輕質(zhì)高阻隔化學(xué)防護(hù)復(fù)合面料的制備及性能

顧玉培 劉其霞 葛建龍 季 濤 吳嵩彬

（1.南通大學(xué)，江蘇南通，226019；2.安全防護(hù)用特種纖維復(fù)合材料研發(fā)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，江蘇南通，226019；3.咸陽際華新三零印染有限公司，陜西咸陽，712099）

隨著制造業(yè)的迅速發(fā)展，危險(xiǎn)化學(xué)品事故頻繁發(fā)生，尤其是在化學(xué)品的存儲(chǔ)和運(yùn)輸階段；此外，恐怖分子利用危險(xiǎn)化學(xué)品發(fā)動(dòng)襲擊事件也時(shí)有發(fā)生，給公共安全造成了極大威脅。一旦發(fā)生此類事故，需要采取隔離現(xiàn)場(chǎng)、人員疏散、現(xiàn)場(chǎng)控制以及洗消等應(yīng)急處置，為在場(chǎng)人員提供安全可靠的防護(hù)［1?2］。

隔絕式化學(xué)防護(hù)面料是利用材料的高阻隔性和化學(xué)穩(wěn)定性，將有毒有害化學(xué)品與人體隔絕，從而實(shí)現(xiàn)化學(xué)防護(hù)功能，適用于高度危險(xiǎn)的化學(xué)品泄漏環(huán)境以及緊急情況的處置［3］。隔絕式防護(hù)面料一般為復(fù)合結(jié)構(gòu)的柔性防護(hù)面料，即通過涂覆或?qū)訅簭?fù)合的方式，將高阻隔材料與織物進(jìn)行復(fù)合而制得［4?5］。其中的高阻隔材料具有良好的氣密性和化學(xué)穩(wěn)定性，能夠在人體與固體、液體、氣體或氣溶膠等狀態(tài)的有害化學(xué)品之間建立一個(gè)有效的防護(hù)屏障［6］。

本研究通過多層復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、綜合材料優(yōu)選和復(fù)合工藝優(yōu)化，將多層不同的材料通過熱壓復(fù)合，制備出質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、防護(hù)性能優(yōu)異的隔絕式化學(xué)防護(hù)復(fù)合面料。

1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

1.1 多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

綜合考慮復(fù)合面料防護(hù)性能、力學(xué)性能和材料單位面積質(zhì)量，對(duì)復(fù)合面料進(jìn)行多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?；瘜W(xué)防護(hù)復(fù)合面料的結(jié)構(gòu)包括功能層、承力層、第一黏合層、阻隔層、第二黏合層和保護(hù)層。其中，功能層是功能整理層，為復(fù)合面料提供疏水疏油功能；承力層為復(fù)合面料提供較高的力學(xué)性能；阻隔層為聚合物阻隔膜；保護(hù)層為聚合物阻隔膜提供保護(hù)，防止在使用過程中出現(xiàn)阻隔膜破損等問題；黏合層為膠黏劑，將各層材料進(jìn)行黏合。

1.2 各層材料設(shè)計(jì)

阻隔層。隔絕式化學(xué)防護(hù)面料中的阻隔材料一般采用橡膠或聚合物薄膜［7］。橡膠材料氣密性良好。但是單一橡膠材料也存在缺陷，例如丁基橡膠硫化工藝復(fù)雜且速度慢，不耐苯類有機(jī)溶劑等，一般適用于重型隔絕式化學(xué)防護(hù)裝備［8］。相比于橡膠材料，聚合物薄膜不僅具有良好的化學(xué)防護(hù)能力，還具有輕薄、易加工等優(yōu)點(diǎn)。目前隔絕式化學(xué)防護(hù)面料更傾向于使用聚合物阻隔膜作為阻隔材料。PVDC分子鏈排列規(guī)整，分子鏈呈對(duì)稱狀，容易形成結(jié)晶，滲透物小分子難以在PVDC分子間通過，從而具有良好的阻氣、阻濕性能，對(duì)于酸、堿環(huán)境均能表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性［9］。因此，本研究選擇PVDC薄膜材料作為化學(xué)防護(hù)復(fù)合面料的阻隔層。

