陳珺嫻, 李偉萍, 付琪軒, 馮新星, 張 華
軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院, 北京 100010)
早在20世紀(jì)60年代,國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家就對(duì)紡織品的阻燃性能提出了要求[1]。21世紀(jì)初,我國(guó)對(duì)于紡織品阻燃和服用性能的綜合需求也日益增加[2],特別是電氣工程、石油化工等領(lǐng)域的作業(yè)防護(hù)服,不僅需要其織物具備優(yōu)異的阻燃、力學(xué)和耐磨等安全性能,且對(duì)穿著舒適性也提出了要求,因此,長(zhǎng)效阻燃、力學(xué)性能優(yōu)異且服用性能好的新型織物的研制逐漸成為研究熱點(diǎn)。阻燃織物一般分為后整理阻燃織物和本質(zhì)阻燃織物[3-4]。目前,國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的阻燃紡織品絕大多數(shù)采用后整理阻燃,普遍存在阻燃效果不持久、遇火易產(chǎn)生熔滴、手感偏硬、力學(xué)性能差等缺點(diǎn)[5-7]。本質(zhì)阻燃織物主要通過原絲阻燃改性和提高成纖高聚物熱穩(wěn)定性等方法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)效阻燃[8-9],遇明火燃燒時(shí)低煙或無(wú)煙,因此,其制備受到廣泛關(guān)注[10-12]。
目前,市場(chǎng)上本質(zhì)阻燃纖維有很多種,其中芳綸和阻燃粘膠纖維受關(guān)注程度較高[13-15]。芳綸不僅具有優(yōu)異的耐高溫性、高阻燃性和尺寸穩(wěn)定性,且斷裂強(qiáng)力、防撕破能力和耐磨性能較好[16-17]。常見的阻燃粘膠纖維力學(xué)性能與普通粘膠纖維相似,不但吸濕透氣、易染色、親膚性好,且耐酸堿、熱收縮性小、抗熱性好,其阻燃性能也不亞于芳綸[18-19]?,F(xiàn)有研究中,趙書林等[13]和范麗君等[17]分別將芳綸1313和芳綸1414,與阻燃粘膠進(jìn)行混紡織造,結(jié)果表明相比于純芳綸織物,2種本質(zhì)阻燃纖維混紡不僅提高了紗線的可紡性,降低了織物的成本,且阻燃性能優(yōu)于芳綸/棉、芳綸/羊毛混紡織物。但是,阻燃粘膠纖維的加入降低了混紡織物的斷裂強(qiáng)度和耐磨性,且當(dāng)芳綸含量過多時(shí),織物的色牢度、透氣性、透濕性和舒適性也變差。邵秋娟等[18]將芳綸/維綸/粘膠進(jìn)行混紡織造,雖然維綸的加入有利于提高織物的力學(xué)性能,但其阻燃性能卻遠(yuǎn)低于芳綸/阻燃粘膠混紡織物。長(zhǎng)效阻燃、高強(qiáng)、耐磨且服用性能良好的新型織物的研制問題仍未被很好解決。
阻燃錦綸是近年來(lái)研發(fā)的新型本質(zhì)阻燃纖維,具有永久阻燃、強(qiáng)度高、回彈性好、耐磨性佳、質(zhì)量輕等特點(diǎn)[20-22]。將阻燃錦綸與芳綸、阻燃粘膠進(jìn)行混紡,可能使織物保持較高阻燃性能和良好舒適性的同時(shí),顯著提高其耐磨、斷裂強(qiáng)力等性能。為此,本文根據(jù)芳綸、阻燃粘膠和阻燃錦綸各自的特點(diǎn),將以上3種纖維按照不同混紡比例進(jìn)行混紡織造,研究了混紡比、股線捻度、織物組織結(jié)構(gòu)和印花黏合劑種類對(duì)紗線及其織物力學(xué)性能、阻燃性能和色牢度的影響。通過3種不同纖維材料的協(xié)同增效作用,獲得長(zhǎng)效阻燃、高強(qiáng)、耐磨且服用性能好的新型織物。
