舒适阻燃防电弧面料的设计及性能测试
1 研发背景
随着纺织技术的不断发展，市场上出现了越来越多的防电弧面料，其主要有后整理阻燃型和本质阻燃型两大类。本质阻燃型产品具有的性能优势较明显，因此逐渐替代了后整理阻燃型产品。本质阻燃防电弧产品常用的纤维有腈氯纶、阻燃粘胶、芳纶等，聚酰亚胺、宝德纶、芳砜纶、PBO 等高性能阻燃纤维也有应用。
DL/T 320—2010《个人电弧防护用品通用技术要求》规定了防电弧的等级、织物单位面积质量及指标要求，对电弧量级值（Arc Thermal Performance Value，ATPV 值）及材料破裂阈能值（Material Breakopen Threshold Energy，Ebt 值）均有明确规定，并要求需同时满足这两个指标，对产品阻燃性能只考核续燃时间和损毁长度，对阴燃时间无强制要求。美标NFPA 70E—2018《工作场所电气安全标准》是针对暴露于瞬间电弧和有关热力伤害中的电器工人，制定的防护服标准，规定了4 个级别的电弧伤害边界。ATPV值反映面料的强力作用大于热防护性能，当已达到产生二级烧伤的热能量时，面料没有破裂。Ebt值则反映的是热防护性能优于面料强力，当未达到造成二级烧伤的热能量时，面料出现破裂。两个指标中取较小的作为报告值。同时标准中对阴燃时间未作规定。
上述国标与美标均未对阻燃的阴燃指标、舒适性指标作出要求。基于市场需求，防电弧面料的研发也朝着防护及舒适的方向发展，为此我们公司研发了一系列舒适阻燃防电弧面料，可满足DL/T 320—2010、NFPA 70E—2018、NFPA 2112—2018《工业防火服阻燃性能测试标准》和GB 8965.1—2009《防护服装 阻燃防护 第1 部分阻燃服》等标准的相关要求。
舒适性包括接触舒适性、热湿舒适性及运动舒适性。接触舒适性材料可采用回潮率高的舒适性纤维制成；纺纱工艺通过控制成纱毛羽，降低毛羽的刚性，一方面增强面料舒适性，另一方面改善面料的起毛起球性能；后整理可以通过吸湿排汗整理、柔软整理等提升服用舒适性。热湿舒适性方面，可选择透湿透气的热防护面料及高透湿膜；组织结构上，可以采用双层或多层结构；单位面积质量设计方面，需减轻质量，提升防电弧性能，即保证轻质高效的同时提升服用舒适性；电力行业的防电弧服材料在不降低防电弧性能的条件下减轻质量，是技术研发的重点。运动舒适性方面，可采用弹性纤维，以增强运动的舒适性及灵活性。
2 产品规格
我们以阻燃粘胶为主体纤维，混入腈氯纶、芳纶、聚酰亚胺等多种纤维以提高面料功能性。为了提高面料的舒适性，有两个试样的纬纱采用了混纺纱与氨纶长丝组成的包缠纱。
试样一：阻燃粘胶、腈氯纶、芳纶和导电纤维混纺纱织成的单位面积质量235 g/m2 的织物。经、纬纱均为阻燃粘胶/腈氯纶/芳纶1313/芳纶1414/导电纤维35/33/25/5/2 21 tex×2 股线，经密283 根/10 cm，纬密216 根/10 cm，织物组织为二上一下右斜纹。
试样二：阻燃粘胶、芳纶和导电纤维混纺纱织成的单位面积质量235 g/m2的织物。经、纬纱均为阻燃粘胶/芳纶1313/芳纶1414/导电纤维55/33/10/2 21 tex×2 股线，经密283 根/10 cm，纬密216 根/10 cm，织物组织为二上一下右斜纹。
试样三：阻燃粘胶、芳纶和导电纤维混纺纱织成的单位面积质量230 g/m2的纬向弹力织物。经纱为阻燃粘胶/芳纶1313/芳纶1414/导电纤维55/33/10/2 13 tex×2 股线，纬纱为该股线与44.4 dtex 氨纶长丝包缠纱，经密394 根/10 cm，纬密385 根/10 cm，织物组织为接结双层组织。
