迷彩面料室内加速老化过程及其性能变化

夏兆鹏,潘佳俊,张海宝,卢佳浩,胡高强

(1.青海省产品质量检验检测院,西宁 810001; 2.天津工业大学纺织科学与工程学院,天津 300387)

防护用纺织品涉及生产生活中的方方面面,大到航天服、防弹衣、作训服等特种防护服,小到日常生活用防护纺织品,但纺织品在使用过程中不可避免的会受到周围环境影响而发生老化,这对防护用纺织品的性能提出了更高的要求[1-3]。防护用纺织品发生老化的原因可以分为人为因素和外界因素,人为因素包括存放条件和日常洗涤,外界因素中紫外线辐射和温度的作用尤为强烈[4]。

青藏高原地理位置属于中低纬度,并且太阳高度角高、空气稀薄、大气干燥、多晴天等,这些综合因素导致了青藏高原地区的昼夜温差较大,太阳辐射远高于其他地区[5-7]。目前对防护用纺织品老化方面的研究大多针对于常规且单一的大气环境,在青藏高原这种纬度高、紫外线辐照时间长且强度高、昼夜温差大等特殊大气环境下,紫外辐照度和温度对防护用纺织品的破坏存在交互影响,然而针对两者耦合破坏作用的相关研究较少[8-9]。因此,目前紫外辐照和温度对防护用纺织品的耦合破坏机理尚不明确。防护服作为保护生命安全的重要保障,如果由于长时间紫外线照射和温度的共同作用导致性能下降或消失,在面对危险时将严重威胁到使用人员的生命安全。

本文利用自主研制的紫外-温度老化装置进行防护用纺织品的室内人工加速老化试验。根据青藏高原地区的3个典型城市西宁、格尔木、日喀则一年内的月平均温度及紫外线辐照量共设计3组对照试验,对迷彩面料室内加速老化前后的微观形态、力学性能、热学性能、化学结构进行分析,研究紫外-温度耦合作用对防护用纺织品性能的影响。

1 实 验

1.1 实验原料

平纹迷彩色面料通过市场采购获得,包含18.3%棉纤维、17.2%维纶和64.5%聚酯纤维,其经密为187 根/(5 cm),纬密为124 根/(5 cm),厚度为0.4132 mm,平方米质量为278 g/m2。

1.2 表面形貌观察

采用荷兰Phenom-World公司生产的Phenom XL台式扫描电镜来观测老化后纤维表面的变化。

1.3 傅里叶变换红外光谱分析

采用赛默飞世尔科技公司的红外光谱仪(Nicolet iS50),记录样品在400～4000 cm-1之间的红外光谱,分辨率优于0.09 cm-1。

1.4 热重分析

采用TGA-601热重分析仪,在氮气气体流量为20 mL/min的条件下进行试验。在20 ℃/min的加热速率下,探索温度区间为50～700 ℃,记录质量损失的温度依赖性(TG),测定质量损失与温度的一阶微分曲线(DTG)。分解温度(Td)在DTG峰的最大值处测量,根据DTG曲线显示的峰面积计算质量损失[10]。样品(约25 mg)取自室内外老化各阶段的织物上,放入仪器并准确称重。

1.5 差示扫描量热分析

采用DSC-600差示扫描量热仪,该仪器使用高纯度氮气以120 mL/min的流速吹扫样品室进行完全校准。标准DSC测试在30～300 ℃温度范围内以10 ℃/min的升温速率进行,从室内外老化各阶段的每种织物上剪取约15 mg样品剪碎放在坩埚中,将坩埚置于炉体中的试样托盘上。

1.6 室内加速老化试验

本文利用自主研制的紫外-温度老化装置进行防护用纺织品的室内人工加速老化试验[11],装置如图1所示。根据西宁、格尔木、日喀则3个地方一年内的月平均温度及紫外线辐照量共设计了3组对照试验,分别为第一组低温、低辐照度(-10 ℃、300 W/m2);第二组常温、中等辐照度(10 ℃、400 W/m2);第三组高温、高辐照度(30 ℃、600 W/m2),每组试验的老化时间梯度为1、3、5、7 h,共4个周期,每次试验放一块样品,加速老化时待设定温度稳定后再调节辐照量使其达到设定值,当达到老化时间后关闭仪器,待样品冷却至室温时取回样品,测试、分析室内人工加速老化后样品性能的变化。

