舒適阻燃防電弧面料的設計及性能測試

孫凱飛 樊爭科 林 娜 侯曉鵬 馬建超

（陜西元豐紡織技術研究有限公司，陜西西安，710038）

1 研發背景

隨著紡織技術的不斷發展，市場上出現了越來越多的防電弧面料，其主要有后整理阻燃型和本質阻燃型兩大類［1］。本質阻燃型產品具有的性能優勢較明顯，因此逐漸替代了后整理阻燃型產品。本質阻燃防電弧產品常用的纖維有腈氯綸、阻燃粘膠、芳綸等，聚酰亞胺、寶德綸、芳砜綸、PBO 等高性能阻燃纖維也有應用［2-4］。

DL/T 320—2010《個人電弧防護用品通用技術要求》規定了防電弧的等級、織物單位面積質量及指標要求，對電弧量級值（Arc Thermal Performance Value，ATPV值）及材料破裂閾能值（Material Breakopen Threshold Energy，Ebt值）均有明確規定，并要求需同時滿足這兩個指標，對產品阻燃性能只考核續燃時間和損毀長度，對陰燃時間無強制要求。美標NFPA 70E—2018《工作場所電氣安全標準》是針對暴露于瞬間電弧和有關熱力傷害中的電器工人，制定的防護服標準，規定了4 個級別的電弧傷害邊界［5］。ATPV值反映面料的強力作用大于熱防護性能，當已達到產生二級燒傷的熱能量時，面料沒有破裂。Ebt值則反映的是熱防護性能優于面料強力，當未達到造成二級燒傷的熱能量時，面料出現破裂。兩個指標中取較小的作為報告值。同時標準中對陰燃時間未作規定。

上述國標與美標均未對阻燃的陰燃指標、舒適性指標作出要求?；谑袌鲂枨?，防電弧面料的研發也朝著防護及舒適的方向發展，為此我們公司研發了一系列舒適阻燃防電弧面料，可滿足DL/T 320—2010、NFPA 70E—2018、NFPA 2112—2018《工業防火服阻燃性能測試標準》和GB 8965.1—2009《防護服裝 阻燃防護 第1 部分阻燃服》等標準的相關要求。

舒適性包括接觸舒適性、熱濕舒適性及運動舒適性。接觸舒適性材料可采用回潮率高的舒適性纖維制成；紡紗工藝通過控制成紗毛羽，降低毛羽的剛性，一方面增強面料舒適性，另一方面改善面料的起毛起球性能；后整理可以通過吸濕排汗整理、柔軟整理等提升服用舒適性。熱濕舒適性方面，可選擇透濕透氣的熱防護面料及高透濕膜；組織結構上，可以采用雙層或多層結構［6-7］；單位面積質量設計方面，需減輕質量，提升防電弧性能，即保證輕質高效的同時提升服用舒適性；電力行業的防電弧服材料在不降低防電弧性能的條件下減輕質量，是技術研發的重點［8-10］。運動舒適性方面，可采用彈性纖維，以增強運動的舒適性及靈活性［11-12］。

2 產品規格

我們以阻燃粘膠為主體纖維，混入腈氯綸、芳綸、聚酰亞胺等多種纖維以提高面料功能性。為了提高面料的舒適性，有兩個試樣的緯紗采用了混紡紗與氨綸長絲組成的包纏紗。

試樣一：阻燃粘膠、腈氯綸、芳綸和導電纖維混紡紗織成的單位面積質量235 g/m2的織物。經、緯紗均為阻燃粘膠/腈氯綸/芳綸1313/芳綸1414/導電纖維35/33/25/5/2 21 tex×2 股線，經密283 根/10 cm，緯密216 根/10 cm，織物組織為二上一下右斜紋。

試樣二：阻燃粘膠、芳綸和導電纖維混紡紗織成的單位面積質量235 g/m2的織物。經、緯紗均為阻燃粘膠/芳綸1313/芳綸1414/導電纖維55/33/10/2 21 tex×2 股線，經密283 根/10 cm，緯密216 根/10 cm，織物組織為二上一下右斜紋。