承力層。隔絕式化學(xué)防護(hù)復(fù)合面料在使用過程中不僅要考慮防護(hù)性能，還需要考慮面料的力學(xué)性能和重量負(fù)荷等問題。承力層作為復(fù)合面料的骨架需具備較高的強(qiáng)力，通過優(yōu)選承力層材料可以避免面料過于厚重。輕質(zhì)高強(qiáng)錦綸織物具有堅(jiān)韌耐用、高強(qiáng)耐磨的特點(diǎn)，還能有效地控制復(fù)合面料的單位面積質(zhì)量［10］。因此，選擇輕質(zhì)高強(qiáng)錦綸織物作為復(fù)合面料的承力層材料。

保護(hù)層。錦綸織物耐磨性能較好，在復(fù)合面料中能夠?qū)酆衔镒韪裟て鸬胶芎玫谋Ｗo(hù)作用，避免其在使用和運(yùn)輸過程中出現(xiàn)劃傷、劃破等問題。輕薄型錦綸織物單位面積質(zhì)量低，不會(huì)給復(fù)合面料帶來較大的重量負(fù)荷。因此，本試驗(yàn)以輕薄型錦綸織物作為復(fù)合面料的保護(hù)層材料。

黏合層。聚氨酯膠黏劑分子中含有強(qiáng)極性的異氰酸酯基（—NCO）和氨酯基（—NHCOO—），對(duì)多種材料有優(yōu)良的黏接力且容易浸潤(rùn)，工藝性好，使用期長(zhǎng)，且具有耐沖擊、耐疲勞、耐化學(xué)品等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)織物等多孔隙表面和聚合物材料等光滑表面的黏接［11?12］。因此，選擇熱塑性聚氨酯（TPU）膠膜作為黏合層材料。

功能層。功能層為復(fù)合面料的疏水疏油整理層，可防止液態(tài)物質(zhì)在防護(hù)面料表面積聚。十七氟癸基三乙氧基硅烷（以下簡(jiǎn)稱AC?FAS）是纖維材料常用的疏水疏油整理劑。試驗(yàn)采用AC?FAS對(duì)復(fù)合面料的錦綸織物表面進(jìn)行疏水整理，從而在復(fù)合面料表面獲得較好的疏水效果。

2 復(fù)合面料制備工藝

2.1 復(fù)合面料加工工藝流程

將各層材料鋪好，在NSC 100×100熱壓成型機(jī)層壓加工，復(fù)合工藝：承力層、第一黏合層、阻隔層、第二黏合層、保護(hù)層在115℃～155℃、0.5 MPa下熱壓復(fù)合30 s，溫室放置24 h后經(jīng)AC?FAS溶液浸軋、預(yù)烘、焙烘，完成表面疏水整理，制得化學(xué)防護(hù)復(fù)合面料。

熱壓復(fù)合過程中，復(fù)合溫度對(duì)防護(hù)面料的力學(xué)性能和阻隔性能均有較大影響，是復(fù)合過程中的關(guān)鍵工藝參數(shù)。本試驗(yàn)將熱壓復(fù)合溫度設(shè)置在115℃～155℃，以研究復(fù)合溫度對(duì)防護(hù)面料綜合性能的影響；壓力設(shè)置0.5 MPa，熱壓時(shí)間設(shè)置30 s；完成熱壓復(fù)合后在室溫環(huán)境放置24 h。

表面疏水整理工藝中，將AC?FAS調(diào)配為質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%、3%、5%的乙醇溶液，對(duì)復(fù)合面料進(jìn)行“浸?軋?預(yù)烘?焙烘”疏水處理，預(yù)烘溫度60℃，時(shí)間30 min；焙烘溫度90℃，時(shí)間2 min。

2.2 測(cè)試

利用美國(guó)英斯特朗公司的5969型電子萬能拉伸試驗(yàn)儀，按照GB/T 3923.1—2013《紡織品織物拉伸性能第1部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定（條樣法）》，對(duì)錦綸織物以及多層復(fù)合面料進(jìn)行拉伸斷裂強(qiáng)力測(cè)試；按照GB/T 2791—1995《膠粘劑T剝離強(qiáng)度試驗(yàn)方法撓性材料對(duì)撓性材料》，對(duì)“承力層/阻隔層”界面進(jìn)行剝離強(qiáng)度測(cè)試。