图1 室内人工加速老化箱Fig.1 Indoor artificial accelerated aging device

1.7 断裂强力测试

本断裂强力测试依据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)》,采用YG026MD电子织物强力机,将在恒温恒湿室中调湿24 h后的老化样品分经纬向裁剪成200 mm×50 mm大小,然后分别测试面料的断裂强力,每个方向上测试5个样品取其平均值。测试时,夹持器拉伸速度为300 mm/min,预加张力为2 N。

1.8 顶破强力测试

顶破强力测试依据GB/T 19976—2005《纺织品 顶破强力的测定 钢球法》国家标准,采用YG028万能材料试验机,测试经调温调湿后样品的顶破强力。测试时,样品的面积大小为15.9 cm2,顶破速度为300 mm/min,预加张力为0 N,共测试5组取其平均值。

1.9 撕破强力测试

撕破强力测试依据GB/T 3917.2—2009《纺织品 织物撕破性能 第2部分:裤形试样(单缝)撕破强力的测定》,采用YG026MD电子织物强力机,断裂强力测试和撕破强力测试使用的是同一台仪器,只是测试所需的配件不同。测试前,将样品在恒温恒湿室中调湿24 h,测试时仪器的拉伸速度为100 mm/min,预加张力为0 N,峰值幅度为20%,织物的经纬方向上各取5个样品测试。撕破强力的测试结果按计算方法的不同可分为人工计算和电子计算,人工计算是将撕破强力的强力-伸长曲线上的峰形等分成4个区域,第一区域舍去不用,在剩余3个区域的每个区域内各选择两个最高的峰和两个最低的峰,最后计算3个区域内共12个峰值的算术平均值,称为十二区峰值;电子计算是计算3个区域内所有峰值的算数平均值,也称为三区峰值[12]。

2 结果与分析

2.1 老化后迷彩面料的表面形貌

长时间的老化会导致纤维结构的损伤,而纤维作为织物的基本组成单元,其结构的劣化会导致织物性能的下降。室内环境加速老化前后迷彩面料表面SEM照片如图2所示,图中织物内部呈扁平转曲带状结构的是棉纤维,涤纶纤维呈规则圆柱形,色泽度较好,纤维束排列整齐。当第一组室内环境下加速3 h后,观察到棉纤维转曲处开始出现褶皱,随着老化时间的增加,转曲处出现变形,当老化7 h时已严重变形,同时纤维表面失去光泽;涤纶纤维表面出现凹陷,织物力学性能受损。在第二组加速老化条件下也观察到棉纤维转曲结构的变形,而且在老化7 h时,观察到部分涤纶纤维局部出现了劈裂现象,这表明此时纤维结构遭到严重破坏。当第三组室内环境下加速老化1 h时,观察到涤纶纤维表面出现裂口,且随着老化时间的增加,裂口逐渐增大,到老化5 h时已出现明显裂缝,当老化7 h时,甚至可以观察到部分纤维出现了断口,表面变得非常暗淡,此刻纤维已变得非常脆弱,力学性能损失严重。因此,在紫外-温度耦合作用下温度越高且辐照度越强,对纤维的损伤越剧烈。

图2 室内环境加速老化后迷彩面料表面SEM照片Fig.2 SEM images of the camouflage fabric surface after indoor accelerated aging

2.2 老化后迷彩面料红外光谱分析

图3 室内加速老化后迷彩面料的FTIR曲线Fig.3 FTIR curves of the camouflage fabric after indoor accelerated aging

2.3 老化对迷彩面料热稳定性的影响

2.3.1 热重分析

图4显示了迷彩面料在不同加速老化条件下的TG和DTG曲线。从图4可以看出,织物在达到最大热分解温度前DTG曲线上有一个小的肩峰,这是由于棉纤维的热分解温度要低于涤纶、维纶纤维,在达到织物的最大热分解温度前棉纤维就发生了热分解[14]。织物未老化时,达到最大热分解的温度为415.91 ℃,在第三组室内加速环境下老化7 h后,最大热分解温度降低到399.63 ℃,下降幅度较大。织物未老化时内部结构紧密,力学性能较好,随着老化时间增加,织物结构受损,更容易受到环境的影响,力学性能损伤程度也逐渐增大,这意味着紫外-温度耦合作用对织物的力学性能具有显著影响。

图4 室内加速老化后迷彩面料的TG/DTG曲线Fig.4 TG/DTG curves of the camouflage fabric after indoor accelerated aging

