防水整理对六钛酸钾晶须涂层织物隔热性能的影响*

吕 璐 王 杰 王 妮 徐 导

1. 东华大学纺织面料技术教育部重点实验室， 上海 201620；2. 东华大学纺织学院， 上海 201620；3. 江苏丹毛纺织股份有限公司， 江苏 丹阳 212300

随着金属冶炼行业的稳步发展和人们对劳动防护要求的不断提高，能够阻隔金属熔滴的隔热防护服的研发工作越来越受到人们的关注[1]。冶金行业中的金属熔融温度为600～1 500 ℃，而人的皮肤在热能温度为72 ℃时就会立刻发生表皮损伤，因此高温金属液体伤害成为冶金行业最典型的职业伤害[2]。此外，金属电焊过程中产生的紫外线也会对皮肤造成伤害，致使从业人员患皮肤癌的概率大大增加[3]。特种隔热阻燃防护服可以保护高温环境下作业人员免受热传导、热辐射、热对流、熔融金属喷溅以及热蒸汽和紫外线的伤害[4]。

目前隔热阻燃防护服多采用铝箔作为外层防护层，其具有防辐射热效果好、反射率高、不易燃烧、质轻、耐老化和防水等特点[5]，但是铝箔的防护温度无法达到铁水的温度(1 500 ℃)，防护性能低，不能接触明火，强力低，耐久性差。六钛酸钾晶须具有稳定的化学性质，优异的耐腐蚀性、耐热性、耐磨性、润滑性，较高的红外反射率；室温下导热系数仅为0.089 W/(m·K)，800 ℃时只有0.017 W/(m·K)，即具有负的温度系数；高温下导热系数低，性能稳定，使用寿命长，不污染环境[6]，目前已被用在隔热材料中。

通常织物只有一层隔热层，并不能起到很好的隔热作用，而隔热阻燃织物中还有一层防水层，其可以起到防水、阻隔热蒸汽的作用[7]。对隔热织物进行防水整理可以避免高温环境下外界的液态水渗入服装后对人体造成更为严重的烧伤。这是因为高温环境下外界的液态水会挥发成水蒸气渗入服装，同时这个过程会吸收大量热量，导致人体烧伤程度变得更为严重。空气导热系数较低，其是一种很好的隔热材料。若想制得隔热性能较好的织物，需要保证织物内部有较多的静止空气。施加一层防水层可以防止涂层液因下渗而填充空气间隙，防水层在一定程度上会对织物的隔热效果产生影响。目前隔热防护服面料的开发与应用在品质和数量上都有大幅增加，并且向着防水透湿、抗菌、抗静电等多重功能方向发展[8]。林裕卫等[9]采用热塑性弹性体(TPE)无孔防水透气薄膜对隔热织物进行防水整理，结果表明，织物的静水压达到98.07 kPa以上，提高了阻燃织物的舒适性，同时避免了水高温蒸发产生的热蒸汽对穿着人员的烫伤。刘亚光[10]采用聚四氟乙烯膜、隔热毡以及均匀分布起支撑作用的硅胶凸点组成新型防水透气隔热层，其中硅胶凸点利用定制点塑硅胶技术再经高温发泡形成。结果表明，该防水透气隔热层阻燃耐高温，同时织物中形成的空气层起到了隔热作用。廖喜林[11]在纳米聚偏氟乙烯(PVDF)纤维防水膜中加入石墨烯和多种遮光剂(Ag、TiO2、Al2O3)赋予PDVF纤维防水膜热稳定性能，结果表明，石墨烯/遮光剂/PVDF纳米纤维复合膜的热辐射防护性能和力学性能都优于PVDF膜，有效提高了PVDF纳米纤维膜在隔热领域的应用前景。但上述研究工艺皆较为复杂，并且没有在隔热织物添加防水层后研究防水整理对织物原本隔热性能的影响。本文主要研究织物的防水预整理能否对织物的隔热效果产生正面影响及其影响机制，以期为进一步提升织物的隔热性能提供参考。

1 试验部分

1.1 试验材料

试验所用机织基布来自丹毛纺织股份有限公司，成分为天丝/棉/高强维纶，面密度为271.5 g/m2，基本性能如表1所示。

表1 机织基布经纬向的基本性能

防水和隔热整理所需化学药品如表2所示。

表2 试验药品

1.2 防水及隔热整理工艺

防水整理：采用质量分数为1%的防水整理剂与去离子水配成防水整理液；使用P-AO型卧式轧车二浸二轧(轧液率为60%，浸泡1 h)，烘干(140 ℃，2 min)后得到防水整理后的织物。

