纺织材料的热性能测试分析

韩晨晨，郑振荣，张楠楠

( 1．天津工业大学纺织学院，天津300387; 2．天津工业大学先进纺织复合材料教育部重点实验室，天津300387)

纺织材料的热性能测试分析

韩晨晨1，2，郑振荣1，2，张楠楠1，2

( 1．天津工业大学纺织学院，天津300387; 2．天津工业大学先进纺织复合材料教育部重点实验室，天津300387)

近年来，纺织业迅速发展，纺织品也从民用、装饰用、产业用纺织品逐渐应用到航空、军事、火箭等高科技领域。为了生产出适合不同热防护场所的纺织品，往往需要测试纺织品的阻燃隔热等性能，很多时候还需要进一步分析材料的热裂解过程，测试材料所释放气体的毒性等。随着科技的进步，各类测试纺织材料热性能的仪器设备快速发展。从纺织材料的热分析、阻燃性能、热防护性能、隔热性能等几个方面归纳总结了纺织材料的热性能的测试机理、方法及标准等，为今后热防护纺织材料的制备和性能评估提供依据。

热分析阻燃性能热防护性能隔热性能

随着纺织业迅速发展，纺织品也从民用、装饰用、产业用纺织品逐渐应用到航空、军事、火箭等高科技领域。人们在制备高性能热防护纺织品的过程中，经常需要测试纺织品的阻燃隔热等性能，很多时候还需要进一步分析材料的热裂解过程，测试材料所释放气体的毒性等。随着科技的进步，各类测试材料热性能的方法逐步增多，仪器设备也迅速发展。目前常用的测试纺织材料热分析的方法主要有：热重分析法，差示扫描量热法；纺织材料的阻燃性能及热防护性能测试方法：热防护性能、垂直燃烧法、水平燃烧法、氧指数测试法、锥形量热法、暖体假人系统测试法；隔热性能方面有平板式保温仪、热常数分析仪。本文主要归纳总结了各种热分析方法的机理、特性及应用标准等，并结合实例详细说明每种方法的实际应用，可为今后热防护纺织材料的制备和性能测试提供依据。

1 热分析

1.1 热重分析法

热重分析法是在程序控制温度过程中，观察样品的质量随温度或时间的变化关系，当被测物质在加热过程中有升华、汽化、分解出气体或失去结晶水时，被测的物质质量就会发生变化。这时热重曲线就有所下降。通过分析热重曲线，可以知道被测物质在多少度时产生变化，并且根据失重量可以计算失去了多少物质。热重分析法的特点是定量性强，能准确地测定物质的质量变化及变化的速率。

1.1.1 工作原理

最常用的测量的原理有两种，即变位法和零位法。变位法是根据天平梁倾斜度与质量变化成比例的关系，用差动变压器等检测横梁的倾斜度或弹簧的伸长量来称量物质的质量，并自动记录。零位法是采用差动变压器法、光学法测定天平梁的倾斜度，然后去调整安装在天平系统和磁场中线圈的电流，使线圈转动恢复天平梁的倾斜。由于线圈转动所施加的力与质量变化成比例，这个力又与线圈中的电流成比例，因此只需测量并记录电流的变化，便可得到质量变化的曲线。

1.1.2 分析应用

随着科学研究的发展，热重法已被用于跟踪反应过程[1-2]、控制原料质量[3-4]、动力学研究[5-7]、考察材料的热稳定性和阻燃性[8-11]等。如陈翠红，张燕楠[12]等以四种聚合物膜为研究对象，用热重法对不同种类的聚合物膜进行研究，分析热稳定性并比较使用寿命，探讨适用于膜结构中空玻璃系统的聚合物膜。

1.2 差示扫描量热法

差示扫描量热法是20世纪60年代出现的一种热分析方法，它是在差热分析的基础上发展起来的，在程序控制温度过程中，测量样品与参比物之间的功率差和温度关系的一种技术[13]。该法主要特点是使用的温度范围比较宽(-180℃～700℃)、分辨力和灵敏度髙、样品用量少、实验省时易操作、重复性好。

1.2.1 工作原理

根据工作方法的不同可分为功率补偿型和热流型。功率补偿性是在样品和参比物始终保持相同温度的条件下，测定为满足此条件样品和参比物两端所需的能量差，并直接作为信号差输出。热流型在给予样品和参比物相同条件的功率下，测定样品和参比物两端的温差△T，然后根据热流方程，将△T换算成△Q作为信号的输出。

