发布时间：2021-04-30所属分类：免费文献浏览：1次
摘 要： 上海纺织科技
《消防防护服用高吸水非织造材料的制备与性能》论文发表期刊：《上海纺织科技》；发表周期：2020年12期
《消防防护服用高吸水非织造材料的制备与性能》论文作者信息：玉佳静( 1995—) ，女，在读硕士研究生，主要从事高吸水性材料的研究。
摘要：高吸水纤维具有吸水速度快、吸水倍率高等特点。采用高吸水纤维制备非织造材料，设计用作防护服的其中一层。该材料吸水后暴露于火中，水具有较大的比热，当水受热蒸发时，大量的能量被吸收，可提高其防护性能。为研究不同湿态的高吸水非织造材料在防护服中的热防护性能，进行了耐热性能测试、耐火性能测试以及热辐射和热对流综合热防护性能试验(TPP试验)。对高吸水材料吸水保水性能进行测试，测试织物在不同含水率状态下耐不同温度、火焰、热辐射和热对流的综合热防护值。结果表明，对于不同含水率的非织造材料，在高强热流量作用下，水分有助于提高织物的热防护性能、耐热性能以及耐火焰性能，二级烧伤时间和TPP值均随面料含水率的增大而增大。
关键词：非织造材料;防护服;含水率;热防护性能
Abstract: Super absorbent fiber has the characteristics of fast water absorption rate and high water absorption rate. Nonwovens are prepared from superabsorbent fibers and designed as one layer of protective clothing. The material is exposed to fire after absorbing water. As water has a large specific heat, when water is heated and evaporated, a large amount of energy is absorbed, which can improve its protection performance. In order to study the thernal protection performance of super absorbent nonwoven materials in different wet states in protective clothing, the characterization is conducted through the heat resistance test, fire resistance test and TPP experiment. And the water absorptionand retention performance of the super absorption material are tested. The comprehensive thermal protection value of the fabric is tested under different moisture content and different temperature, flame, thermal radiation and thermal convection. The results show that for nonwovens with different moisture content, the moisture content helps to improve the thermal protection, heat resistance and flame resistance of the fabric under the action of high heat flux. The time of second degree burn and TPP value both increase with the moisture content of the fabric.
Key words: nonwoven material; protective clothing; moisture percentage; thermal protection performance (TPP)
