轻质高阻隔化学防护复合面料的制备及性能

顾玉培 刘其霞 葛建龙 季 涛 吴嵩彬

（1.南通大学，江苏南通，226019；2.安全防护用特种纤维复合材料研发国家地方联合工程研究中心，江苏南通，226019；3.咸阳际华新三零印染有限公司，陕西咸阳，712099）

随着制造业的迅速发展，危险化学品事故频繁发生，尤其是在化学品的存储和运输阶段；此外，恐怖分子利用危险化学品发动袭击事件也时有发生，给公共安全造成了极大威胁。一旦发生此类事故，需要采取隔离现场、人员疏散、现场控制以及洗消等应急处置，为在场人员提供安全可靠的防护［1⁃2］。

隔绝式化学防护面料是利用材料的高阻隔性和化学稳定性，将有毒有害化学品与人体隔绝，从而实现化学防护功能，适用于高度危险的化学品泄漏环境以及紧急情况的处置［3］。隔绝式防护面料一般为复合结构的柔性防护面料，即通过涂覆或层压复合的方式，将高阻隔材料与织物进行复合而制得［4⁃5］。其中的高阻隔材料具有良好的气密性和化学稳定性，能够在人体与固体、液体、气体或气溶胶等状态的有害化学品之间建立一个有效的防护屏障［6］。

本研究通过多层复合结构设计、综合材料优选和复合工艺优化，将多层不同的材料通过热压复合，制备出质量轻、强度高、防护性能优异的隔绝式化学防护复合面料。

1 产品设计

1.1 多层结构设计

综合考虑复合面料防护性能、力学性能和材料单位面积质量，对复合面料进行多层结构设计。化学防护复合面料的结构包括功能层、承力层、第一黏合层、阻隔层、第二黏合层和保护层。其中，功能层是功能整理层，为复合面料提供疏水疏油功能；承力层为复合面料提供较高的力学性能；阻隔层为聚合物阻隔膜；保护层为聚合物阻隔膜提供保护，防止在使用过程中出现阻隔膜破损等问题；黏合层为胶黏剂，将各层材料进行黏合。

1.2 各层材料设计

阻隔层。隔绝式化学防护面料中的阻隔材料一般采用橡胶或聚合物薄膜［7］。橡胶材料气密性良好。但是单一橡胶材料也存在缺陷，例如丁基橡胶硫化工艺复杂且速度慢，不耐苯类有机溶剂等，一般适用于重型隔绝式化学防护装备［8］。相比于橡胶材料，聚合物薄膜不仅具有良好的化学防护能力，还具有轻薄、易加工等优点。目前隔绝式化学防护面料更倾向于使用聚合物阻隔膜作为阻隔材料。PVDC分子链排列规整，分子链呈对称状，容易形成结晶，渗透物小分子难以在PVDC分子间通过，从而具有良好的阻气、阻湿性能，对于酸、碱环境均能表现出较好的稳定性［9］。因此，本研究选择PVDC薄膜材料作为化学防护复合面料的阻隔层。

承力层。隔绝式化学防护复合面料在使用过程中不仅要考虑防护性能，还需要考虑面料的力学性能和重量负荷等问题。承力层作为复合面料的骨架需具备较高的强力，通过优选承力层材料可以避免面料过于厚重。轻质高强锦纶织物具有坚韧耐用、高强耐磨的特点，还能有效地控制复合面料的单位面积质量［10］。因此，选择轻质高强锦纶织物作为复合面料的承力层材料。

保护层。锦纶织物耐磨性能较好，在复合面料中能够对聚合物阻隔膜起到很好的保护作用，避免其在使用和运输过程中出现划伤、划破等问题。轻薄型锦纶织物单位面积质量低，不会给复合面料带来较大的重量负荷。因此，本试验以轻薄型锦纶织物作为复合面料的保护层材料。

