬二重和纬三重组织织造。按表2 所列的经纱、表纬和里纬的纱线配置方式得到35 种纬二重织物。按表3 所列的经纱、表纬、中纬和里纬的纱线配置方式得到13 种纬三重织物。以上织物样品均由山东沃源新型织物股份有限公司在织造小样机上加工而成。

纬二重和纬三重两组样品因经纱及各种纬纱的纱号是统一的，且每组样品的织法也相同，故每组样品具有相同的经密纬密。纬二重织物经密300 根/10 cm、纬密632 根/10 cm，表纬和里纬各占一半根数，则经纱/表纬/里纬的质量之比为1/1.05/1.05，织物中经纱占32.26%、表纬占33.87%、里纬占33.87%。纬三重织物经密296根/10 cm、纬密936 根/10 cm。表纬、中纬和里纬的根数各占1/3，则经纱/表纬/中纬/里纬的质量之比为 1/1.03/1.03/1.03，织物中经纱占24.4%、表纬占25.2%、中纬占25.2%、里纬占25.2%。根据上述数据可计算得到每块织物的各品种纤维的含量比例，即织物成分。

表2 中的专制均质对比样WEB1 与纤维成分分层分布样品WE5 具有相同的织物整体成分；WEB2 与 WE8、WEB3 与 WE12、WEB4 与 WE13、WEB5 与 WE14、WEB6 与 WE15、WEB7 与WE16、WEB8 与 WE17、也有相同的整体织物成分。表3 中纬三重织物WS1～WS10 的里纬均采用了纯阻燃莱赛尔纱，以提高面料的舒适性。阻燃莱赛尔与阻燃粘胶均属于阻燃再生纤维素纤维，有类似的回潮率，在提高织物舒适性、手感及多纤维协同效果的阻燃机理方面，可以认为这两种纤维是等效的。故试验中利用已有的含阻燃粘胶纱线和含阻燃莱赛尔纱线，进行了相同阻燃纤维素纤维含量下的专制均质对比样与纤维成分分层分布样的对比。 WSB1 与 WS1、WSB2 与 WS3、WSB3 与WS4 可视为具有相同的成分。以上设计是为了对比分析织物在相同整体成分条件下，因阻燃纤维在层次结构中的配置方式不同，而带来的阻燃性能差异，并根据结构预测织物舒适性的差异。

表2 纬二重织物的纱线配方和织物层次配方

表3 纬三重织物的纱线配方和织物层次配方

1.4 织物样品测试

上述48 种织物样品在山东沃源新型织物股份有限公司实验室进行了主要物理性能的测试。具体测试方法参考GB/T 4669—2008《纺织品机织物单位长度质量和单位面积质量的测定》、GB/T 3923.1—2013《纺织品织物拉伸性能第1部分断裂强力和断裂伸长率的测定（条样法）》、GB/T 3917.3—2009《纺织品织物撕破性能第3部分梯形试样撕破强力的测定》和GB/T 5455—2014《纺织品燃烧性能垂直方向损毁长度阴燃和续燃时间的测定》。因织物样品是由小样机加工得到的，经向长度有限，故只对纬向进行了强度和阻燃性能的测试。所得各指标均为3 个子样的平均值。

2 结果与分析

2.1 测试结果

表4 和表5 分别列出了纬二重织物和纬三重织物的测试结果。

2.2 力学性能分析

首先对比分析具有相同织物结构和整体织物成分的8 对织物的力学性能，见表6。

从表6 可知，多数层次分布样的单位面积质量稍大于均质样，但两者差异不超过3.05%，故具有良好的可比性。层次分布样的拉伸断裂强力均小于均质样，最小下降8.74%，最大下降28.01%，说明不同阻燃纱线分别作为表纬和里纬使用时，两种纬纱的断裂不同时性导致其中断裂伸长率小的纱线先发生断裂，最终导致强度下降。虽然在实际使用中织物的损坏往往并不是源于一次拉伸，而是受较小拉力和摩擦力对织物的反复损伤，故实际使用中织物牢度的下降将小于表6 所列的程度。设计中使织物同系统多种纱线的拉伸断裂伸长尽量一致，可控制强度损失程度。

从表6 可知，有3 个层次分布样的撕裂强力大于相同配方和规格下的均质样，说明分层配置阻燃纱线的办法，还有可能成为提高织物撕破强力的一种办法。

对表4 所列全部纬二重织物而言，拉伸断裂强力和撕破强力最高的是同一个织物，即由纯芳纶作为经纱、表纬和里纬织成的WE2。说明在纱线层面和织物层面有均匀一致材质，是得到高强织物的最佳条件。但为了得到较好的阻燃性能及其他性能，适当牺牲一部分强力也是值得的。对拉伸断裂强力而言，WE25、WE26、WE18 是强力最低的3 块织物。以全部纬二重织物的平均拉伸断裂强力1 593.7 N 为基准，分别偏小34.93%、33.61%和30.66%，下降明显。其原因一方面是表纬由多种纤维组成，且均有断裂伸长较小的阻燃粘胶和阻燃维纶存在，纱中纤维断裂就不同时；另外里纬采用阻燃锦纶的纯纺或混纺纱，阻燃锦纶断裂伸长率大，与表纬的伸长能力差异大，故造成表纬和里纬的断裂不同时；阻燃锦纶与阻燃粘胶之间也因断裂伸长率差异很大，导致里纬中的纤维断裂不同时，使强度有明显下降。但是这3个样品的强力仍然在可以使用的范围之内。

