芳砜纶混纺防护服织物的设计及性能研究

1 引言

“防护纺织品”被集体用于特定工作环境中必不可少的纺织品和服装，无论是在实验室、医院、战场、救援还是工业应用中。这些纺织品和服装通常侧重于功能方面，而不是美学方面。这些防护服的最新趋势包括针对特定最终用途的坚固、轻巧和安全的产品。纺织纤维材料是纺织半成品和由其制成的产品的基本元素。它们对于产品性能至关重要。基于分子和超分子结构，并确保最佳的合成和纤维形成过程，可生产出具有量身定制特性的高品质纤维材料，例如芳砜纶就是一种具有自主知识产权的国产化高性能纤维，十分适用于通用防护服，特别是消防防护服和医疗防护服的制作。本文通过现阶段国内防护服的需求分析，设计了一种全新的芳砜纶混纺防护服织物，对其原料设计和组织设计加以论述，并探讨了这种芳砜纶混纺防护服织物的性能特点，为我国未来防护服的生产提供一定的参考。

2 防护服的功能需求

防护服功能主要关注点是提供全面的防护，以防止热量暴露，同时将足够的代谢热量散发到环境中。标准防护服是多层结构，以提供所需的热防护。这继而降低了防护服将内部热量传递到周围大气中的能力，并对防护服的穿着者产生热应力。因此，由出汗产生的水分保留在衣服系统内，导致湿的紧贴感和穿着者的热不适感[1]。现阶段，依据防护服所采用的面料的不同，市面上主要的防护服类型如表1所示。

在包括消防员在内的多种防护服中，防护和舒适性要求始终是矛盾的事实。适当的材料选择，服装设计和结果的最终评估对于预测服装的性能和舒适性至关重要。在评价织物和材料的感官舒适性时，织物与皮肤之间的摩擦力和织物表面几何粗糙度是两个重要的组成部分。在织物与皮肤接触时，会引发穿着者粗糙或光滑的感觉。根据这些感觉，人们判断衣服的感觉和舒适度，倾向于选择他们能接受的面料或材料。一般而言，表面粗糙的织物摩擦力较高，表面光滑的织物摩擦力较低[2]。

摩擦表面的摩擦特性通常用摩擦系数来描述，摩擦系数定义为摩擦力与接触面上法向压力的比值。织物和皮肤的接触已被发现是正相关的摩擦力，从而与感知的粗糙度。皮肤表面的水分可以改变感知到的织物粗糙度的强度：随着水分含量的增加，摩擦和皮肤位移增加，以及激活更多的触摸感受器。因此，被认为在低湿度条件下感到舒适的非织造布可能会在高湿度或出汗条件下感到不舒服。因此，理想的防护服应具备以下所有要求：辐射和对流耐热性；耐冲击和耐磨性；在各种天气条件下的舒适性；防水性；易于清洗；耐化学药品；耐用且成本合理；耐火花损伤；可调通风冷却；阻燃性。

3 芳砜纶混纺防护服织物的设计

3.1 织物原料设计

在部分文献资料中，研究人员针对芳砜纶织物物理性能(凸形纤维、纤维和纱线直径、织物厚度、刚度等)进行研究后，发现芳砜纶织物表面特性受织物结构和密度、纤维类型、纤维混合比、纱线结构等多种因素的影响[3]。其中，芳砜纶机织物的摩擦性能更是影响到织物的撕破强力。在研究中，芳砜纶机织物面对面接触的力显著高于背对背接触。在进一步研究了芳砜纶织物纱线表面性能对织物的影响后，得出结论：芳砜纶织物中，纱线结构和织物摩擦力是正相关的，随着芳砜纶织物结构和后整理处理的变化，摩擦系数较高的纱线会生产出摩擦系数较高的织物，而摩擦系数较高的织物也往往拥有更加高的撕破强力。在涤混芳砜纶纺织物中，摩擦力随着芳砜纶纤维成分的增加而增加，同时，芳砜纶纤维类型、表面纤维种群及其长度分布和低压缩性能的差异可能导致芳砜纶混纺织物摩擦性能的差异。有鉴于此，本次设计的芳砜纶织物原料，选用的是芳砜纶/芳纶1313混纺纱，混纺比为75/25，纱线线密度为42tex，捻系数为319。其中，混纺纱断裂强度为18.3cN/tex，3mm毛羽为20.08根，条干CV值为11.36%。