本文使用3種纖維分別為芳綸1414(M,線密度為0.17 tex,長(zhǎng)度為15 mm)、阻燃粘膠纖維(FR,線密度為0.17 tex,長(zhǎng)度為15 mm)和阻燃錦綸長(zhǎng)絲(ST,4.44 tex(12 f)),其基本性能參數(shù)如表1所示;選用7種印花黏合劑,購(gòu)自纖化(上海)生物化工股份有限公司,其種類及化學(xué)組成如表2所示;選用的涂料和還原染料,購(gòu)自德司達(dá)(南京)染料有限公司;糊料,購(gòu)自廣州中萬(wàn)新材料有限公司。
表1 纖維材料的基本性能
表2 黏合劑的化學(xué)組成
為研究混紡比對(duì)紗線阻燃性能和力學(xué)性能的影響,考慮到阻燃錦綸耐光性較差,長(zhǎng)時(shí)間在日光和紫外光下照射會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度降低,采用芳綸、阻燃粘膠復(fù)合阻燃錦綸長(zhǎng)絲包芯的方式進(jìn)行混紡,設(shè)計(jì)了9組M/FR/ST混紡樣品:首先保持M混紡比不變,研究FR和ST比例變化對(duì)于紗線性能的影響,設(shè)計(jì)了5組混紡樣品,M、FR、ST混紡比如表3中樣品1~5所示;然后保持ST比例不變,研究M和FR比例變化對(duì)于紗線性能的影響,設(shè)計(jì)了4組混紡樣品,M、FR、ST混紡比如表3中樣品6~9所示。另外,為對(duì)比M/FR/ST與M/FR混紡紗線的力學(xué)性能,設(shè)計(jì)了5組M/FR混紡樣品,其混紡比如表3中樣品10~14所示。所有紗線均為S捻向雙股紗,平均線密度為19.7 tex,平均捻度為700 捻/m。
表3 紗線混紡比例
為研究捻度對(duì)紗線及其織物阻燃性能和力學(xué)性能的影響,采用M、FR、ST混紡比為30/45/25的單紗,通過并紗和倍捻完成合股加捻工作,得到反向加捻雙股紗(線密度為19.7 tex),設(shè)計(jì)了580、630、680、730和780捻/m共5組不同捻度的紗線樣品,并通過JAT710型噴氣織機(jī)(日本豐田自動(dòng)織機(jī)株式會(huì)社)將其分別織成斜紋織物。
為研究組織結(jié)構(gòu)對(duì)織物阻燃性能和服用性能的影響,將混紡紗線分別織成平紋組織、3上1下破斜紋組織、1上2右斜紋組織和5枚2飛緞紋組織織物。
為研究黏合劑種類對(duì)織物阻燃性能和水洗色牢度的影響,選用7種不同的黏合劑制得色漿,通過印染工藝流程制得一系列阻燃織物。將黏合劑與涂料、還原染料、糊料和去離子水制成印花漿料,其組成如表4所示。工藝流程為:前處理→預(yù)定形→剪毛→印花→蒸化→還原水洗→柔軟整理→預(yù)縮處理。
表4 印花漿料配方
1.3.1 垂直燃燒性能測(cè)試
按照GB/T 5455—2014《紡織品 燃燒性能 垂直方向損毀長(zhǎng)度、陰燃和續(xù)燃時(shí)間的測(cè)定》,采用LFY-26C垂直法織物阻燃性能測(cè)定儀(山東省紡織科學(xué)研究院)測(cè)試試樣的垂直燃燒性能。將試樣在溫度為(20±2) ℃,相對(duì)濕度為(65±3)%的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下平衡8~24 h,取出后進(jìn)行測(cè)試,試樣尺寸為300 mm×80 mm。
1.3.2 極限氧指數(shù)測(cè)試
