基于聚酰亞胺纖維的新型防火面料與芳綸纖維的性能對比研究

王晉芳 陳坤 朱瑞 徐壽坤 張國琛 紅于 李車

摘要：為探尋新型森林防火服的發(fā)展方向，邀請了300余名全國各地在職森林消防員參與調(diào)查問卷，并就芳綸1313、芳綸1414和甲綸布三種纖維材料的阻燃性能、熱穩(wěn)定性能、撕破強(qiáng)力和斷裂強(qiáng)力等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析和數(shù)據(jù)比對。結(jié)論如下，甲綸布相較于芳綸1313和芳綸1414，其阻燃性能，力學(xué)性能，燃燒穩(wěn)定性能都更加優(yōu)越，綜合性能優(yōu)于其它兩種材料，可作為新型防火服研發(fā)的主要纖維材料。

關(guān)鍵詞：芳綸1313;芳綸1414;阻燃性能;熱穩(wěn)定性能;力學(xué)性能

中圖分類號：TU545? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ?文章編號：2096-1227（2021）06-0018-04

近年，我國始終致力于綠色可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)，全國綠化面積和森林蓄積量不斷增加。在環(huán)境得到改善的同時(shí)，森林草原防火形勢愈發(fā)嚴(yán)峻，對防滅火管理工作也提出了更高的要求。調(diào)查數(shù)據(jù)表明，我國是森林火災(zāi)多發(fā)的國家[1]，撲火人員根據(jù)各類森林火災(zāi)情況研發(fā)出了多種滅火方式，但受復(fù)雜地形和科技水平等因素限制，大部分森林火災(zāi)仍需人工進(jìn)行撲打。國內(nèi)外各類防災(zāi)減災(zāi)戰(zhàn)略要求明確提出要以人為本[2]，而近距離滅火作戰(zhàn)嚴(yán)重威脅撲火人員的人身安全，防火服是不可或缺的裝備。防火服具有阻燃、隔熱、抗熱輻射等特性，可以有效避免消防員身體與火焰的接觸，既能減少或者避免撲火人員受到傷害，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，又能有效保障滅火作戰(zhàn)的勝利[3]。根據(jù)調(diào)查問卷顯示，當(dāng)前森林消防隊(duì)伍配備的防火服可基本滿足滅火作戰(zhàn)需要，但其相關(guān)防護(hù)性能仍需要進(jìn)一步提高，特別是隨著科技水平和人文社會的發(fā)展，對保障消防員的人身安全也提出了更高要求，因此對新型防火服的研究必須加緊腳步。

長期以來，阻燃隔熱和舒適耐用一直是防火服急需提升的重點(diǎn)性能，合理采用性能優(yōu)越的纖維材料，對于防火服的設(shè)計(jì)制造尤為重要。防火服外層的材料是直接面對火焰的，所以在選擇防火外層材料時(shí)，要選擇阻燃性以及耐高溫性質(zhì)較強(qiáng)的材料。本文主要采取調(diào)查問卷和實(shí)驗(yàn)對比分析兩種方式進(jìn)行探索，依托中國消防救援學(xué)院干部培訓(xùn)大隊(duì)學(xué)員一隊(duì)在全國各地森林消防員中展開了大量調(diào)查問卷，切實(shí)掌握一線消防員對當(dāng)前防火服的改進(jìn)期盼，進(jìn)一步明確目標(biāo)。

經(jīng)過長期對防火阻燃纖維的研究，聚酰亞胺（PI）、芳綸等高性能纖維不斷取得突破性進(jìn)展[4]。劉超[5]等對幾種多組分阻燃防護(hù)織物研究探討，得出結(jié)論為：聚酰亞胺、芳綸1414和芳綸1313等高性能纖維在織物中的比例增加，其阻燃性能也會得到明顯改善。沈德垚[6]等研究結(jié)果表明聚酰亞胺纖維拉伸性較好，阻燃和熱穩(wěn)定性能都明顯超過芳綸1313和芳綸1414，但對于150℃的水蒸氣耐受強(qiáng)度不足。

