李建明，劉旭琳，趙曉明,2,3，劉元軍,2,3

(1.天津工業(yè)大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387；2.天津市先進(jìn)纖維與儲能技術(shù)重點(diǎn)實驗室，天津 300387； 3. 天津市先進(jìn)紡織復(fù)合材料重點(diǎn)實驗室，天津 300387)

0 前言

消防避火服作為消防員短期穿越高溫明火火場實施搶救人員和重要物資行動的最高等級熱防護(hù)服裝，最基本的要求是必須具有良好的耐高溫火焰燒蝕性能和輻射熱防護(hù)性能。該類服裝一般由防火層、隔熱層和舒適層等三層結(jié)構(gòu)組成。其中，防火層與火場復(fù)雜多變的特殊環(huán)境直接接觸，在避火服三層結(jié)構(gòu)中起著最為關(guān)鍵的作用。因此，消防避火服防火層織物材料需具備優(yōu)異的熱防護(hù)性能[1-3]。作為直接接觸明火火焰的防護(hù)層織物，消防避火服外層的主要作用是防止明火對織物的損傷，并且在800 ℃高溫火焰的舔舐下，能夠在一定的時間內(nèi)保持強(qiáng)力和隔熱效能[4-6]。有關(guān)學(xué)者認(rèn)為，實際的滅火救援行動需要的時間應(yīng)在8min～10min，甚至更長[7-10]。PBI、PMIA、酚醛纖維等有機(jī)纖維的熱解溫度均低于600 ℃，無法滿足織物特殊環(huán)境下的使用要求。因此，研究人員重點(diǎn)研究具有高熱防護(hù)性能的無機(jī)纖維，進(jìn)而篩選出相對優(yōu)異的消防避火服防火層材料。連續(xù)玄武巖纖維是以單一的天然玄武巖礦石為原料，將其磨碎并在1450 ℃～1500 ℃的高溫熔融后，通過鉑銠合金拉絲漏板快速拉制而形成的連續(xù)纖維，簡稱CBF(Continuous Basalt Fiber)[11-12]。其兼具耐低溫和耐高溫的性能，長期使用溫度范圍在﹣260 ℃～400 ℃。連續(xù)玄武巖纖維不僅穩(wěn)定性好，而且還具有電絕緣性、抗腐蝕、抗燃燒、耐高溫等多種優(yōu)異性能。同時，玄武巖纖維的力學(xué)性能也十分突出，其彈性模量在80GPa～93GPa范圍內(nèi)，拉伸強(qiáng)度大于3000 MPa，斷裂伸長在3 %左右[13-14]。本課題主要探討了高嶺土質(zhì)量分?jǐn)?shù)、氣凝膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)、云母粉與Cr2O3比例對雙層涂層織物熱防護(hù)性能影響。

1 實驗部分

1.1 實驗原料與器材

藥品：納米級金紅石型二氧化鈦(南京天行新材料有限公司生產(chǎn))；納米二氧化硅(上海乃歐納米科技有限公司生產(chǎn))；納米級六鈦酸鉀晶須(南通奧新電子科技有限公司生產(chǎn))；納米氧化鋁、三氧化二鉻、氧化鋯、云母粉和無水乙醇(天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn))；氣凝膠(納諾科技有限公司生產(chǎn))；滑石粉和三氧化二鐵(天津市鼎盛鑫化工有限公司生產(chǎn))；空心陶瓷微珠(鞏義市優(yōu)星礦產(chǎn)品有限公司生產(chǎn))；空心玻璃微珠(浙江海岳新材料股份有限公司生產(chǎn))；苯甲基有機(jī)硅樹脂(上海樹脂廠生產(chǎn))；有機(jī)硅消泡劑，偶聯(lián)劑KH550。

實驗器材：DZF-6020型真空干燥箱(生產(chǎn)廠家鞏義市予化儀器有限公司)，DGG-9148A型高溫鼓風(fēng)干燥箱(生產(chǎn)廠家上海鱉珍儀器制造有限公司)，LY-TP12W12V天秤(生產(chǎn)廠家上海西艾電子有限公司)，DL-180BXING 智能超聲波清洗器(生產(chǎn)廠家上海之信儀器有限公司)，SF智能型分散砂磨機(jī)(生產(chǎn)廠家上海微特電機(jī)有限公司)，DTO-300型涂層機(jī)(生產(chǎn)廠家佛山市亞諾精密機(jī)械有限公司)。

連續(xù)玄武巖纖維織物基布：浙江桐鄉(xiāng)蒙泰復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)，厚度0.092 mm，克重200 g/m2，經(jīng)緯密15×15，支數(shù)66 tex。