按照GB/T 5454—1997《紡織品 燃燒性能試驗(yàn) 氧指數(shù)法》,采用LFY-606氧指數(shù)測(cè)定儀(山東省紡織科學(xué)研究院)測(cè)試試樣的極限氧指數(shù)(LOI)。測(cè)試前在溫度為(20±2) ℃,相對(duì)濕度為(65±3)%的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下平衡24 h以上,試樣尺寸為150 mm×50 mm。
1.3.3 力學(xué)性能測(cè)試
按照GB/T 3916—2013《紡織品 卷裝紗 單根紗線斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定(CRE法)》,采用YG063G全自動(dòng)織物強(qiáng)力儀(常州市中纖檢測(cè)儀器設(shè)備有限公司)測(cè)試試樣的力學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)拉伸速度為500 mm/min,拉伸隔距為500 mm,每個(gè)試樣測(cè)試20次,取平均值。
按照 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(qiáng)力的測(cè)定》,采用YG063G全自動(dòng)織物強(qiáng)力儀(常州市中纖檢測(cè)儀器設(shè)備有限公司)測(cè)試試樣的撕破強(qiáng)力。實(shí)驗(yàn)拉伸速度為100 mm/min,夾鉗距離為25 mm,測(cè)試20次取平均值。
1.3.4 耐磨性能測(cè)試
按照GB/T 1798—2008《生絲試驗(yàn)方法》,采用Y731抱合力機(jī)(常州德普紡織科技有限公司)測(cè)試試樣的耐磨性能,摩擦速度為135 r/min,每個(gè)試樣測(cè)試10次,取平均值。
1.3.5 變色牢度級(jí)數(shù)測(cè)試
按照GB/T 250—2008《紡織品 色牢度試驗(yàn) 評(píng)定變色用灰色樣卡》,采用Color Quest XE測(cè)色配色儀(美國(guó)Hunter-Lab公司)測(cè)試試樣的耐水洗性。試樣尺寸為40 mm×100 mm,每個(gè)試樣采用50 ℃水洗滌300 min,再冷水漂洗140 min,干燥后與灰色樣卡對(duì)比進(jìn)行評(píng)級(jí)。
2.1.1 力學(xué)性能和阻燃性能分析
采用芳綸1414、阻燃粘膠纖維、阻燃錦綸長(zhǎng)絲3種纖維進(jìn)行混紡,得到表2中1~9號(hào)不同混紡比紗線,其斷裂強(qiáng)度和極限氧指數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖1(a)和(b)所示。由圖1(a)可知,當(dāng)M混紡比固定為25%,隨著ST混紡比由15%增加至35%,紗線的斷裂強(qiáng)度增加;與之相反,紗線的極限氧指數(shù)由30%下降至25%。阻燃錦綸的添加可提高織物的耐磨性和斷裂強(qiáng)度,但因架橋效應(yīng)和燈芯效應(yīng)[23-24],若阻燃錦綸長(zhǎng)絲含量過多,會(huì)影響織物的阻燃效果;而阻燃錦綸長(zhǎng)絲含量過少,織物的斷裂強(qiáng)度、防撕裂能力和耐磨性就難以得到保證。由于紗線極限氧指數(shù)達(dá)到27%以上時(shí)[25],其阻燃性能才比較可靠,因此,綜合考慮ST混紡比為25%時(shí),其紗線強(qiáng)度較高,且能保持可靠的阻燃性能。
