組織結(jié)構(gòu)對不銹鋼纖維/棉混紡織物阻燃性能的影響研究

嚴(yán)濤海

(閩江學(xué)院福建省新型功能紡織纖維與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建福州 350108)

電焊行業(yè)在現(xiàn)代工業(yè)中具有重要地位，由于該職業(yè)的危險(xiǎn)性，在進(jìn)行電焊作業(yè)時(shí)電焊工人需要穿著有阻燃性能的面料制成防護(hù)服，來最大程度地抵御電焊作業(yè)時(shí)飛濺物對人體的傷害，保護(hù)其免受火焰灼燒或是陰燃傷害。 目前市面上的焊接服面料耐高溫性普遍不能完全保護(hù)電焊工作的作業(yè)安全，因此急需開發(fā)新型面向電焊工人作業(yè)環(huán)境的防燒焊飛濺物面料。 不銹鋼纖維作為常見的金屬纖維，具有良好的導(dǎo)電性以及耐高溫、耐腐蝕等特點(diǎn)，在氧化條件下工作環(huán)境溫度可高達(dá)600 ℃[1]。 由于人們對紡織品功能的要求不斷提高，各類功能性紡織品的需求也在不斷增加，因此，市場對不銹鋼纖維織物的需求也在不斷地向多元化發(fā)展。 阻燃改性方法根據(jù)阻燃劑的加入方式不同可以分為共聚法、共混法、復(fù)合紡絲法、表面接枝法以及后整理法[2]，本文采用后整理法對織物的阻燃性能進(jìn)行優(yōu)化。

金艷萍等人探討了織物結(jié)構(gòu)參數(shù)與織物服用性能之間的關(guān)系[3]，研究結(jié)果表明織物的面密度與阻燃性能之間存在線性的正向關(guān)系。 Ozcan 等人采用垂直燃燒法對由4 種不同混紡比例原料制成的棉/針織物的坯布進(jìn)行阻燃性能測試[4]，結(jié)果表明織物的單位面積質(zhì)量對阻燃性能有較大影響。楊文芳等人以極限氧指數(shù)作為指標(biāo)，探究紗線結(jié)構(gòu)、織物結(jié)構(gòu)與阻燃性性能的關(guān)系[5]，王增喜等人也研究了織物的不同組織結(jié)構(gòu)對其阻燃性能的影響[6]。 考慮到焊接服的具體應(yīng)用場景，對于原料種類的不同、織物厚度、織物密度、織物阻燃性能都有較大的區(qū)別，本文重點(diǎn)研究組織結(jié)構(gòu)對織物舒適性及阻燃性能的影響，因此本課題以不銹鋼棉混紡紗為原料，以常見的平紋、斜紋、緞紋組織機(jī)織物為試驗(yàn)樣本，從其組織系數(shù)、織物密度、單位面積質(zhì)量及厚度等方面進(jìn)行相應(yīng)研究，而后再通過對阻燃性、舒適性等性能的檢測來探討織物結(jié)構(gòu)對不銹鋼混紡織物性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料與設(shè)備

320 T/M 不銹鋼纖維/棉混紡紗中不銹鋼纖維比例為20 %購于福建東龍針紡有限公司，紗線基本參數(shù)為捻度320 T/M，線密度166.334 tex，平均斷裂強(qiáng)度1.63 cN/dtex。 磷氮系阻燃處理劑阻燃整理劑購于江西百川防火技術(shù)咨詢有限公司。 溫州大榮紡織儀器有限公司自動(dòng)織物硬挺度試驗(yàn)儀YG022、數(shù)字式織物厚度儀YG141D、織物起毛起球儀YG502、織物透氣性測試儀YG461x、織物透濕量儀YG216－H、縷紗測長機(jī)YG086c，INSTRON 萬能材料試驗(yàn)機(jī)3365，溫州方圓儀器有限公司織物阻燃性能測試儀YG815Alll，佛山喜強(qiáng)金屬制造有限公司立式小軋車P－A0。