1.2.2 分析应用

用差示扫描量热法，可以研究材料的熔融[14]、结晶[15]、结晶度、玻璃化转变[16]、相转变、液晶转变、氧化稳定性、反应温度与反应热焓，测定反应动力学研究等。广泛应用于塑料、橡胶、纤维、涂料、粘合剂、医药、食品、生物有机体、无机材料、金属材料与复合材料等领域。如刘宏，单国荣[17]等用差示扫描量热法对固态条件下聚酯/固化剂体系的非等温固化反应的动态力学模型进行研究，根据差示扫描量热法和热重法的分析结果，对聚酯粉末的固化过程及热稳定性进行探讨，确定了该体系的凝胶温度，固化温度。

2 热防护性能

热防护性能是消防服必须具备的一项重要防护性能，热防护性是织物减缓和阻止热量传递的性能，其实质是使外界的高热较慢地转移至皮肤，使热源产生的高温对人体的损害程度减至最小[18-19]。

2.1 适用标准

GB 8965.1-2009《防护服装阻燃防护第1部分:阻燃服》；GA 10-2002《消防员灭火防护服》；GA 634-2006《消防员隔热防护服》；NFPA 1971《Standard on Protective Ensemble for Structural Fire Fighting》；ISO 17492《Technical Corrigendum 1-2004 耐热和火焰的防护服暴露于火焰和辐射热的热力传输的测定》。

2.2 工作原理

热防护性能是指透过织物引起人体二度烧伤的热能值，单位为千瓦秒每平方米(kW·s/m2)。热防护性能的值越高，织物的热防护性能越强。在测试样本和热传感器间留一定空隙，用以测试织物对热源和人体皮肤之间提供阻隔的能力(间隔热防护)；织物与热传感器接触，用以测试织物的隔热能力(接触热防护)。

2.3 分析应用

热防护性能由热防护性能测试仪(TPP)测出，它是美国精密制造的产品，热防护性能是评价材料的热防护功能的重要技术指标，是耐热服装主要的性能测试方法，如李宁，朱方龙[20]采用热防护性能仪对消防服外层用织物进行热防护性能测试，研究了阻燃织物热防护性能的影响因素。

3 阻燃性能

3.1 垂直燃烧法

垂直燃烧法的最大特点是火焰从织物的切割边缘将织物点燃，而且在火焰区，织物是被火焰包围着的。这使织物的正反两面都被火焰包围的情况下测试织物阻燃性能的方法，具有一定的针对性。

3.1.1 适用标准

GB/T 5455-1997《纺织品燃烧性能试验垂直法》、ASTM D 6413-2011《织物阻燃性能的标准试验方法(垂直法)》，采用此方法的国外技术法规有16 CFR part 1615/1616(0-6X/7-14X)美国消费品安全委员会联邦法案《儿童睡衣易燃性标准》、加拿大实施的SOR/2011-15《儿童睡衣法规》等。

3.1.2 基本原理

将300mm×800mm的长方形试样置于规定的燃烧器下方点燃，测量规定点燃时间后测试试样的续燃时间、阴燃时间及损毁长度。

3.1.3 分析应用

纺织材料的垂直燃烧测试是在垂直燃烧仪上操作完成的，主要测试的是聚合物。聚合物燃烧时所产生的熔融滴落时引起火灾蔓延的一个重要因素。金杨，王勇[21]应用垂直燃烧法研究几种聚合物的熔体滴落行为，测得熔融滴落特性参数及聚合物燃烧时的第一滴滴落时间和第一滴滴落质量，并分析其规律，为研究聚合物熔融滴落对火灾蔓延过程的影响奠定基础。

3.2 水平燃烧法

该法用于测量水平放置的样品燃烧时火焰蔓延的速率，交通工具内饰用纺织品的燃烧性能评价多采用此法。该法是在FZ/T 01028水平燃烧仪上操作完成。

3.2.1 适用标准

FZ/T 01028-1993《纺织织物燃烧性能测定水平法》。此方法适用于各类纺织品。

3.2.2 基本原理

在规定的试验条件下，对水平方向的纺织试样点火15s，测定火焰在试样上的蔓延距离和蔓延此距离所用的时间。

3.2.3 分析应用

建筑中常用的塑料种类繁多，而塑料制品自身又容易燃烧。梁奎[22]采用水平燃烧法研究了塑料在小功率火焰下的燃烧特性，尤其对电子产品局部过热引发火灾有很大的参考价值，消防监督中常用水平燃烧法快速鉴别塑料的燃烧性能，对判定塑料等级发挥重要作用。