由圖1(b)可知,將ST混紡比固定為25%,F(xiàn)R混紡比由40%增加至60%時(shí),混紡紗線的斷裂強(qiáng)度逐漸降低,但極限氧指數(shù)逐漸升高。芳綸1414與阻燃粘膠混紡,阻燃粘膠混紡比例較大時(shí),才能逐漸改善芳綸難以染色的性質(zhì)[26]。由于阻燃粘膠的斷裂強(qiáng)度遠(yuǎn)低于芳綸,其加入后會(huì)對(duì)紗線強(qiáng)力、織物強(qiáng)度和防撕裂性能造成一定影響,因此,在保證服用性能的基礎(chǔ)上,阻燃粘膠的混紡比例不宜過大。由圖1(b)還可知,當(dāng)按照阻燃錦綸混紡比為25%,阻燃粘膠混紡比為45%,芳綸1414混紡比為30%混紡時(shí),既可以保證紗線阻燃性能可靠(極限氧指數(shù)大于27%),又能保持較高的斷裂強(qiáng)度,有利于織物的功能性和服用性能達(dá)到較好的平衡。
為研究阻燃錦綸的加入對(duì)于混紡紗線斷裂強(qiáng)度的影響,采用M和FR進(jìn)行混紡,得到表2中序號(hào)為10~14號(hào)的5種不同混紡比紗線樣品,其斷裂強(qiáng)度和極限氧指數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖1(c)所示。可知,M混紡比由30%增加至70%時(shí),混紡紗線的斷裂強(qiáng)度和極限氧指數(shù)都逐漸升高。對(duì)比圖1(b)和(c)中M混紡比為30%的2個(gè)樣品的斷裂強(qiáng)度發(fā)現(xiàn),M/FR/ST(30/45/25)混紡紗線的斷裂強(qiáng)度(22.4 cN/tex)比M/FR(30/70)混紡紗線斷裂強(qiáng)度(14.4 cN/tex)提升了56%,證明阻燃錦綸的加入可有效提高芳綸/阻燃粘膠二元混紡紗線的力學(xué)性能。
2.1.2 耐磨性能分析
為研究阻燃錦綸ST的加入對(duì)于紗線耐磨性能的影響,將M混紡比固定為25%,逐漸增加ST混紡比,M/FR/ST混紡紗線耐磨次數(shù)的變化如圖2(a)所示??芍S著ST混紡比由15%增加至35%,紗線的耐磨次數(shù)呈正比增加。說明阻燃錦綸比例高有利于提升紗線的耐磨性能。圖2(b)示出混紡比對(duì)M/FR混紡紗線耐磨次數(shù)的影響??芍喚€耐磨次數(shù)也隨著M混紡比的增加而增加,說明芳綸比例高也有利于提升紗線耐磨性能。對(duì)比圖2(a)、(b)實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)阻燃粘膠混紡比為50%時(shí),M/FR/ST(25/50/25)三元混紡紗線的耐磨次數(shù)(1 862次)相比于M/FR(50/50)二元混紡紗線(1 181次)提升了58%,說明阻燃錦綸的加入可顯著提高芳綸/阻燃粘膠二元混紡紗線的耐磨性能。
圖2 不同混紡比紗線的耐磨次數(shù)
綜合上述三元和二元混紡紗線混紡比對(duì)于紗線斷裂強(qiáng)度、極限氧指數(shù)和耐磨次數(shù)的影響發(fā)現(xiàn),阻燃錦綸的加入對(duì)于阻燃混紡紗線綜合性能的提升十分重要。由于阻燃錦綸作為本質(zhì)阻燃纖維,兼具錦綸的高強(qiáng)、耐磨性能和本質(zhì)阻燃纖維的長(zhǎng)效阻燃性能,在芳綸/阻燃粘膠混紡紗線中加入阻燃錦綸:首先,可以降低芳綸混紡比例,使成本降低,同時(shí)保證阻燃性能不降低;其次,阻燃錦綸的高強(qiáng)和高耐磨性,可進(jìn)一步提升混紡紗線斷裂強(qiáng)力和耐磨性能;最后,降低芳綸混紡比可降低織物印染時(shí)的涂料用量,進(jìn)而提升織物舒適性。
