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轻薄型抗菌阻燃织物的开发

2020/11/09

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1 研发背景
随着科学技术的不断发展,近年来各种突发性自然灾害和事故给人身安全和财产带来了不可估量的损失,使得人们对安全防护用纺织品的要求越来越高。安全防护用纺织品的发展呈现出了新的时代特征,具体表现为科技含量更高、应用领域更广、穿着舒适性更好,且多种防护功能集于一体[1]。由于人体大量出汗,使传统的阻燃面料服装在使用过程中易产生异味,滋生细菌。为此,我们尝试开发轻薄型抗菌阻燃安全防护面料,在体现安全防护功能的同时,消除服装的异味,防止细菌的滋生,保证安全防护服穿着时的舒适与健康。
 
实现面料的抗菌阻燃功能主要有两种方式,一种是经后整理加工,其优点是工艺流程短、功能性助剂种类多、应用范围广,缺点是面料的耐洗涤性差,化学试剂的大量使用会对环境造成污染;另一种是从纤维材料本身入手,通过使用具有抗菌阻燃功能的纤维,开发功能性面料,但该类研究并不多[2]。瞿才新等采用芳砜纶/粘胶、桑皮/涤纶以及涤纶低弹丝开发了具有阻燃功能的童装面料[3];张圣忠等将具有阻燃和抑菌功能的PTT 短纤维与芳砜纶纤维进行混纺,开发了功能性防护面料[4];杜衍涛将芳纶和壳聚糖进行混纺,开发的面料经多次洗涤,其抑菌率仍较高,阻燃效果也较好[5]。总体而言,目前的抗菌阻燃面料开发普遍存在成本高、抗菌阻燃功能不稳定且不耐洗涤等难题,应用领域有待扩大。我们通过测试几组纤维混和样的阻燃性能,得出了较佳的混纺纱纤维混纺比,并开发了几种低成本、功能持久的轻薄型抗菌阻燃防护面料,具体开发过程介绍如下。
 
2 纤维混和样的阻燃性测试
2.1 试验原料、仪器与测试标准
纤维原料有抗菌涤纶、抗菌粘胶、腈氯纶、芳纶1414、阻燃粘胶,规格均为1.65 dtex×38 mm。
试验仪器为YSZ-Ⅰ型全自动极限氧指数测定仪。参考标准为GB/T 5454—1997《纺织品 燃烧性能试验氧指数法》。
2.2 试验方案及结果分析
参照GB/T 5454—1997《纺织品 燃烧性能试验 氧指数法》,将纤维原料经人工梳理、混和、加捻等制成辫状纤维束。将制好的纤维混和样品夹于样品夹上,从纤维束顶部点燃,使用YSZ-Ⅰ型全自动极限氧指数测定仪测定预混和纤维样的阻燃性能,当纤维混和样的LOI>28%时,认为其阻燃性能良好[6]。
试验设计了两组,采用抗菌涤纶的为A 组,采用抗菌粘胶的为B 组。为了保证织物的抗菌性能和织物的热稳定性,A 组的抗菌涤纶和B 组的抗菌粘胶比例均为25%;两组芳纶1414 的比例均为5%。阻燃粘胶含量为0、10%、20%、30%、40%、50%、60%,对应的腈氯纶含量依次为70%、60%、50%、40%、30%、20%、10%,A 组的试样LOI 测试结果依次为26.4%、28.1%、30.2%、30.8%、30.6%、30.8%、30.8%。
由以上测试结果可知,对于A 组,腈氯纶含量为70%时,试样LOI 仅为26.4%,这是由于腈氯纶含量较高造成的;腈氯纶的阻燃机理是在燃烧过程中通过释放自由基,阻断燃烧链,达到阻燃效果;腈氯纶含量过高时,试样燃烧残留物形成的碳层蓬松,导致阻燃性能下降[7]。当阻燃粘胶含量在30%时,试样LOI 最高,达到了30.8%;此时,各种阻燃纤维间呈现正向协同效应;抗菌涤纶在燃烧时,熔融物质脱落可带走部分热量;由于凝聚相阻燃类纤维阻燃粘胶的存在,纤维在燃烧时受热收缩形变,将不同位置的纤维残炭黏合在一起,形成交联复杂的网状连片残炭。同时,阻燃粘胶受热收缩、软化的特性改善了凝聚相涤纶和腈氯纶造成的“灯芯”效应,进一步提高了残炭致密程度。当继续增加阻燃粘胶含量时,燃烧残留物的致密程度并未改变,故纤维混和样的LOI 趋于稳定。
阻燃粘胶含量为0、10%、20%、30%、40%、50%、60%时,对应的腈氯纶含量依次为70%、60%、50%、40%、30%、20%、10%,B 组的试样LOI 值测试结果依次为25.2%、26.1%、29.3%、30.5%、31.8%、30.6%、30.1%。
由以上测试结果可知,当阻燃粘胶的含量在40%时,纤维混和样的LOI 最高,达到了31.8%;当阻燃粘胶含量较低时,腈氯纶含量较高,易造成阴燃现象,导致纤维混和样LOI 较低。添加阻燃粘胶后,阻燃粘胶阻燃机理属于凝聚相阻燃,其受热收缩,燃烧残留物形成的炭层较致密,该炭层既能阻止纤维进一步热解,又能阻止其内部的热分解产物参与燃烧过程,故试样LOI 最高;随着阻燃粘胶含量的增加,腈氯纶含量减少,由于非阻燃抗菌粘胶的存在,腈氯纶与非阻燃纤维间的正向协同效应不明显,导致纤维混和样LOI偏低。
3 纱线性能和织物规格
3.1 纱线性能测试
根据纤维混和样LOI 的测试结果,确定混纺纱最佳混纺比为腈氯纶/阻燃粘胶/抗菌涤纶/芳纶1414 40/30/25/5 和阻燃粘胶/腈氯纶/抗菌粘胶/芳纶1414 40/30/25/5。按照纤维最佳配比方案,纺制了4 种规格的纱线。鉴于纱线的力学性能关系到织造难度和织物的各种性能,采用YG063Q 型全自动单纱强力仪测试纱线的力学性能。试验条件:拉伸速度500 mm/min,预加张力16.9 cN,测试次数2 管×25 次,取平均值。具体纱线性能指标见表1。其中,编号1 和2 为抗菌涤纶混纺纱,编号3 和编号4 为抗菌粘胶混纺纱
由表1 可知,当抗菌纤维为抗菌粘胶时,即编号3 和4 的单纱断裂强度、断裂伸长率和断裂功均较小,因此在整经工序和织造工序,张力应偏小控制,避免过多的断头,以保证织机效率和坯布质量。
表1 单纱力学性能测试结果
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3.2 织物规格
采用上述4 种规格的纱线织造了4 块织物样,织物组织均为平纹组织。编号1、2、3、4 纱线对应织物编号1#、2#、3#、4#织物。试织物基本规格见表2。
 
