电弧闪爆对织物厚度和拉伸强度的影响

秦 鑫 ,张成蛟 ,孙启龙 ,彭华陵

(1.杭州市质量技术监督检测院,浙江 杭州 310019;2.南通大学,江苏 南通 226019)

电弧实质是一种气体放电现象,电弧爆燃瞬间会放电,产生巨大的焦耳热,造成热效应危害[1-2]。据统计,全球平均每天发生5～10起电弧燃爆事故[3]。防电弧面料及防电弧服装的作用是保护特殊工作人员免受电弧伤害[4],尤其对电力行业人员防电弧服装的使用更为重要。目前国内防电弧面料还处于发展阶段,主要还是对国外产品的模仿,防电弧织物的相关研究主要在面料设计开发,关于电弧燃爆后对织物性能影响的报道很少,缺乏对防护机理的深入研究[5]。通过对织物电弧闪爆后的物理性能进行研究,可进一步掌握电弧闪爆对织物的破坏机理,进而探究织物电弧防护方法。通过电弧燃爆试验对防电弧织物厚度和拉伸强度影响的研究,可为防电弧面料研发提供参考。

1 试验部分

1.1 材料与仪器

芳纶1313/阻燃黏胶混纺织物、芳纶1313织物、芳纶1414织物(315根/(10 cm)×228根/(10 cm),32 tex×32 tex,织物组织为2/1斜纹,面密度为228 g/m2,陕西省纺织科学研究院提供)。

YG142 型测厚仪(宁波纺织仪器厂);Instron 5969 H 型万能材料试验机(美国英斯特朗公司)。

1.2 电弧闪爆试验

电弧闪爆试验委托加拿大Kinectrics公司高电流实验室完成,闪爆试验参数见表1。

表1 3种织物试样电弧闪爆试验方案

2 结果与讨论

2.1 电弧闪爆对织物厚度影响

按表1试验方案对芳纶1313/阻燃黏胶混纺织物、芳纶1313织物和芳纶1414织物进行电弧闪爆试验。3种织物进行不同入射能量电弧闪爆试验后采用测厚仪进行织物厚度测量,具体变化情况如图1所示。

图1 织物厚度随入射能量变化

由图1(a)可知,随着入射电弧能量的增加,芳纶1313/阻燃黏胶混纺织物厚度逐渐增加。当入射能量为8 cal/cm2时,厚度下降了1.6%,但与未受电弧作用的试样相比,仍增加了4.9%,这是因为纤维中的阻燃黏胶纤维受热发生了大量断裂和降解,影响了厚度的增加;当电弧能量为11.9 cal/cm2时,相比于原始织物,厚度增加了48.8%,这时织物已基本炭化完全。低入射电弧能量对芳纶1313/阻燃黏胶混纺织物厚度的影响较小;在高入射电弧能量时,芳纶1313/阻燃黏胶混纺织物的厚度急剧上升。随着入射电弧能量的增加,芳纶1313/阻燃黏胶混纺织物厚度整体呈递增趋势。

由图1(b)可知,当电弧能量为12.9 cal/cm2时,厚度增加了52.7%。由织物表面形貌图像可知,芳纶1313纤维受热发生收缩,使得织物变紧密,从而厚度增加。随着入射能量的增加,芳纶1313织物厚度逐渐增加,低电弧能量条件下,芳纶1313织物厚度增加缓慢;在高电弧能量作用下,厚度增加比例加大。

由图1(c)可知,在电弧作用过程中,随着入射能量的增加,芳纶1414织物厚度先降低后增加,当电弧能量为13.6 cal/cm2时,厚度下降了9.4%,由织物表面形貌图像可知,芳纶1414 纤维织物收缩小,且芳纶1414分子结构发生断裂分解,从而织物厚度变薄;随着能量进一步增加,织物炭化程度逐渐加深,形成的炭附着在表面,使厚度增加,当电弧能量为30.9 cal/cm2时,厚度增加了10%。

3种织物在电弧闪爆后厚度均表现为增加趋势,不同织物厚度增加程度略有不同,结合织物的SEM 图像分析,织物厚度增加的主要原因是纤维受热变形膨胀,同时织物碳化膨胀,产生多孔碳层,覆盖在纤维表面,也进一步增加了纤维厚度。

2.2 电弧闪爆对织物拉伸强度影响

防电弧织物在电弧闪爆过程中的高热作用后会产生收缩、扭曲变形,发生断裂、炭化现象,从而引起织物性能的改变。按表1方案对3种织物进行电弧闪爆试验后测定不同入射电弧能量条件下织物的拉伸强度性能变化情况,3 种织物在不同电弧能量作用后的拉伸曲线如图2所示。

图2 不同能量电弧作用下织物拉伸曲线

从图2可知,3种织物从开始拉伸至断裂形成的曲线各不相同,且断裂曲线均不是直线,说明载荷与拉伸应变之间呈非线性关系。织物从受拉伸直到破裂,外力对织物所做的总功为断裂功,即为载荷-位移曲线下所包围的面积。3种织物中芳纶1414 织物断裂功较大,芳纶1313/阻燃黏胶织物断裂功较小。

电弧闪爆前后3种织物拉伸强力变化见表2,经过不同入射能量电弧闪爆后的拉伸强力变化率如图3所示。从表2和图3可知,3种织物随着能量增大,拉伸强度逐渐下降。对于芳纶1313/阻燃黏胶混纺织物而言,变化率先大后小再变大。入射能量为4.4 cal/cm2时,其拉伸强度下降了17.1%;入射能量为5.8 cal/cm2时,其拉伸强度下降了40.4%;当入射能量为9.8 cal/cm2时,织物基本失去了强力,其拉伸强度下降了85.1%。

图3 不同能量电弧作用下织物断裂强度变化率

表2 电弧闪爆前后织物拉伸强力变化

对于芳纶1313织物而言,变化率呈波浪形,先小后大再变小再变大。入射能量为4.9 cal/cm2时,其拉伸强度下降了37.3%;当入射能量为5.8 cal/cm2时,其拉伸强度下降了52.7%;当入射能量为7.5 cal/cm2时,织物基本失去了强力,其拉伸强度下降了88.2%。

对于芳纶1414织物而言,变化率也同样呈波浪形,先小后大再变小再变大。入射能量为7.4 cal/cm2时,其拉伸强度下降了37.2%;入射能量为12.4 cal/cm2时,变化率最小,为18.6%,其拉伸强度下降了88.4%,织物已基本失去强力;当入射能量为22.8 cal/cm2时,织物完全失去了强力,其拉伸强度下降了99.1%。

3 结论

织物的厚度会因受热收缩和纤维组成成分的形态变化而发生变化。在较低入射能量条件下,织物的厚度少量增加;在较高入射能量条件下,织物厚度增加明显。织物受电弧闪爆损伤后,纤维表面会因受热而产生碳化层,随着纤维碳化程度的加深,炭化层增加,织物厚度增加。织物的拉伸断裂强度会随着入射电弧能量的增加而发生明显下降。芳纶1313/阻燃黏胶混纺织物和芳纶1414织物受热后机械性能会迅速下降,芳纶1313织物保持机械性能的能力较好。通过织物经电弧闪爆试验后的厚度和拉伸强度情况结合电弧危险等数据,为织物防护评级做参考依据。