用于工业防护服的进口和国产芳纶水刺非织造布的性能对比分析

钱 程 (嘉兴学院材料与纺织工程学院，嘉兴，314001)

芳纶1313大分子由间苯二胺和间苯二甲酰氯缩聚而成［1］，是由酰胺桥键连接芳基所构成的线性大分子，其晶体中的氢键在两个平面内排列成三维结构，这种强烈的氢键作用使其化学结构异常稳定［2］，赋予了芳纶1313优越的耐热性、高强力、阻燃性和耐化学腐蚀等性能［3］，因而广泛用于制作电子与通信行业的电绝缘防护服、炉前工作服、防辐射工作服及高压屏蔽服等一系列工业防护服领域［4-5］。

芳纶1313在20世纪60年代末由美国杜邦公司首先实现商业化生产，现全球产能已超过3.7万t/a。国外代表性生产企业主要有杜邦公司，产能约为全球总产能的75% 以上。我国在20世纪60年代初也开始了研究性开发，至今产能已超过1.1万t/a，生产企业主要有烟台氨纶、广东彩艳和苏州圣欧［6-7］。芳纶1313的大分子链呈柔性结构，其模量与常规的聚酯和聚酰胺相当，现已以芳纶1313为原料成功地开发出芳纶水刺非织造布。芳纶水刺非织造布具有质量轻、表面整齐均匀、强力高、耐高温和电绝缘性能好等诸多优势［8-9］。为此，本文针对用于工业防护服的进口和国产芳纶及其水刺非织造布的性能进行了测试和初步对比分析。

1 试验部分

1.1 材料

试验所用国产和进口芳纶的长度为38 mm，线密度为 1.67 dtex。1#、2#、3#和 4#样品对应的芳纶商品名分别为Nomex、Huvis、纽士达和彩芳斯。其中，1#和2#为进口芳纶，3#和4#为国产芳纶。

1.2 芳纶水刺非织造布的制备

芳纶水刺非织造布的制备工艺如下：

芳纶原料→开松→混合→梳理成网→交叉铺网→多辊牵伸→圆鼓水刺→后整理→穿透烘干→成卷→分切→成品。

1.3 仪器设备和试验方法

1.3.1 纤维横截面

采用Y172型哈氏切片器制作纤维截面切片，用LLY-27型纤维细度分析仪观察并拍摄纤维截面照片。

1.3.2 纤维强伸特性

采用LLY-06电子单纤维强力仪，按照标准GB/T14337—2008测试纤维的拉伸性能。

1.3.3 芳纶非织造布力学性能

采用YG(B)026H-250型电子织物强力机，按照标准FZ/T60005—1991测试芳纶水刺非织造布的力学性能。

1.3.4 芳纶非织造布水洗缩率

剪取10 cm×10 cm的非织造布样品5块，使用YG701D型全自动织物缩水率试验机，依据标准ISO 6330—2000在60℃水温条件下测试，按照公式(1)计算样品的缩水率。每一种样品测试5块，取平均值。

1.3.5 芳纶非织造布热缩率

剪取10 cm×10 cm的非织造布样品5块，用DHG-9075A型鼓风干燥机测试样品的热缩率。烘箱温度为180℃，样品置于烘箱内5 min，取出样品冷却30 min后，分别测量热收缩处理前、后样品的纵向和横向长度，按照公式(2)计算热收缩率。每一种样品测试5块，取平均值。

1.3.6 芳纶非织造布介电常数

剪取直径为28 mm的芳纶水刺非织造布圆片，用夹具夹紧，采用WCJSTD-A型介质损耗及介电常数测试仪(0.1 μH～1 H，共7档，频率调整范围25 kHz～10 MHz)，测试样品的电容量，并按照公式(3)和公式(4)计算介电常数和介电损耗角正切。

式中：C——样品的电容量(pF);

C1——未放样品时的测量电容;

C2——放样品时的测量电容;

ε——介电常数;

d——样品厚度(mm);

φ——样品直径(mm)。

式中：tg δ——介电损耗角正切;

Q1——未放样品时测量的电感;

Q2——放样品时测量的电感。

1.3.7 芳纶非织造布击穿电压强度

选用CS2671型耐压测试仪，根据标准GB/T3333—1999在交流电压条件下，采用连续快速升压的方式对样品施加工频电压，测试芳纶水刺非织造布样品发生击穿时的电压，然后按照公式(5)计算：

式中：E——测试样品的电压击穿强度(kV/mm);

V——击穿电压(V)。

2 结果与讨论

2.1 芳纶的截面特征

图1 是在显微镜下观察到的 1#、2#、3#和 4#样品的横截面形态。

图1 在显微镜下观察到的芳纶横截面

从图1可以看出，1#和4#样品横截面呈腰圆形，2#和3#样品横截面呈圆形，均属于实心体。这是由于芳纶属于液晶纺丝，其表层与内层结构基本没有差异，即没有明确的表层结构。很明显，腰圆形截面纤维的比表面积要大于圆形截面纤维，增加了纤维间的覆盖能力。一方面，在织造加工过程中因截面异形化增加了纤维间的抱合力，更容易获得高强力的非织造布;另一方面，由于纤维截面的异形结构，会在非织造布中形成较多的孔隙，因而能提高服用透气性。此外，由于纤维截面呈非圆形态，会在布面产生独特的反光效应［10］，这就是1#和4#样品具有较好光泽的缘故。