阻燃防护服是保护人体免受伤害的重要手段之一，其可以在直接接触火焰及炙热的物体时，减缓火焰的蔓延，炭化形成隔离层以保护人体安全[。阻燃防护服一般由4层材料构成，分别是外层、防水透气层、隔热层和舒适层[2。隔热层通常要求具备良好的隔热、防热辐射性能，现有的隔热阻燃织物通常由芳纶1313、芳纶14141、聚砜酰胺纤维[或阻燃后整理材料[5-6等组成。最近有研究利用高强水凝胶与阻燃织物层压开发了新型防护材料。该材料利用水凝胶的高含水量起到通过水分蒸发吸热来阻挡热量的作用，从而达到防护降温的目的。但水凝胶层压织物透气性差，长期储存时也需要保持吸水状态，这些都对其使用造成不便。因此研制一种透气性好，具备快速吸水、高保水性能的热防护织物很有必要。
高吸水纤维(Super Absorbent fiber，SAF)是继高吸水树脂之后发展起来的特殊功能高吸水材料，其分子结构表现为经适度交联得到三维网络结构，由化学交联和高分子链间的相互缠绕等物理交联构成[01依靠亲水基团的水合作用、高分子网状结构扩张以及渗透压作用，SAF的吸液量可达自身质量的200倍以上。它通过化学吸收原理吸收液体后，自身产生膨胀，从而将液体封存于纤维内，难以挤压出来，具有良好的保液性能[11。高吸水纤维通过针刺工艺可制备高吸水非织造材料，以应用于防护织物。高吸水纤维具有吸水速度快、吸水倍率高的优势，但其在吸水凝胶后易于相互黏结成块而降低其吸水性能。为有效保护高吸水纤维的稳定性以及非织造材料的重复利用性，本文通过设计含高吸水纤维为主的多组分体系，设计针刺固网技术，使得吸水纤维被单根化分散于支撑纤维中，从而得到性能优良的超吸水非织造材料。本文将高吸水非织造材料作为防护材料的隔热层，不仅可以通过水分蒸发来吸热，阻挡热量的伤害，还可以吸收体表多余的水分，从而使人体处于相对舒适的状态。其在不吸水的状态下透气性良好，吸水状态下隔热防护性能优良，将其应用于降温模块和消防服中间层，可得到性能优良的产品。本文对不同含水率的非织造材料进行耐热、耐火以及热防护性能测试
(TPP)，探究多层织物系统中高吸水非织材料在不同润湿状态下热防护性能的变化。
1试验部分
1.1 试剂与仪器
高吸水纤维，南通江潮纺织科技有限公司产：XFH型小和毛机，青岛市胶南针织机械厂产：DSCa-01型小型数字式梳棉试验机，天津市嘉城机电设备有限公司产：SCZ1150型针刺机，江苏省常熟市无纺机械厂产：YG141E型织物厚度测定仪，温州际高检测仪器有限公司产：LC-E0935型热板，佛山忠臣电器有限公司产：701-D-163-1型热防护性能仪(TPP)，美国preci-
sion products公司产：电热鼓风干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司产：YG461H型全自动透气量仪，宁波纺织仪器厂产：YG028型万能材料试验机，温州方圆仪器有限公司产：YT050型磨损试验仪，泉州市美邦仪器有限公司产：多功能电子织物强力仪，菜州市电子仪器有限公司产：丁烷气体喷枪、秒表、电子天平。
1.2高吸水非织造材料的制备
采用针刺工艺制备高吸水纤维非织造材料。经预试验可知，高吸水纤维和涤纶质量比为20/80时，非织造材料性能优良。材料制备路线：纤维的开松及混合→梳理→针刺固网。首先对纤维进行开松，对高吸水纤维和涤纶进行初步开松，再采用XHH型小和毛机开松处理两遍，按设定比例对两种纤维充分混合接着使用DSCa-01型小型数字式梳棉试验机对上述混合充分的纤维进行梳理，将两种纤维梳理成网，铺网选择交叉铺网：再采用针刺的固网方式，使用SCZ1150型针刺机进行针刺：最后切边卷绕成非织造材料成品。
1.3高吸水非织造材料基本性能测试对制备的高吸水非织造材料依据所需标准进行基本性能测试，具体如下：使用YG141E型织物厚度测定仪对样品的单位面积质量及厚度进行测试，参考标准为GB/T 24218.15-20186方织品非织造布试验方法第2部分》：采用YG028型万能材料试验机对样品的断裂强力及伸长进行测试，参考标准为GB/T 24218.
15-2018幽织品非织造布试验方法第3部分》;使用多功能电子织物强力仪，对样品的顶破性能进行测试，参考标准为GB/T 24218.15-2018《织品非织造布试验方法第5部分》：使用YG461H型全自动透气量仪对样品的透气性能进行测试，参考标准为CB/T24218.15-2018织品非织造布试验方法第15部分：透气性的测定》。
1.4 高吸水非织造材料吸水性能测试