不同的芳砜纶织物处理方法，如漂白、染色和整理，通过增加芳砜纶表面纤维的扰动和织物表面不规则性，导致芳砜纶织物的摩擦和粗糙度增加。同时，洗涤方式也会影响芳砜纶织物的表面性能。有鉴于此，针对芳砜纶纬纱未经上浆，捻缩严重的问题，纬纱张力应偏大掌握。实际工业生产中，织物应先经过整经工序，再浆纱。由于芳砜纶纤维初始模量较高，纤维卷曲稳定性差，混纺纱加捻后扭结现象严重，影响后道织造工序，因此利用浆纱对纱线捻度进行初定形，有利于穿结经。上浆浆料选用部分醇解的PVA和变性淀粉混合浆，混合比为70：30，调浆含固率为5%，浆槽温度保持在90℃以上方可上浆。退浆采用清水煮浆的方法，在沸水中煮30min后，用热水冲洗两遍，然后换冷水漂洗干净。

3.2 织物组织设计

研究表明，针织聚合物复合材料的机械性能在很大程度上取决于针织织物的结构，并且可以在很宽的范围内发生显著变化。在基于针织物的复合材料的制造中，最好采用1+1罗纹和米兰罗纹结构平衡的编织[4]，因为传统的湿热处理方法对于芳砜纶纤维制成的编织物是不可接受的，因此防止织物扭曲非常重要。现有文献资料中，研究人员针对相同材质和相同经纬密度、不同组织规格三上一下破斜纹、二上二下斜纹、二上二下方平组织、三上一下斜纹的芳砜纶织物撕破性能进行研究，得出二上二下方平组织芳砜纶织物具有撕破性能上的优势，其组织结构带来的综合力学性能在几种组织中是最优的[5]。有鉴于此，本次设计的织物组织选用二上二下方平组织。它具有较高的耐热性和抗紫外线性，由包含聚苯并咪唑和对位芳纶短纤的短纤纱制成，具有优异的机械性能，高耐热性（700℃）和低耐紫外线性。

表1 防护服分类表

现有文献资料中显示，采用斜纹结构的刀片抗切割性，能够将芳砜纶混纺防护服织物防护等级提高到KR 70:30[6]。在耐穿刺性上，平纹和斜纹编织方面保持在相同的防护水平；平纹和斜纹编织的K100%耐磨性和HWPC表现出相同的防护等级，但斜纹编织的平均循环次数略高于平纹编织；斜纹组织比平纹组织具有更高的抗撕裂性。有鉴于此，本次所设计的织物采取斜纹组织，经密和纬密分别是300根/10cm和210根/10cm。同时，为进一步增加织物组织的防撕裂性能，本次设计将芳砜纶芳纶1313混纺纱进行特殊排列，即每隔9根经纱将3根经纱穿入同一综丝，每隔5根纬纱将3根纬纱同时引入。组织如图1所示。

图1 织物组织图示

4 芳砜纶混纺防护服织物的性能

4.1 舒适性能测试及结果

现阶段，无论是采用哪种材料制作的防护服，都是在牺牲防护服穿着人员的生理舒适性的同时，来实现高水平的防护[7]。这一点从2020年新型冠状病毒疫情期间，火神山医院医护人员的浑身大汗、脱水等能看出。极不舒适的防护服，不仅降低了身着防护服的工作人员的工作效率，而且缩短了身着防护服的工作人员的工作时间。有鉴于此，选择兼顾性能和舒适性材料以及合适的服装设计可以有效减少防护服穿着者的热应力，提升防护服的舒适度。