织物编号WE1 WE2 WE3 WE4 WE5 WE6 WE7 WE8 WE9 WE10 WE11 WE12 WE13 WE14 WE15 WE16 WE17 WE18 WE19 WE20 WE21 WE22 WE23 WE24 WE25 WE26 WE27 WEB1 WEB2 WEB3 WEB4 WEB5 WEB6 WEB7 WEB8单位面积质量/（g·m-2）288.9 279.0 274.0 273.8 274.6 269.8 267.5 280.3 271.9 287.7 273.5 271.0 274.1 272.6 269.1 274.0 289.6 285.3 274.1 255.0 259.5 270.0 271.6 252.1 277.4 279.0 274.8 268.0 286.9 268.0 266.0 267.5 263.5 272.1 287.7纬向拉伸断裂强力/N 2 379 2 517 1 650 1 460 2 171 1 483 1 851 1 713 1 469 1 764 1 438 1 336 1 199 1 549 1 180 1 449 1 167 1 105 1 315 1 681 1 301 1 468 1 517 1 655 1 037 1 058 1 309 2 379 2 012 1 653 1 448 1 949 1 626 1 869 1 621纬向撕破强力/N 193.0 297.4 173.5 167.5 207.1 181.1 183.8 202.5 188.7 194.8 117.1 116.4 102.6 123.0 101.7 113.1 141.8 100.6 139.0 111.9 91.3 145.0 107.6 113.6 119.9 108.9 133.1 241.9 182.3 144.8 91.7 175.7 127.1 149.6 129.4续燃时间/s＜1.0 0 0 0＜1.0 0 0 27.8 0 2.0 0 0 0＜1.0 0＜1.0 146.0＜1.0＜1.0 0 0 41.9 0 0 21.3 0＜1.0＜1.0 69.0 0 0＜1.0 0 0 2.2阴燃时间/s 0＜1＜1＜1＜1＜1＜1 0＜1＜1＜1＜1＜1＜1＜1＜1＜1＜1＜1＜1＜1＜1＜1＜1＜1＜1＜1＜1 0＜1＜1＜1＜1＜1＜1损毁长度/mm 39 28 29 32 61 41 49 116 46 47 35 34 36 69 50 49 252 50 52 38 33 129 49 54 214 56 66 79 124 35 36 73 36 59 75

类似地，WE21、WEB4、WE18 是撕破强力最低的3 块织物。以全部纬二重织物的平均撕破强力 149.1 N 为基准，分别小 38.77%、38.50% 和32.53%，下降比例明显。总体而言，均因表纬、里纬内的多种纤维的断裂不同时，及部分纤维的强度（如阻燃粘胶）低。但即使撕破强力显著偏离以上样品的平均值，仍然可以使用。

如表7 所示，3 对纬三重织物具有非常接近的单位面积质量，尽管层次分布样采用的是强度较高的阻燃莱赛尔，而均质样采用的是强度较低的阻燃粘胶，但层次分布样的拉伸断裂强力的下降幅度仍然很大；而撕破强力则可以高于相同整体成分的均质样，并且上升比例可以高达1/3。

表5 纬三重织物的测试结果

表6 相同织物结构和织物成分的8 对纬二重织物的力学性能对比

表7 相同织物结构和织物成分的3 对纬三重织物的力学性能对比

再针对表5 所列全部纬二重织物而言，拉伸断裂强力最高的是均质样WSB1，最低的是WS8。WS8 中的三聚氰胺纤维的强度较低（1.6 cN/dtex），而中纬阻燃锦纶与里纬阻燃莱赛尔纤维的断裂伸长有很大差异，故强度急剧下降。

同样，撕破强力最高的是WS9，最低的是WS6。WS9 之所以能得到最高的撕破强力，是因为表纬（芳纶）和中纬（宝德纶）具有很接近的拉伸特性，并占据了较大的份额；而WS6 因三聚氰胺纤维强度偏低、占较大份额的阻燃莱赛尔纤维断裂伸长偏低，导致撕破强力最低。

