污渍吸附对消防服装性能影响的评测

韦玉辉, 苏兆伟，黄天赐，唐 欣，佘敏楚楚

(1.安徽工程大学 纺织服装学院，安徽 芜湖 241000；2.应急管理部上海消防研究所，上海 200032；3.杭州职业技术学院 达利女装学院，浙江 杭州 310018)

火灾、爆炸等多种安全事故救援现场属于烟雾、灰尘、金属粉末、煤灰、泥土、有毒有害气体等各种污渍共存的作业环境[1-3]。同时，作业人员在执行救援任务时，需要完成装备搬运、水带拖拽、架梯登梯、火钩使用、破拆及搜寻、人员救护等一系列高强度体力劳动，会大量出汗。消防服装又属于消防应急救援工作人员执行救援任务的必备装备，且在执行救援任务的过程中必然会沾染其作业环境的各类污渍[4-6]。目前关于消防服装的研究主要集中在新型防护材料研发、热湿舒适性能提升、工艺优化、应急救援工作人员的救援能力及救援工作指挥效率提升等方面[7-9]。关于救援服装表面沉积污渍吸附形式、洗消处理及其对服用功能或服用性能是否产生影响的研究报道甚少[9-10]。根据相关衣物污渍清洗研究理论，衣物吸附污渍后，若采用合适的洗涤处理，使其表面沉积的污渍及时清除，并给予适当的维护保养，使其重复使用，是完全可以的，但关于具有防护功能的消防服装吸附污渍后，经过洗消处理，其是否可以重复使用的研究未见报道[11-13]。消防服装因其使用环境的高危险性，其防护功能要求极高，且用于消防服装的材料、加工、附件装备的成本极高，国家每年要花费大量人力、物力进行相关服装的生产与研发。若研究可证明表面沉积污渍的消防服装通过正确洗消、维护、保养便能重复使用，将可有效避免目前因污渍沉积，误判装备“不可使用”带来的经济损失与资源浪费[1,4,13]。因此，本文以消防救援现场比较常见的油渍和泥渍作为实验模拟污渍，系统探究污渍种类、污渍吸附前后、洗消处理前后，常用消防面料阻燃性能、透气性能、拒水性能、外观形貌的变化规律，以期为消防服装的重复使用或者高效洗消提供技术指导。

1 实验

1.1 实验样品及材料

1.1.1 实验样品

由于消防服装最外层面料易沾染污渍，而中间层和内层沾染污渍的可能较低，故可选择以下3种目前较常用的消防服装外层面料，作为实验面料：1#(93%芳纶1314，5%Kevlar，2%抗静电纤维)、2#(98%芳纶1313，2%芳纶1414)及3#(100%阻燃棉)。本文将重点分析影响外层面料表面吸附污渍前和洗消前后的阻燃性能、透气性能、拒水性能的变化规律。实验面料由赫菲斯托斯高性能纤维制造(东莞)有限公司提供。其具体参数如表1所示。

表1 实验面料规格

1.1.2 实验材料

为探究消防服装表面吸附污渍和洗消处理是否影响其阻燃性能、透气性能、拒水性能，本文结合一线消防队员的走访调研结果和网上火灾现场报道的文献资料，确定以泥渍、油渍作为实验用污渍，进行实验。实验材料如表2所示。

表2 实验材料

1.2 实验过程

1.1.2 污渍布制备

(1)泥渍污渍布的制备方法：①在乙醇水溶液中加入平平加O，充分搅拌至其完全溶解，加入0.5%的炭黑粉，并用高速搅拌机高速搅拌10 min；搅拌转速设置为1 000 r/min，制得炭黑分散均匀的炭黑分散液；②称取适量黏土，放入一定量的去离子水中，沸煮30 min；③将用去离子水溶解充分的六偏磷酸钠(SHMP)溶液滴加至黏土水溶液中，用搅拌机以1 000 r/min的转速搅拌15 min，制得黏土分散液；④将一定量的炭黑分散液加至黏土分散液中，用搅拌机以1 000 r/min搅拌15 min，制得泥渍污液；⑤将裁剪的外层实验样布放入泥渍污液中浸渍6 h，再经二浸二轧处理，自然晾干，即可制得泥渍污渍布。