表2 织物基本规格
 
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4 织物性能测试结果及分析
4.1 力学性能和抗菌性能测试结果及分析
成品织物洗涤50 次后,按照GB/T 3923.1—2013《纺织品 织物拉伸性能 第1 部分:断裂强力和断裂伸长率的测定(样条法)》和GB/T 3917.3—2009《纺织品 织物撕破性能 第3 部分:梯形试样撕破强力的测定》测试其力学性能。抗菌性能按照GB/T 20944.3—2008《纺织品 抗菌性能的评价 第3 部分:振荡法》测试。织物的力学性能和抗菌性能测试结果见表3。
由表3 可知,织物的力学性能和抗菌性能均能满足相应标准指标。其中,抗菌纤维为抗菌粘胶时,即织物3#和4#对白色念珠菌的抑菌率高达92%,抗菌效果优异。
 
4.2 阻燃性能测试结果及分析
按照GB 8965.1—2009《防护服装 阻燃防护第1 部分:阻燃服》要求,织物洗涤50 次后,采用垂直燃烧法测试其阻燃性能,测试结果见表4。
表3 织物的力学性能和抗菌性能测试结果
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表4 织物的阻燃性能测试结果
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由表4 可知,当抗菌纤维基体不同时,织物的阻燃性能差异较大。当抗菌纤维采用涤纶基时,织物的损毁长度较大,2#织物损毁长度更是大于100 mm;抗菌纤维选用粘胶基时,织物的阻燃性能更优异。其原因是涤纶基纤维和腈氯纶混配时,抗菌涤纶在燃烧时熔融滴落与其他纤维形成“灯芯”效应,虽然加入了凝固相阻燃类纤维,但是燃烧残留物不够紧密,并没有阻断燃烧;而抗菌纤维选用粘胶基纤维时,粘胶基纤维同属于纤维素纤维,属于凝固相阻燃类纤维,其燃烧残留物能够形成致密的炭层,导致燃烧停止,阻燃性能较好。这也与前文纤维混和样LOI 的测试结果相一致。因此,在今后相关产品研发中,可以通过测试纤维混和样的LOI,预测相应织物的阻燃性能,这将有助于缩短阻燃织物的开发周期和开发成本。
 
5 结论
(1)当采用抗菌涤纶,阻燃粘胶含量为30%时,纤维混和样的LOI 最大,达到了30.8%;当采用抗菌粘胶,阻燃粘胶含量为40%时,纤维混和样的LOI 最大,达到了31.8%;选用抗菌粘胶时纤维混和样的LOI 更高。
(2)采用混和样的最佳混纺比进行纺纱织造,4 种织物的抗菌性能均较优越,对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和白色念珠菌的抑菌率均在90%以上;采用垂直燃烧法表征织物的阻燃性能,结果表明,抗菌粘胶织物的阻燃性能更好;同时,纤维混和样的LOI 越高,对应织物的阻燃性越好。
(3)开发的织物单位面积质量最轻为150 g/m2;该织物抗菌性和阻燃性能均较好,符合相关标准要求,属于轻薄型安全防护面料,可广泛应用于工业、医用和航天等领域。

 


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