就目前來看，僅單一的芳綸1313或1414阻燃面料已經(jīng)不能滿足森林消防員滅火作戰(zhàn)的需求。而聚酰亞胺作為新型的材料，具有絕佳的阻燃性能以及熱穩(wěn)定性能，更加容易滿足消防員的需求。因此在目前消防服的最外層防火面料中加入高阻燃性的聚酰亞胺纖維具有重要研究意義。通過參考劉呈坤[7]等對高檔阻燃防護(hù)服的設(shè)計(jì)探討思路，重點(diǎn)對外層面料纖維的選擇進(jìn)行了反復(fù)思量，我們最終以含有聚酰亞胺成分的高分子復(fù)合材料甲綸布（85%聚酰亞胺纖維、13%芳綸1414和2%導(dǎo)電纖維）為對象進(jìn)行研究。

一、問卷調(diào)查

任何科研產(chǎn)品都必須要經(jīng)過實(shí)踐的檢驗(yàn)，只有經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)合格的產(chǎn)品，才能進(jìn)行廣泛的生產(chǎn)應(yīng)用。在防火服性能和可操作性上，基層一線消防指戰(zhàn)員是最具發(fā)言權(quán)的群體。本文除了對相關(guān)纖維材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和理論分析外，充分借助微信小程序和電話訪談相結(jié)合的方式開展調(diào)查問卷，其中以微信小程序調(diào)查問卷為主。調(diào)查對象為全國各省市國家綜合性消防救援隊(duì)伍（森林消防）指戰(zhàn)員，累計(jì)填寫問卷343人次，有效問卷343人次。經(jīng)整理、統(tǒng)計(jì)后總結(jié)為以下幾點(diǎn)：

（一）83.97%消防員對新型防火服的研發(fā)抱有較大期盼。

（二）68.81%的消防員認(rèn)為當(dāng)前配發(fā)的防火服防護(hù)性能良好。

（三）64.72%的消防員對隔熱性能的滿意度較好。

（四）78.42%的消防員對阻燃性能較滿意。

（五）56.27%對改進(jìn)方向的期盼為提升舒適度和耐高溫性能。

從調(diào)查結(jié)果來看，一線消防員對當(dāng)前所裝備的森林防火服性能較為滿意，能夠滿足滅火作戰(zhàn)需要;但是不難看出，還是有少部分消防員希望能夠進(jìn)一步提高防火服的舒適性，耐高溫性和阻燃等性能，特別是隔熱和舒適度兩個(gè)方面仍需要重點(diǎn)注意。

二、聚酰亞胺和芳綸分子結(jié)構(gòu)簡介

聚酰亞胺纖維（polyimide fiber）又稱為芳酰亞胺纖維，是指分子鏈中含有芳酰亞胺的纖維（如圖1所示）[7]。由于其具有耐高低溫特性、阻燃性，穿著舒適，永久性阻燃[8]，不熔滴，離火自熄以及極佳的隔溫性，被廣泛用于制作裝甲部隊(duì)的防護(hù)服、賽車服、飛行服等防火阻燃服[9]。

芳綸1313（又稱Nomex纖維），屬于間位芳香族聚酞胺纖維，分子結(jié)構(gòu)如圖2所示[4]，[10]。其生產(chǎn)的芳綸1313織物，是一種難燃紡織品，具有不助燃及自熄的功能特點(diǎn)，而且尺寸穩(wěn)定性好，物理和力學(xué)性能均優(yōu)良，是制備消防服及特種行業(yè)個(gè)人安全防護(hù)服的重要材料[10]。

芳綸1414（聚對苯二甲酰對苯二胺）是芳綸中一種具有高強(qiáng)高模特性的高分子材料[11]，又稱為對位芳綸、芳綸Ⅱ，主鏈結(jié)構(gòu)具有高度的規(guī)則性，大分子呈十分伸展的狀態(tài)[5]。其阻燃性能優(yōu)良，具有很好的耐高溫性。且有高強(qiáng)度、高模量、密度小、等特點(diǎn)，曾一度廣泛應(yīng)用于軍工和民品的各個(gè)領(lǐng)域。其分子結(jié)構(gòu)式如圖3所示[12]。