利用濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司的W?3031型水蒸氣透過率測(cè)試儀，根據(jù)GB/T 1037—1988《塑料薄膜和片材透水蒸氣性試驗(yàn)方法杯式法》，對(duì)阻隔膜和多層復(fù)合面料進(jìn)行透濕性能測(cè)試。利用濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司的Basic 201型壓差法氣體滲透儀，根據(jù)GB/T 1038—2000《塑料薄膜和薄片氣體透過性試驗(yàn)方法壓差法》，對(duì)阻隔膜和多層復(fù)合面料進(jìn)行透氣性能測(cè)試。

利用溫州市大榮紡織儀器有限公司的YG（B）812D?20型數(shù)字式滲水性測(cè)定儀，根據(jù)FZ/T 01004—2008《涂層織物 抗?jié)B水性的測(cè)定》，對(duì)多層復(fù)合面料進(jìn)行抗?jié)B水性能測(cè)試。

利用德國(guó)Dataphysics公司的OCA15EC型接觸角測(cè)量?jī)x，根據(jù)GB/T 30447—2013《納米薄膜接觸角測(cè)量方法》，對(duì)復(fù)合面料外側(cè)表面的水靜態(tài)接觸角進(jìn)行測(cè)試。

根據(jù)GB 24540—2009《防護(hù)服裝 酸堿類化學(xué)品防護(hù)服》化學(xué)品滲透時(shí)間指示劑測(cè)試法，對(duì)復(fù)合面料進(jìn)行化學(xué)品滲透時(shí)間測(cè)試。

3 工藝優(yōu)化

3.1 材料優(yōu)選

3.1.1 阻隔層

滲透物分子通過致密膜中的自由體積——聚合物分子熱運(yùn)動(dòng)引起的聚合物鏈間的微小空間發(fā)生滲透，需要繞過晶區(qū)，從非晶區(qū)通過［13］。膜的厚度越大，滲透物小分子在膜材料中的滲透路徑越長(zhǎng)，且越復(fù)雜，使得滲透物分子擴(kuò)散的難度越大，阻隔能力越好。但是，阻隔膜越厚，對(duì)復(fù)合面料造成的重量負(fù)荷也會(huì)越大。

本研究選3種不同規(guī)格的PVDC阻隔膜，依次記為PVDC 1#、PVDC 2#和PVDC 3#，厚度依次為15μm、20μm和70μm，單位面積質(zhì)量依次為20 g/m2、35 g/m2和65 g/m2。測(cè)得3種規(guī)格的PVDC阻隔膜氧氣透過量（壓力0.1 MPa條件下）依 次 為47.68 cm3/（m2·24 h）、33.80 cm3/（m2·24 h）和23.04 cm3/（m2·24 h）；水蒸氣透過量依 次 為6.86 g/（m2·24 h）、3.78 g/（m2·24 h）和1.79 g/（m2·24 h）。

可以看出，PVDC 1#的厚度和單位面積質(zhì)量最小，氧氣透過量和水蒸氣透過量最大，即阻隔性能較差。PVDC 2#的厚度和單位面積質(zhì)量都稍大于PVDC 1#，其阻隔能力也優(yōu)于PVDC 1#。PVDC 3#的厚度最大，氧氣和水蒸氣的透過量也最低，表明阻隔性能最好。綜合考慮，PVDC 2#厚度適中，阻隔能力較好，因此將其作為化學(xué)防護(hù)復(fù)合面料的阻隔層。

3.1.2 承力層

相同條件下，織物所用紗線的線密度越大，紗線的強(qiáng)力越高，織物的強(qiáng)力也越高。紗線線密度的增加，會(huì)導(dǎo)致織物的單位面積質(zhì)量提高。因此，需要綜合考慮紗線線密度對(duì)織物強(qiáng)力和單位面積質(zhì)量的影響。本研究選3種不同規(guī)格的錦綸織物，依次記為PA 1#、PA 2#和PA 3#，長(zhǎng)絲細(xì)度依次為4.44 tex、11.1 tex和23.3 tex，單位面積質(zhì)量依次為65 g/m2、78 g/m2、134 g/m2。3種織物經(jīng)向斷裂強(qiáng)力依次為557 N、891 N和1 451 N，緯向斷裂強(qiáng)力依次為371 N、448 N和1 346 N。

