迷彩面料室內(nèi)加速老化過程及其性能變化

夏兆鵬,潘佳俊,張海寶,盧佳浩,胡高強(qiáng)

(1.青海省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗檢測院,西寧 810001; 2.天津工業(yè)大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院,天津 300387)

防護(hù)用紡織品涉及生產(chǎn)生活中的方方面面,大到航天服、防彈衣、作訓(xùn)服等特種防護(hù)服,小到日常生活用防護(hù)紡織品,但紡織品在使用過程中不可避免的會受到周圍環(huán)境影響而發(fā)生老化,這對防護(hù)用紡織品的性能提出了更高的要求[1-3]。防護(hù)用紡織品發(fā)生老化的原因可以分為人為因素和外界因素,人為因素包括存放條件和日常洗滌,外界因素中紫外線輻射和溫度的作用尤為強(qiáng)烈[4]。

青藏高原地理位置屬于中低緯度,并且太陽高度角高、空氣稀薄、大氣干燥、多晴天等,這些綜合因素導(dǎo)致了青藏高原地區(qū)的晝夜溫差較大,太陽輻射遠(yuǎn)高于其他地區(qū)[5-7]。目前對防護(hù)用紡織品老化方面的研究大多針對于常規(guī)且單一的大氣環(huán)境,在青藏高原這種緯度高、紫外線輻照時間長且強(qiáng)度高、晝夜溫差大等特殊大氣環(huán)境下,紫外輻照度和溫度對防護(hù)用紡織品的破壞存在交互影響,然而針對兩者耦合破壞作用的相關(guān)研究較少[8-9]。因此,目前紫外輻照和溫度對防護(hù)用紡織品的耦合破壞機(jī)理尚不明確。防護(hù)服作為保護(hù)生命安全的重要保障,如果由于長時間紫外線照射和溫度的共同作用導(dǎo)致性能下降或消失,在面對危險時將嚴(yán)重威脅到使用人員的生命安全。

本文利用自主研制的紫外-溫度老化裝置進(jìn)行防護(hù)用紡織品的室內(nèi)人工加速老化試驗。根據(jù)青藏高原地區(qū)的3個典型城市西寧、格爾木、日喀則一年內(nèi)的月平均溫度及紫外線輻照量共設(shè)計3組對照試驗,對迷彩面料室內(nèi)加速老化前后的微觀形態(tài)、力學(xué)性能、熱學(xué)性能、化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,研究紫外-溫度耦合作用對防護(hù)用紡織品性能的影響。

1 實 驗

1.1 實驗原料

平紋迷彩色面料通過市場采購獲得,包含18.3%棉纖維、17.2%維綸和64.5%聚酯纖維,其經(jīng)密為187 根/(5 cm),緯密為124 根/(5 cm),厚度為0.4132 mm,平方米質(zhì)量為278 g/m2。

1.2 表面形貌觀察

采用荷蘭Phenom-World公司生產(chǎn)的Phenom XL臺式掃描電鏡來觀測老化后纖維表面的變化。

1.3 傅里葉變換紅外光譜分析

采用賽默飛世爾科技公司的紅外光譜儀(Nicolet iS50),記錄樣品在400～4000 cm-1之間的紅外光譜,分辨率優(yōu)于0.09 cm-1。

1.4 熱重分析

采用TGA-601熱重分析儀,在氮氣氣體流量為20 mL/min的條件下進(jìn)行試驗。在20 ℃/min的加熱速率下,探索溫度區(qū)間為50～700 ℃,記錄質(zhì)量損失的溫度依賴性(TG),測定質(zhì)量損失與溫度的一階微分曲線(DTG)。分解溫度(Td)在DTG峰的最大值處測量,根據(jù)DTG曲線顯示的峰面積計算質(zhì)量損失[10]。樣品(約25 mg)取自室內(nèi)外老化各階段的織物上,放入儀器并準(zhǔn)確稱重。

1.5 差示掃描量熱分析

采用DSC-600差示掃描量熱儀,該儀器使用高純度氮氣以120 mL/min的流速吹掃樣品室進(jìn)行完全校準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)DSC測試在30～300 ℃溫度范圍內(nèi)以10 ℃/min的升溫速率進(jìn)行,從室內(nèi)外老化各階段的每種織物上剪取約15 mg樣品剪碎放在坩堝中,將坩堝置于爐體中的試樣托盤上。