六钛酸钾改性：将六钛酸钾晶须在烘箱中于120 ℃干燥4 h，再倒入盛有无水乙醇的三口烧瓶中配成悬浮液，并加入六钛酸钾晶须质量5%的K550偶联剂，在DF-101 S型集热式恒温加热磁力搅拌器中于30 ℃搅拌1 h，反应结束后在布氏漏斗中抽滤，再在烘箱中于100 ℃干燥1 h，得到改性六钛酸钾。

隔热整理：利用涂层胶和改性六钛酸钾配制六钛酸钾质量分数分别为5%、10%和15%的隔热涂层液，在JJ-1B型恒速可调搅拌器中以转速1000 r/min搅拌1 h，得到隔热涂层液。原布刮涂2～4次→烘干(150 ℃，2 min)→二次涂覆(2～4次)→烘干(150 ℃，2 min)。防水基布刮涂2～4次→烘干(150 ℃，2 min)→二次涂覆(2～4次)→烘干(150 ℃，2 min)。

1.3 织物防水性能测试

参照GB/T 4744—2013《纺织品 防水性能的检测和评价》，采用YG812DA型渗水性测定仪测量防水整理后的织物渗水压，水压上升速率为6 kPa/min。使用OCA15EC型接触角测量仪测试接触角。

1.4 织物厚度测试

参照GB/T 3819—1997《纺织品和纺织制品厚度的测定》，采用YG141N型织物厚度仪测量织物的厚度。压脚面积为1 200 mm2，加压时间为30 s。

1.5 反射性能测试

采用日立U-4100型紫外可见近红外分光光度仪测试250～2 500 nm波段红外光谱的反射率，环境条件为标准大气条件，即温度(20±2) ℃、相对湿度(65±3)%。

1.6 隔热性能测试

使用DRE-III型多功能快速导热系数测试仪，用Hot Disk探头测量防水整理前后的隔热织物的导热系数。

2 结果与讨论

2.1 织物防水性能测量与分析

织物防水性能测试结果表明：防水整理前，织物接触水后会被直接浸湿，遇水无法形成水滴聚集在织物表面;防水整理后，水会在织物表面形成水滴，织物不会被浸湿。防水整理后织物渗水压平均值为2.88 kPa。未经防水整理的织物的平均接触角为37.54°<(90°±4°)，为亲水织物；防水整理后织物的平均接触角为129.00°>(90°±2°)，具有防水性能。由GB/T 4744—2013《纺织品 防水性能的检测和评价 静水压法》可知，防水整理后的织物具有较好的防水性能。

2.2 织物厚度

隔热涂层整理前后经过防水整理和未经过防水整理的织物的厚度变化如图1所示。

图1 六钛酸钾涂层对织物厚度的影响

由图1可知，未经防水整理的织物在隔热涂层整理后织物的厚度整体低于隔热涂层整理前。这是因为织物隔热涂层整理时使用涂层压膜机涂覆隔热涂层，涂层压膜机具有一定质量，在涂覆过程中，其在使织物表面的毛羽被压实的同时，也将隔热涂层液挤进织物内部的空隙，使得织物内部的空隙得到填充，从而织物内部的纱线紧密结合在一起，因此涂层整理后织物的厚度减小。空气的导热系数很低，只有0.023 W/(m·K)，是一种良好的隔热材料，织物的隔热原理之一即为向织物内部引进静止空气层，减少热对流传导，从而降低织物的导热系数，而未作防水整理时直接进行隔热涂层整理导致涂层压膜机压缩了织物间隙的空气体积，因此对未经过防水整理的织物进行隔热涂层整理后其导热系数反而会增大。由图1b)可以看出，进行防水整理后再进行隔热涂层整理的织物的厚度明显大于隔热涂层整理前的织物。由此可见，通过防水层减少隔热涂层液向织物内部纱线和纤维的渗透，从而减少织物内部空隙的损失，在织物内部保留空气层，可在一定程度上保证织物持续具有隔热效果。

2.3 织物反射率

经过防水整理的织物和未经防水整理的织物进行隔热涂层整理时都制备了3种试样，即在隔热涂层中加入的改性六钛酸钾的质量分数不同，分别为5%、10%和15%。电磁波的波长范围很广，但能被物体吸收并转变为热能的辐射线主要是可见光(400～800 nm)和红外线(800～2 000 nm) 两部分。将400～2 000 nm的辐射线统称为热射线[12]。六钛酸钾涂层后织物的光谱反射率如图2所示。