试样四：阻燃粘胶、聚酰亚胺、芳纶和导电纤维混纺纱织成单位面积质量230 g/m2 的纬向弹力织物。经纱为阻燃粘胶/芳纶1313/聚酰亚胺/导 电 纤 维55/35/8/2 13 tex×2 股 线，纬 纱为该股线与44.4 dtex 氨纶长丝包缠纱，经密394 根/10 cm，纬密385 根/10 cm，织物组织为接结双层组织。
4 种试样采用基本相同的生产工艺，对成品进行相关性能测试。
3 产品性能测试结果
根据GB/T 3923.2《纺织品 织物拉伸性能第2 部分：断裂强力测定 抓样法》测试断裂强力；根据GB/T 3917.3《纺织品 织物撕破性能 第3 部分：梯形试样撕破强力的测定》测试撕破强力；根据GB/T 5455《纺织品 燃烧性能试验 垂直法》测试阻燃性能；根据GA 10—2014《消防员灭火防护服 附录B》测试260 ℃热稳定性；根据ASTM F1959《服装面料电弧热防护性能值测试方法》测试ATPV 值及Ebt值。测试结果及标准要求见表1。其中，标准指DL/T 320—2010 的要求。此外，各试样的经、纬向续燃时间均为0 s，小于标准要求的不大于2 s。
表1 4 种试样性能测试结果及标准要求
对4 种试样进行舒适性测试，包括透气性、透湿性及刺痒感等。透气率根据GB/T 5453—1997《纺织品 织物透气性的测定》测试；透湿量根据GB/T 12704.1—2009《纺织品 织物透湿性试验方法 第1 部分 吸湿法》测试；刺痒度根据FZ/T 30004—2009《苎麻织物刺痒感测定方法》测试；纬向弹性伸长率根据ASTM D 2594《低弹织物弹性回复性能测试方法》测试。测试结果见表2。
表2 4 种试样舒适性能指标测试结果
4 测试结果分析
4.1 断裂强力
根据表1 的数据可以看出：4 种试样的抓样法断裂强力均能满足标准要求，且远大于标准要求。单层与双层织物相比，断裂强力略低，这主要是因为双层织物的经、纬密增加（经密由单层的283 根/10 cm 增加到双层的394 根/10 cm，纬密由单层的216 根/10 cm 增加到双层的385 根/10 cm），经、纬纱交织次数也增加，虽然纱线由21 tex×2 股线减小到13 tex×2，但两者综合之后，总体断裂强力还是略高。
4.2 撕破强力
从表1 数据可以看出，4 种试样的梯形撕破强力数据均满足标准要求。对比双层织物与单层织物数据可以看出：双层织物的经、纬向撕破强力明显高于单层织物的。这是因为：梯形撕破中出现的受力三角形主要是纱线的伸直和变形产生的，与单层织物相比，相同单位面积质量下，双层织物经、纬密度大，引起受力纱线根数较多，受力三角形较大，因此撕破强力较高。
4.3 阻燃性能
阻燃性能指标中，试样一虽然满足DL/T 320—2010，但其阴燃时间大于2 s，不符合GB 8965.1—2009 的阻燃性能要求，且损毁长度大于其他试样。这主要是因为试样中加入了腈氯纶，其虽与棉、粘胶等纤维混纺时手感舒适，而且成本较低，难燃且无熔滴现象，但会出现阴燃现象。试样一不仅出现了阴燃现象，而且损毁长度与其他试样比相对较大，经向损毁长度达到了75 mm，纬向损毁长度达到了70 mm；试样二与试样三原材料成分及比例一致，阻燃指标相差不大；与其他试样相比，试样四损毁长度最小，主要是因为混纺材料中具有耐高温、低导热的聚酰亚胺纤维。