3.3 氧指数法

氧指数法是评价材料相对燃烧性能的常用方法之一，氧指数是指在规定的试验条件下，使材料恰好能保持燃烧状态所需氧氮混合气体中氧的最低体积浓度。氧指数越高，材料燃烧时的需氧量越大，在空气中越难燃烧。

3.3.1 适用标准

GB/T 5454-1997《纺织品燃烧性能试验氧指数法》适用于各种类型的纺织品，并规定试样恰好燃烧2 min 自熄或损毁长度恰好为40 mm 时所需氧的百分含量即为试样的氧指数值。

3.3.2 基本原理

试验在氧指数测定仪上进行。其方法是将一定尺寸的试样置于燃烧筒中的试样夹上，调节氧气和氮气比例，用特定的点火器点燃试样，使之燃烧一定时间自熄或损毁长度为一定值时自熄，根据此时的氧、氮流量从表中查出氧指数值，即为该试样的氧指数。

3.3.3 分析应用

聚氨酯泡沫，是一种重要的聚氨酯合成塑料，具有密度小，比重轻和多孔性的特点，可用于建筑保温材料，但是由于其易燃性限制了它应用，所以张北站，余天石[23]等人利用氧指数仪测定了聚氨酯泡沫加入阻燃剂的极限氧指数，得到了良好的阻燃效果。

3.4 锥形量热法

锥形量热法是近年来广泛运用在阻燃材料研究领域的一种测试手段，它的主要特点就是更好的模拟了火灾现场，并集燃烧释热、失重、发烟及烟气组分研究为一体可同时获得样品燃烧时有关热、烟、质量变化及烟气组分等多种重要信息。

3.4.1 适用标准

锥形量热法热释放率测试的最新版本标准为ISO 5660-1-2016。ISO5660-1热释放率测试的方法应用于许多方面。

3.4.2 基本原理

锥形量热法的测试是在锥形量热仪上操作完成的，它的工作原理是“耗氧原理”。当样品在锥形电加热器的热辐射下燃烧时，火焰就会消耗掉空气中一定浓度的氧气并释放出一定的燃烧热值。锥形量热法就是基于此点根据材料在燃烧时消耗氧的量计算、测量在燃烧过程中的热释放速率、质量损失速率等参数用以分析判断材料的燃烧性能。

3.4.3 分析应用

锥形量热法在聚合物材料燃烧和阻燃性能方面的应用领域主要有:评价聚合物材料和产品的燃烧性能；研究材料的阻燃机理；研究阻燃剂在聚合物材料中的阻燃效果；研究和评价聚合物材料的发烟行为；进行火灾模型化研究。张阳，代培刚[24]等人以聚合物材料锥形量热法的试验数据为基础，详细讨论了各燃烧参数在评价和研究聚合物的燃烧性和阻燃性中的意义和应用，使锥形量热法在聚合物的阻燃性研究及火灾的预防方面有广阔的发展前景。

3.5 燃烧假人测试法

燃烧假人测试能更好地模拟在实际火焰中人体的烧伤程度，可以用来测试整套阻燃防护服在模拟的火焰状况下，阻燃防护服所能提供给身体的防护程度。燃烧假人测试能够从整体评估多层防护服的隔热性能，同时还能估计当穿着者穿上防护服后，身体同服装之间的空气层厚度的变化对防火服隔热性能的影响。

3.5.1 适用标准

ISO13506-2008《隔热和防火防护服全套服装的试验方法第一燃烧假人预防烧伤》。

3.5.2 基本原理

燃烧假人测试是指对穿着防火服装的等比假人模型，施以实验室条件下、可控的高强度火焰，通过假人模型上分布的若干个热传感器测量和计算透过被测服装传到假人表面各部位的热流量和温度值，根据烧伤模型估算出人体可能遭受二度和三度烧伤的部位及面积，来评价服装对人体的热防护效果。

3.5.3 分析应用

燃烧假人测试通过客观评价单兵装备的阻燃性能和作战阻燃人员的烧伤程度，有效减少战场火灾和热辐射对于士兵的热伤害，保证士兵在恶劣战场环境下完成作战、训练和各项应急任务。王敏，李小辉[25]等人通过研究燃烧假人系统在服装热防护性能中发挥重要作用，通过对国内外相关研究成果的回顾，介绍了燃烧假人系统的测试原理及我国首个具有国际领先水平的燃烧假人―“东华火人”的创新特征，探讨了燃烧假人在服装热防护研究中的应用进展，同时对燃烧假人的应用前景作了预测分析。