(2)油渍污渍布的制备方法：①称取质量比为65∶35的司盘-80与吐温-80，将司盘-80溶于蒸馏水，而将吐温-80与0.1%油溶红溶于大豆油中，分别用搅拌机以500 r/min的转速搅拌10 min，待用；②用搅拌机将与司盘-80混合充分的水溶液以500 r/min的转速搅拌10 min，缓慢加入混合充分的含有吐温-80的大豆油(油水比为3∶1)，并用搅拌机以500 r/min的转速搅拌10 min后，换高速搅拌机以10 000 r/min的转速搅拌6 min，制得油渍污液；③将裁剪的外层实验样布放入油渍污液中充分浸渍6 h，再经二浸二轧处理，自然晾干，即可制得油渍污渍布。

1.1.2 洗消实验

实验采用的洗消方式轴下：机械搅拌；洗涤剂为中性洗涤液，用量为2%；主洗水温为30 ℃，浴比为1∶15，转速为30 r/min，时间为30 min；漂洗次数为2次，转速为700 r/min，时间为9 min，浴比为1∶30。

1.3 实验评测指标

(1)阻燃性能：参照GB/T 5455-2014《纺织品燃烧性能垂直方向损毁长度、阴燃和续燃时间的测定》，采用型号为YG(B)815D-Ⅰ型(垂直法)织物阻燃性能测试仪进行原样、吸附后样品和洗消后样品的阴燃时间、续燃时间和损毁长度的测试，对比分析污渍吸附与洗消处理对织物样品阻燃性能的影响。样品尺寸为300 mm×80 mm，点燃时间为12 s。

(2)透气性：参照GB/T 5453-1997《纺织品织物透气性的测定》，利用型号为YG(B)461D-Ⅱ型数字式织物透气量仪进行原样、吸附后样品和洗消后样品的透气性能测试。

(3)拒水性：采用型号为DSA25B织物接触角测试仪进行静态接触角和动态吸附过程的测试。测试所取水滴的体积均为5 μL。每个样品选取5个不同位置进行测试，以其平均值作为测试样品的接触角数据。

(4)形貌特征：分别采用型号为MF52-N的倒置荧光显微镜和型号为VHX-5000超景深三维显微镜，对原样、吸附后样品和洗消处理后样品的形貌特征进行观测，对比分析其织物详品的形态变化。

2 实验结果与讨论

2.1 阻燃性能

表3所示为污渍吸附与洗消处理前后的阻燃性能实验结果。

由表3可知，1#、2#、3#3种面料吸附油渍和泥渍后，其阻燃性能均呈现明显的下降趋势，但吸附油渍的阻燃性能下降程度大于吸附泥渍的阻燃性能下降程度。油渍一般属于饱和脂肪酸、单元不饱和脂肪酸、多元不饱和脂肪酸，含有大量的低级烃及其衍生物，燃点很低，遇到明火时很容易燃烧，也可助燃，故织物面料吸附油渍后，其续燃时间和损毁长度明显增加。而泥渍本身不具有助燃成分，仅是在制备过程中添加了吐温等有机乳化剂(含氧有机化合物)，故其被吸附后，虽然也会导致面料阻燃性能的下降，但下降程度远低于吸附油渍的情况，即相比油渍，其续燃时间和损毁长度的增加量较小。同时，实验发现：吸附污渍的面料，经过洗消处理后，其阻燃性能可基本恢复到未吸附状态，说明洗消处理可最大限度地保证消防服装的阻燃性能，保障消防人员的人身安全。相比于原布，洗消后面料的阻燃性能仍有轻微下降。因为洗消处理后，面料表面仍有少量的污渍未被清除，故洗消后的续燃时间、阴燃时间和损毁长度均有轻微增加(相比于未吸附样品)。此外，对比3种阻燃面料在未吸附、吸附污渍、洗消处理条件下的续燃时间、阴燃时间和损毁长度发现：3种面料中，不论是否吸附污渍、吸附何种污渍、是否洗消处理，3#(100%阻燃棉织物)的阻燃性能均最差，1#和2#相对较好。这是因为1#和2#面料主要成分是芳纶纤维，芳纶纤维属于苯环共轭体系类纤维，分子的耐热性能较好，而3#面料是易燃棉织物经阻燃整理制得的，其阻燃性能主要与整理剂有关，表现较差。综上所述，面料阻燃性能与纤维种类、表面是否吸附污渍、吸附污渍的种类及是否洗消处理均存在一定关系。