黏合层。聚氨酯胶黏剂分子中含有强极性的异氰酸酯基（—NCO）和氨酯基（—NHCOO—），对多种材料有优良的黏接力且容易浸润，工艺性好，使用期长，且具有耐冲击、耐疲劳、耐化学品等优点，可以实现织物等多孔隙表面和聚合物材料等光滑表面的黏接［11⁃12］。因此，选择热塑性聚氨酯（TPU）胶膜作为黏合层材料。

功能层。功能层为复合面料的疏水疏油整理层，可防止液态物质在防护面料表面积聚。十七氟癸基三乙氧基硅烷（以下简称AC⁃FAS）是纤维材料常用的疏水疏油整理剂。试验采用AC⁃FAS对复合面料的锦纶织物表面进行疏水整理，从而在复合面料表面获得较好的疏水效果。

2 复合面料制备工艺

2.1 复合面料加工工艺流程

将各层材料铺好，在NSC 100×100热压成型机层压加工，复合工艺：承力层、第一黏合层、阻隔层、第二黏合层、保护层在115℃～155℃、0.5 MPa下热压复合30 s，温室放置24 h后经AC⁃FAS溶液浸轧、预烘、焙烘，完成表面疏水整理，制得化学防护复合面料。

热压复合过程中，复合温度对防护面料的力学性能和阻隔性能均有较大影响，是复合过程中的关键工艺参数。本试验将热压复合温度设置在115℃～155℃，以研究复合温度对防护面料综合性能的影响；压力设置0.5 MPa，热压时间设置30 s；完成热压复合后在室温环境放置24 h。

表面疏水整理工艺中，将AC⁃FAS调配为质量分数1%、3%、5%的乙醇溶液，对复合面料进行“浸⁃轧⁃预烘⁃焙烘”疏水处理，预烘温度60℃，时间30 min；焙烘温度90℃，时间2 min。

2.2 测试

利用美国英斯特朗公司的5969型电子万能拉伸试验仪，按照GB/T 3923.1—2013《纺织品织物拉伸性能第1部分：断裂强力和断裂伸长率的测定（条样法）》，对锦纶织物以及多层复合面料进行拉伸断裂强力测试；按照GB/T 2791—1995《胶粘剂T剥离强度试验方法挠性材料对挠性材料》，对“承力层/阻隔层”界面进行剥离强度测试。

利用济南兰光机电技术有限公司的W⁃3031型水蒸气透过率测试仪，根据GB/T 1037—1988《塑料薄膜和片材透水蒸气性试验方法杯式法》，对阻隔膜和多层复合面料进行透湿性能测试。利用济南兰光机电技术有限公司的Basic 201型压差法气体渗透仪，根据GB/T 1038—2000《塑料薄膜和薄片气体透过性试验方法压差法》，对阻隔膜和多层复合面料进行透气性能测试。

利用温州市大荣纺织仪器有限公司的YG（B）812D⁃20型数字式渗水性测定仪，根据FZ/T 01004—2008《涂层织物 抗渗水性的测定》，对多层复合面料进行抗渗水性能测试。

利用德国Dataphysics公司的OCA15EC型接触角测量仪，根据GB/T 30447—2013《纳米薄膜接触角测量方法》，对复合面料外侧表面的水静态接触角进行测试。

根据GB 24540—2009《防护服装 酸碱类化学品防护服》化学品渗透时间指示剂测试法，对复合面料进行化学品渗透时间测试。

3 工艺优化

3.1 材料优选

3.1.1 阻隔层

渗透物分子通过致密膜中的自由体积——聚合物分子热运动引起的聚合物链间的微小空间发生渗透，需要绕过晶区，从非晶区通过［13］。膜的厚度越大，渗透物小分子在膜材料中的渗透路径越长，且越复杂，使得渗透物分子扩散的难度越大，阻隔能力越好。但是，阻隔膜越厚，对复合面料造成的重量负荷也会越大。

