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            輕薄型抗菌阻燃織物的開發

            2020/11/09

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            1 研發背景
            隨著科學技術的不斷發展,近年來各種突發性自然災害和事故給人身安全和財產帶來了不可估量的損失,使得人們對安全防護用紡織品的要求越來越高。安全防護用紡織品的發展呈現出了新的時代特征,具體表現為科技含量更高、應用領域更廣、穿著舒適性更好,且多種防護功能集于一體[1]。由于人體大量出汗,使傳統的阻燃面料服裝在使用過程中易產生異味,滋生細菌。為此,我們嘗試開發輕薄型抗菌阻燃安全防護面料,在體現安全防護功能的同時,消除服裝的異味,防止細菌的滋生,保證安全防護服穿著時的舒適與健康。
             
            實現面料的抗菌阻燃功能主要有兩種方式,一種是經后整理加工,其優點是工藝流程短、功能性助劑種類多、應用范圍廣,缺點是面料的耐洗滌性差,化學試劑的大量使用會對環境造成污染;另一種是從纖維材料本身入手,通過使用具有抗菌阻燃功能的纖維,開發功能性面料,但該類研究并不多[2]。瞿才新等采用芳砜綸/粘膠、桑皮/滌綸以及滌綸低彈絲開發了具有阻燃功能的童裝面料[3];張圣忠等將具有阻燃和抑菌功能的PTT 短纖維與芳砜綸纖維進行混紡,開發了功能性防護面料[4];杜衍濤將芳綸和殼聚糖進行混紡,開發的面料經多次洗滌,其抑菌率仍較高,阻燃效果也較好[5]??傮w而言,目前的抗菌阻燃面料開發普遍存在成本高、抗菌阻燃功能不穩定且不耐洗滌等難題,應用領域有待擴大。我們通過測試幾組纖維混和樣的阻燃性能,得出了較佳的混紡紗纖維混紡比,并開發了幾種低成本、功能持久的輕薄型抗菌阻燃防護面料,具體開發過程介紹如下。
             
            2 纖維混和樣的阻燃性測試
            2.1 試驗原料、儀器與測試標準
            纖維原料有抗菌滌綸、抗菌粘膠、腈氯綸、芳綸1414、阻燃粘膠,規格均為1.65 dtex×38 mm。
            試驗儀器為YSZ-Ⅰ型全自動極限氧指數測定儀。參考標準為GB/T 5454—1997《紡織品 燃燒性能試驗氧指數法》。
            2.2 試驗方案及結果分析
            參照GB/T 5454—1997《紡織品 燃燒性能試驗 氧指數法》,將纖維原料經人工梳理、混和、加捻等制成辮狀纖維束。將制好的纖維混和樣品夾于樣品夾上,從纖維束頂部點燃,使用YSZ-Ⅰ型全自動極限氧指數測定儀測定預混和纖維樣的阻燃性能,當纖維混和樣的LOI>28%時,認為其阻燃性能良好[6]。
            試驗設計了兩組,采用抗菌滌綸的為A 組,采用抗菌粘膠的為B 組。為了保證織物的抗菌性能和織物的熱穩定性,A 組的抗菌滌綸和B 組的抗菌粘膠比例均為25%;兩組芳綸1414 的比例均為5%。阻燃粘膠含量為0、10%、20%、30%、40%、50%、60%,對應的腈氯綸含量依次為70%、60%、50%、40%、30%、20%、10%,A 組的試樣LOI 測試結果依次為26.4%、28.1%、30.2%、30.8%、30.6%、30.8%、30.8%。
            由以上測試結果可知,對于A 組,腈氯綸含量為70%時,試樣LOI 僅為26.4%,這是由于腈氯綸含量較高造成的;腈氯綸的阻燃機理是在燃燒過程中通過釋放自由基,阻斷燃燒鏈,達到阻燃效果;腈氯綸含量過高時,試樣燃燒殘留物形成的碳層蓬松,導致阻燃性能下降[7]。當阻燃粘膠含量在30%時,試樣LOI 最高,達到了30.8%;此時,各種阻燃纖維間呈現正向協同效應;抗菌滌綸在燃燒時,熔融物質脫落可帶走部分熱量;由于凝聚相阻燃類纖維阻燃粘膠的存在,纖維在燃燒時受熱收縮形變,將不同位置的纖維殘炭黏合在一起,形成交聯復雜的網狀連片殘炭。同時,阻燃粘膠受熱收縮、軟化的特性改善了凝聚相滌綸和腈氯綸造成的“燈芯”效應,進一步提高了殘炭致密程度。當繼續增加阻燃粘膠含量時,燃燒殘留物的致密程度并未改變,故纖維混和樣的LOI 趨于穩定。
            阻燃粘膠含量為0、10%、20%、30%、40%、50%、60%時,對應的腈氯綸含量依次為70%、60%、50%、40%、30%、20%、10%,B 組的試樣LOI 值測試結果依次為25.2%、26.1%、29.3%、30.5%、31.8%、30.6%、30.1%。
            由以上測試結果可知,當阻燃粘膠的含量在40%時,纖維混和樣的LOI 最高,達到了31.8%;當阻燃粘膠含量較低時,腈氯綸含量較高,易造成陰燃現象,導致纖維混和樣LOI 較低。添加阻燃粘膠后,阻燃粘膠阻燃機理屬于凝聚相阻燃,其受熱收縮,燃燒殘留物形成的炭層較致密,該炭層既能阻止纖維進一步熱解,又能阻止其內部的熱分解產物參與燃燒過程,故試樣LOI 最高;隨著阻燃粘膠含量的增加,腈氯綸含量減少,由于非阻燃抗菌粘膠的存在,腈氯綸與非阻燃纖維間的正向協同效應不明顯,導致纖維混和樣LOI偏低。
            3 紗線性能和織物規格
            3.1 紗線性能測試
            根據纖維混和樣LOI 的測試結果,確定混紡紗最佳混紡比為腈氯綸/阻燃粘膠/抗菌滌綸/芳綸1414 40/30/25/5 和阻燃粘膠/腈氯綸/抗菌粘膠/芳綸1414 40/30/25/5。按照纖維最佳配比方案,紡制了4 種規格的紗線。鑒于紗線的力學性能關系到織造難度和織物的各種性能,采用YG063Q 型全自動單紗強力儀測試紗線的力學性能。試驗條件:拉伸速度500 mm/min,預加張力16.9 cN,測試次數2 管×25 次,取平均值。具體紗線性能指標見表1。其中,編號1 和2 為抗菌滌綸混紡紗,編號3 和編號4 為抗菌粘膠混紡紗
            由表1 可知,當抗菌纖維為抗菌粘膠時,即編號3 和4 的單紗斷裂強度、斷裂伸長率和斷裂功均較小,因此在整經工序和織造工序,張力應偏小控制,避免過多的斷頭,以保證織機效率和坯布質量。
            表1 單紗力學性能測試結果
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            3.2 織物規格
            采用上述4 種規格的紗線織造了4 塊織物樣,織物組織均為平紋組織。編號1、2、3、4 紗線對應織物編號1#、2#、3#、4#織物。試織物基本規格見表2。
             