表3 阻燃性能测试结果

2.2 透气性能

图1所示为污渍吸附与洗消处理前后的透气性能实验结果。由图1可知，相比于原样，吸附油渍和泥渍的织物样品透气性能均呈现明显的下降趋势。其中，面料吸附油渍时的透气性能下降明显大于其吸附泥渍时的透气性能下降程度。油渍属于液体污渍，可以渗透到纤维内部，使纤维膨胀，导致纤维、纱线之间的空隙减小，透气性能下降较多。泥渍属于固体颗粒状污垢，当其被吸附在织物表面时，颗粒状污垢会粘附在面料表面，堵塞一部分纱线空隙，故相应织物样品的透气性能也有一定程度下降，但下降程度远低于油渍吸附的情况。同时，实验发现：经过洗消处理，3种面料的透气性能基本恢复至未吸附污渍时的透气性能，说明洗消处理可实现面料透气性能的恢复；泥渍和油渍相比，在相同的洗消条件下，泥渍透气性能恢复程度明显高于油渍。泥渍属于固体颗粒状污垢，其与面料主要依靠范德华力的物理吸附，清除相对容易，洗消处理后，洗净率较高，故其透气性能恢复也较好。相反，油渍分子量较大，当其与纤维接触时，能迅速粘附于纤维表面，并渗透到织物内部，结合较为牢固，较难去除，而且吸附与解吸也并不是完全可逆的，洗消处理后仍会有部分污渍滞留在织物表面或者内部，洗净率较低，故相比于原样，其洗消处理后的透气性出现了轻微下降趋势。因此，日常洗消时，应根据吸附污渍种类选择合适的洗消程序，以便提高洗消清洁度，最大限度地保障服装再次使用的性能和消防人员的人身安全。

图1 透气性能实验结果

2.3 拒水性能

表4所示为污渍吸附与洗消处理前后的拒水性能实验结果。由表4可知：3#(100%阻燃棉织物)吸附油渍和泥渍后，亲水性能依然良好，水分子接触角均为0°，但动态平衡时间明显延长，说明阻燃棉织物吸附污渍后，水滴滴落在其表面的吸附时间延长了，亲水性有轻微的下降；相反，1#(93%芳纶1314、5%Kevlar、2%抗静电纤维)和2#(98%芳纶1313、2%芳纶1414)面料吸附污渍后，拒水性能均发生了不同程度的变化(其中，吸附油渍时，其接触角增大，拒水性能提升，而吸附泥渍时，接触角减少，亲水性能提升，拒水性能下降；洗消处理后，其接触角又基本恢复至原状，说明对表面污渍进行洗消处理，可保证消防服装重复使用时的防护性能，增加使用频次，延长服装使用寿命)。同时，实验发现：1#、2#面料吸附污渍后，水滴滴落后所需动态平衡时间延长。其中，吸附油渍所需的动态平衡时间大于吸附泥渍所需动态平衡时间。纱线吸附油渍后，其表面会形成一层油膜，使其表面光滑度增大，故水滴滴落时，稳定性较差，需要更多的时间才能达到稳定；相反，吸附泥渍时(因泥渍属于带有一定电荷的污渍，会且以固体颗粒状粘附在面料表面)，泥渍与滴落的水滴结合，相互之间有一定的斥力，只要较短的反应时间便可达到平衡，故其水滴滴落所需平衡时间仅呈现轻微增加趋势。对比吸附污渍的面料，洗消处理后的面料，接触角和动态平衡时间均能基本恢复至未吸附污渍时的状态。这说明织物吸附污渍后，若不进行洗消处理而继续使用，则会降低其拒水性能，影响其穿着舒适性，但洗消处理后，其拒水性能和穿着舒适性均可恢复至原始状态。