本研究选3种不同规格的PVDC阻隔膜，依次记为PVDC 1#、PVDC 2#和PVDC 3#，厚度依次为15μm、20μm和70μm，单位面积质量依次为20 g/m2、35 g/m2和65 g/m2。测得3种规格的PVDC阻隔膜氧气透过量（压力0.1 MPa条件下）依 次 为47.68 cm3/（m2·24 h）、33.80 cm3/（m2·24 h）和23.04 cm3/（m2·24 h）；水蒸气透过量依 次 为6.86 g/（m2·24 h）、3.78 g/（m2·24 h）和1.79 g/（m2·24 h）。

可以看出，PVDC 1#的厚度和单位面积质量最小，氧气透过量和水蒸气透过量最大，即阻隔性能较差。PVDC 2#的厚度和单位面积质量都稍大于PVDC 1#，其阻隔能力也优于PVDC 1#。PVDC 3#的厚度最大，氧气和水蒸气的透过量也最低，表明阻隔性能最好。综合考虑，PVDC 2#厚度适中，阻隔能力较好，因此将其作为化学防护复合面料的阻隔层。

3.1.2 承力层

相同条件下，织物所用纱线的线密度越大，纱线的强力越高，织物的强力也越高。纱线线密度的增加，会导致织物的单位面积质量提高。因此，需要综合考虑纱线线密度对织物强力和单位面积质量的影响。本研究选3种不同规格的锦纶织物，依次记为PA 1#、PA 2#和PA 3#，长丝细度依次为4.44 tex、11.1 tex和23.3 tex，单位面积质量依次为65 g/m2、78 g/m2、134 g/m2。3种织物经向断裂强力依次为557 N、891 N和1 451 N，纬向断裂强力依次为371 N、448 N和1 346 N。

可以看出，织物所用纱线线密度越大，断裂强力越大。其中，PA 1#锦纶织物单位面积质量低，同时，断裂强力也较低。PA 3#锦纶织物经向、纬向断裂强力分别为1 451 N和1 346 N。虽然PA 3#锦纶织物强力很高，但面料单位面积质量达134 g/m2，较为厚重。PA 2#锦纶织物经向、纬向断裂强力分别为891 N和448 N，能够满足试验设计的强力要求，且织物单位面积质量为78 g/m2，质量适中。所以，本试验选择PA 2#锦纶织物作为化学防护复合面料的承力层，既能保证复合面料具有足够的强力，又可以合理降低复合面料的质量，达到轻质的效果。

3.1.3 保护层和黏接层

保护层选用22.2 dtex锦纶织物作为复合面料的保护层材料，单位面积质量24 g/m2。黏合层选用厚度80μm的TPU热熔胶膜作为胶黏剂。

3.2 制备工艺优化

对115℃、125℃、135℃、145℃和155℃复合温度下制得的复合面料的阻隔层与承力层界面剥离强度进行测试，结果如图1所示。可以看出，随着热压温度的增加，黏合界面的剥离强度增加，表明界面黏合性能提高。这是由于越高的温度能够使热熔胶分子链获得更充分的交联、伸展。另外，在黏接过程中会产生小分子物质，若这些小分子存留在黏接界面中会形成缺陷，较高的温度有利于这些小分子挥发，从而提高界面间的剥离强度。

图1 不同温度热压复合界面剥离强度

对115℃、125℃、135℃、145℃和155℃复合温度下制得的复合面料断裂强力进行测试，结果如图2所示。可以看出，随着热压温度的增加，复合面料经向、纬向断裂强力增加，经向、纬向断裂强力都在145℃时达到最高。随着温度的进一步增加，复合面料的断裂强力下降。这是因为在一定范围内，温度越高，胶膜的融化程度越高。在压力作用下，能够与织物达到更充分的接触，更好地填补面料内部的孔隙，增强了纤维之间的抱合力。并且，适当温度的热处理使织物发生轻微的收缩，织物单位面积质量和厚度均会增加，从而使得面料的强力提高。但是，随着温度的进一步升高，纤维的收缩程度也越大，造成纤维内部应力松弛。同时，纤维无定形区分子链热运动能提高，降低了纤维原本具有的取向，导致纤维的断裂强力下降［14］。因此，复合面料的强力在145℃之后呈下降趋势。