4.4 热稳定性能
对比260 ℃热稳定性能指标发现，4 种试样均符合标准要求，且指标数据均较小，说明4 种试样热稳定性较好。分析原因：主要是材料中加入了一定比例的芳纶，不仅使织物的强力增加，而且起到了耐热收缩的作用，试样四加入的聚酰亚胺纤维也起到了提升织物热稳定性的作用，热稳定性最好。试样一中含有较多的腈氯纶，故而热稳定性较差。
4.5 电弧防护性能
防电弧面料重点是考察其电弧防护性能指标，即ATPV 值和Ebt值。通常状态下，当外界入射能量小于ATPV 值时，面料能有效阻隔和减少透过的能量，避免造成人体二级及以上的灼伤。Ebt是指进行电弧防护性能测试时，入射到材料上产生破洞超过1.6 cm2或单个长度大于2.5 cm 的破洞的能量。ATPV 值、Ebt值越大，说明防电弧性能越好，分为4 个级别。
4 种试样的检测结果显示：4 种试样均达到了二级防电弧面料的要求；其中，试样三的ATPV值及Ebt值最大，说明试样三的防电弧性能最好。分析原因：首先与试样三的原材料有关，试样三为阻燃粘胶、芳纶和导电纤维的混纺面料，芳纶的加入影响了材料的Ebt值，阻燃粘胶的加入不仅提升了面料的阻燃性能，而且改善了面料的舒适性；其次，防电弧性能指标与面料的组织结构有关，同种材料的双层面料防电弧性能高于单层面料。这是因为双层组织结构一方面引入了空气层结构，空气具有很低的导热率，延长了传导热的时间，另一方面增加了织物的厚度，更有利于抵挡电弧产生的能量。试样三与试样四相比，电弧防护性能更为优异，主要是因为试样四中加入的聚酰亚胺纤维强度较低，影响了Ebt值，ATPV值变化不大。
4.6 舒适性能
材料的舒适性指标有透气率、透湿量、刺痒度及弹性伸长率等。从表2 数据可以看出，双层面料透气率明显优于单层面料，是单层面料透气率的近5 倍。这是因为双层面料有表里层结构，两层结构均不致密，紧度也不大，交织点的空隙远多于单层织物。由表2 数据还可以看出，织物组织结构发生变化，透湿量也随之变化，但差异不大。总体来说，双层织物的透湿量大于单层织物；这是因为相同单位面积质量的面料，双层织物的空隙率大于单层织物，单位时间透过单位面积水蒸气质量增多，透湿量大，舒适度提高。织物的刺痒感决定了接触舒适性的好坏，其主要依赖于织物突出的毛羽及其力学性能。当材料相同或相当时，刺痒度与织物的结构有关。表2 测试数据也说明，双层织物的刺痒度较小，舒适性优于单层织物。
弹性织物因其伸缩性及舒适合体等性能已成为服装面料的主流产品，弹性伸长率反映了运动舒适性的好坏，是弹性织物最主要的功能性指标。面料弹性伸长率越大，弹性越好，其运动越舒适。表2 的试验结果显示，试样一和试样二无弹性，试样三和试样四的纬向具有一定弹性，弹性伸长率均小于20%。这是因为试样三和试样四的纬纱中加入了氨纶弹力丝，属于单向弹力织物，因此其面料制成服装后舒适性良好，运动灵活，便于舒展。
5 结论
通过测试和对比4 种试样的功能性指标及舒适性指标可知，试样三和试样四可以满足DL/T 320-2010 所有要求。开发舒适阻燃防电弧面料，面料规格设计非常重要，为了达到良好的功能性，所用原料及混纺比例非常关键，根据电弧防护要求合理配置混纺比例，可以兼顾功能性和成本，尤其是加入一定量的聚酰亚胺有助于面料电弧防护性能的提高，但其强度较低。与单层组织结构相比，双层组织结构更有利于提高面料的电弧防护性能和舒适性。弹力纤维的加入有利于提高面料的舒适性。
【来 源】《棉纺织技术》