表4 拒水性能实验结果

2.4 形貌特征

表5所示为污渍吸附与洗消处理前后的形貌特征观测结果。由表5可知：未吸附污渍的织物表面纱线排列规整，经纬纱线编织纹理结构明显，纱线间空隙较大；吸附污渍后，纱线间空隙明显变小(尤其是3#100%阻燃棉面料)，但两种污渍(油渍和泥渍)在面料表面的吸附形态不同(油渍渗透到纤维内部后，纤维直径明显膨胀，纤维表面光滑；泥渍以颗粒状粘附在面料表面、纱线表面或纱线间空隙、纤维表面或纤维间孔洞中，导致织物表面存在明显的颗粒状或者块状污渍。对比3种面料发现：100%阻燃棉面料对两种污渍的吸附性能表现均为最优，吸附量最多(这是因为阻燃棉织物是棉纤维阻燃处理得到的，纤维内部存在大量空隙，容纳污渍的能力较强，而芳纶纤维分子排列规整、晶体结构明显、疏水性较强，吸附污渍能力相对较弱，故在同样的吸附条件下，其吸附污渍的量相对较少)；洗消处理后，面料表面的规整度轻微下降，并出现了少量纤维端头；在同样的洗消条件下，吸附油渍的织物洗消后表面纱线更规整、光滑，断裂破损现象较少，泥渍则相反。洗消是一个利用洗涤剂、水流、机械力等综合作用将面料表面污渍从其载体(织物)表面剥离到洗消介质(水)中的过程，其涉及各种机械外力(摩擦、缠绕、摔打等)的作用，很容易使面料表面出现磨损。这进一步说明开展针对消防服装洗消程序优化研究的必要性。

表5 形貌特征观测结果

3 结论

通过系统研究未吸附污渍、吸附污渍、洗消后，消防面料的阻燃性能、透气性能、拒水性能和微观形貌，发现：相比于未吸附污渍面料(原布)，吸附污渍面料的阻燃性能、透气性能、拒水性能均呈现不同程度的变化，但洗消处理后，其阻燃性能、透气性能、拒水性能又可基本恢复至未吸附状态，说明在日常救援过程中，消防面料沾染污渍后应及时洗消，以便最大限度地保证其防护性能。吸附油渍的面料，阻燃性能、透气性能在洗消后呈下降趋势，拒水性能在洗消后呈上升趋势；相反，吸附泥渍的面料，阻燃性能(续燃时间、阴燃时间、损毁长度增加)、透气性能和拒水性能在洗消后均呈现显著的下降趋势。对比同样的吸附或洗消处理条件下不同面料的防护性能发现：芳纶1314和芳纶1414的阻燃性能拒水性能均优于100%阻燃棉织物，说明消防面料的防护性能不仅与是否吸附污渍、吸附污渍种类、是否洗消处理相关，而且与面料自身性能有关，尤其是纤维成分；不同污渍的吸附形式不同(油渍以渗透到纤维内部形式存在，吸附污渍后的纤维膨胀，且面料表面光滑；泥渍以颗粒状或者块状粘附在纱线表面或纤维空隙内，面料表面较粗糙)。本文的研究结果既可有效解决消防服装表面沉积污渍使其外观貌似损伤，不可继续使用，造成的使用寿命缩短或资源浪费等问题，也可为消防服装吸附污渍后经过合理洗消，便可重复使用的做法提供一定依据。