三、實(shí)驗(yàn)部分

（一）實(shí)驗(yàn)原料及儀器

奧神甲綸布面料（85% 聚酰亞胺纖維，13%芳綸1414，2% 導(dǎo)電纖維），芳綸1313面料（98%芳綸1313，2%導(dǎo)電纖維），芳綸1414面料（98%芳綸1414，2%導(dǎo)電纖維）均采購于江蘇奧神新材料股份有限公司。

實(shí)驗(yàn)儀器包括：等速伸長（CRE）試驗(yàn)儀，干燥箱，垂直燃燒測試儀（PX-03-001），多功能電子織物強(qiáng)力儀（YG026H），數(shù)字式織物撕裂儀（YG033B），熱重分析（TGA）使用熱分析儀（Q50，TAInstruments），傅里葉變換紅外光譜（IR）儀（日本島津，DTGS 檢測器）。

（二）實(shí)驗(yàn)方法：

1.阻燃性能

參照GB/T5455—2014《紡織品燃燒性能 垂直方向 損毀長度、陰燃和續(xù)燃時(shí)間的測定》，將尺寸為300mmx89mm的面料，經(jīng)（縱）向取5塊，緯（橫）向取5塊，共10塊試樣。將剪取試樣距離布邊至少100mm。試樣的兩邊分別與織物的經(jīng)（縱）向和緯（橫）向平行。而后將試樣放置在GB/T 6529規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下進(jìn)行調(diào)濕，然后將調(diào)濕后的試樣敵入密封容器內(nèi)。在溫度為10～30℃。相對濕度為30%-80%的大氣環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn)。

2.熱穩(wěn)定性能

參照GB8965.1—2009《防護(hù)服裝阻燃防護(hù)第一部分：阻燃服》附錄B：熱穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)方法，分別取用尺寸100mmx100mm，沿徑向，緯向數(shù)量各為三塊的試樣。按照GB/T17596規(guī)定洗滌三次，而后在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，溫度20℃±2℃和65%±5%的相對濕度條件下，將樣品保持24小時(shí)，將干燥箱加熱至所需溫度（260℃±2℃），迅速將懸掛試樣放入干燥箱內(nèi)，從關(guān)上干燥箱門開始記錄時(shí)間（注：試樣應(yīng)不與干燥箱壁接觸），5分鐘后打開干燥箱門，取出試樣。2分鐘內(nèi)，在常溫環(huán)境下測量完長，寬方向尺寸。而后計(jì)算。

3.斷裂強(qiáng)力

參照GB/T 3923.1—3013《紡織品 織物拉伸性能 第1部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測定（條樣法）》，使用等速伸長（CRE）試驗(yàn)儀。分別剪取三種無褶皺及疵點(diǎn)織物1m長的全幅寬為實(shí)驗(yàn)樣品。在進(jìn)行調(diào)濕后，在夾鉗中心位置夾持試樣，實(shí)驗(yàn)開始后，使可移動的夾持器移動，拉伸試樣直至斷脫。而后記錄斷裂強(qiáng)力。

4.撕破強(qiáng)力

參照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(qiáng)力的測定》，使用等速伸長（CER）試驗(yàn)儀，分別取尺寸（75±1）mmx（150±2）mm試樣，用樣板在每個(gè)試樣上畫等腰梯形。試驗(yàn)開始前按照GB/T6529規(guī)定調(diào)濕試樣，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，眼梯形的不平行兩邊夾住試樣，使切口位于兩夾鉗中間，梯形短邊保持拉緊，長邊處于褶皺狀態(tài)。啟動儀器，自動計(jì)算記錄儀上徑向和緯向每塊試樣一系列有效峰值的平均值。

5.熱重和紅外分析

在空氣氣氛下（樣品吹掃流速為4mLmin-1）將5-6mg樣品裝入鉑坩堝中并以10攝氏度/分鐘的速率加熱至800℃。[13]

