張 慧,劉獻飛, 徐金廣

(中原工學院，a.紡織學院；b. 能源與環(huán)境學院，鄭州 450007)

熱防護服是救援人員在工作環(huán)境中減少熱危害的重要屏障，主要功能是減緩環(huán)境向人體皮膚的熱傳遞，從而保障救援人員的生命安全[1-2]。近年來，熱防護服的防護性能有了很大改進，但消防員仍面臨著被燒傷的巨大威脅，因此研發(fā)具有高性能的防護服至關重要[3]。根據(jù)行業(yè)標準GA 10-2014《消防員滅火防護服》，傳統(tǒng)熱防護服通常由多層織物組成，即：阻燃層(外層)、防水透濕層、隔熱層和舒適層[4-5]。有研究證實，最嚴重的燒傷往往源于服裝燃燒而非火焰本身，燃燒服裝下的皮膚燒傷程度比直接暴露在火焰下皮膚燒傷更加嚴重[6]。阻燃層作為熱防護服的最外層，直接與火源接觸，主要通過阻止燃燒的蔓延和明火接觸皮膚，避免對皮膚產(chǎn)生灼傷[7-8]。目前阻燃層由于其自身的特性和使用場合的不同存在一定缺陷，而研究者主要通過增加阻燃層面密度和服裝整體厚度使熱防護性能得到優(yōu)化，但面密度增大，厚度越厚，會增加消防員的負荷，顯著降低服裝的熱濕舒適性，造成熱應激。因此，在保障熱防護性能的前提下，設計開發(fā)出耐用、面密度小、厚度小的新型熱防護服用阻燃層，對實現(xiàn)有效熱防護、保護人體健康安全具有重要意義[9]。目前市場份額較大的阻燃面料主要是單層的平紋織物和斜紋織物，對阻燃單層面料的研究頗多[9-16]，而對阻燃多層面料的設計與研究較少[17-18]。在阻燃單層面料的研究中，主要是研究織物組織和不同纖維成分下組織對阻燃性能或熱防護性能的影響[9-14]，而研究面料的彎曲性能、力學性能等較少[15-16]。目前，相關的主要研究有：宗藝晶等[10]對不同纖維成分的熱防護服阻燃層織物的熱防護性能進行了研究，得到Nomex?ⅢA織物具有較高的熱防護性能，且熱防護性能隨面密度及厚度的增加而提高。朱超俊[11]對熱防護服用單層阻燃層的Nomex?ⅢA面料、Polyimide(PI)面料、PI/Kevlar?及Polybenzimidazole(PBI)/Kevlar?混紡面料的阻燃性能和熱防護性能進行測試，得到Nomex?ⅢA面料的TPP值最高。張圣忠等[12]采用了滌綸、芳綸、無機納米阻燃黏膠與棉纖維按照60/40紡制紗線，設計開發(fā)3種針織面料，測試其阻燃性和隔熱性能，得到經(jīng)阻燃整理后，滌綸與棉纖維混紡針織物的熱防護性能顯著提高。翟勝男等[9]選取了7種熱防護服用單層阻燃層織物，研究了織物熱防護性能及舒適性能，得到織物的熱防護性能與原料、織物厚度及緊度相關。逯凱美等[14]試織了36種規(guī)格的單層間位芳綸織物，研究了織物緊度、紗線線密度、織物組織、面密度、厚度等參數(shù)對織物阻燃性能的影響，得到組織結(jié)構(gòu)對織物阻燃性影響最大。而顏夢佳等[15]采用Nomex?ⅢA紗線設計織造了15種織物結(jié)構(gòu)參數(shù)的單層芳綸織物，通過垂直燃燒法測得其阻燃性能，得到了2/1斜紋的阻燃性能最好，且力學性能滿足GA 10-2014 《消防員滅火防護服》標準要求。王肖杰等[16]以PI纖維為原料，紡紗后采用斜紋組織測試其熱學和力學性能，得到該面料的熱學和力學性能可基本滿足國家標準要求。在多層織物結(jié)構(gòu)的研究中，應用于熱防護服的研究較少。張岑岑等[17]采用了經(jīng)起花組織與多層組織結(jié)合，設計織造了2款阻燃遮光窗簾織物，具有較好的耐久阻燃性。高樂等[18]以阻燃腈綸棉混紡紗為原料，以斜紋、方平和緞紋為基礎設計了接結(jié)雙層織物和接結(jié)三層織物應用在焊工等工作服和手套上，得到織物的接結(jié)層數(shù)和紗線交織次數(shù)對織物強伸性、舒適性和阻燃性均有影響。