1.2 面料的制備

為了更好地研究組織結(jié)構(gòu)對于織物的性能影響，在三原組織的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)浮長分別為1、3、4 的1/1 平紋組織、3/3 斜紋組織和5/3 緯面緞紋組織三種織物組織類別。 樣品幅寬設(shè)計(jì)為25 cm，考慮到樣品布邊在織造過程中會出現(xiàn)脫線等現(xiàn)象，因此實(shí)際織造時(shí)按27 cm 的幅寬進(jìn)行織造。 按照實(shí)際幅寬與設(shè)計(jì)經(jīng)緯密計(jì)算，并考慮到穿綜過程中的經(jīng)紗損耗，得出總經(jīng)紗根數(shù)為600 根，選擇以110 筘號的筘齒，每個(gè)筘齒內(nèi)穿2 根經(jīng)紗的方法進(jìn)行織造，采用SGA－598 型全自動(dòng)劍桿織樣機(jī)織造試樣。采用浸漬法對樣品進(jìn)行阻燃改性處理，將磷氮系列綠色環(huán)保高效阻燃劑與水按照1 ∶1比例調(diào)配好置入容器中，再將試樣完全浸入浸軋液中，確保試樣充分吸收浸軋液。 浸泡1 h 后將試樣取出，再使用立式小軋車擠壓去除試樣表面多余的浸軋液，帶液率92.20 %，再將試樣放置平臺上晾至半干，隨后使用電熱鼓風(fēng)干燥箱以80 ℃的溫度將試樣烘干，賦予織物阻燃性能。

1.3 測試

參考按照GB/T 3923.1－2013?紡織品織物拉伸性能第1 部分:斷強(qiáng)力和斷伸長率的測定(條樣法)?測試織物斷裂強(qiáng)力，參照GB/T 18318.1－2009?紡織品彎曲性能的測定第1 部分:斜面法?測試織物硬挺度，參照GB/T 4802.1—2008?紡織品織物起毛起球性能的測定第1 部分:圓軌跡法?測試織物耐磨性，參照GB/T 5453—1997?紡織品織物透氣性的測定?測試織物透氣性能，按照GB/T 12704.1—2009?紡織品織物透濕性試驗(yàn)方法?測試織物透濕性能，本次測試按照GA10－2014 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)附錄B 方法進(jìn)行測試熱收縮性，參照標(biāo)準(zhǔn)GB 8965.1－2020?防護(hù)服裝阻燃防護(hù)第1 部分:阻燃服?測試面料阻燃性能。

2 數(shù)據(jù)及分析

2.1 織物結(jié)構(gòu)參數(shù)測試與計(jì)算

2.1.1 織物組織系數(shù)計(jì)算

組織系數(shù)是一種反映織物組織松緊程度的指標(biāo)，其值較大，表明織物組織緊度較低，反之，其值較低，表明織物組織緊度較高。 計(jì)算組織系數(shù)公式如公式(1)和公式(2)所示:

式中:Rj?Rw——織物循環(huán)的經(jīng)緯紗根數(shù)；tj?tw——織物循環(huán)內(nèi)所有經(jīng)緯紗的交錯(cuò)次數(shù)。

計(jì)算結(jié)果見表2。

2.1.2 織物單位質(zhì)量測試

織物單位質(zhì)量也稱為織物的克重，單位為g/m2。 本次測試參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T4669－2008?紡織品機(jī)織物單位長度質(zhì)量和單位面積質(zhì)量的測定?。 測試結(jié)果見表2。

2.1.3 織物厚度測試

紡織品厚度是指對紡織品施加規(guī)定壓力的兩參考版間的垂直距離。 本次測試按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3820?紡織品和紡織制品厚度的測定?進(jìn)行測試。經(jīng)測量記錄數(shù)據(jù)后通過計(jì)算獲得織物的平均厚度。測試結(jié)果見表1。

表1 織物厚度測試數(shù)據(jù)

2.1.4 織物織縮率計(jì)算

本課題設(shè)計(jì)的織物密度為220×152 根/10 cm，由于織物按照設(shè)計(jì)的經(jīng)緯密參數(shù)上機(jī)織造的過程中存在織縮率，因此下機(jī)后織物的實(shí)際經(jīng)緯密參數(shù)會發(fā)生變化。 織縮率常用的測定方法是取一定長規(guī)格的織物試樣，先量取織物上經(jīng)紗與緯紗的長度，再從織物經(jīng)緯向最邊緣分別拆出經(jīng)、緯紗線并將拆取下的經(jīng)緯紗線拉直后量取長度，最后通過公式(3)計(jì)算求得經(jīng)紗織縮率，通過公式(4)計(jì)算求得緯紗織縮率。 求出織縮率后即可通過公式(5)求出織物的下機(jī)經(jīng)緯密。