1.4.1 吸水率测试
依据GB/T 6529对试样进行调湿，在温度20℃.相对湿度65%的条件下，采用随机取样法取得20cmx
20cm样品25片，5片为一小组，将每片试样称量计重，记录数据为m。将试样浸泡于蒸馏水中1 min，取出悬挂，令样品中多余水分滴落，悬挂时间1min后对试样再次称重，记录数据为m.。吸水倍率=(m，-
mo)/mox100%，结果取平均值。
1.4.2 吸水速率测试
在温度20℃、相对湿度65%的条件下，采用随机取样法取10cmx10cm样品25片，5片为一小组，量取40 ml.水置于培养皿中。取样品放入培养皿中，同时按下秒表计时。当样品将40 mlL液体完全吸收后按下秒表，记录时间，取5组数据的平均值。
1.5 高吸水非织造材料热性能测试
1.5.1烘板耐热性试验
使用热板，在不同温度下(330℃和500 ℃)对高吸水非织造材料的耐热性进行定性测试。将尺寸为10 cmx10 cm的样品放置在热板上，一定时间后观察材料接触热板面的表面形貌，比较不同含水量的高吸水非织造材料的热阻率。
1.5.2 喷枪耐火试验
使用丁烷喷灯对样品进行火焰烧灼，测试其耐火焰性能，火焰温度为800 ℃-900℃。测试方法与条件为：将样品垂直悬空固定，喷灯火焰垂直于样品测试，保持样品与喷灯尖端的距离为5cm.所有高吸水非织造材料样品的尺寸均为10 cmx10 cm。将样品固定好，待喷枪火焰稳定后开始试验，记录并观察与火焰接触面的情况。
1.5.3 热防护性能测试
采用热防护性能仪进行测试，TPP 值是指透过织物引起人体二度烧伤的热能值。织物 TPP 测试方法
虽然能够较为真实地反映织物在火场中的实际情况，且因其操作简单、成本低而被广泛采用[14-15]，但只能局限于织物小样的热防护性能评价。
本测试使用的热防护性能测试方法参照美国 NF-PA 1971-2013健筑灭火中消防员全套装备标准》，2个燃烧器呈450放置，同时电加热石英灯管提供辐射热源，模拟火场的对流与辐射热流。在本试验中，总热通量为83 kW/m'，相当于2.0 cal/(cm2.s)，其中辐射热源和对流热源产生的热通量各占50%，采用铜热量计测量总热通量。设置一定加热时间，试样受热结束后，自动离开热源。根据火场总热流值与热流计记录皮肤达到二度烧伤所用时间的乘积，即TPP值，作为测评结果[。织物热防护性能值TPP越高，织物的热防护性能越强，反之则越差。试样尺寸为15cmx
15 cm，开孔尺寸为10 cm×10 cm。每类样品准备3份，测试结果取均值。
2结果与讨论
2.1基本性能
对通过针刺工艺制备的蓬松性高吸水非织造材料进行测试，得到结果为：断裂强力181.60 N，伸长率13.
47%，顶破强力324.20 N，透气率440.22%，质量损失率3.01%，面密度303.30 g/m'，厚度1.62 mm.由结果可知，该材料具有结构组织稳定、透气性好、强力大、耐磨性好的基本特点，符合服装的使用要求。
2.2吸水性
高吸水材料在试验前后的质量数据见表1
由表1数据可知，所测试的高吸水非织造材料吸水倍率约为14倍，能够为实战条件下提供长时间降温的含水需求，高含水率确保了降温模块能够在高温条件下长时间工作。若需提高或降低吸水倍率，可调整高吸水纤维的含量，进而控制非织造材料的吸水倍率。
高吸水材料质量及吸水时间数据见表2.
由表2可知，所测试的高吸水非织造材料吸水速率大致为每克4s左右，可以在短时间内吸收大量水分，在实际使用中做到浇水即用，无需等待。
2.3热性能
2.3.1耐热性能
将样品置于温度为330 ℃和500 ℃的热板上，一定时间后(如30 s)测试其耐热性能和接触热板面的表面状态。拍摄不同含水量的高吸水非织造材料实物图，用红外成像测量样品顶部表面的温度，水凝胶的温度长时间保持在100℃以下。
测试了几种耐火织物、芳纶织物、羊毛以及高吸水非织造布。芳纶织物在330 ℃时相对不变，但在500℃时炭化、僵硬和发脆：羊毛在330 ℃时立即炭化、易碎，在500 ℃时崩解，无法恢复。已知芳纶在400℃左右开始炭化[2。在高温下，羊毛和芳纶都会形成一层保护层，将织物的其余部分与热源隔离开。在比分解温度高得多的温度下，织物会迅速分解，基本起不到保护作用。对于高吸水非织造材料，不同含水量所测得的耐热性不同。试验结果表明，高吸水非织造布含水量为70%以上时能在500 ℃的温度下保持30s，且无明显损伤。
不同含水量的高吸水非织造材料的耐热性能见图1.
