高性能纖維防火氈的綜合性能分析

謝雅婷，唐 虹

(南通大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，江蘇 南通 226019)

高性能纖維發(fā)展迅速，其在防火材料中應(yīng)用日益廣泛，成為投資的新熱點(diǎn)、新趨勢。全球防火紡織品市場的銷售額為每年200億美元[1]，而中國大陸防火防護(hù)品的需求也在200億人民幣左右，未來功能性紡織品的市場銷售額每年還將以1.8%的速度增長。新技術(shù)新產(chǎn)品不斷更新，新纖維及其應(yīng)用成為研究的熱點(diǎn)[2]。

高性能纖維是目前防火氈的主要原料。高性能纖維是指與傳統(tǒng)的天然纖維和合成纖維相比，具有高彈性系數(shù)、高強(qiáng)度、耐熱性、耐化學(xué)藥品性、電絕緣性的新型化學(xué)纖維，并對外部的作用不易產(chǎn)生反應(yīng)[3]。目前國內(nèi)外用于防火氈的材料主要有碳纖維、芳綸纖維、預(yù)氧化纖維，3種纖維性能各異，碳纖維有比強(qiáng)度比模量大、耐磨、抗疲勞、耐高溫、熱膨脹系數(shù)小、耐化學(xué)腐蝕等特點(diǎn)，但極限延伸率小，使用時加工編織纏繞性略差，抗剪強(qiáng)度較低，易折斷；芳綸纖維彈性好，有很高的延展率，但耐熱性能差，易吸濕，密度低；預(yù)氧化纖維耐高溫、耐燃，纖維表面光滑、挺直，但強(qiáng)度低、靜電嚴(yán)重，紡織加工難度大[4]。為充分發(fā)揮高性能纖維的性能優(yōu)勢，取長補(bǔ)短，可用高性能纖維與普通纖維如滌綸混紡以改善其性能、提高性價比。

本文通過對碳纖維、芳綸纖維、預(yù)氧化纖維3種高性能纖維純紡及與滌綸等比例混紡紗的6種防火氈進(jìn)行服用性與功能性測試與分析，比較純紡和混紡紗防火氈的性能變化規(guī)律性，用灰關(guān)聯(lián)分析方法找出防火毯最佳纖維組合，為科學(xué)設(shè)計(jì)防火氈提供理論依據(jù)。

1 試樣準(zhǔn)備

分別采用碳纖維、芳綸纖維、預(yù)氧化纖維3種高性能纖維純紡及2種80%高性能纖維/20%滌綸混紡紗制成6種防火氈，比較其服用性和功能性。防火氈加工流程為：高性能纖維→梳毛機(jī)梳理→鋪成網(wǎng)狀→搗氈縮絨→二次搗氈→拉毛烘干→高溫定形→成品處理→質(zhì)量檢驗(yàn)→入庫儲存。試樣規(guī)格見表1。

表1 試樣規(guī)格

2 性能測試與分析

實(shí)驗(yàn)測試6種防火氈的阻燃性能、吸附性能、頂破性能、剪切性能、隔熱性能和透氣性能，實(shí)驗(yàn)儀器分別為LLY-07 A織物阻燃性測試儀、蒸化機(jī)(南通市特種與功能化纖維及應(yīng)用工程技術(shù)研究中心)，YG(B)032D電子式織物頂破強(qiáng)力試驗(yàn)儀、YG821 L面料風(fēng)格儀、YG(B)751D數(shù)字式恒溫恒濕箱、YG(B)461E數(shù)字式織物透氣性能測定儀(江蘇省安全與防護(hù)用紡織品工程實(shí)驗(yàn)室)。測試指標(biāo)分別為損毀長度、苯吸附率、頂破強(qiáng)度、剪切剛度、熱阻、透氣量。按照GA10—2014《消防員滅火防護(hù)服》的相關(guān)要求測試，其中損毀長度越大表示阻燃性能越差、苯吸附率越高表示吸附性能越好、頂破強(qiáng)度越大表示頂破性能越高、剪切剛度越大表示不易變形、熱阻越大表示隔熱性能越好、透氣量越大表示透氣性能越好[5]。3種高性能纖維及其混紡產(chǎn)品的綜合性能測試數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 3種高性能纖維及混紡防火氈的防火性能

分析圖1可知，純紡產(chǎn)品的損毀長度均低于相應(yīng)的混紡產(chǎn)品。純紡產(chǎn)品的損毀長度由高到低的順序?yàn)榉季]、預(yù)氧化纖維、碳纖維，混紡產(chǎn)品的損毀長度由高到低順序?yàn)榉季]、碳纖維、預(yù)氧化纖維。純紡產(chǎn)品的平均損毀長度為1.53 cm，混紡后產(chǎn)品平均損毀長度為2.71 cm，上升了77.1%，滌綸的混入降低了防火氈的阻燃性。純紡產(chǎn)品的苯吸附率低于混紡后產(chǎn)品的苯吸附率，3種高性能纖維純紡和混紡產(chǎn)品的吸附性能一致性較好，由高到低的順序?yàn)樘祭w維、芳綸、預(yù)氧化纖維。純紡產(chǎn)品的平均苯吸附率為4.58%，混紡產(chǎn)品的平均苯吸附率為5.08%，平均上升了10.9%,滌綸的加入改善了防火氈的吸附性。

