PBO纤维间位芳纶混纺水刺非织造布的热防护性能

  纤维与间位芳纶的质量比分别为10/90、20/80 和 30/70。将制非织造布与市售常规芳纶隔热水刺非织造布(对位芳纶与间位芳纶质量比为20/80)进行性能测试对比,探究不同混纺比

  隔热层面料是消防员灭火防护服、隔热防护服等防护服组合产品中提供隔热保护的材料层,通常要求具有阻燃、耐高温、高隔热等功能特点。防护服隔热层面料多采用阻燃、耐高温的高性能纤维制备,目前市场上的隔热层面料主要为间位芳纶和对位芳纶混纺水刺非织造布。聚对苯撑苯并二噁唑 (PBO)纤维因具有阻燃、耐高温、高强、高模等优异特性,已成为潜在的开发隔热层面料的材料。目前, PBO纤维已在一些国家的防护服外层面料中得以开发应用,如日本小林防火服公司开发了基于PBO纤维的更轻薄的防灾服基布;韩国Shinkey公司制备的PBO消防服也已在市场上销售使用。我国PBO纤维也已完成了产业化开发,并实现了部分产品的产业化应用,但尚未出现在消防隔热层面料和消防服装领域的相关应用。基于此,本文进行PBO/间位芳纶混纺水刺非织造布产品的开发试验,并对制备的用作隔热层面料的PBO/间位芳纶混纺水刺非织造布进行性能测试与分析,以期探究PBO纤维在隔热层面料开发中的应用潜力。

  PBO 纤维是一种具有高力学性能和耐热性能 的纤维材料,其极限氧指数(LOI)高达 68%,在火焰中表现出如金属般无燃烧、无熔缩特性,属于不燃的有机纤维。PBO 纤维在空气中的耐热分解温度高达650℃ ,其在500℃及以上温度下的热失重率明显低于其他高性能有机纤维。此外,PBO纤维的热传导率高,达53W/(m·K) ,是铁热传导率的5倍,其断裂强度高达 37. 0cN/dtex,接近对位芳纶强度的2倍。PBO的化学结构式见图1。

  芳纶的综合性能优异 ,是高性能有机纤维领域市场应用最广泛的纤维品种。芳纶又分为间位芳纶(聚间苯二甲酰对苯二胺纤维,又称芳纶1313)和对位芳纶 (聚对苯二甲酰对苯二胺纤维,又称芳纶1414)2 种。间位芳纶的LOI为28%,其在闪火下具有缩胀碳化特性 , 因而具备优秀能力的热阻隔性能 ,且耐高温性能优良 ,热分解温度达 400 ℃ 。对位芳纶的 LOI 为 29% ,具有优良的耐火性能 ,其在火焰中不收缩或产生极小的收缩 ,热分解温度高达 550 ℃ 。芳纶纺织品的综合性能优异 ,在军警用和工业用阻燃热防护服领域被广泛应用。

  目前 ,市场上常用的隔热层面料多为对位芳纶/间位芳纶混纺水刺非织造布(对位芳纶与间位芳纶质量比为 20/80) ,采用这类隔热层面料制备的防护服能够基本满足消防服标准的性能要求。与对位芳纶相比,PBO 纤维的主要物理性能更优(表1)。为探究 PBO 纤维在隔热层面料开发中的性能表现,本文设计制备了 3 组不同混纺比的 PBO 纤维/间位芳纶混纺水刺非织造布,再将其分别作为灭火服组合的隔热层面料,制备不同的灭火服组合。PBO 纤维与间位芳纶的质量比分别为10/90、20/80和30/70,设计面密度均为(50±5)g/m2。试验用 PBO 纤维采用 ToyoboMC公司的 ZylonAS品牌纤维。

  对制备好的 PBO 纤维/间位芳纶混纺水刺非织造布及用其作为隔热层面料制备的灭火服组合进行热力学性能测试,并与市售常规芳纶隔热水刺非织造布(对位芳纶与间位芳纶质量比为 20/80)及用其作为隔热层面料制备的灭火服组合进行性能对比。按照 XF10—2014《消防员灭火防护服》规定要求,分别进行单层非织造布和灭火服组合性能测试,以探究不同混纺比 PBO 纤维/间位芳纶混纺水刺非织造布的性能和应用潜力。

  采用XF10—2014《消防员灭火防护服》标准中规定的热稳定性能测试方法,按附录B分别在(260±5) ℃ 和(300±5) ℃的温度条件下 ,测试 PBO纤维/间位芳纶混纺水刺非织造布和市售常规芳纶水刺非织造布试样的热稳定性能 ,测试结果如表 2 所示。

  由表2能够准确的看出 ,PBO纤维/间位芳纶混纺水刺非织造布和市售常规芳纶水刺非织造布试样受热后的尺寸变化率相差不大 ,均具备比较好的耐热性能。

  采用 XF 10—2014《 消防员灭火防护服》标准中规定的阻燃试验方法 ,根据 GB/T 5455—1997进行PBO纤维/间位芳纶混纺水刺非织造布和市售常规芳纶水刺非织造布试样的阻燃性能测试 ,测试如表3所示。