本文以Nomex?ⅢA 32S雙股紗線為原料，設計并織造6種不同組織的接結(jié)雙層織物，應用于熱防護服中的阻燃層，通過研究織物結(jié)構(gòu)對其彎曲性能、力學性能、透氣性能、透濕性能及熱防護性能的影響，全面地分析面料的耐久性能、舒適性能和防護性能，為新型熱防護服用阻燃層面料的設計提供參考。

1 新型阻燃層面料設計及織制

1.1 原料

以Nomex?ⅢA 32S/2紗線(上海圣歐同安防護用品開發(fā)有限公司)為原料，其成分為93%芳綸1313纖維、5%芳綸1414纖維和2%抗靜電纖維。

1.2 織物密度計算

在紗線線密度相同條件下，織物的組織結(jié)構(gòu)、面密度、經(jīng)緯密及織物厚度等均會影響織物的力學性能、舒適性及熱防護性能，本文主要研究織物組織對織物性能的影響。參照市售的阻燃雙層織物的經(jīng)緯密度參數(shù)，并結(jié)合實驗室所能達到的織造條件，試驗設計采用相同的經(jīng)緯密，緯密設計為430根/10 cm。綜合考慮真實復雜的火場環(huán)境，阻燃層面料應在滿足各服用性、耐久性和防護性能的同時不增加消防員的負荷，在保證織物相對緊密下，織物的面密度不宜過高，且滿足GA10-2014《消防員滅火防護服》中規(guī)定的阻燃層面密度要求，這里經(jīng)密選取為430根/10 cm。

1.3 織物組織的設計

平紋的經(jīng)緯交織點多，使其布身結(jié)實牢固，布面平整耐刮，相對斜紋其耐磨性較好；方平組織外觀平整，經(jīng)緯交織點少，不如平紋緊密；斜紋組織的表面由經(jīng)浮長線或緯浮長線呈現(xiàn)斜紋外觀，且斜紋織物的經(jīng)紗和緯紗交織次數(shù)比平紋少，織物不如平紋致密。由于熱防護用織物結(jié)構(gòu)越緊密、透氣性越小，燃燒時織物內(nèi)部組織就越不易與外部的空氣充分接觸，燃燒困難。因此，織物組織的選取要提高熱防護性的同時兼顧力學性能，所以本文基礎組織主要選取平紋、2/2方平、2/2斜紋和3/1斜紋，設計了6種表里接結(jié)組織(下接上接結(jié))，分別為：表組織為平紋，里組織為2/2方平、2/2斜紋；表組織為2/2方平，里組織為2/2方平、2/2斜紋；表組織為2/2斜紋，里組織為2/2斜紋；表組織為3/1斜紋，里組織為3/1斜紋，表里層經(jīng)緯紗排列比均為1∶1。

1.4 織物的織制

1.4.1 筘號與總經(jīng)根數(shù)的計算

試織完成后，將織物從小樣織機上取下，靜態(tài)放置12 h，釋放張力使其自然收縮，計算得到緯紗織縮率為7.82%。設計織物緊密厚重，選擇每筘穿入數(shù)為4，計算公制筘號，如式(1)：

(1)

式中：C為公制筘號，筘齒/10 cm；Pj為經(jīng)紗密度，根/10 cm；b為緯紗織縮率，%；r為每筘穿入數(shù)。

織物在Y208W半自動小樣織機(南通三思機電科技有限公司)上完成織造。設計幅寬為20 cm，不設置布邊，計算總經(jīng)根數(shù)，如式(2)：

Mj=Pj×L

(2)