图2 六钛酸钾涂层后织物的光谱反射率

由图2可知：只经过隔热涂层整理的织物和防水整理后再进行隔热整理的织物，其反射光谱的形状在1 000～2 000 nm附近较为相似，但反射性能存在显著差异，这也证实六钛酸钾具有良好的红外反射性能，且六钛酸钾质量分数为10%时，织物的反射率最高，其次为六钛酸钾质量分数为5%和15%。当六钛酸钾质量分数大于10%时，随着六钛酸钾质量分数增加，织物的光谱反射率并没有增大反而降低，这主要是因为对于一定强度的红外辐射，已经有足够的功能粒子与红外光子发生作用，使红外光发生反射，此时继续增加功能粒子的含量，会造成过量的六钛酸钾分子之间范德华力作用增强，导致六钛酸钾粒子表面无法产生电荷间的互斥力使六钛酸钾粒子分散均匀，引起六钛酸钾粒子的有害团聚，最终织物的光谱反射率降低[13]。隔热涂层主要通过阻隔、反射和辐射来增强织物的隔热作用。由图2可以较明显地看出，防水整理后的隔热织物的反射率明显高于未经防水整理的隔热织物，因此从热射线反射方面可以推断防水整理后的织物隔热效果更好。

2.4 织物导热系数

六钛酸钾涂层后织物的导热系数如图3所示，其中六钛酸钾质量分数为0即对应织物原布。

图3 六钛酸钾涂层后织物的导热系数

由图3可知：未经防水整理的织物在经过隔热整理后，不论六钛酸钾质量分数为多少，其隔热织物的导热系数都比原布大。这是因为空气的导热系数很小，织物间的静止空气有助于保障织物的隔热性能，而未经防水整理时，隔热涂层液下渗填充了织物间的空气间隙，反而使织物的导热系数增大；六钛酸钾是一种红外反射率高、导热系数低的粒子，添加至涂层剂中可赋予织物隔热性能，当六钛酸钾质量分数为5%时，六钛酸钾粒子含量较少，尚未完全展现隔热性能，但是随着六钛酸钾质量分数的增加，即六钛酸钾质量分数为10%和15%时，未经防水整理的织物的导热系数减小并逐渐接近原布，说明此时六钛酸钾在一定程度上展现了其导热系数低、可提高织物隔热性能的能力。防水整理后隔热织物的导热系数比未经防水整理的隔热涂层织物的导热系数小，当隔热涂层液中六钛酸钾质量分数为15%时，其导热系数最高下降17.5%，表明防水整理后的隔热织物的隔热效果比未经防水整理的隔热织物好。这是因为防水整理使得织物涂层液没有下渗，保留了织物间的空隙，因此织物的隔热效果较好。此外防水整理后，织物的导热系数随着六钛酸钾质量分数的增加而降低，本文所使用六钛酸钾的导热系数为0.117 W/(m·K)，低于原布的导热系数，因此随着六钛酸钾质量分数的增加，织物的导热系数呈下降趋势。当六钛酸钾质量分数为5%时，相比原布，防水整理的隔热涂层织物的导热系数下降幅度较大，为14.6%，而当六钛酸钾质量分数为10%和15%时，织物的导热系数下降趋势减缓。这是因为，一方面六钛酸钾粒子可以降低织物的导热系数，另一方面逐渐增多的六钛酸钾粒子发生一定程度的团聚，使得反射效果发生叠加，从而六钛酸钾展现隔热性能的效率降低，最终涂层织物导热系数的下降速度减缓。

3 结论

(1)经过防水整理的织物在进行隔热涂层整理后，其厚度比未经隔热涂层整理时大，而未经防水整理直接进行隔热涂层整理的织物的厚度则小于隔热涂层整理前。

(2)经过防水整理和未经防水整理的隔热织物反射光谱相似，均在1 000～2 000 nm附近反射性能急剧增加；无论是否经过防水整理，隔热涂层中六钛酸钾质量分数为10%时，织物的反射率都最高；防水整理后的织物再进行隔热涂层整理，所得织物的反射率比未作防水整理的隔热织物大。

(3)防水整理后的隔热涂层织物的导热系数比未经防水整理的隔热涂层织物小，当隔热涂层液中六钛酸钾质量分数为15%时，其导热系数下降最多，为17.5%；防水整理后，随着六钛酸钾质量分数的增加，涂层织物导热系数下降程度呈逐渐减缓的趋势，六钛酸钾质量分数为5%时，导热系数下降程度最大，为14.6%。总体而言，防水整理后隔热涂层织物的隔热效果比未经防水整理的隔热涂层织物好。