  由表 3 能够准确的看出,PBO纤维/间位芳纶混纺水刺非织造布和市售常规芳纶水刺非织造布试样的续燃时间均为 0s,市售常规芳纶水刺非织造布因含有20%的对位芳纶而具有3s的阴燃时间。损毁长度方面,PBO纤维/间位芳纶混纺水刺非织造布的损毁长度与市售常规芳纶水刺非织造布的相比明显减小,是因为PBO纤维具有耐火灼烧特性,燃烧12s后,仍就保持较高的强度。

  为探究 3 组不同混纺比 PBO 纤维/ 间位芳纶混纺水刺非织造布的热防护性能 ,用其作为隔热层面料 ,制作了8种不同的灭火服组合 ,测试和评价每种灭火服组合的热防护性能 (thermal protective performance ,TPP) ( thermal performance estimate ,TPE)值。本文采用图1所示的2种不同的材料排列方式 ,制作了4组共8种灭火服组合。所得8种 不同灭火服组合的结构组成及规格参数如表4所示。

  XF 10—2014《消防员灭火服防护服》采用TPP值作为防护服装热防护性能的评价指标。TPP值测试方法:将待测灭火服组合暴露在总热通量 F为(84±2)kW/m2的对流热源和辐射热源下,测定引起皮肤二度灼伤的时间t,TPP值为F 与 t的乘积。灭火服组合的TPP值越高,热防护性能越好 。

  由图 3 能够准确的看出 ,相对于组合二,组合一结构灭火服组合的 TPP 值更大,表明将隔热层面料放置于灭火服组合的第三层,对应试样的热防护性能更好;其他条件相同的情况下,含 PBO 纤维/间位芳纶混纺水刺非织造布的灭火服组合(组合 B、b、C、c、D 和d)的 TPP 值均大于含常规芳纶水刺非织造布的灭火服组合(组合 A 和 a) ,且组合 C的TPP值最大,热防护性能最好。

  热防护性能评估是基于 TPP 值测试演进而来的热防护评价方法。测试灭火服组合热防护性能的过程中,聚集在材料内外层之间的大量热量会向内层和外层两个方向传递 (图 4)。从本质上而言, TPP 值反映的是材料的传热性能,其未考虑热暴露后试样中蓄积的热量会向内层继续传递给穿着者。若此时未能及时脱掉防护服,很可能造成人体快速灼伤。TPE 值则考虑了热暴露后试样中蓄积的热能,预测造成二度烧伤的能量。TPE 值测试方法:将试样水平放置并暴露于总热通量为(84±2)kW/m2的对流辐射组合热源下,使用铜量热传感器测量并记录试样温度随时间的变动情况,结合铜的热学性能参数将温度变动情况换算为透过试样传递的热能,得到热能随时间变化的传热反应曲线。TPE 值用铜量热传感器在移除规定的对流辐射热后记录的传热反应曲线与Stoll曲线相切(或近似相切)时的暴露时间与总热通量的乘积表示,用于反映灭火服的实际热防护时间。

  由图 5 能够准确的看出 ,相对于组合二 ,组合一结构灭火服组合的 TPE 值更大,表明将隔热层面料放置于灭火服组合的第三层,对应试样的热防护性能更好;含PBO纤维/间位芳纶混纺水刺非织造布的灭火服组合(组合 B、b、C、c、D和 d) 的 TPE 值均大于含常规芳纶水刺非织造布的灭火服组合(组合 A 和 a) ,且组合C的TPE值最大,热防护性能最好。该测试结果与 TPP 值的测试结果一致。

  (1) 热稳定性能测试结果为 ,PBO纤维/间位芳纶混纺水刺非织布具有与对位芳纶/间位芳纶混纺水刺非织布相当的耐高温特性 ,经耐热性测试后 ,其尺寸变化率小 ,外观无明显变化 ,这是由于对位芳纶和PBO纤维的热稳定性能均非常好所致。

  (2) 阻燃性能测试根据结果得出 ,PBO纤维/间位芳纶混纺水刺非织造布具有更好的阻燃性能 ,且随着PBO纤维质量分数的提高 ,非织造布的损毁长度明显减小。火焰灼烧后,PBO混纺水刺非织造布的过火区域仍具有较高的强度 ,这是由于PBO纤维具备优秀能力的力学性能和耐火烧特性所致。

  (3)热防护性能测试根据结果得出, 以PBO纤维/间位芳纶混纺水刺非织造布作为隔热层面料的灭火服组合表现出良好的热防护效果 ,其TPP值和TPE值均高于以常规芳纶水刺非织造布作为隔热层面料的灭火服组合,没有因 PBO纤维的高导热率而降低灭火服组合的热防护性能 ,且PBO纤维与间位芳纶质量比为20/80的水刺非织造布的热防护性能最佳。PBO纤维与间位芳纶质量比为30/70的水刺非织造布的热防护性能直线下降 ,可能是PBO纤维导热率高导致的。

  添加特殊的比例的PBO纤维制备 PBO 纤维混纺水刺非织造布,将其用作灭火服的隔热层,能够有效促进防护服整体热防护性能的提升。与此同时, PBO纤维优异的耐热性能和力学性能可赋予面料独特的耐火烧蚀和力学防护特性。基于此,PBO纤维在高性能灭火防护服的开发应用领域拥有非常良好的前景。然而。PBO纤维也面临着价格高昂,耐光老化性差等问题,故后续产品在设计开发中需重点考量这方面问题。