試樣三：阻燃粘膠、芳綸和導電纖維混紡紗織成的單位面積質量230 g/m2的緯向彈力織物。經紗為阻燃粘膠/芳綸1313/芳綸1414/導電纖維55/33/10/2 13 tex×2 股線，緯紗為該股線與44.4 dtex 氨綸長絲包纏紗，經密394 根/10 cm，緯密385 根/10 cm，織物組織為接結雙層組織。

試樣四：阻燃粘膠、聚酰亞胺、芳綸和導電纖維混紡紗織成單位面積質量230 g/m2的緯向彈力織物。經紗為阻燃粘膠/芳綸1313/聚酰亞胺/導 電 纖 維55/35/8/2 13 tex×2 股 線，緯 紗為該股線與44.4 dtex 氨綸長絲包纏紗，經密394 根/10 cm，緯密385 根/10 cm，織物組織為接結雙層組織。

4 種試樣采用基本相同的生產工藝，對成品進行相關性能測試。

3 產品性能測試結果

根據GB/T 3923.2《紡織品 織物拉伸性能第2 部分：斷裂強力測定 抓樣法》測試斷裂強力；根據GB/T 3917.3《紡織品 織物撕破性能 第3 部分：梯形試樣撕破強力的測定》測試撕破強力；根據GB/T 5455《紡織品 燃燒性能試驗 垂直法》測試阻燃性能；根據GA 10—2014《消防員滅火防護服 附錄B》測試260 ℃熱穩定性；根據ASTM F1959《服裝面料電弧熱防護性能值測試方法》測試ATPV值及Ebt值。測試結果及標準要求見表1。其中，標準指DL/T 320—2010 的要求。此外，各試樣的經、緯向續燃時間均為0 s，小于標準要求的不大于2 s。

表1 4 種試樣性能測試結果及標準要求

對4 種試樣進行舒適性測試，包括透氣性、透濕性及刺癢感等。透氣率根據GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》測試；透濕量根據GB/T 12704.1—2009《紡織品 織物透濕性試驗方法 第1 部分 吸濕法》測試；刺癢度根據FZ/T 30004—2009《苧麻織物刺癢感測定方法》測試；緯向彈性伸長率根據ASTM D 2594《低彈織物彈性回復性能測試方法》測試。測試結果見表2。

表2 4 種試樣舒適性能指標測試結果

4 測試結果分析

4.1 斷裂強力

根據表1 的數據可以看出：4 種試樣的抓樣法斷裂強力均能滿足標準要求，且遠大于標準要求。單層與雙層織物相比，斷裂強力略低，這主要是因為雙層織物的經、緯密增加（經密由單層的283 根/10 cm 增加到雙層的394 根/10 cm，緯密由單層的216 根/10 cm 增加到雙層的385 根/10 cm），經、緯紗交織次數也增加，雖然紗線由21 tex×2 股線減小到13 tex×2，但兩者綜合之后，總體斷裂強力還是略高。

4.2 撕破強力

從表1 數據可以看出，4 種試樣的梯形撕破強力數據均滿足標準要求。對比雙層織物與單層織物數據可以看出：雙層織物的經、緯向撕破強力明顯高于單層織物的。這是因為：梯形撕破中出現的受力三角形主要是紗線的伸直和變形產生的，與單層織物相比，相同單位面積質量下，雙層織物經、緯密度大，引起受力紗線根數較多，受力三角形較大，因此撕破強力較高。

4.3 阻燃性能

阻燃性能指標中，試樣一雖然滿足DL/T 320—2010，但其陰燃時間大于2 s，不符合GB 8965.1—2009 的阻燃性能要求，且損毀長度大于其他試樣。這主要是因為試樣中加入了腈氯綸，其雖與棉、粘膠等纖維混紡時手感舒適，而且成本較低，難燃且無熔滴現象，但會出現陰燃現象。試樣一不僅出現了陰燃現象，而且損毀長度與其他試樣比相對較大，經向損毀長度達到了75 mm，緯向損毀長度達到了70 mm；試樣二與試樣三原材料成分及比例一致，阻燃指標相差不大；與其他試樣相比，試樣四損毀長度最小，主要是因為混紡材料中具有耐高溫、低導熱的聚酰亞胺纖維。