1.6 室內(nèi)加速老化試驗

本文利用自主研制的紫外-溫度老化裝置進(jìn)行防護(hù)用紡織品的室內(nèi)人工加速老化試驗[11],裝置如圖1所示。根據(jù)西寧、格爾木、日喀則3個地方一年內(nèi)的月平均溫度及紫外線輻照量共設(shè)計了3組對照試驗,分別為第一組低溫、低輻照度(-10 ℃、300 W/m2);第二組常溫、中等輻照度(10 ℃、400 W/m2);第三組高溫、高輻照度(30 ℃、600 W/m2),每組試驗的老化時間梯度為1、3、5、7 h,共4個周期,每次試驗放一塊樣品,加速老化時待設(shè)定溫度穩(wěn)定后再調(diào)節(jié)輻照量使其達(dá)到設(shè)定值,當(dāng)達(dá)到老化時間后關(guān)閉儀器,待樣品冷卻至室溫時取回樣品,測試、分析室內(nèi)人工加速老化后樣品性能的變化。

圖1 室內(nèi)人工加速老化箱Fig.1 Indoor artificial accelerated aging device

1.7 斷裂強(qiáng)力測試

本斷裂強(qiáng)力測試依據(jù)GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能 第1部分:斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測定(條樣法)》,采用YG026MD電子織物強(qiáng)力機(jī),將在恒溫恒濕室中調(diào)濕24 h后的老化樣品分經(jīng)緯向裁剪成200 mm×50 mm大小,然后分別測試面料的斷裂強(qiáng)力,每個方向上測試5個樣品取其平均值。測試時,夾持器拉伸速度為300 mm/min,預(yù)加張力為2 N。

1.8 頂破強(qiáng)力測試

頂破強(qiáng)力測試依據(jù)GB/T 19976—2005《紡織品 頂破強(qiáng)力的測定 鋼球法》國家標(biāo)準(zhǔn),采用YG028萬能材料試驗機(jī),測試經(jīng)調(diào)溫調(diào)濕后樣品的頂破強(qiáng)力。測試時,樣品的面積大小為15.9 cm2,頂破速度為300 mm/min,預(yù)加張力為0 N,共測試5組取其平均值。

1.9 撕破強(qiáng)力測試

撕破強(qiáng)力測試依據(jù)GB/T 3917.2—2009《紡織品 織物撕破性能 第2部分:褲形試樣(單縫)撕破強(qiáng)力的測定》,采用YG026MD電子織物強(qiáng)力機(jī),斷裂強(qiáng)力測試和撕破強(qiáng)力測試使用的是同一臺儀器,只是測試所需的配件不同。測試前,將樣品在恒溫恒濕室中調(diào)濕24 h,測試時儀器的拉伸速度為100 mm/min,預(yù)加張力為0 N,峰值幅度為20%,織物的經(jīng)緯方向上各取5個樣品測試。撕破強(qiáng)力的測試結(jié)果按計算方法的不同可分為人工計算和電子計算,人工計算是將撕破強(qiáng)力的強(qiáng)力-伸長曲線上的峰形等分成4個區(qū)域,第一區(qū)域舍去不用,在剩余3個區(qū)域的每個區(qū)域內(nèi)各選擇兩個最高的峰和兩個最低的峰,最后計算3個區(qū)域內(nèi)共12個峰值的算術(shù)平均值,稱為十二區(qū)峰值;電子計算是計算3個區(qū)域內(nèi)所有峰值的算數(shù)平均值,也稱為三區(qū)峰值[12]。

