消防服用芳纶隔热层面料的热防护性能研究

蔡普宁 林 娜 赵领航

(陕西省纺织科学研究所，西安，710038)

随着消防服［1］面料及服装标准的健全和提高，人们对各类防护服产品的性能要求也越来越高。目前防护面料［2］逐步由单一功能、单层结构向多种功能、多层结构转变，材料由阻燃后整理向芳纶、PBI(聚苯并咪唑)等高性能纤维转变，织造形式由单一化向多样化转变。热防护系数［3-7］是评价消防服热防护性能的关键指标，是对火灾中强烈的对流热和辐射热防护性能的表征，它能客观地预测消防服的实际应用效果。在热防护［8-9］的过程中，热防护材料充当一种介质，介于热源与人体皮肤之间，目的就是尽可能地使热源所产生的高温及辐射热对人体所产生的损伤程度减到最低。因此，热防护材料的选择十分重要，必须选择热传导率低的纤维，受热后要完全炭化，以起到较好的隔热作用。常见的热防护材料有芳纶1313、芳纶1414、玻璃纤维、石英纤维及碳纤维等。

消防服一般由外层、防水透气层、隔热层和内层舒适层四层结构组成，隔热层对多层织物的综合热防护性能起着重要作用，而芳纶1414缝编复合毡作为隔热层材料热防护性能优良。本研究中外层选用芳纶，防水透气层为PTFE(聚四氟乙烯)覆膜，舒适层选用100%阻燃棉材料，其中隔热层的热防护系数在各层面料中最大。芳纶1414缝编复合毡与PTFE覆膜的质量比传统消防服中防水透气层和隔热层组合的质量轻，这样有助于减轻消防服的整体质量，减小消防员的负荷。PTFE膜上有许多微孔，水蒸气分子的直径为0.4 nm，而雨水中直径最小的轻雾的直径为20 μm，PTFE薄膜的孔隙大小介于水蒸气和雨水分子直径之间，因此可以让气态的水自由通过，而把液态的水挡住，以达到透气的效果。在用作消防服面料时，可以用特殊的黏合剂把PTFE黏合在隔热层面料上。

作为隔热层的织物，按照织造形式可分为机织物、针织物和非织造布。由于传统的机织物、针织物组织结构中的纱线一直处于弯曲状态，使得构成机织物或针织物的高性能纤维的性能没有得到充分的发挥，从而影响材料的最终性能。而非织造布一方面改变了针织物纤维含量低及模量低的问题，另一方面也解决了机织物由于屈曲结构导致的材料性能不能充分发挥的问题，使最终材料的性能得到相应的提高。从织造形式来看，相比机织物和针织物，同面密度、同材料制成的非织造布的热防护性能较好。这是因为非织造布结构松散，内部所含的空隙较多，包含的空气也较多，而空气的热传导率远小于纤维材料的热传导率，从而降低了热量的传播速度。

本研究的隔热毡为缝编复合毡［10-11］，由针刺毡、纬向间隔纱及绑缚纱线组成，这种结构能充分利用平行纱线的性能，提高材料的综合性能，改善织物的拉伸、抗压、抗冲击等力学性能。缝编复合毡不仅性能优良，可设计性好，而且其工艺比传统纤维增强材料更为简单。

研究发现，在面密度相同的条件下，芳纶1414针刺毡的热防护性能优于芳纶1313针刺毡;芳纶1414缝编复合毡不仅具有优异的力学性能，而且热防护性能优良，是理想的消防服隔热层材料。本文主要研究芳纶1313针刺毡、芳纶1414针刺毡和芳纶1414缝编复合毡的热防护性能，通过洗涤前后试验的对比，分析针刺毡基布与缝编复合毡以及相关组合织物的热防护性能及影响因素，为消防服用新产品的研发和应用提供基础数据和参考依据。

1 试验

1.1 试样的选择

试样采用芳纶1313和芳纶1414针刺毡、芳纶1414缝编复合毡及其组合织物共7种。试样及其标号见表1，试样大小均为150 mm×150 mm。

表1 试样及其标号

1.2 热防护性能测试

热防护系数是评价织物热防护性能的指标，是通过对织物表面导致人体二度烧伤所需热能来评价的。热防护系数越大，织物的热防护性能越好。本试验按照GB8965.1—2009《防护服装 阻燃防护第1部分：阻燃服》中附录A的测试方法进行，采用陕西元丰纺织技术研究有限公司生产的RFH-Ⅰ型织物热防护性能测试仪。