图2 不同温度热压复合面料断裂强力

对115℃、125℃、135℃、145℃和155℃复合温度下制得复合面料的阻隔性能进行测试，结果如图3所示。可以看出，随着复合温度的增加，复合面料的氧气透过量和水蒸气透过量均逐渐降低，表明阻隔性能提高。随着温度的进一步增加，当温度超过135℃时，复合面料的氧气透过量呈上升趋势，表明面料的阻氧性能下降；当温度超过145℃时，复合面料的水蒸气透过量呈上升趋势，表明面料的阻湿性能下降。这是因为，一定温度的热处理可以增加聚合物材料分子链的运动几率，一方面使分子链排列更加紧密，另一方面促使有缺陷的分子链段形成二次结晶，进一步提高材料的结晶度［15］。由于渗透物的小分子无法从阻隔材料的晶区通过，只能绕过晶区从非晶区通过，因此热处理会提高聚合物膜的阻隔性能。当温度进一步升高，会破坏聚合物的分子结构，或使材料表面出现裂纹等缺陷，导致氧气、水蒸气分子更容易透过，从而降低材料的阻隔性能。

图3 不同温度热压复合面料阻隔性能

综合考虑热压温度对复合面料力学性能、界面黏接性能和阻隔性能的影响，将热压温度设定为135℃较为合适。

3.3 表面疏水整理工艺优化

未做疏水处理的复合面料表面静态水接触角为89.6°，而采用质量浓度1%、3%和5%的AC⁃FAS的乙醇溶液处理后面料的功能层静态水接触角测试结果依次为132.9°、136.8°和136.6°，均具有较好的疏水性，表明AC⁃FAS是良好的织物疏水整理剂。其中，采用质量百分浓度为3%的AC⁃FAS乙醇溶液处理后获得的疏水效果最佳，且能有效节约成本。

4 复合面料防护性能测试

以35 g/m2PVDC阻隔膜作为阻隔层、以78 g/m2锦纶织物作为承力层、以24 g/m2锦纶织物作为保护层，在热压温度135℃、热压时间30 s、压力0.5 MPa的条件下制得隔绝式化学防护复合面料，分别进行耐静水压性和化学品渗透时间测试。

4.1 耐静水压性能

对上述工艺下制得的隔绝式化学防护复合面料进行耐静水压测试。材料在60 kPa的静水压下能够保持超过20 min不出现渗水情况，具备良好的耐静水压能力。

4.2 化学品渗透时间

化学试剂渗透时间是表征化学防护面料性能的重要参数［16］。对上述工艺下制得的隔绝式化学防护复合面料进行化学品渗透性能测试，测试试剂包括质量分数98%硫酸溶液、30%盐酸溶液、40%氢氧化钠溶液和40%氢氧化钾溶液，测得穿透时间均大于480 min。表明化学防护复合面料对酸碱类化学品具有良好的防护能力，达到3级防护标准（240 min以上）。

5 结语

针对气密型化学防护面料防护性能与单位面积质量之间的矛盾问题，对化学防护多层复合面料进行结构设计、材料优选和复合工艺优化。通过热压复合工艺，选用35 g/m2PVDC阻隔膜作为阻隔层、78 g/m2锦纶织物作为承力层、24 g/m2锦纶织物作为保护层、热压温度135℃制得的化学防护复合面料单位面积质量342 g/m2，经向断裂强力1 418 N，纬向断裂强力1 214 N，对常用酸碱试剂的防护时间均大于480 min。在保证防护面料高阻隔性能的同时，有效降低了复合面料单位面积质量，提高了产品在使用和运输过程中的便捷性，且能够满足多种环境中的化学防护需求。