2 結(jié)果與分析

2.1 老化后迷彩面料的表面形貌

長時間的老化會導(dǎo)致纖維結(jié)構(gòu)的損傷,而纖維作為織物的基本組成單元,其結(jié)構(gòu)的劣化會導(dǎo)致織物性能的下降。室內(nèi)環(huán)境加速老化前后迷彩面料表面SEM照片如圖2所示,圖中織物內(nèi)部呈扁平轉(zhuǎn)曲帶狀結(jié)構(gòu)的是棉纖維,滌綸纖維呈規(guī)則圓柱形,色澤度較好,纖維束排列整齊。當(dāng)?shù)谝唤M室內(nèi)環(huán)境下加速3 h后,觀察到棉纖維轉(zhuǎn)曲處開始出現(xiàn)褶皺,隨著老化時間的增加,轉(zhuǎn)曲處出現(xiàn)變形,當(dāng)老化7 h時已嚴(yán)重變形,同時纖維表面失去光澤;滌綸纖維表面出現(xiàn)凹陷,織物力學(xué)性能受損。在第二組加速老化條件下也觀察到棉纖維轉(zhuǎn)曲結(jié)構(gòu)的變形,而且在老化7 h時,觀察到部分滌綸纖維局部出現(xiàn)了劈裂現(xiàn)象,這表明此時纖維結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞。當(dāng)?shù)谌M室內(nèi)環(huán)境下加速老化1 h時,觀察到滌綸纖維表面出現(xiàn)裂口,且隨著老化時間的增加,裂口逐漸增大,到老化5 h時已出現(xiàn)明顯裂縫,當(dāng)老化7 h時,甚至可以觀察到部分纖維出現(xiàn)了斷口,表面變得非常暗淡,此刻纖維已變得非常脆弱,力學(xué)性能損失嚴(yán)重。因此,在紫外-溫度耦合作用下溫度越高且輻照度越強(qiáng),對纖維的損傷越劇烈。

圖2 室內(nèi)環(huán)境加速老化后迷彩面料表面SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM images of the camouflage fabric surface after indoor accelerated aging

2.2 老化后迷彩面料紅外光譜分析

圖3 室內(nèi)加速老化后迷彩面料的FTIR曲線Fig.3 FTIR curves of the camouflage fabric after indoor accelerated aging

2.3 老化對迷彩面料熱穩(wěn)定性的影響

2.3.1 熱重分析

圖4顯示了迷彩面料在不同加速老化條件下的TG和DTG曲線。從圖4可以看出,織物在達(dá)到最大熱分解溫度前DTG曲線上有一個小的肩峰,這是由于棉纖維的熱分解溫度要低于滌綸、維綸纖維,在達(dá)到織物的最大熱分解溫度前棉纖維就發(fā)生了熱分解[14]?？椢镂蠢匣瘯r,達(dá)到最大熱分解的溫度為415.91 ℃,在第三組室內(nèi)加速環(huán)境下老化7 h后,最大熱分解溫度降低到399.63 ℃,下降幅度較大?？椢镂蠢匣瘯r內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密,力學(xué)性能較好,隨著老化時間增加,織物結(jié)構(gòu)受損,更容易受到環(huán)境的影響,力學(xué)性能損傷程度也逐漸增大,這意味著紫外-溫度耦合作用對織物的力學(xué)性能具有顯著影響。

圖4 室內(nèi)加速老化后迷彩面料的TG/DTG曲線Fig.4 TG/DTG curves of the camouflage fabric after indoor accelerated aging

2.3.2 差示掃描量熱分析

第一、二、三組室內(nèi)人工加速環(huán)境下迷彩面料的DSC曲線如圖5所示。從圖5中看到隨著室內(nèi)加速環(huán)境中溫度和紫外輻照度的增加,纖維的熔融峰向低溫區(qū)移動,這表明纖維內(nèi)部非晶區(qū)無規(guī)則排列的分子鏈運動更加活躍,結(jié)晶區(qū)面積減少,纖維力學(xué)性能發(fā)生下降[15]。

圖5 室內(nèi)加速老化后迷彩面料的DSC曲線Fig.5 DSC curves of the camouflage fabric after indoor accelerated aging

織物的DSC曲線上顯示出兩個明顯的吸熱峰,第一個吸熱峰出現(xiàn)在230 ℃左右,表示的是織物內(nèi)部維倫纖維的熔融峰,峰值溫度隨著老化環(huán)境的劣化降低至227.6 ℃;第二個吸熱峰出現(xiàn)在260 ℃,對應(yīng)于滌綸片晶的熔化,未老化時滌綸纖維的熔融峰為259.2 ℃,老化后峰值溫度降低到256.1 ℃,老化可能會導(dǎo)致晶體內(nèi)某些交聯(lián)作用的破壞,結(jié)晶度下降[16]。這些結(jié)果表明紫外-溫度耦合作用下,溫度越高且輻照度越強(qiáng),對纖維結(jié)晶度的影響越大。