選擇M/FR/ST混紡比為30/45/25的紗線,制備得到反向加捻雙股紗,研究捻度對(duì)紗線斷裂強(qiáng)度的影響,結(jié)果如圖3所示??芍?,隨著捻度的增大,紗線的斷裂強(qiáng)度先增加后降低,最大值在捻度為680 捻/m處。這是因?yàn)殡S著加捻程度的不斷提高,纖維間摩擦力增大,滑移的纖維根數(shù)減少,且加捻使紗線強(qiáng)度不均勻性得到改善,所以隨著捻度的增加,紗線斷裂強(qiáng)度不斷增加。但隨著捻度的進(jìn)一步提高,纖維因傾斜扭轉(zhuǎn)所承受的預(yù)負(fù)荷增加,軸向分力減小,所以紗線在某一臨界捻度時(shí)斷裂強(qiáng)度達(dá)到最高值,繼續(xù)加捻紗線斷裂強(qiáng)度會(huì)隨之下降[27]。
圖3 不同捻度紗線的斷裂強(qiáng)度
表5、6分別示出不同捻度下,M/FR/ST紗線制成織物的力學(xué)性能和阻燃性能。其中,表5中的 A類織物面密度為190 g/m2(適合夏季服用,本節(jié)組織結(jié)構(gòu)為1上2下右斜紋),表6中的B類織物面密度為235 g/m2(適合冬季服用,本節(jié)組織結(jié)構(gòu)為3上1下破斜紋)??梢钥闯觯珹類和B類織物斷裂強(qiáng)力最大值均在捻度為680 捻/m處。組織結(jié)構(gòu)和面密度相同時(shí),隨著捻度的增加,織物斷裂強(qiáng)力先增加后減小,撕破強(qiáng)力逐漸下降。這可能是由于捻度過高紗線剛性大,織物彈性下降進(jìn)而影響織物的撕破強(qiáng)力。
表5 不同捻度紗線制成的A類織物的力學(xué)性能和阻燃性能
表6 不同捻度紗線制成的B類織物的力學(xué)性能和阻燃性能
由表5和表6中A類和B類織物的續(xù)燃和陰燃時(shí)間,以及經(jīng)向損毀長(zhǎng)度可知:隨著紗線捻度的增加,A類織物的經(jīng)向損毀長(zhǎng)度變短,說明其阻燃效果越來(lái)越好;而紗線捻度的大小對(duì)B類織物的經(jīng)向損毀長(zhǎng)度影響較小,這是因?yàn)锽類織物組織結(jié)構(gòu)緊密,單位面積質(zhì)量大,透氣性小,不易燃燒。此外,織物的阻燃性能也可通過模擬其使用狀態(tài)進(jìn)行燃燒測(cè)試,從而更加真實(shí)地評(píng)價(jià)其阻燃性能。但實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn),模擬真實(shí)狀態(tài)燃燒測(cè)試的數(shù)據(jù)波動(dòng)性較大,本文未采用這種方法,選擇垂直燃燒測(cè)試作為織物阻燃性能評(píng)價(jià)方法。
圖4、5分別示出不同組織結(jié)構(gòu)下A類織物(面密度為190 g/m2)和B類織物(面密度為235 g/m2)的阻燃和力學(xué)性能。從圖4(a)可以看出,平紋組織、破斜紋組織和鍛紋組織的A類織物,其緯向斷裂強(qiáng)力和緯向撕破強(qiáng)力均不如右斜紋組織織物。由圖5(a)可知,平紋組織、右斜紋組織和緞紋組織的B類織物,其緯向斷裂強(qiáng)力和緯向撕破強(qiáng)力均不及破斜紋組織織物。其中,平紋組織B類織物的最大面密度只能達(dá)到205 g/m2,其織物緊密,手感發(fā)硬,導(dǎo)致撕破強(qiáng)力最差,織物斷裂強(qiáng)力也相對(duì)較差。從圖4(b)可知,平紋組織、破斜紋組織和鍛紋組織的A類織物,其燃燒經(jīng)向損毀長(zhǎng)度均大于右斜紋組織織物;由圖5(b)可以看出,平紋組織、右斜紋組織和破斜紋組織的B類織物,其燃燒經(jīng)向損毀長(zhǎng)度都遠(yuǎn)小于緞紋組織織物,且破斜紋組織的B類織物燃燒經(jīng)向損毀長(zhǎng)度相對(duì)最小。緞紋組織織物阻燃性能較差,這可能是由于緞紋組織點(diǎn)少,結(jié)構(gòu)最疏松,燃燒時(shí)纖維與周圍空氣接觸多導(dǎo)致阻燃效果差。綜上分析,A類織物采用1上2下右斜紋組織時(shí),B類織物采用3上1下破斜紋組織時(shí),其力學(xué)性能、阻燃性能和服用性能最佳。