            表2 織物基本規格
             
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            4 織物性能測試結果及分析
            4.1 力學性能和抗菌性能測試結果及分析
            成品織物洗滌50 次后,按照GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能 第1 部分:斷裂強力和斷裂伸長率的測定(樣條法)》和GB/T 3917.3—2009《紡織品 織物撕破性能 第3 部分:梯形試樣撕破強力的測定》測試其力學性能??咕阅馨凑誈B/T 20944.3—2008《紡織品 抗菌性能的評價 第3 部分:振蕩法》測試??椢锏牧W性能和抗菌性能測試結果見表3。
            由表3 可知,織物的力學性能和抗菌性能均能滿足相應標準指標。其中,抗菌纖維為抗菌粘膠時,即織物3#和4#對白色念珠菌的抑菌率高達92%,抗菌效果優異。
             
            4.2 阻燃性能測試結果及分析
            按照GB 8965.1—2009《防護服裝 阻燃防護第1 部分:阻燃服》要求,織物洗滌50 次后,采用垂直燃燒法測試其阻燃性能,測試結果見表4。
            表3 織物的力學性能和抗菌性能測試結果
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            表4 織物的阻燃性能測試結果
            pagenumber_ebook=45,pagenumber_book=40
            由表4 可知,當抗菌纖維基體不同時,織物的阻燃性能差異較大。當抗菌纖維采用滌綸基時,織物的損毀長度較大,2#織物損毀長度更是大于100 mm;抗菌纖維選用粘膠基時,織物的阻燃性能更優異。其原因是滌綸基纖維和腈氯綸混配時,抗菌滌綸在燃燒時熔融滴落與其他纖維形成“燈芯”效應,雖然加入了凝固相阻燃類纖維,但是燃燒殘留物不夠緊密,并沒有阻斷燃燒;而抗菌纖維選用粘膠基纖維時,粘膠基纖維同屬于纖維素纖維,屬于凝固相阻燃類纖維,其燃燒殘留物能夠形成致密的炭層,導致燃燒停止,阻燃性能較好。這也與前文纖維混和樣LOI 的測試結果相一致。因此,在今后相關產品研發中,可以通過測試纖維混和樣的LOI,預測相應織物的阻燃性能,這將有助于縮短阻燃織物的開發周期和開發成本。
             
            5 結論
            (1)當采用抗菌滌綸,阻燃粘膠含量為30%時,纖維混和樣的LOI 最大,達到了30.8%;當采用抗菌粘膠,阻燃粘膠含量為40%時,纖維混和樣的LOI 最大,達到了31.8%;選用抗菌粘膠時纖維混和樣的LOI 更高。
            (2)采用混和樣的最佳混紡比進行紡紗織造,4 種織物的抗菌性能均較優越,對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和白色念珠菌的抑菌率均在90%以上;采用垂直燃燒法表征織物的阻燃性能,結果表明,抗菌粘膠織物的阻燃性能更好;同時,纖維混和樣的LOI 越高,對應織物的阻燃性越好。
            (3)開發的織物單位面積質量最輕為150 g/m2;該織物抗菌性和阻燃性能均較好,符合相關標準要求,屬于輕薄型安全防護面料,可廣泛應用于工業、醫用和航天等領域。

             


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