式中：Mj為總經(jīng)根數(shù)，根；L為織物幅寬，cm。

經(jīng)計算得到，織物公制筘號為99.09筘齒/10 cm，修正為99筘齒/10 cm；總經(jīng)根數(shù)為860根。

1.4.2 織物上機設計

為便于記憶，提高工作效率，穿綜圖采用順穿法，6種織物的上機圖如圖1所示。

(a)表組織平紋、里組織2/2方平雙層織物

1.5 織物實際規(guī)格

織造完成后，首先測試了織物的實際經(jīng)緯密和面密度。由于手動打緯，緯紗密度不勻，經(jīng)過測量緯密在420～450根/10 cm之間，求平均值，取435根/10 cm。根據(jù)GB/T 3820-1997《紡織品和紡織制品厚度的測定》，利用千分測厚儀測試各種織物厚度。采用精度為0.001 g的FA20004B電子天平(上海佑科儀器有限公司)，參照國家標準GB/T 4669-2008《紡織品 機織物 單位長度質(zhì)量和單位面積質(zhì)量的測定》中所規(guī)定的方法對7種織物面密度進行測試，結(jié)果見表1，其中0#織物為市售通用的相同規(guī)格紗線織造的熱防護服用阻燃層(上海圣歐同安防護用品開發(fā)有限公司)。

表1 織物的實際規(guī)格Tab.1 Actual specifications of different fabrics

2 織物性能測試

2.1 彎曲性能測試

采用FAST-S型彎曲試驗測試儀(上海羅中科技發(fā)展有限公司)，在溫度為(20±2) ℃，相對濕度為(65±2)%的標準大氣環(huán)境下，參照GB/T 18318.1-2009《紡織品 彎曲性能的測定 第1部分：斜面法》進行測試，每種織物經(jīng)向和緯向各6塊，求平均值。

2.2 力學性能測試

采用INSTRON 5582型萬能強力機(美國英斯特朗公司)，在溫度為(20±2 )℃，相對濕度為(65±2)%的標準大氣環(huán)境下，參照GB/T 3923.2-2013《紡織品 織物拉伸性能第2部分：斷裂強力的測定(抓樣法)》進行測試。試樣規(guī)格為3.5 cm×30 cm，夾持距離為20 cm，拉伸速度100 mm/min。每種樣品測3個，求其平均值。

2.3 透氣性能測試

采用YG641E-Ⅲ型全自動透氣量儀(寧波紡織儀器廠)，參照GB/T 5453-1997 《紡織品 織物透氣性的測定》進行測試，在溫度為(20±2 )℃，相對濕度為(65±2)%的標準大氣環(huán)境下，壓差為 200 Pa 下，測定一定時間內(nèi)垂直通過試樣給定面積的氣流量，計算出透氣率。每種樣品測10個，求其平均值。

2.4 透濕性能測試

采用YG501N-11紡織品透濕量儀(南通宏大實驗儀器有限公司)，參照GB/T 12704.1-2009《紡織品 織物透濕性試驗方法 第1部分：吸濕法》研究各織物的透濕性能。恒溫恒濕試驗箱的溫度設置為38 ℃，相對濕度為90%，氣流速度為0.4 m/s，每種織物測3塊，求平均值。

2.5 熱防護性能測試

采用改進的熱防護性能測試儀(Thermal protec-tive performance tester，TPP-1型，莫帝斯燃燒技術(中國)有限公司)[19]。根據(jù)標準ASTM F 1939-15《Standard Test Method for Radiant Heat Resistance of Flame Resistant Clothing Materials with Continuous Heating》，采用傳統(tǒng)Thermal Protective Performance (TPP)/Radiation Protective Performance (RPP)防護性能測試方法來評價織物的熱防護性能，只考慮織物輻射熱源時傳遞的熱能。輻射強度為 21 kW/m2，輻射 時間為180 s。采用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每0.1 s 采集一個溫度數(shù)據(jù)，將收集的溫度與時間，輸入基于Henriques皮膚燒傷積分方程的Skin Burn Prediction軟件中，計算熱流量，進行燒傷預測，得到模擬皮膚吸收總熱量、發(fā)生二級或三級燒傷時間。每種樣品測三塊，二級燒傷時間取平均值。測試前，所有試樣均在標準環(huán)境(20±2)℃，相對濕度(65±2)%下平衡 24 h，進行預調(diào)濕。本文采用熱防護服用面料的基本性能如表2所示，多層織物S-n的配置順序代號從外到內(nèi)依次為n、MB、TL和CL，其中n為阻燃層編號。