紅外光譜的掃描范圍是600-4000cm-1，掃描速率4cm-1/s。[14]

（三）性能分析

1.阻燃性能

實(shí)驗(yàn)采用垂直燃燒法，將現(xiàn)階段兩種常用的阻燃面料以及新型的阻燃面料數(shù)據(jù)進(jìn)行一個(gè)深入的對比分析，具體的數(shù)據(jù)如下表，從表中可以看出，甲綸布阻燃面料續(xù)燃和陰燃時(shí)間都為0秒。而其余兩種阻燃面料都有陰燃現(xiàn)象發(fā)生，并且芳綸1313及1414的摧毀面積較之甲綸布阻燃面料更大。這就表明，甲綸布在燃燒狀態(tài)下較之其余兩種面料更加穩(wěn)定。更適合作為森林消防員在滅火作戰(zhàn)中的實(shí)踐應(yīng)用。

2.熱穩(wěn)定性能

從表2可以看出，三種阻燃面料的熱穩(wěn)定性能指標(biāo)都達(dá)到了260℃±5℃的高溫下形變率≤10的指標(biāo)。表明三種阻燃面料都具有優(yōu)秀的抗形變能力。

3.力學(xué)性能

消防阻燃面料的斷裂強(qiáng)力及撕裂強(qiáng)力在撲救森林火災(zāi)中對保護(hù)消防員身體起到一個(gè)至關(guān)重要的作用6，表3是本次實(shí)驗(yàn)三種面料的斷裂強(qiáng)力及撕破強(qiáng)力數(shù)據(jù)。可以看出，徑向的斷裂強(qiáng)力最高為芳綸1313阻燃面料，達(dá)到1400N，緯向斷裂強(qiáng)力最高為芳綸1414阻燃面料，達(dá)到1200N。而甲綸布阻燃面料斷裂強(qiáng)力介于兩者之間。但是甲綸布的撕破強(qiáng)力分別達(dá)到徑向254.5N和緯向199.3N，高于其余兩種面料。綜合數(shù)據(jù)來看，甲綸布阻燃面料更優(yōu)于芳綸1313及芳綸1414。

4.紅外熱重性能

通過紅外光譜（圖4）驗(yàn)證了甲綸布和芳綸1313的分子結(jié)構(gòu)，其中在芳綸1313和甲綸的紅外光譜中，1400-1420cm-1處均出現(xiàn)一個(gè)尖銳的吸收峰，這歸屬于酰胺結(jié)構(gòu)C-N的伸縮振動[15];甲綸布分子的紅外光譜1630-1670cm-1處有兩個(gè)中等強(qiáng)度的峰，這歸屬于叔酰胺的C=O伸縮振動。這說明甲綸布在芳綸纖維的基礎(chǔ)上成功摻雜了聚酰亞胺纖維。

通過熱重分析（圖5），我們可以發(fā)現(xiàn)，芳綸1313在空氣氣氛下的著火溫度為400℃左右，而摻雜了聚酰亞胺分子的甲綸纖維的著火溫度從400℃度提高到了500℃[16]，這對于森林消防員來說具有重要意義。此外，我們發(fā)現(xiàn)甲綸布在失重20%左右之后趨于穩(wěn)定，這說明甲綸布纖維不會被完全氧化，通過觀察燃燒產(chǎn)物發(fā)現(xiàn)，形成了一層黑色物質(zhì)覆蓋在鉑盤表面，這可以用于后續(xù)研究工作中物品表面的防火材料研究。

四、結(jié)語

通過對現(xiàn)階段常用森林防火服外層阻燃面料芳綸1313，芳綸1414以及新型的高分子復(fù)合材料聚酰亞胺甲綸布的阻燃性能，熱穩(wěn)定性能，力學(xué)性能，紅外光譜和熱重性能的性能分析，不難發(fā)現(xiàn)，聚酰亞胺甲綸布阻燃面料的阻燃性能、撕破強(qiáng)力、燃燒穩(wěn)定性相對于其余兩種面料更優(yōu)，熱穩(wěn)定性能與其余兩種面料并駕齊驅(qū)，斷裂強(qiáng)力介于兩種面料之間。綜合來看，聚酰亞胺纖維作為新型高分子復(fù)合材料，具有現(xiàn)階段防火服材料所不具備的優(yōu)勢，其性能更加優(yōu)越，適合作為下階段的森林防火服面料的選擇。

參考文獻(xiàn)：

[1]周宇飛，李小川，王振師.森林火災(zāi)撲救技術(shù)研究進(jìn)展[J].廣東林業(yè)科技， 2013， 29（05）：53-58.