4 隔热性能

4.1 平板式保温仪测试法

纺织材料的保温性能是纺织品穿着舒适性的一个重要性能。保温性是纺织材料，纺织品能保持被包覆体温度的性能[26]。准确可靠的保温性试验是确保产品质量的关键，因此保温性试验越来越受广大纺织品检测机构的重视。平板式保温仪是目前测试纺织材料热传递性能的重要仪器。

4.1.1 适用标准

GB11048、 ASTM D1518。

4.1.2 基本原理

平板式保温仪测试主体由测试板、保护板及底板构成，它们有各自独立的电热控温加热系统。测试板与保护板拼接成平整的测试平面，它们之间用软木条隔热，底板与测试平面之间平行，它们之间用木框隔热，距离25～75mm之间，形成中空的恒温气室，阻止测试板和保护板向下的热损失。当三者温度恒定一致时候，在空板试验状态下，电热测试板的热量只能沿垂直方向向上散发。因此，在有样试验试样完全覆盖平铺在测试板上时，测试板热量也只能垂直通过试样散发。通过测定一定平衡时间内空板试验和有样试验测试板各自耗散的电能，即可分别计算出试样的导热系数、保温率等参数。

4.1.3 分析应用

平板式保温仪适用于各种织物平板式恒定温差散热法的保温性能测试。它采用的指标是克罗值、传热系数、保温率，用以描述材料的热传递性能。郁幼君，陆慧娟[27]通过对平板式保温仪传热系数与保温率的关系研究，指出保温率指标能在一定程度上反应织物的热阻特性，但易受到测试条件的影响，且热阻越大，影响程度越大，所以真正反映织物传热性能的是克罗值。

4.2 热常数分析仪测试法

随着技术的发展，保温材料的品种不断增多，对其性能方面的要求热越来越严格。保温材料的导热系数是衡量绝热及保温材料导热性能和保温性能的重要参数，对导热系数的测定成为人们研究的对象，导热系数的测定方法和仪器也在不断完善和改进。

4.2.1 适用标准

ISO22007-22008国际标准。

4.2.2 基本原理

热常数分析仪是基于瞬态平面热源法的测量材料热物性参数的仪器。瞬态平面热源法是一种在热带法基础上开发出来的测试导热系数的方法，也被称为Hot disk 法，是由瑞典Chalmer理工大学的Silas Gustafsson教授发明的一项专利技术，是一种研究热传导性能较为精确和便捷的技术，在室温和高温下都能进行测试，且能同时提供被研究样品的导热系数，热扩散系数以及体积比热容。

4.2.3 分析应用

热常数分析仪主要用于液体、粉末、固体等多种材料的导热系数、热扩散率和比热容测试。如张玉珂，赵俊延[28]根据瞬变平面热源法的测量原理，用热常数分析仪测定食油的导热系数，研究加热功率、测量时间、温度对导热系数的影响。

5 结论

热重分析法和差示扫描量热法主要用来测试纺织材料的热裂解机理；热防护性能测试法(TPP)是评价纺织材料的热防护功能的重要技术指标，是耐热服装主要的性能测试方法；垂直燃烧法、水平燃烧法、氧指数法、锥形量热法主要用于测试纺织品的燃烧特性，暖体假人法，平板式保温仪测试法和热常数分析仪测试法主要用于测试纺织材料的热传递性能。“燃烧假人”系统可真实的测评消防防护服在火灾条件下的热防护性，但由于该系统的复杂性，并没有广泛的运用。 随着计算机仿真模拟技术的发展，一些模拟软件如: CFD，ANSYS等在防护纺织材料的研究方面逐渐得到了运用。了解上述纺织材料隔热、阻燃和导热性能的几种测试方法，各种方法的原理及应用，可为开发新型热防护纺织品提供理论基础，使阻燃纺织品的发展前景更广阔。

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2017-02-22

国家自然科学基金项目(51206122)，天津科委自然科学基金项目(13JCQNJC03000)。

韩晨晨(1991-)，女，硕士研究生，研究方向：热防护纺织品的开发。

郑振荣(1981-)，女，博士，副教授，硕士生导师。

TS101. 92+ 1. 51

A

1008-5580( 2017) 03-0185-05