由图 1 可见: 在织物含水量为 0 或较少时，高吸水材料并不能充分发挥其隔热效果; 含水量为 50%时，在330 ℃的情况下，材料边缘稍微卷起，可有效耐热：在500 ℃的情况下，材料边缘卷曲收缩：含水量为70%时，在330℃、500 ℃的情况下，材料都能有效地耐热且基本不收缩：含水量为100%时，在高温下不会收缩，边缘和拐角处只有轻微炭化。
由测试结果可知，无论是在330℃还是500℃时，含水量达到50%以上，材料性能均较优良，隔热性能也较好。与市售的耐火织物羊毛、芳纶相比，可在高达500 ℃的温度下保持30s而不会造成明显损坏，且温度相对长时间保持在100℃以下。高吸水非织造材料有明显的阻热优势，可有效防护从而使人体不受损害。
2.3.2 耐火性能
本试验使用丁烷和火焰温度为800 ℃~900 ℃的喷灯进行测试，比较不同含水量的高吸水非织造材料的耐火性能。
由测试可知，在含水量较少时，试样暴露在火焰下几十秒会燃烧：但在含水量达到50%时，经过90s之后，接触火焰面烧焦痕迹明显：在含水量达到70%以上时，即使经过2 min，仅接触火焰面有烧焦痕迹，未灼烧面没有烧焦痕迹：烧穿含水量70%以上的试样，需经过4 min以上。用红外测量器测量了样品未灼烧侧的温度，高吸水材料的温度长时间保持在100℃以下。在含水率为50%以上时，材料性能较优良，耐热隔热性能明显提升，耐火性能优良。与市售的耐火织物、芳纶相比，当暴露在火焰中时，羊毛和芳纶织物会在几秒钟内燃烧，高吸水非织造材料能在更长的时间内承受火焰。高吸水非织造材料的优势明显，可有效防护人体不受损害。
使用火焰温度为800Cc-900℃的喷灯测试不同含水量的高吸水非织造材料的耐火性。当其不含水时，边缘卷曲收缩：含水量为20%时，边缘稍微收缩，耐火时间稍有延长：含水量为50%时，边缘微卷起，有效地耐热，耐火时间明显延长; 含水量为 70%时，有效地耐热，材料基本不收缩，暴露 1 min 后，材料表面基本无损伤; 含水量为 100%时，在高温下不会收缩，耐热性能优良，暴露 90 s 后，材料表面基本无损伤。
2.3.3 热防护性能分析
TPP 值反映织物的综合热防护能力。热防护性能试验目的是对阻燃材料的性能进行量化[17]，测试织物阻挡热流的能力。测试包括将织物暴露在辐射和对流热流的组合中，并使用放置在织物上方的铜热量计记录通过试样传递的热量。本文将热/时间曲线与人体组织对热的耐受性进行比较，得到了TPP值[1.TPP值越大，织物的热防护性能越好：反之，防护性能越差。
热防护性能测试数据见表3。样品3-5分别是含水量为50%、70%、100%的高吸水非织造材料，每类材料取3个样品，测试数据取平均值。
由表3可知：含水率为50%时，其TPP均值为1 096.43 kWs/m2：含水率为70%时，其TPP均值为1 450.01 kWs/m2：含水率为100%时，其TPP均值为3 045.27 kws/m2。可以看出，随着含水率的逐步提高，TPP值也随之提高，热防护性能也越好，接近于线性关系。其中含水率为100%时，TPP值比预期高出很多，热防护性能优良。
3结语
通过测试可知，吸水后的高吸水非织造材料在高温环境中可以通过水分蒸发吸热来阻挡热量对人体的伤害，阻燃隔热性能优异，能够达到很好的防护效果。未吸水的非织造材料透气性良好，不会给日常穿着造成不便。本材料应用于服装领域，可有效用于夏季的室外作业或露天工作人员的防暑降温，以及基于高吸水非织造材料开发警用轻质降温背心，并可应用至普通消防服防火毯等。
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SCISSCIAHCI