因此，在考虑形成阻燃协同效应时，还需要考虑纱线内各种纤维的拉伸断裂伸长接近、拉伸断裂强度高，及各层次纱线的断裂伸长率接近、断裂强度高，才能达到最优的力学性能。

2.3 阻燃性能分析

本研究所采用的纤维多数是不发生熔融的阻燃纤维，即使采用一部分合成纤维改性的阻燃纤维甚至普通合成纤维，但因用量小或夹持在中间层，故每一个样品均未出现熔融滴落的现象。另外由于本研究以获得较高阻燃性能为目标、采用了较多性能良好的阻燃纤维，或实践证明由多种阻燃纤维形成的协同效应可达到与纯芳纶织物类似的阻燃效果，如WE20 芳纶含量仅20%，但该配方用于武警特战、维和部队等阻燃作战服织物，阻燃指标优于相同规格的纯芳纶织物，垂直燃烧法下无熔融滴落现象发生。故所有织物的阻燃性能测试结果中没有列出燃烧状态。

另外，因织物的单位面积质量均较大，故织物的续燃时间和阴燃时间多数为0 s、或小于1 s。但也有个别织物的续燃时间很长，如表4 中WE8的经纱和表纬为纯芳纶纱、里纬为阻燃锦纶纱，整体含量为F/ZJ 66.1/33.9，该样品在垂直燃烧法下得到的续燃时间与阴燃时间为27.8 s 和0 s，而用阻燃涤纶代替阻燃锦纶的WE5，其续燃时间和阴燃时间均小于1 s。说明我国阻燃锦纶还没有达到阻燃涤纶的性能水平。

表8 列出了织物组织和织物整体成分相同的8 对纬二重织物的垂直燃烧的测试结果。从表8可知，均质样的损毁长度多数都大于层次分布样，说明不同阻燃纤维纱线采用分层配置的方式，能降低损毁长度，即提高阻燃性能。但也有特殊情况。采用阻燃锦纶为里纬的WE17，因里侧表面主要由阻燃锦纶组成，阻燃性能较差，从而导致了损毁长度很长，样条被烧通；另一个损毁长度为负值、层次分布样的损毁长度大于均质样的样品为WE15，其内侧面有较多的阻燃聚酯纤维和阻燃粘胶纤维，也导致里侧阻燃性能较差。但当该样品不是从底边点燃、而是从外侧表面点燃时，将表现为更好的阻燃效果。另外损毁长度变化率为0的样品WE13，织物里侧主要以阻燃性能较好的阻燃粘胶纤维为支撑面，没有热熔性合成纤维，也不会导致灯芯效应，故其损毁长度与相同配方下的均质样一致。

表8 相同织物结构和织物成分的8 对纬二重织物的阻燃性能对比

再结合表2 和表4 来看，WE1 和 WE2 仍然是均质样品，因WE1 含有2%的导电纤维和5%的对位芳纶，损毁长度稍长于纯对位芳纶的WE2；WE3～WE10 的经纱和表纬均采用纯芳纶纱线，而里纬则分别采用了各种纯纺（如阻燃莱赛尔纤维或者阻燃涤纶、阻燃锦纶）纱线、及两种阻燃纤维（甚至普通纤维）的混纺纱线。其中采用了阻燃锦纶的WE8 具有最长的损毁长度，采用了阻燃涤纶的WE5 损毁长度也超出了GB 8965.1—2020《防护服装阻燃服》规定的A 级防护等级要求；WE11～WE19 采用F/ZR 80/20 混纺纱为经纱和表纬，其阻燃性能稍差于WE3～WE10，但服用舒适性会有所提高；里纬采用阻燃锦纶的WE17，损毁长度达到最长；后一组采用F/ZV/B/ZR 20/36/14/30 混纺纱为经纱和表纬的WE20～WE27，其里纬采用的纱线也包括阻燃涤纶、阻燃锦纶、阻燃粘胶或者莱赛尔纤维，损毁长度的整体水平与采用纯芳纶或F/ZR 80/20 为经纱和表纬的织物基本类似，说明F/ZV/B/ZR 20/36/14/30 混纺比具有良好的协同阻燃效应；里纬为阻燃锦纶的WE25 的损毁长度达214 mm；而以PJ/ZR 50/50混纺纱为里纬的WE27，虽然采用了普通锦纶，但损毁长度也只有66 mm，说明如果锦纶的用量不大，即使采用普通锦纶，也可以达到B 级防护效果。

表9 列出了织物组织和织物整体成分相同的3 对纬三重织物垂直燃烧的测试结果。从表9 可知，均质样损毁长度多大于层次分布样，即分层配置时多数条件下可以提高阻燃性能。但在使用较多的阻燃锦纶时，即使是在中纬这一层次采用了阻燃锦纶，仍然会降低其阻燃效果。WS4 与WS8均采用 F100 为经纱、ZJ100 为中纬、ZL100 为里纬，但 WS4 采用 F100 为表纬、WE8 采用 F/QA 65/35 混纺纱为表纬，最终得到的损毁长度是WS4 为 60 mm、WS8 为 96 mm，说明表经配方对织物的损毁长度有影响，三聚氰胺纤维尚不能建立有利于提高整体阻燃性能的协同效应。