2.3.2 差示扫描量热分析

第一、二、三组室内人工加速环境下迷彩面料的DSC曲线如图5所示。从图5中看到随着室内加速环境中温度和紫外辐照度的增加,纤维的熔融峰向低温区移动,这表明纤维内部非晶区无规则排列的分子链运动更加活跃,结晶区面积减少,纤维力学性能发生下降[15]。

图5 室内加速老化后迷彩面料的DSC曲线Fig.5 DSC curves of the camouflage fabric after indoor accelerated aging

织物的DSC曲线上显示出两个明显的吸热峰,第一个吸热峰出现在230 ℃左右,表示的是织物内部维伦纤维的熔融峰,峰值温度随着老化环境的劣化降低至227.6 ℃;第二个吸热峰出现在260 ℃,对应于涤纶片晶的熔化,未老化时涤纶纤维的熔融峰为259.2 ℃,老化后峰值温度降低到256.1 ℃,老化可能会导致晶体内某些交联作用的破坏,结晶度下降[16]。这些结果表明紫外-温度耦合作用下,温度越高且辐照度越强,对纤维结晶度的影响越大。

2.4 老化对迷彩面料力学性能的影响

室内不同人工加速老化条件下迷彩面料的经纬向断裂强力如图6所示。由图6可知,织物的经纬向断裂强力随着老化时间增加而下降。织物未老化时经纬向断裂强力分别为2024.42、1332.96 N,当老化7 h时,第一组室内加速条件下织物经纬向断裂强力分别下降了12.51%、11.58%;第二组室内加速条件下织物经纬向断裂强力分别下降了17.82%、17.73%;第三组室内加速条件下织物经纬向断裂强力分别下降了24.16%、26.87%。

在室内加速老化过程中,织物受到热和光的共同作用,内部纤维分子结构发生变化,非晶区的化学键开始断裂,且这种断裂逐渐扩展到结晶区,结晶度下降,从而导致织物强力的下降[17]。

室内不同人工加速老化条件下迷彩面料的顶破强力变化如图7所示,由于不同组的紫外辐照度和温度的变化,织物的顶破强力都呈现不同程度的下降。织物未老化前的顶破强力为2388.12 N,第一、二、三组室内加速老化环境下织物顶破强力分别下降了16.17%、18.07%、21.51%。

图7 室内加速老化后迷彩面料顶破强力Fig.7 Bursting strength of the camouflage fabric after indoor accelerated aging

室内不同人工加速老化条件下迷彩面料的撕破强力变化如图8所示。从图8中可看出,三区峰值和十二区峰值撕破强力计算结果基本吻合,基于数据的精简分析,故下面的讨论中只考虑三区峰值计算结果。由图8可知,织物未老化前经纬向撕破强力分别为148.1 、128.96 N,撕破强力随着老化时间的增加而下降,当老化7 h时,第一组室内加速老化环境下织物经纬向撕破强力分别下降了11.04%、14.69%;第二组室内加速老化环境下织物经纬向撕破强力分别下降了24.77%、32.65%;第三组室内加速老化环境下织物经纬向撕破强力分别下降了40.43%、50.50%。这是由于撕裂破坏主要靠撕裂三角区域的局部应力场作用,而从纤维形貌的电镜图中观察到,老化后纤维束间变得疏松且纤维变脆,撕裂三角区域的局部应力场作用减弱[18-19]。

图8 室内加速老化后迷彩面料撕破强力Fig.8 Warp/weft tear strength of the camouflage fabric after indoor accelerated aging

这些结果可以发现,紫外-温度耦合作用对织物的力学性能具有显著影响。当温度和辐照度均提高时,织物的损伤越严重,其力学性能下降越大,这意味着防护用纺织品在青藏高原环境中使用时更易老化失效。

3 结 论

文章通过不同室内加速老化环境研究了迷彩面料室内加速老化的过程。结果表明,老化后纤维表面变得粗糙不平且部分区域出现裂纹和裂缝。随着室内老化加速时间的增加,织物的力学性能大幅下降。老化后织物达到最大热分解时的温度及熔融温度均向低温区移动。最大热分解温度降低说明织物的热稳定性变差,更容易发生分解。熔融温度降低表明纤维分子无定形区中无规则排列的分子链运动更加剧烈,使纤维内部晶体熔融行为更快到来,导致了结晶度的下降。织物经过老化后,吸收峰的位置和峰形基本没有变化,没有形成新的化学键,这表明老化过程中并没有产生新的物质。该基于紫外-温度耦合作用的老化过程研究对青藏高原地区开发防护用纺织品具有重要意义。