2.4 老化對迷彩面料力學(xué)性能的影響

室內(nèi)不同人工加速老化條件下迷彩面料的經(jīng)緯向斷裂強(qiáng)力如圖6所示。由圖6可知,織物的經(jīng)緯向斷裂強(qiáng)力隨著老化時間增加而下降。織物未老化時經(jīng)緯向斷裂強(qiáng)力分別為2024.42、1332.96 N,當(dāng)老化7 h時,第一組室內(nèi)加速條件下織物經(jīng)緯向斷裂強(qiáng)力分別下降了12.51%、11.58%;第二組室內(nèi)加速條件下織物經(jīng)緯向斷裂強(qiáng)力分別下降了17.82%、17.73%;第三組室內(nèi)加速條件下織物經(jīng)緯向斷裂強(qiáng)力分別下降了24.16%、26.87%。

在室內(nèi)加速老化過程中,織物受到熱和光的共同作用,內(nèi)部纖維分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,非晶區(qū)的化學(xué)鍵開始斷裂,且這種斷裂逐漸擴(kuò)展到結(jié)晶區(qū),結(jié)晶度下降,從而導(dǎo)致織物強(qiáng)力的下降[17]。

室內(nèi)不同人工加速老化條件下迷彩面料的頂破強(qiáng)力變化如圖7所示,由于不同組的紫外輻照度和溫度的變化,織物的頂破強(qiáng)力都呈現(xiàn)不同程度的下降?？椢镂蠢匣暗捻斊茝?qiáng)力為2388.12 N,第一、二、三組室內(nèi)加速老化環(huán)境下織物頂破強(qiáng)力分別下降了16.17%、18.07%、21.51%。

圖7 室內(nèi)加速老化后迷彩面料頂破強(qiáng)力Fig.7 Bursting strength of the camouflage fabric after indoor accelerated aging

室內(nèi)不同人工加速老化條件下迷彩面料的撕破強(qiáng)力變化如圖8所示。從圖8中可看出,三區(qū)峰值和十二區(qū)峰值撕破強(qiáng)力計算結(jié)果基本吻合,基于數(shù)據(jù)的精簡分析,故下面的討論中只考慮三區(qū)峰值計算結(jié)果。由圖8可知,織物未老化前經(jīng)緯向撕破強(qiáng)力分別為148.1 、128.96 N,撕破強(qiáng)力隨著老化時間的增加而下降,當(dāng)老化7 h時,第一組室內(nèi)加速老化環(huán)境下織物經(jīng)緯向撕破強(qiáng)力分別下降了11.04%、14.69%;第二組室內(nèi)加速老化環(huán)境下織物經(jīng)緯向撕破強(qiáng)力分別下降了24.77%、32.65%;第三組室內(nèi)加速老化環(huán)境下織物經(jīng)緯向撕破強(qiáng)力分別下降了40.43%、50.50%。這是由于撕裂破壞主要靠撕裂三角區(qū)域的局部應(yīng)力場作用,而從纖維形貌的電鏡圖中觀察到,老化后纖維束間變得疏松且纖維變脆,撕裂三角區(qū)域的局部應(yīng)力場作用減弱[18-19]。

圖8 室內(nèi)加速老化后迷彩面料撕破強(qiáng)力Fig.8 Warp/weft tear strength of the camouflage fabric after indoor accelerated aging

這些結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),紫外-溫度耦合作用對織物的力學(xué)性能具有顯著影響。當(dāng)溫度和輻照度均提高時,織物的損傷越嚴(yán)重,其力學(xué)性能下降越大,這意味著防護(hù)用紡織品在青藏高原環(huán)境中使用時更易老化失效。

3 結(jié) 論

文章通過不同室內(nèi)加速老化環(huán)境研究了迷彩面料室內(nèi)加速老化的過程。結(jié)果表明,老化后纖維表面變得粗糙不平且部分區(qū)域出現(xiàn)裂紋和裂縫。隨著室內(nèi)老化加速時間的增加,織物的力學(xué)性能大幅下降。老化后織物達(dá)到最大熱分解時的溫度及熔融溫度均向低溫區(qū)移動。最大熱分解溫度降低說明織物的熱穩(wěn)定性變差,更容易發(fā)生分解。熔融溫度降低表明纖維分子無定形區(qū)中無規(guī)則排列的分子鏈運動更加劇烈,使纖維內(nèi)部晶體熔融行為更快到來,導(dǎo)致了結(jié)晶度的下降?？椢锝?jīng)過老化后,吸收峰的位置和峰形基本沒有變化,沒有形成新的化學(xué)鍵,這表明老化過程中并沒有產(chǎn)生新的物質(zhì)。該基于紫外-溫度耦合作用的老化過程研究對青藏高原地區(qū)開發(fā)防護(hù)用紡織品具有重要意義。