表2 試驗用面料的性能特征Tab.2 Performancefeatures of the tested fabrics

3 結(jié)果與討論

3.1 彎曲性能分析

各織物彎曲長度測試結(jié)果見圖2。從圖2中可知，在雙層織物中，表組織為平紋、里組織為2/2方平組織的1#織物的經(jīng)緯向彎曲長度最大，最硬挺；其次是表組織仍為平紋的2#織物，而表里組織為3/1斜紋組織的6#織物彎曲長度最小，但均大于購置的0#單層織物；表里組織越緊密，織物越硬挺。這是由于在經(jīng)緯密相同時，織物交織點越多，組織循環(huán)內(nèi)的平均浮長越短，經(jīng)緯紗越難以滑動，使得織物越剛硬[20]。實際應用中，阻燃層面料并非越硬挺越好，彎曲長度越大，織物板硬，不易形變；彎曲長度過小，織物無身骨。適當?shù)膹澢L度有利于提高阻燃層面料的耐久性和穿著舒適性。

圖2 不同織物的經(jīng)緯向彎曲長度Fig.2 Bending length of warp and weft direction of different weaves

3.2 力學性能分析

由表3可知，在織物經(jīng)緯密和接結(jié)點數(shù)相同條件下，表組織為平紋、里組織為2/2斜紋組織的2#織物的斷裂強度最大，其次是表組織為平紋、里組織為2/2方平組織的1#織物，兩者斷裂強度比較接近；雙層織物由于經(jīng)緯密較大，交織點多，斷裂強度均高于單層0#織物。這主要是由于在經(jīng)緯密相同時，紗線交織點多，平均浮長越短，經(jīng)緯紗之間摩擦接觸面積大，力學性能越好。

表3 織物的力學性能Tab.3 Mechanical properties of different fabrics

3.3 透氣性能分析

由表4可知，在雙層織物中，表組織為平紋組織的1#織物的透氣率最小，其次是2#織物，這兩種織物的透氣率均低于0#織物；表、里組織為3/1斜紋的雙層組織透氣性最好。從以上數(shù)據(jù)可以看出，1# 透氣性相對較差，孔隙分布較少，其熱防護性能理論上更好。這是由于在紗線相同且織物經(jīng)緯密相同，織物組織結(jié)構(gòu)決定織物經(jīng)緯紗交織點數(shù)量，從而影響織物的透氣性；織物交織次數(shù)越多，織物越緊密，其空隙越少，使織物的透氣性降低。表、里組織為3/1斜紋的雙層織物浮長線長、交織次數(shù)少、紗線間空隙較大，透氣率較好。然而作為接觸火源的最外層，織物透氣率越高，其孔隙率或孔隙直徑越大，熱量越易傳遞到皮膚，對熱防護性能的影響越不利；阻燃層織物透氣性與熱防護性能呈負相關。

表4 織物的透氣性能Tab.4 Air permeability of different fabrics

3.4 透濕性能分析

在執(zhí)行任務時，消防員無論在外圍控制火勢還是進入火場救援，常會與水分接觸，熱防護服阻燃層難免會被水分浸濕，其中一部分水分會通過服裝表層傳遞到內(nèi)層[21]。同時，在作業(yè)中，消防員本身會產(chǎn)生大量汗液，穿著厚重的熱防護服后，人體會大量出汗，透濕性好的織物能將人體汗液及時排出，不會使人感到黏澀、不適[21]。織物透濕率影響著織物的熱濕舒適性。而作為放置在最外面的阻燃層，水分會以蒸汽、液態(tài)水等形式進入織物內(nèi)部或排出，織物的透濕量越大，織物熱濕舒適性越好，但對熱防護性能存在不利影響。因此，在保障熱防護性能的前提下，提高熱濕舒適性能。從表5可以看出，6#織物的透濕量最高，1#織物的透濕量最小。而單層織物0#的透濕量大于1#至4#織物，小于5#和6#，這是由于紗線相同時，表組織為平紋和方平的1#至4#織物，交織頻繁，組織結(jié)構(gòu)緊密，而5#和6#織物由于浮長線較長，織物相對疏松，水分易透過織物，透濕量較大。通過分析得到，紗線經(jīng)緯密相同時，織物的透濕量與其組織結(jié)構(gòu)有關，其組織結(jié)構(gòu)越緊密，織物透濕量越小，有利于提高熱防護性能。因此，對于放置在最外層的阻燃層面料不能極端追求織物的透濕性能，應綜合考量各方面因素的影響。