舒适性性能测试主要以织物的“热吸收率量”为标准，来量化防护服的舒适性。这是因为，热吸收率量化了当人的皮肤接触织物时的瞬时热传导，该织物的温度通常低于皮肤的温度，这是因为热量会从皮肤流走。织物的热吸收率越高，皮肤中的温度下降就越高。为了确定稳态条件下针织物的热性能，将织物在标准大气条件[（20±2)℃和RH（65±2）%]下放置72小时以放松，然后将织物制成防护服后，用温水（40℃）充分漂洗，并在室温下干燥，以释放张力并放松其结构。

此方法的原理是通过监视温度降（冷却线）来确定介质的热阻，具体结果如表2所示。

表2 芳砜纶混纺防护服织物的热性能表 %

表2的系数是指纤维的有效导热系数。该系数可以作为空隙体积分数的函数给出。通过有限元分析验证模型的有效性。根据绝对热阻值Rabs，表面积Ak（m2），然后按式（1）计算织物的厚度t（cm），热导率λ（Wm-1· K-1）。

传热系数h（Wm-2·K-1）通过式（2）计算：

其中dQ/dt（W）是测得的从系统通过样品到系统周围环境的热传递，而ΔT（K）是系统的平均温度与环境温度之间的差。由于热扩散率是通过织物的热传递速度的量度，因此该参数的值越高，表示将更快地达到热平衡，这对于防护服是十分理想的材料。

4.2 拉伸性能和阻燃性能测试及结果

芳砜纶纤维具有高拉伸强度和耐热性（在480℃时会降解），以及更高的拉伸强度和撕裂强度[8]。为了检测本次设计的芳砜纶混纺防护服织物的拉伸性能，采用梯形撕破法测试了织物的撕破强力，以026d型织物强力机对未缝合结构的芳砜纶混纺防护服织物和多缝合结构的芳砜纶混纺防护服织物的拉伸强度性能进行测试，结果如表3所示。

表3 织物的拉伸性能

如表3所示，芳砜纶混纺防护服织物未缝合结构的离轴拉伸强度略高于多缝合结构的离轴拉伸强度。原因是多针缝合过程导致长丝断裂。当结构中的缝合方向和缝合密度增加时，它们的离轴拉伸模量降低。因此，复合结构上的缝合方向、缝合密度和缝合纱被认为是重要的参数。所有在轴外拉伸载荷下的结构均具有正形变形、角度变形或宽度收缩。此外，在两个和四个定向缝合结构中，大多数都发生了法向变形和宽度缩小。另一方面，织物组织结构仅显示收缩宽度后角度变形。这些结果表明，缝合方向和密度影响多层缝合的离轴拉伸性能。

此外，以美国的ATLAS型织物垂直燃烧试验仪测试了本次设计的芳砜纶混纺防护服织物的阻燃性能。具体测试结果如表4所示。

表4 织物撕破强力测试和抗阻燃测试表

芳族聚酰胺纤维的特征是在高达400℃～450℃温度下的尺寸稳定性；收缩率或自发伸长率不超过0.5%～1%。表4的结果表明在点火器离开后，芳砜纶织物立即停止燃烧，且后续没有发现阴燃和续燃现象，表明这种织物具有一定的阻燃性能；损毁长度表明织物燃烧后有一定的残留。它的特点是高强度和在纺丝状态下抵抗热收缩的高稳定性。这些性质归因于初始共聚酰胺的半刚性链特性，在聚合物沉淀阶段的纤维纺丝过程中，这些聚合物中可发生相转变为有序液晶态。

5 结论

本文所设计的芳砜纶混纺防护服织物，可以实现防护服更好的保护和舒适感。这项技术可以帮助设计重量轻、体积小、阻隔好的防护服，从而减轻面料负担，增强防护服的舒适度和防护程度。使用该技术可以更好地克服化学和生物危害带来的新威胁。当然，在应用芳砜纶混纺防护服织物的过程中，也需要注意人造纤维有可能带来的健康和环境危害，这也是未来的研究目标之一。