可以看出，織物所用紗線線密度越大，斷裂強(qiáng)力越大。其中，PA 1#錦綸織物單位面積質(zhì)量低，同時(shí)，斷裂強(qiáng)力也較低。PA 3#錦綸織物經(jīng)向、緯向斷裂強(qiáng)力分別為1 451 N和1 346 N。雖然PA 3#錦綸織物強(qiáng)力很高，但面料單位面積質(zhì)量達(dá)134 g/m2，較為厚重。PA 2#錦綸織物經(jīng)向、緯向斷裂強(qiáng)力分別為891 N和448 N，能夠滿足試驗(yàn)設(shè)計(jì)的強(qiáng)力要求，且織物單位面積質(zhì)量為78 g/m2，質(zhì)量適中。所以，本試驗(yàn)選擇PA 2#錦綸織物作為化學(xué)防護(hù)復(fù)合面料的承力層，既能保證復(fù)合面料具有足夠的強(qiáng)力，又可以合理降低復(fù)合面料的質(zhì)量，達(dá)到輕質(zhì)的效果。

3.1.3 保護(hù)層和黏接層

保護(hù)層選用22.2 dtex錦綸織物作為復(fù)合面料的保護(hù)層材料，單位面積質(zhì)量24 g/m2。黏合層選用厚度80μm的TPU熱熔膠膜作為膠黏劑。

3.2 制備工藝優(yōu)化

對(duì)115℃、125℃、135℃、145℃和155℃復(fù)合溫度下制得的復(fù)合面料的阻隔層與承力層界面剝離強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖1所示。可以看出，隨著熱壓溫度的增加，黏合界面的剝離強(qiáng)度增加，表明界面黏合性能提高。這是由于越高的溫度能夠使熱熔膠分子鏈獲得更充分的交聯(lián)、伸展。另外，在黏接過程中會(huì)產(chǎn)生小分子物質(zhì)，若這些小分子存留在黏接界面中會(huì)形成缺陷，較高的溫度有利于這些小分子揮發(fā)，從而提高界面間的剝離強(qiáng)度。

圖1 不同溫度熱壓復(fù)合界面剝離強(qiáng)度

對(duì)115℃、125℃、135℃、145℃和155℃復(fù)合溫度下制得的復(fù)合面料斷裂強(qiáng)力進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯觯S著熱壓溫度的增加，復(fù)合面料經(jīng)向、緯向斷裂強(qiáng)力增加，經(jīng)向、緯向斷裂強(qiáng)力都在145℃時(shí)達(dá)到最高。隨著溫度的進(jìn)一步增加，復(fù)合面料的斷裂強(qiáng)力下降。這是因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi)，溫度越高，膠膜的融化程度越高。在壓力作用下，能夠與織物達(dá)到更充分的接觸，更好地填補(bǔ)面料內(nèi)部的孔隙，增強(qiáng)了纖維之間的抱合力。并且，適當(dāng)溫度的熱處理使織物發(fā)生輕微的收縮，織物單位面積質(zhì)量和厚度均會(huì)增加，從而使得面料的強(qiáng)力提高。但是，隨著溫度的進(jìn)一步升高，纖維的收縮程度也越大，造成纖維內(nèi)部應(yīng)力松弛。同時(shí)，纖維無定形區(qū)分子鏈熱運(yùn)動(dòng)能提高，降低了纖維原本具有的取向，導(dǎo)致纖維的斷裂強(qiáng)力下降［14］。因此，復(fù)合面料的強(qiáng)力在145℃之后呈下降趨勢(shì)。

圖2 不同溫度熱壓復(fù)合面料斷裂強(qiáng)力

對(duì)115℃、125℃、135℃、145℃和155℃復(fù)合溫度下制得復(fù)合面料的阻隔性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，隨著復(fù)合溫度的增加，復(fù)合面料的氧氣透過量和水蒸氣透過量均逐漸降低，表明阻隔性能提高。隨著溫度的進(jìn)一步增加，當(dāng)溫度超過135℃時(shí)，復(fù)合面料的氧氣透過量呈上升趨勢(shì)，表明面料的阻氧性能下降；當(dāng)溫度超過145℃時(shí)，復(fù)合面料的水蒸氣透過量呈上升趨勢(shì)，表明面料的阻濕性能下降。這是因?yàn)?，一定溫度的熱處理可以增加聚合物材料分子鏈的運(yùn)動(dòng)幾率，一方面使分子鏈排列更加緊密，另一方面促使有缺陷的分子鏈段形成二次結(jié)晶，進(jìn)一步提高材料的結(jié)晶度［15］。由于滲透物的小分子無法從阻隔材料的晶區(qū)通過，只能繞過晶區(qū)從非晶區(qū)通過，因此熱處理會(huì)提高聚合物膜的阻隔性能。當(dāng)溫度進(jìn)一步升高，會(huì)破壞聚合物的分子結(jié)構(gòu)，或使材料表面出現(xiàn)裂紋等缺陷，導(dǎo)致氧氣、水蒸氣分子更容易透過，從而降低材料的阻隔性能。