表5 不同阻燃層的透濕性能Tab.5 Moisture permeability of different outer shells

3.5 新型阻燃層所在多層織物的熱防護性能分析

圖3是由將溫度變化量代入Skin Burn Prediction軟件計算得到熱流量曲線?？梢钥闯觯煌M織的織物系統(tǒng)經(jīng)相同時間的熱輻射后，各熱流量曲線變化趨勢相似，其熱流量曲線與時間所形成的面積(吸收熱量)依次為383.59、172.14、191.21、259.15、301.59、226.16 kW/m2和 333.70 kW/m2。得到：S-1至S-6織物系統(tǒng)的吸收熱量均低于S-0；阻燃層為表組織平紋、里組織2/2方平的S-1織物系統(tǒng)的吸收熱量低于其他織物系統(tǒng)，其次是表組織仍為平紋的S-2，分別比S-0的吸收熱量降低了55.12% 和50.15%，熱防護性能顯著提高。

圖3 不同多層織物組合的熱流量曲線Fig.3 Heat flux curves of different multilayerfabric systems

根據(jù)熱流量計算得到不同多層織物的二級燒傷時間如圖4所示，其中，S-0的二級燒傷時間為91.34 s，S-1的二級燒傷時間均高于其他織物系統(tǒng)。對于經(jīng)緯密相同，表組織均為平紋的S-1和S-2系統(tǒng)，S-2的織物厚度(0.731 mm)與S-1(0.742 mm)接近，但里組織為2/2斜紋的S-2的二級燒傷時間比S-1降低了2.70%，比S-0系統(tǒng)提高了67.53%；當里組織均為2/2方平的S-1和S-3系統(tǒng)，表組織為2/2方平的S-3系統(tǒng)的二級燒傷時間比表組織為平紋的S-1系統(tǒng)降低了22.78%，比S-0系統(tǒng)提高了32.95%；而表里組織均為3/1斜紋的S-6系統(tǒng)的二級燒傷時間最小，比S-1系統(tǒng)降低了34.52%。這表明在熱防護中，作為阻燃層的雙層織物比單層織物的厚度大，對熱量阻擋能力更強，熱防護性能更佳；而在雙層織物中，其他條件相同時，表組織的單位組織循環(huán)內(nèi)的平均浮長越小，織物結(jié)構(gòu)越緊密，阻止熱量傳遞給皮膚的能力越強，熱防護性能越好。因此，在開發(fā)雙層阻燃層面料中，表里組織的織物結(jié)構(gòu)選取越緊密，可更有效地保障消防員的生命安全，提高熱防護服的防護性能。

圖4 不同多層織物組合的二級燒傷時間Fig.4 Second-degree burn times of different multilayer fabric systems

4 結(jié) 論

本文設計并織造了6種不同織物組織的雙層阻燃面料，并對其彎曲性能、力學性能、透氣、透濕性能及熱防護性能進行研究，得到如下結(jié)論：

a)在雙層織物中，表組織為平紋的1#和2#織物的彎曲長度最大，最硬挺；而表里組織為3/1斜紋組織的6#織物硬挺度最小，均大于購置的單層織物。

b)在織物經(jīng)緯密和接結(jié)點數(shù)相同條件下，表組織為平紋的1#和2#織物的斷裂強度相對最大。1# 織物交織頻繁，織物結(jié)構(gòu)緊密，透氣和透濕性能小。6#織物的平均浮長線較長，透氣、透濕性能最好。

c)雙層織物比單層織物發(fā)生二級燒傷的時間延長，熱防護性能更佳；在雙層織物中，其他條件相同下，S-1的表組織織物結(jié)構(gòu)緊密，二級燒傷時間最長，比市售通用的單層阻燃層所在織物系統(tǒng)的熱防護性能提高了67.53%。