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60年代，國外發(fā)達國家就對紡織品的阻燃性能提出了要求[1]。21世紀初，我國對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，且對穿著舒適性也提出了要求，因此，長效阻燃、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。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[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)定性等方法實現(xiàn)長效阻燃[8-9]，遇明火燃燒時低煙或無煙，因此，其制備受到廣泛關(guān)注[10-12]。

目前，市場上本質(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度和耐磨性,且當芳綸含量過多時，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，但其阻燃性能卻遠低于芳綸/阻燃粘膠混紡織物。長效阻燃、高強、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。

阻燃錦綸是近年來研發(fā)的新型本質(zhì)阻燃纖維，具有永久阻燃、強度高、回彈性好、耐磨性佳、質(zhì)量輕等特點[20-22]。將阻燃錦綸與芳綸、阻燃粘膠進行混紡，可能使織物保持較高阻燃性能和良好舒適性的同時，顯著提高其耐磨、斷裂強力等性能。為此，本文根據(jù)芳綸、阻燃粘膠和阻燃錦綸各自的特點，將以上3種纖維按照不同混紡比例進行混紡織造，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，獲得長效阻燃、高強、耐磨且服用性能好的新型織物。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

本文使用3種纖維分別為芳綸1414(M，線密度為0.17 tex，長度為15 mm)、阻燃粘膠纖維(FR，線密度為0.17 tex，長度為15 mm)和阻燃錦綸長絲(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，購自德司達(南京)染料有限公司；糊料，購自廣州中萬新材料有限公司。

表1 纖維材料的基本性能

表2 黏合劑的化學(xué)組成

1.2 試樣的制備

為研究混紡比對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，長時間在日光和紫外光下照射會導(dǎo)致強度降低，采用芳綸、阻燃粘膠復(fù)合阻燃錦綸長絲包芯的方式進行混紡，設(shè)計了9組M/FR/ST混紡樣品：首先保持M混紡比不變，研究FR和ST比例變化對于紗線性能的影響，設(shè)計了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比例變化對于紗線性能的影響，設(shè)計了4組混紡樣品，M、FR、ST混紡比如表3中樣品6～9所示。另外，為對比M/FR/ST與M/FR混紡紗線的力學(xué)性能，設(shè)計了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(日本豐田自動織機株式會社)將其分別織成斜紋織物。

為研究組織結(jié)構(gòu)對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 測試與表征

1.3.1 垂直燃燒性能測試

按照GB/T 5455—2014《紡織品 燃燒性能 垂直方向損毀長度、陰燃和續(xù)燃時間的測定》，采用LFY-26C垂直法織物阻燃性能測定儀(山東省紡織科學(xué)研究院)測試試樣的垂直燃燒性能。將試樣在溫度為(20±2) ℃，相對濕度為(65±3)%的標準大氣壓下平衡8～24 h，取出后進行測試，試樣尺寸為300 mm×80 mm。

1.3.2 極限氧指數(shù)測試

按照GB/T 5454—1997《紡織品 燃燒性能試驗 氧指數(shù)法》，采用LFY-606氧指數(shù)測定儀(山東省紡織科學(xué)研究院)測試試樣的極限氧指數(shù)(LOI)。測試前在溫度為(20±2) ℃，相對濕度為(65±3)%的標準大氣壓下平衡24 h以上，試樣尺寸為150 mm×50 mm。

1.3.3 力學(xué)性能測試

按照GB/T 3916—2013《紡織品 卷裝紗 單根紗線斷裂強力和斷裂伸長率的測定(CRE法)》，采用YG063G全自動織物強力儀(常州市中纖檢測儀器設(shè)備有限公司)測試試樣的力學(xué)性能。實驗拉伸速度為500 mm/min，拉伸隔距為500 mm，每個試樣測試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:梯形試樣撕破強力的測定》，采用YG063G全自動織物強力儀(常州市中纖檢測儀器設(shè)備有限公司)測試試樣的撕破強力。實驗拉伸速度為100 mm/min，夾鉗距離為25 mm，測試20次取平均值。

1.3.4 耐磨性能測試

按照GB/T 1798—2008《生絲試驗方法》，采用Y731抱合力機(常州德普紡織科技有限公司)測試試樣的耐磨性能，摩擦速度為135 r/min，每個試樣測試10次，取平均值。

1.3.5 變色牢度級數(shù)測試

按照GB/T 250—2008《紡織品 色牢度試驗 評定變色用灰色樣卡》，采用Color Quest XE測色配色儀(美國Hunter-Lab公司)測試試樣的耐水洗性。試樣尺寸為40 mm×100 mm，每個試樣采用50 ℃水洗滌300 min,再冷水漂洗140 min,干燥后與灰色樣卡對比進行評級。

2 結(jié)果與討論

2.1 混紡比對紗線性能的影響

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、阻燃錦綸長絲3種纖維進行混紡，得到表2中1～9號不同混紡比紗線，其斷裂強度和極限氧指數(shù)測試結(jié)果如圖1(a)和(b)所示。由圖1(a)可知，當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度，但因架橋效應(yīng)和燈芯效應(yīng)[23-24]，若阻燃錦綸長絲含量過多，會影響織物的阻燃效果；而阻燃錦綸長絲含量過少，織物的斷裂強度、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)達到27%以上時[25]，其阻燃性能才比較可靠，因此，綜合考慮ST混紡比為25%時，其紗線強度較高，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，混紡紗線的斷裂強度逐漸降低，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，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度遠低于芳綸，其加入后會對紗線強力、織物強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，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度，有利于織物的功能性和服用性能達到較好的平衡。