4.4 熱穩定性能

對比260 ℃熱穩定性能指標發現，4 種試樣均符合標準要求，且指標數據均較小，說明4 種試樣熱穩定性較好。分析原因：主要是材料中加入了一定比例的芳綸，不僅使織物的強力增加，而且起到了耐熱收縮的作用，試樣四加入的聚酰亞胺纖維也起到了提升織物熱穩定性的作用，熱穩定性最好。試樣一中含有較多的腈氯綸，故而熱穩定性較差。

4.5 電弧防護性能

防電弧面料重點是考察其電弧防護性能指標，即ATPV值和Ebt值。通常狀態下，當外界入射能量小于ATPV值時，面料能有效阻隔和減少透過的能量，避免造成人體二級及以上的灼傷。Ebt是指進行電弧防護性能測試時，入射到材料上產生破洞超過1.6 cm2或單個長度大于2.5 cm 的破洞的能量。ATPV值、Ebt值越大，說明防電弧性能越好，分為4 個級別。

4 種試樣的檢測結果顯示：4 種試樣均達到了二級防電弧面料的要求；其中，試樣三的ATPV值及Ebt值最大，說明試樣三的防電弧性能最好。分析原因：首先與試樣三的原材料有關，試樣三為阻燃粘膠、芳綸和導電纖維的混紡面料，芳綸的加入影響了材料的Ebt值，阻燃粘膠的加入不僅提升了面料的阻燃性能，而且改善了面料的舒適性；其次，防電弧性能指標與面料的組織結構有關，同種材料的雙層面料防電弧性能高于單層面料。這是因為雙層組織結構一方面引入了空氣層結構，空氣具有很低的導熱率，延長了傳導熱的時間，另一方面增加了織物的厚度，更有利于抵擋電弧產生的能量。試樣三與試樣四相比，電弧防護性能更為優異，主要是因為試樣四中加入的聚酰亞胺纖維強度較低，影響了Ebt值，ATPV值變化不大。

4.6 舒適性能

材料的舒適性指標有透氣率、透濕量、刺癢度及彈性伸長率等。從表2 數據可以看出，雙層面料透氣率明顯優于單層面料，是單層面料透氣率的近5 倍。這是因為雙層面料有表里層結構，兩層結構均不致密，緊度也不大，交織點的空隙遠多于單層織物。由表2 數據還可以看出，織物組織結構發生變化，透濕量也隨之變化，但差異不大?？傮w來說，雙層織物的透濕量大于單層織物；這是因為相同單位面積質量的面料，雙層織物的空隙率大于單層織物，單位時間透過單位面積水蒸氣質量增多，透濕量大，舒適度提高?？椢锏拇贪W感決定了接觸舒適性的好壞，其主要依賴于織物突出的毛羽及其力學性能。當材料相同或相當時，刺癢度與織物的結構有關。表2 測試數據也說明，雙層織物的刺癢度較小，舒適性優于單層織物。

彈性織物因其伸縮性及舒適合體等性能已成為服裝面料的主流產品，彈性伸長率反映了運動舒適性的好壞，是彈性織物最主要的功能性指標。面料彈性伸長率越大，彈性越好，其運動越舒適。表2 的試驗結果顯示，試樣一和試樣二無彈性，試樣三和試樣四的緯向具有一定彈性，彈性伸長率均小于20%。這是因為試樣三和試樣四的緯紗中加入了氨綸彈力絲，屬于單向彈力織物，因此其面料制成服裝后舒適性良好，運動靈活，便于舒展。

5 結論

通過測試和對比4 種試樣的功能性指標及舒適性指標可知，試樣三和試樣四可以滿足DL/T 320-2010 所有要求。開發舒適阻燃防電弧面料，面料規格設計非常重要，為了達到良好的功能性，所用原料及混紡比例非常關鍵，根據電弧防護要求合理配置混紡比例，可以兼顧功能性和成本，尤其是加入一定量的聚酰亞胺有助于面料電弧防護性能的提高，但其強度較低。與單層組織結構相比，雙層組織結構更有利于提高面料的電弧防護性能和舒適性。彈力纖維的加入有利于提高面料的舒適性。