圖3 不同溫度熱壓復(fù)合面料阻隔性能

綜合考慮熱壓溫度對(duì)復(fù)合面料力學(xué)性能、界面黏接性能和阻隔性能的影響，將熱壓溫度設(shè)定為135℃較為合適。

3.3 表面疏水整理工藝優(yōu)化

未做疏水處理的復(fù)合面料表面靜態(tài)水接觸角為89.6°，而采用質(zhì)量濃度1%、3%和5%的AC?FAS的乙醇溶液處理后面料的功能層靜態(tài)水接觸角測(cè)試結(jié)果依次為132.9°、136.8°和136.6°，均具有較好的疏水性，表明AC?FAS是良好的織物疏水整理劑。其中，采用質(zhì)量百分濃度為3%的AC?FAS乙醇溶液處理后獲得的疏水效果最佳，且能有效節(jié)約成本。

4 復(fù)合面料防護(hù)性能測(cè)試

以35 g/m2PVDC阻隔膜作為阻隔層、以78 g/m2錦綸織物作為承力層、以24 g/m2錦綸織物作為保護(hù)層，在熱壓溫度135℃、熱壓時(shí)間30 s、壓力0.5 MPa的條件下制得隔絕式化學(xué)防護(hù)復(fù)合面料，分別進(jìn)行耐靜水壓性和化學(xué)品滲透時(shí)間測(cè)試。

4.1 耐靜水壓性能

對(duì)上述工藝下制得的隔絕式化學(xué)防護(hù)復(fù)合面料進(jìn)行耐靜水壓測(cè)試。材料在60 kPa的靜水壓下能夠保持超過20 min不出現(xiàn)滲水情況，具備良好的耐靜水壓能力。

4.2 化學(xué)品滲透時(shí)間

化學(xué)試劑滲透時(shí)間是表征化學(xué)防護(hù)面料性能的重要參數(shù)［16］。對(duì)上述工藝下制得的隔絕式化學(xué)防護(hù)復(fù)合面料進(jìn)行化學(xué)品滲透性能測(cè)試，測(cè)試試劑包括質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%硫酸溶液、30%鹽酸溶液、40%氫氧化鈉溶液和40%氫氧化鉀溶液，測(cè)得穿透時(shí)間均大于480 min。表明化學(xué)防護(hù)復(fù)合面料對(duì)酸堿類化學(xué)品具有良好的防護(hù)能力，達(dá)到3級(jí)防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)（240 min以上）。

5 結(jié)語

針對(duì)氣密型化學(xué)防護(hù)面料防護(hù)性能與單位面積質(zhì)量之間的矛盾問題，對(duì)化學(xué)防護(hù)多層復(fù)合面料進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料優(yōu)選和復(fù)合工藝優(yōu)化。通過熱壓復(fù)合工藝，選用35 g/m2PVDC阻隔膜作為阻隔層、78 g/m2錦綸織物作為承力層、24 g/m2錦綸織物作為保護(hù)層、熱壓溫度135℃制得的化學(xué)防護(hù)復(fù)合面料單位面積質(zhì)量342 g/m2，經(jīng)向斷裂強(qiáng)力1 418 N，緯向斷裂強(qiáng)力1 214 N，對(duì)常用酸堿試劑的防護(hù)時(shí)間均大于480 min。在保證防護(hù)面料高阻隔性能的同時(shí)，有效降低了復(fù)合面料單位面積質(zhì)量，提高了產(chǎn)品在使用和運(yùn)輸過程中的便捷性，且能夠滿足多種環(huán)境中的化學(xué)防護(hù)需求。