在规定的距离内，热源的发热形式有两种，即热对流和热辐射，其中热对流和热辐射各占50%。试验时将样品水平放置，并距离对流与辐射混合热源一定距离，测量造成人体皮肤二度烧伤所需要的时间是试样置于热源后的量热计温度值随热源作用的时间而产生的变化，并以此来评价服装的热防护能力。当透过热量与引起人体组织二度烧伤热量相等时，记录下暴露时间，热防护系数(J/cm2)就是暴露的热通量与暴露时间的乘积，即

热防护系数 =qt

式中：q——暴露的面积热流量，试验时面积热流量设定为 8.4 J/(cm2·s);

t——导致二度烧伤的时间，s。

1.3 洗涤试验

根据GB/T8629—2001《纺织品 试验用家庭洗涤和干燥程序》标准的要求，分别对7种试样进行5次的洗涤试验，洗涤后的样品再进行热防护性能测试。

2 结果与讨论

2.1 测试结果

2.1.1 洗涤前试样的热防护性能测试结果

洗涤前试样的测试结果见表2。图1为芳纶1313针刺毡、芳纶1414针刺毡及芳纶1414缝编复合毡测试结束后织物表面的破坏程度。

2.1.2 洗涤后试样的热防护性能测试结果

洗涤后试样的热防护性能测试结果见表3。

2.2 分析与讨论

图1 试验结束后织物表面的破坏程度

表2 洗涤前试样测试结果

表3 洗涤后试样测试结果

图2为各试样洗涤前后热防护系数的对比图，由图2可知，试样的热防护系数大小排序为试样Ⅰ＜试样1，试样1＜试样3＜试样5，试样2＜试样4＜试样6，且试样1＜试样2，试样3＜试样4，试样5＜试样6。说明相同面密度的芳纶1414针刺毡的热防护性能高于芳纶1313针刺毡;芳纶1414组合织物的热防护性能高于单层织物;覆膜织物的热防护性能高于无覆膜织物;芳纶1414缝编复合毡及其组合织物的热防护性能高于芳纶1414针刺毡及其对应的组合织物。由图1可以看出，在同样的条件下，芳纶1313针刺毡的表面烧伤程度大于芳纶1414针刺毡，这是因为芳纶1414的耐热性优于芳纶1313;芳纶1414针刺毡的表面烧伤程度大于芳纶1414缝编复合毡，由于缝编复合毡表面有纬向纱线以一定的间隔排列，中间静止的空气减小了对下层基毡的烧伤程度，起到了保护作用。从结构上分析，芳纶1414缝编复合毡由芳纶针刺毡和纬向间隔纱组成，形成了织物间隔层，从而保留了空气，在服装与人体间形成一个微气候，可以阻止湿气在皮肤表面累积，对湿气有很好的缓冲作用，提供了良好的隔热效果和穿着舒适性。从纤维组成成分上看，针刺毡选用芳纶1414，纬向间隔纱选用芳纶包覆玻璃纤维纱线，均为高性能阻燃纤维。织物覆膜后，热防护系数高于未覆膜织物，主要是因为覆膜后织物与空气的接触面积减小，这样就能减轻织物的烧伤程度。

图2 试样的热防护系数对比图

由图2还可以看出，同一试样洗涤前后的热防护系数有所变化，且洗涤后试样的热防护系数均大于洗涤前。这是因为试样由蓬松的针刺毡构成，洗涤后材料的结构被破坏，影响了各材料的紧密程度，变得更加蓬松，从而内部所含的空气增多，而空气的热传导率是纤维材料的1/10，因此，也就降低了热量的传播速度，各材料的热防护系数没有下降反而上升。隔热层结构因选用芳纶1414缝编复合毡洗涤后没有变得松散，不影响材料的强度;纬向间隔纱与线圈结构缝合加固了针刺毡结构，因此不会影响消防服的正常使用。

3 结语

本文探讨了芳纶1313针刺毡、芳纶1414针刺毡、芳纶1414缝编复合毡及相关组合织物的热防护性能，通过试样洗涤前后试验的对比，分析针刺毡基布与缝编复合毡以及相关组合织物的热防护性能大小及影响因素。经试验验证及理论分析，得到以下结论：

(1)在面密度相同的条件下，芳纶1414针刺毡的热防护性能优于芳纶1313针刺毡。

(2)芳纶1414缝编复合毡的热防护性能高于芳纶1414针刺毡基布。

(3)缝编复合毡与针刺毡基布以及相关组合材料的热防护性能与材料的多层结构有很大关系，对于同种材料，层数越多，热防护性能越好;织物覆膜后，热防护性能高于未覆膜的织物。

(4)洗涤后试样的热防护系数大于洗涤前，而隔热层结构因选用芳纶1414缝编复合毡洗涤后没有变得松散，不影响消防服的正常使用。因此，芳纶1414缝编复合毡作为消防服材料的隔热层材料，将凭借其优异的热防护性能深受人们的喜欢。

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