為研究阻燃錦綸的加入對于混紡紗線斷裂強度的影響，采用M和FR進行混紡，得到表2中序號為10～14號的5種不同混紡比紗線樣品，其斷裂強度和極限氧指數(shù)測試結(jié)果如圖1(c)所示?？芍?，M混紡比由30%增加至70%時，混紡紗線的斷裂強度和極限氧指數(shù)都逐漸升高。對比圖1(b)和(c)中M混紡比為30%的2個樣品的斷裂強度發(fā)現(xiàn)，M/FR/ST(30/45/25)混紡紗線的斷裂強度(22.4 cN/tex)比M/FR(30/70)混紡紗線斷裂強度(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。可知，隨著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M/FR混紡紗線耐磨次數(shù)的影響?？芍?，紗線耐磨次數(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。對比圖2(a)、(b)實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當阻燃粘膠混紡比為50%時，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于紗線斷裂強度、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、耐磨性能和本質(zhì)阻燃纖維的長效阻燃性能，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，同時保證阻燃性能不降低；其次，阻燃錦綸的高強和高耐磨性，可進一步提升混紡紗線斷裂強力和耐磨性能；最后，降低芳綸混紡比可降低織物印染時的涂料用量，進而提升織物舒適性。

2.2 捻度對紗線及其織物性能的影響

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，研究捻度對紗線斷裂強度的影響,結(jié)果如圖3所示?？芍?，隨著捻度的增大，紗線的斷裂強度先增加后降低，最大值在捻度為680 捻/m處。這是因為隨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，且加捻使紗線強度不均勻性得到改善，所以隨著捻度的增加，紗線斷裂強度不斷增加。但隨著捻度的進一步提高，纖維因傾斜扭轉(zhuǎn)所承受的預(yù)負荷增加，軸向分力減小，所以紗線在某一臨界捻度時斷裂強度達到最高值，繼續(xù)加捻紗線斷裂強度會隨之下降[27]。

圖3 不同捻度紗線的斷裂強度

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)。可以看出，A類和B類織物斷裂強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，隨著捻度的增加，織物斷裂強力先增加后減小，撕破強力逐漸下降。這可能是由于捻度過高紗線剛性大，織物彈性下降進而影響織物的撕破強力。

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)燃和陰燃時間，以及經(jīng)向損毀長度可知:隨著紗線捻度的增加，A類織物的經(jīng)向損毀長度變短，說明其阻燃效果越來越好；而紗線捻度的大小對B類織物的經(jīng)向損毀長度影響較小，這是因為B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)進行燃燒測試，從而更加真實地評價其阻燃性能。但實際測試中發(fā)現(xiàn)，模擬真實狀態(tài)燃燒測試的數(shù)據(jù)波動性較大，本文未采用這種方法，選擇垂直燃燒測試作為織物阻燃性能評價方法。

2.3 組織結(jié)構(gòu)對織物性能的影響

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，其緯向斷裂強力和緯向撕破強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，其緯向斷裂強力和緯向撕破強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到205 g/m2，其織物緊密，手感發(fā)硬，導(dǎo)致撕破強力最差，織物斷裂強力也相對較差。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)向損毀長度都遠小于緞紋組織織物，且破斜紋組織的B類織物燃燒經(jīng)向損毀長度相對最小。緞紋組織織物阻燃性能較差，這可能是由于緞紋組織點少，結(jié)構(gòu)最疏松，燃燒時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，B類織物采用3上1下破斜紋組織時，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

2.4 黏合劑對織物性能的影響

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，因此，印染含有芳綸的織物時，需要用黏合劑將涂料和糊料機械固著在織物表面。黏合劑具有較高黏著力、適當力學(xué)性能和穩(wěn)定化學(xué)性質(zhì)，對涂料印花產(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種印花漿料進行印染，得到其阻燃性能和水洗后變色牢度級數(shù)如圖6所示。

圖6 黏合劑對A類織物阻燃性能和水洗后變色牢度級數(shù)的影響

由圖6(a)可知，采用黏合劑FHN和G-BD進行印染的織物燃燒經(jīng)向損毀長度較短，說明黏合劑FHN和G-BD對織物的阻燃效果影響較小，其中黏合劑FHN對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進行印染的織物，在水洗20次后變色牢度級數(shù)依然保持較高，說明黏合劑G-BD和GW對織物變色牢度影響較小。綜合分析黏合劑對織物阻燃性能和變色牢度的影響發(fā)現(xiàn)，黏合劑G-BD對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)，對印花色漿黏度的影響也較小，可有效防止高速印花時色漿結(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)進行和色漿的安全存放。

3 結(jié) 論

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，開發(fā)出長效阻燃、高強、耐磨且服用性能良好的混紡織物。在混紡比方面，如果阻燃錦綸長絲比例高于25%，或者阻燃粘膠比例低于45%，則不能同時保證紗線斷裂強度和阻燃性能；芳綸、阻燃粘膠、阻燃錦綸三元混紡比為30/45/25時，紗線的力學(xué)性能和阻燃性能達到較好的平衡，且其斷裂強度相比于芳綸/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)捻度對于紗線和織物的力學(xué)性能影響較大。紗線的斷裂強度隨著捻度增加先增大后減小，斷裂強度最大值的紗線捻度為680 捻/m；織物的斷裂強力隨著捻度的增加先增加后減小，而撕破強力逐漸減小。此外，捻度對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，其斷裂強力和撕破強力最高，且燃燒損毀長度最短。

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制成的漿料進行印花，所得織物的燃燒損毀長度較短，且水洗后變色牢度級數(shù)保持最高。