2.2 芳纶的强伸特性

四种芳纶样品的强伸性能测试结果见表1。

从表1可以看出，四种芳纶样品断裂强度的排序是1#＞3#＞2#＞4#。纤维的强度是表示其坚牢耐用程度的重要指标，这一结果表明1#样品更能承受后续非织造加工中受到的机械作用。表1还显示四种芳纶样品均有较高的断裂伸长率。断裂伸长率反映了纤维的柔韧性，在合理范围内其值大，所制成的非织造布具有较柔软的手感，在后续加工时可以更好地缓冲所受到的外力。断裂比功是量度纤维韧性的指标，可以有效评定纤维的强韧性和耐磨性，断裂比功大的纤维材料承受冲击破坏的能力强。表1显示出四种芳纶样品断裂比功的排序是1#＞3#=4#＞2#，表明进口芳纶1#样品具有较好的承受冲击破坏的能力。

表1 四种芳纶拉伸性能测试结果

2.3 芳纶水刺非织造布的性能

2.3.1 基本性能

根据表1的测试结果，选择1#和3#芳纶分别制备水刺非织造布，编号为5#和6#样品。

对5#和6#两种芳纶水刺非织造布的厚度、断裂性能和撕破性能分别进行测试，结果见表2。

表2 芳纶水刺非织造布的基本性能

从表2可以看出，无论是纵向(MD)还是横向(CD)，与6#样品相比，5#样品具有较好的断裂强力和撕破强力。主要原因是5#样品采用的原料1#芳纶强力高于6#样品的原料3#芳纶。

2.3.2 水洗缩率和热收缩率

两种芳纶水刺非织造布的水洗缩率和热缩率测试结果见表3。

从表3可知：5#芳纶水刺非织造布横向未发现任何缩水迹象，6#芳纶非织造布的横向缩水率为0.12%，也比较小;6#样品的纵向缩水率比5#样品大32.1%;两种芳纶水刺非织造布的纵向缩水率相对横向要大，可能的原因是在生产芳纶水刺非织造布过程中，经过交叉铺网后，纵向又经过了多级小倍数牵伸，纤维沿纵向滑移量要大于纤维之间横向产生的滑移，因而在经过水洗后发生缩水现象，部分纤维滑移区会产生回缩，导致纵向缩水率大于横向缩水率。水洗缩率越小表示产品的洗后变形越小，所以5#芳纶水刺非织造布的尺寸稳定性好于6#芳纶水刺非织造布。

表3 芳纶水刺非织造布水洗缩率和热缩率测试结果

从表3可以看出，5#样品的横向热缩率为0.23%，纵向收缩率为0.59%，6#样品横向和纵向热缩率分别比5#样品大73.9%和23.7%，说明国产芳纶非织造布的热收缩率大于进口芳纶非织造布。主要原因可能是在纺丝成形工艺中，为改善纤维的力学性能，受到了比较强烈的拉伸作用，在纤维内残留了过多的内应力，当纤维遇到热作用时就会产生明显收缩。表3还显示，两种样品的纵向热收缩率均大于横向，推测其原因与水洗缩率一样，是因为纵向施加了多级小倍率牵伸。

2.3.3 介电性能

两种芳纶水刺非织造布的介电性质测试结果见表4。

表4 芳纶水刺非织造布介电性质

从表4可以看出，5#和6#样品具有近似的介电常数、介质损耗因数和介电强度。介电常数是衡量介电现象强弱的物理量，是指芳纶水刺非织造布在外加电场作用下，内部分子形成电极化的现象，表示其在电场中贮存静电能的相对能力。测得的介电常数越大，芳纶水刺非织造布的绝缘能力越强［11-12］。介电强度是所制备的样品作为绝缘体时的电强度的量度，是当样品发生击穿时的电压除以测试样品的厚度得到电压击穿强度，表示了单位厚度承受的最大电压。介电强度越大，样品作为绝缘体的质量越好［13］。因此，5#和6#样品具有相近的电气绝缘性能。

3 结论

(1)四种芳纶断裂强度的排序为1#＞3#＞2#＞4#;断裂比功的排序为 1#＞3#=4#＞2#，说明1#进口芳纶具有较好的断裂强度和断裂比功，其所制备的5#水刺非织造布也具有较好的力学性能。

(2)进口芳纶水刺非织造布的纵横向水洗缩率和热缩率均小于国产芳纶水刺非织造布;进口和国产芳纶水刺非织造布的纵向水洗缩率和热缩率均大于横向水洗缩率和热缩率。

(3)进口和国产芳纶水刺非织造布具有相近的电气绝缘性能。

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