圖4 不同組織結(jié)構(gòu)A類織物的力學(xué)性能和燃燒性能
圖5 不同組織結(jié)構(gòu)B類織物的力學(xué)性能和燃燒性能
由于芳綸分子不僅排列緊密難以滲透,且缺少能與染料結(jié)合的活性基團(tuán),因此,印染含有芳綸的織物時(shí),需要用黏合劑將涂料和糊料機(jī)械固著在織物表面。黏合劑具有較高黏著力、適當(dāng)力學(xué)性能和穩(wěn)定化學(xué)性質(zhì),對(duì)涂料印花產(chǎn)品的色牢度起著重要作用。將右斜紋組織A類織物分別用7種印花漿料進(jìn)行印染,得到其阻燃性能和水洗后變色牢度級(jí)數(shù)如圖6所示。
圖6 黏合劑對(duì)A類織物阻燃性能和水洗后變色牢度級(jí)數(shù)的影響
由圖6(a)可知,采用黏合劑FHN和G-BD進(jìn)行印染的織物燃燒經(jīng)向損毀長(zhǎng)度較短,說明黏合劑FHN和G-BD對(duì)織物的阻燃效果影響較小,其中黏合劑FHN對(duì)織物的阻燃效果影響最小。由圖6(b)可知,采用黏合劑G-BD和GW進(jìn)行印染的織物,在水洗20次后變色牢度級(jí)數(shù)依然保持較高,說明黏合劑G-BD和GW對(duì)織物變色牢度影響較小。綜合分析黏合劑對(duì)織物阻燃性能和變色牢度的影響發(fā)現(xiàn),黏合劑G-BD對(duì)2種性能影響都較小,且采用G-BD非離子型黏合劑,在印花過程中不易與印花糊料發(fā)生化學(xué)反應(yīng),對(duì)印花色漿黏度的影響也較小,可有效防止高速印花時(shí)色漿結(jié)粒、嵌網(wǎng)、堵網(wǎng)等問題,更有利于生產(chǎn),因此,非離子型黏合劑G-BD不僅對(duì)織物阻燃性能和變色牢度影響較小,且有利于印花生產(chǎn)連續(xù)進(jìn)行和色漿的安全存放。
1)通過芳綸、阻燃粘膠與阻燃錦綸3種材料混紡,充分發(fā)揮三者優(yōu)勢(shì),開發(fā)出長(zhǎng)效阻燃、高強(qiáng)、耐磨且服用性能良好的混紡織物。在混紡比方面,如果阻燃錦綸長(zhǎng)絲比例高于25%,或者阻燃粘膠比例低于45%,則不能同時(shí)保證紗線斷裂強(qiáng)度和阻燃性能;芳綸、阻燃粘膠、阻燃錦綸三元混紡比為30/45/25時(shí),紗線的力學(xué)性能和阻燃性能達(dá)到較好的平衡,且其斷裂強(qiáng)度相比于芳綸/阻燃粘膠(30/70)二元混紡紗線提升了56%;此外,芳綸/阻燃粘膠/阻燃錦綸(25/50/25)三元混紡紗線的耐磨次數(shù)相比于芳綸/阻燃粘膠(50/50)二元混紡紗線提升了58%。
2)捻度對(duì)于紗線和織物的力學(xué)性能影響較大。紗線的斷裂強(qiáng)度隨著捻度增加先增大后減小,斷裂強(qiáng)度最大值的紗線捻度為680 捻/m;織物的斷裂強(qiáng)力隨著捻度的增加先增加后減小,而撕破強(qiáng)力逐漸減小。此外,捻度對(duì)于織物的阻燃性能影響不明顯。
3)織物的組織結(jié)構(gòu)影響其力學(xué)性能和阻燃性能。適合夏季服用的織物(面密度為190 g/m2)采用1上2下右斜紋組織,以及適合冬季服用的織物(面密度為235 g/m2)采用3上1下破斜紋組織時(shí),其斷裂強(qiáng)力和撕破強(qiáng)力最高,且燃燒損毀長(zhǎng)度最短。
4)黏合劑的選擇影響著織物阻燃性能和水洗色牢度。采用非離子型丙烯酸酯共聚物黏合劑G-BD制成的漿料進(jìn)行印花,所得織物的燃燒損毀長(zhǎng)度較短,且水洗后變色牢度級(jí)數(shù)保持最高。