純紡產(chǎn)品的頂破強(qiáng)度高于混紡產(chǎn)品的頂破強(qiáng)度[6]。純紡產(chǎn)品的頂破強(qiáng)度由高到低的順序?yàn)榉季]、碳纖維、預(yù)氧化纖維，混紡產(chǎn)品頂破強(qiáng)度由高到低順序?yàn)轭A(yù)氧化纖維、碳纖維、芳綸。純紡產(chǎn)品的平均頂破強(qiáng)度為369.47 N，混紡產(chǎn)品的平均頂破強(qiáng)度為180.4 N，平均下降了51.2%,滌綸的混入降低了防火氈的頂破性能。

純紡產(chǎn)品的剪切剛度高于混紡產(chǎn)品的剪切剛度。純紡產(chǎn)品的剪切剛度與混紡產(chǎn)品的剪切剛度一致性好，由高到低的順序?yàn)樘祭w維、預(yù)氧化纖維、芳綸。純紡產(chǎn)品的平均剪切剛度為57.97 N/m2，混紡產(chǎn)品的平均剪切剛度為24.47 N/m2，平均下降了57.8%。滌綸的加入顯著降低了防火氈的剪切性，剪切剛度明顯減小，織物變得柔軟。

純紡產(chǎn)品的熱阻性能由高到低的順序?yàn)樘祭w維、芳綸、預(yù)氧化纖維，混紡產(chǎn)品的損毀長度由高到低順序?yàn)樘祭w維、芳綸、預(yù)氧化纖維。純紡產(chǎn)品的平均熱阻為0.19 m2·K/W，混紡產(chǎn)品的平均熱阻為0.20 m2·K/W，平均上升了5.3%。滌綸的混入略微提升了防火氈的隔熱性能。

純紡產(chǎn)品的透氣量明顯低于混紡產(chǎn)品的透氣量。純紡產(chǎn)品的透氣量由高到低的順序?yàn)榉季]、碳纖維、預(yù)氧化纖維，混紡產(chǎn)品的透氣量由高到低順序?yàn)榉季]、預(yù)氧化纖維、碳纖維。純紡產(chǎn)品的平均透氣量為813.67 mm/s，混紡產(chǎn)品的平均透氣量為1 217.53 mm/s，平均上升了49.6%，滌綸的加入顯著提升了防火氈的透氣性。

3 防火氈綜合性能灰關(guān)聯(lián)分析

灰色關(guān)聯(lián)度是根據(jù)因素之間發(fā)展態(tài)勢的相似程度來衡量因素之間關(guān)聯(lián)的程度，它揭示了事物動態(tài)關(guān)聯(lián)的特征與程度[7]。本文通過灰關(guān)聯(lián)分析出最佳性能參數(shù)，然后通過關(guān)聯(lián)度比較，找出最佳防火氈材料步驟為：

①確定參考數(shù)列Xi和比較數(shù)列Yj。

②無量綱化處理參考數(shù)列和比較數(shù)列。初值化：矩陣中的每個數(shù)均除以第1個數(shù)得到的新矩陣；均值化：矩陣中的每個數(shù)均除以用矩陣所有元素的平均值得到的新矩陣；區(qū)間相對值化。

③求兩極最大差Δmax和兩極最小差Δmin。

④求灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)εji(k)：

式中ρ為分辨系數(shù)，ρ∈(0，1)，一般取0.5。

⑤求關(guān)聯(lián)度r：

r值越接近1，說明相關(guān)性越好[8]。

結(jié)合灰關(guān)聯(lián)分析方法，得出防火氈性能參數(shù)(損毀長度、苯吸附率、強(qiáng)力、剪切剛度、熱阻、透氣率)最佳組合分別為(0，7.56，108.4，82，0.38，1 633.51)，并以組合作為最優(yōu)參數(shù)，關(guān)聯(lián)系數(shù)取ρ=0.5，可求得關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣為：

因?yàn)閞1>r4>r2>r5>r6>r3,所以試樣1與最優(yōu)材料參數(shù)的關(guān)聯(lián)度最大；根據(jù)關(guān)聯(lián)度大小,又因作為防火氈材料，阻燃性能為主要功能，綜合本文上述2個模塊的分析，評價試樣1的性能優(yōu)于其他材料，損毀長度低，苯吸附率較高，頂破強(qiáng)力大，剪切剛度大，隔熱性能優(yōu)異，透氣性較好。得到不同材料試樣綜合性能排名為：碳纖維100>芳綸/滌綸80/20>碳纖維/滌綸80/20>預(yù)氧化100>預(yù)氧化/滌綸80/20>芳綸100。

4 結(jié) 論

高性能纖維防火氈，在其舒適性與功能性上各有差異，與纖維的特性、纖維組合有關(guān)。

① 3種高性能纖維在功能性與服用性上差異明顯。碳纖維防火氈阻燃性能優(yōu)異，吸附性好，剪切剛度大，織物硬，隔熱性能好；預(yù)氧化纖維防火氈阻燃性、透氣性等一般，吸附功能和隔熱功能較低；芳綸纖維防火氈阻燃性能較差，頂破性能弱，剪切剛度小，織物柔軟，透氣性好。

② 3種高性能纖維防火氈加入20%滌綸后，各項(xiàng)性能均發(fā)生了變化。滌綸的加入降低了阻燃功能和頂破功能，但改善了吸附性，織物柔軟，透氣性顯著提升，隔熱性略有提升。

③通過灰關(guān)聯(lián)分析，找出了各項(xiàng)性能的影響因素，得出碳纖維防火氈綜合性能最為優(yōu)越。