[2]岳金柱，馮仲科，姜偉.森林火災(zāi)撲救風(fēng)險(xiǎn)控制與處置的對策研究[J].林業(yè)資源管理.2007，（02）：38-42.

[3]王立夫.《防護(hù)服裝森林防火服》國家標(biāo)準(zhǔn)解讀[J].中國個(gè)體防護(hù)裝備，2018，（02）：28-29.

[4]李億光，朱超俊，王金玉.聚酰亞胺與間位芳綸混紡面料的性能[J].上海紡織科技，2020，48（10）：26-27+36.

[5]劉超，范永剛，趙紀(jì)衛(wèi)，史華剛，李穎.幾種多組分阻燃防護(hù)織物的研制[J].棉紡織技術(shù)，2020，48（10）：42-46.

[6]沈德垚，侯東昱.聚酰亞胺與其他常用消防服阻燃材料的性能對比[J].毛紡科技，2020，48（04）：12-16.

[7]劉呈坤，賀海軍.高檔阻燃防護(hù)服的設(shè)計(jì)探討[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品，2015，33（07）：28-33+44.

[8]蔡倩.安全的守護(hù)者，安全生產(chǎn)的踐行者[J].紡織服裝周刊，2015，（31）：11.

[9]尹朝清，徐園，張清華.聚酰亞胺纖維及其阻燃特性[J].紡織學(xué)報(bào)，2012，33（06）：116-120.

[10]劉明遠(yuǎn)，尉霞，吳俊雄，逯凱美，武海良，周影，吳麗艷，王露潔，田暢.芳綸1313織物阻燃性與舒適性的綜合評價(jià)[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品，2020，38（04）：25-33.

[11]崔曉靜，孫潛，張華川，毛亞麗，楊琴.中國芳綸1414纖維及其復(fù)合材料的發(fā)展[J].塑料工業(yè)，2017，45（09）：12-14+23.

[12]劉克杰，楊琴，朱華蘭，彭濤，王鳳德.有機(jī)特種纖維介紹（一）[J].合成纖維，2013，42（01）：25-29.

[13]余巧玲，王萬卷，潘永紅，劉志健，徐運(yùn)祺，林銳航，王法云.熱重-紅外聯(lián)用法研究液晶聚合物的熱解行為及其逸出氣體組成[J].塑料科技，2017，45（12）：104-106.

[14]陳玲紅，陳祥，吳建，武燕燕，周昊，邱坤贊，岑可法.基于熱重-紅外-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)定量分析燃煤氣體產(chǎn)物[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2016，50（05）：961-969.

[15]姚婉清，吳定麗，吳云妹，彭夢俠.復(fù)合維生素B中煙酰胺含量的中紅外分析模型和近紅外分析模型的比較[J].化學(xué)試劑，2020，42（10）：1190-1195.

[16]胡海清，高健，胡同欣.基于熱重分析的延邊州地區(qū)7種常見喬木樹種的燃燒性排序[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，（11）：1-10.

作者簡介：

王晉芳（1989-），女，漢族，山西晉城人，畢業(yè)于中國人民大學(xué)物理化學(xué)專業(yè)?，F(xiàn)任中國消防救援學(xué)院基礎(chǔ)部共同科目教研室講師。

陳坤（1996-），男，漢族，四川康定人，2016年參軍入伍，2019年考入中國消防救援學(xué)院，現(xiàn)為中國消防救援學(xué)院消防指揮（森林方向）學(xué)員。