式中:a——經(jīng)紗織縮率；L1——拉直后(即原來的)經(jīng)紗長度；L2——布樣的經(jīng)紗長度；

式中:b——緯紗織縮率；L3——拉直后的緯紗長度；L4——布樣的緯紗長度。

式中:ρ——下機(jī)經(jīng)緯密，根/10 cm；ρj——坯布經(jīng)密，根/10 cm；c——織縮率，%。

計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 織物結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 織物透氣性

透氣性是指在織物兩側(cè)設(shè)置一定氣壓差后測試空氣對織物的滲透性。 將試樣夾持在試樣圓臺上，采用20 cm2的試樣圓臺進(jìn)行測試，設(shè)置織物兩側(cè)的氣壓差為100 Pa，啟動(dòng)機(jī)器后待壓力逐漸降低至規(guī)定值并達(dá)到穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)。 測試結(jié)果見表3。

表3 織物透氣性數(shù)據(jù)

織物組織結(jié)構(gòu)是影響織物透氣性的重要因素?？椢锏慕?jīng)緯線交織次數(shù)越多，織物緊密度就越大，相應(yīng)的紗線間孔隙就越小，所以空氣透過織物的速率也就越小。

從測試結(jié)果得出三種組織中5/3 緯面緞紋織物的透氣性能最好，3/3 斜紋織物的透氣性次之，1/1 平紋織物的透氣性最差。 可以得出三種組織結(jié)構(gòu)的織物的透氣性關(guān)系為:5/3 緯面緞紋織物>3/3 斜紋織物>1/1 平紋織物。 這是因?yàn)槿N織物組織結(jié)構(gòu)的經(jīng)緯紗交織規(guī)律不同，1/1 平紋織物的經(jīng)緯紗線每隔1 根就交錯(cuò)1 次，3/3 斜紋的經(jīng)緯紗線每隔3 根就交錯(cuò)1 次，而5/3 緯面緞紋的經(jīng)緯紗線每隔4 根交錯(cuò)4 次。 其中1/1 平紋組織的經(jīng)緯線交織次數(shù)較其他兩種組織結(jié)構(gòu)的織物都要多，其紗線間孔隙較小，透氣性也較小。

2.3 織物透濕性

透濕率是指在一定的溫濕度條件下，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)垂直通過單位面積試樣的水分質(zhì)量。 根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算試驗(yàn)透濕度率，計(jì)算公式如公式(6)所示:

式中:WVT——透濕率，g/(m2?24h)；Δm——同一試驗(yàn)組合體兩次稱量之差，g；Δm’——空白試樣的同一試驗(yàn)組合體兩次稱量之差，g；(不做空白試驗(yàn)時(shí)，Δm’＝0。)A——有效試驗(yàn)面積，m2；t——試驗(yàn)時(shí)間，h。

測試結(jié)果見表4。

表4 織物透濕性數(shù)據(jù)

織物的厚度是影響織物透濕性的因素之一。織物厚度越大，水分在纖維之間的孔隙中流動(dòng)所需的時(shí)間也會增加，在相同時(shí)間內(nèi)通過厚度大的織物的水汽量就會減少，織物的透濕性也就越小。 此外織物的緊度也會對織物的透氣性能產(chǎn)生影響，通常情況下織物結(jié)構(gòu)越緊密，水汽越難透過織物，織物透濕性就越小。

從測試結(jié)果得出三種組織結(jié)構(gòu)織物的透濕性關(guān)系為:5/3 緯面緞紋織物>3/3 斜紋織物>1/1 平紋織物。 從表2－7 可知，1/1 平紋織物的平均厚度最大，則在相同的溫度和濕度條件下，水汽通過1/1平紋織物間的孔隙所走路徑就越長，在相同時(shí)間內(nèi)，透過織物的水汽較少；而5/3 緯面緞紋織物的平均厚度最小，因此其透濕性相較其他兩種組織織物最高。 另外1/1 平紋織物的紗線交織點(diǎn)較其他兩種組織織物都要多，其織物緊度要大于其他兩種組織，其抗?jié)B水性能越好，故1/1 平紋織物的透濕性相較最小。

2.4 織物硬挺度

每種試樣經(jīng)向緯向各取一次規(guī)格為2.5 cm×25 cm 的試樣，將試樣在YG(B)022E 型全自動(dòng)織物硬挺度儀上并設(shè)置角度為41.5°，試樣壓板推進(jìn)速度為0.4 cm/s 進(jìn)行硬挺度測試。 可根據(jù)測試結(jié)果計(jì)算彎曲長度、抗彎剛度與抗彎模量來作為織物硬挺度的指標(biāo)。 計(jì)算公式如公式(7)、公式(8)所示:

式中: L—彎曲長度， mm； D—抗彎剛度，N?mm2；

式中: E—抗彎彈性模量；δ—織物厚度，0.01 mm；D—抗彎剛度，N?mm2。

測試結(jié)果見表5。

表5 織物硬挺度數(shù)據(jù)

織物的彎曲長度越大說明織物硬挺度越好，織物越不易彎曲，反之織物越容易彎曲，硬挺度較小?？椢锏目箯潉偠仍酱螅f明織物越剛硬，織物硬挺度越好。 具有較高的抗彎彈性模量的纖維具有更高的剛性以及越不容易發(fā)生彎曲變形。

從測試結(jié)果得出三種組織結(jié)構(gòu)織物的硬挺度關(guān)系為:1/1 平紋織物>3/3 斜紋織物>5/3 緯面緞紋織物。 這是因?yàn)榭箯潉偠入S織物厚度而變化，由表1 可知三種組織結(jié)構(gòu)織物的厚度關(guān)系為:1/1 平紋織物>3/3 斜紋織物>5/3 緯面緞紋織物。 1/1 平紋組織平均厚度最大，因此其抗彎剛度也越大，織物硬挺度越大；相反地，5/3 緯面緞紋組織平均厚度最小，因此其抗彎剛度也越小，硬挺度越低。

另外從測試結(jié)果可以看出，1/1 平紋與3/3 斜紋的經(jīng)向彎曲長度、抗彎剛度與抗彎模量都比緯向數(shù)值要大，這是因?yàn)?/1 平紋組織與3/3 斜紋組織都屬于經(jīng)向組織，其經(jīng)組織點(diǎn)多于緯組織點(diǎn)，因此織物經(jīng)向密度要大于緯向密度，所以其經(jīng)向硬挺度要優(yōu)于緯向硬挺度。 同理，5/3 緯面緞紋組織由于是緯面織物，其緯組織點(diǎn)要多于經(jīng)組織點(diǎn)，其織物緯向密度要大于經(jīng)向密度，所以5/3 緯面緞紋組織的緯向彎曲長度、抗彎剛度與抗彎模量數(shù)值要大于經(jīng)向，織物緯向硬挺度要優(yōu)于經(jīng)向硬挺度。

2.5 織物阻燃性能

每種組織結(jié)構(gòu)的樣品分別量取尺寸為300 mm×80 mm 的試樣，用試樣夾將試樣固定，將試樣對樣品分別進(jìn)行測試，將試樣觀察樣品的阻燃性能，當(dāng)陰燃時(shí)間越小、續(xù)燃時(shí)間越小、損毀長度越短，織物的阻燃性能越好。 測試結(jié)果見表6。

表6 織物阻燃性測試數(shù)據(jù)

將測試結(jié)果與表5 阻燃服阻燃性能標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)對比得出三種組織的阻燃性能都符合標(biāo)準(zhǔn)，得出三種組織結(jié)構(gòu)織物的阻燃性能關(guān)系為:5/3 緯面緞紋織物>3/3 斜紋織物>1/1 平紋織物。 其中5/3 緯面緞紋織物的阻燃性能最好，而1/1 平紋織物中經(jīng)向織物的阻燃性要優(yōu)于緯向織物的阻燃性，3/3 斜紋織物和5/3 緯面緞紋織物中經(jīng)向織物的阻燃性與緯向織物的阻燃性無明顯差別。

3 結(jié)論

本文以經(jīng)過并線加捻技術(shù)制成的320 T/M 不銹鋼棉混紡紗作為原料，設(shè)計(jì)了三種不同織物結(jié)構(gòu)參數(shù)的基本織物組織，運(yùn)用機(jī)織方法進(jìn)行織造不銹鋼混紡織物，并運(yùn)用浸漬法對織物進(jìn)行阻燃改性處理，賦予織物更好的阻燃性能，分析了織物組織結(jié)構(gòu)對面料舒適性及阻燃性的影響。 在織物透氣性和透濕性測試中發(fā)現(xiàn)這兩種性能和織物的組織結(jié)構(gòu)和織物厚度之間存在一定規(guī)律，即織物結(jié)構(gòu)越緊密、厚度越大，織物的透氣透濕性能越差。 3 組試樣中阻燃性能最好的織物組織結(jié)構(gòu)為5/3 緯面緞紋，其經(jīng)向密度為218.55 根/10 cm，緯向密度為147.622 根/10 cm，平均厚度為1.41 mm，單位面積質(zhì)量為701.83 g /m2。