1.2 雙層涂層織物的制備

雙層涂層柔性復(fù)合材料分為氣凝膠絕熱層和耐輻射熱層兩面的制備工藝：

(1)氣凝膠絕熱層制備工藝

分散機(jī)定時30 min，低速500 r/min下向有機(jī)硅樹脂中依次緩慢加入氣凝膠(或空心玻璃微珠、空心陶瓷微珠等隔熱填料)、云母粉、超細(xì)高嶺土和滑石粉等填料。加料完畢后，將分散機(jī)調(diào)至高速1800 r/min后加入偶聯(lián)劑KH550。涂層液制備完畢后，將剪取的15 cm×40 cm玄武巖纖維機(jī)織物固定于涂層機(jī)針板架上進(jìn)行涂層，涂層機(jī)速度控制在10 mm/s，調(diào)整涂層厚度為0.37 mm。制備完成后，在70 ℃預(yù)烘30 min，氣凝膠絕熱層制備完畢。

(2)耐輻射熱層制備工藝

分散機(jī)定時40 min，低速500 r/min下向有機(jī)硅樹脂中依次緩慢加入經(jīng)超聲處理后質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0 %、3 %、6 %、9 %和12 %的納米級六鈦酸鉀晶須，以及納米二氧化硅、云母粉、超細(xì)高嶺土、氧化鉻和滑石粉等填料。加料完畢后，將分散機(jī)調(diào)至高速1800 r/min后加入偶聯(lián)劑KH550。涂層液制備完畢后，將步驟1所制備的氣凝膠絕熱層柔性復(fù)合材料固定于涂層機(jī)針板架上進(jìn)行涂層，涂層機(jī)速度控制在10 mm/s，調(diào)整涂層厚度為0.37 mm。制備完成后，在70 ℃預(yù)烘30 min，而后在220 ℃烘干1 h，實施高溫固化，雙層涂層柔性復(fù)合材料制備完畢。

1.3 熱防護(hù)性能測試方法

熱防護(hù)性能測試參照標(biāo)準(zhǔn)ISO17492，使用TPP701D型熱防護(hù)性能測試儀對材料進(jìn)行防護(hù)性能測試，輻射熱通量值控制在0.4 cal/(cm2·s)，通過二級燒傷曲線與織物傳感響應(yīng)曲線的交叉點(diǎn)所對應(yīng)的TPP時間，判斷織物的熱防護(hù)性能優(yōu)劣。

2 測試結(jié)果與分析

2.1 高嶺土含量對雙層涂層織物熱防護(hù)性能的影響

分別制備高嶺土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、4%、6%、8%、10%的雙層涂層織物，僅改變高嶺土質(zhì)量與苯甲基有機(jī)硅樹脂質(zhì)量。

(1)高嶺土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2 %時，測試結(jié)果如圖1所示。

圖1 高嶺土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2 %時TPP測試曲線

達(dá)到二級燒傷溫度的時間為19.7 s

(2)高嶺土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4 %時，測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 高嶺土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4 %時TPP測試曲線

達(dá)到二級燒傷溫度的時間為19.4 s

(3)高嶺土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6 %時，測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 高嶺土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6 %時TPP測試曲線

達(dá)到二級燒傷溫度的時間為18.3 s

(4)高嶺土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8 %時，測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 高嶺土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8 %時TPP測試曲線

達(dá)到二級燒傷溫度的時間為20.5 s

(5)高嶺土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10 %時，測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 高嶺土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10 %時TPP測試曲線

達(dá)到二級燒傷溫度的時間為20.0 s

輻射熱防護(hù)性能測試表明：高嶺土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8 %時，達(dá)到二級燒傷溫度的時間最長，輻射熱防護(hù)效果最好；質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6 %時，達(dá)到二級燒傷溫度的時間最短，輻射熱防護(hù)效果最差。

2.2 氣凝膠含量對雙層涂層織物熱防護(hù)性能的影響

分別制備氣凝膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3 %、6 %、9 %的雙層涂層織物，僅改變氣凝膠質(zhì)量與苯甲基有機(jī)硅樹脂質(zhì)量。

(1)氣凝膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3 %時，測試結(jié)果如圖6所示：

圖6 氣凝膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3 %時TPP測試曲線

達(dá)到二級燒傷溫度的時間為17.0 s

(2)氣凝膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6 %時，測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 氣凝膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6 %時TPP測試曲線

達(dá)到二級燒傷溫度的時間為18.4 s

(3)氣凝膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9 %時，測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 氣凝膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9 %時TPP測試曲線

達(dá)到二級燒傷溫度的時間為20.2 s

輻射熱防護(hù)性能測試表明：氣凝膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9 %時，達(dá)到二級燒傷溫度的時間最長，輻射熱防護(hù)效果最好；質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3 %時，達(dá)到二級燒傷溫度的時間最短，輻射熱防護(hù)效果最差。

2.3 云母粉與Cr2O3比例對雙層涂層織物熱防護(hù)性能的影響

分別制備云母粉與Cr2O3比例為1:1、1:2、2:1以及云母粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)6 %、Cr2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0 %和云母粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)0 %、Cr2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6 %的雙層涂層織物(五種)。

(1)當(dāng)云母粉與Cr2O3比例為1:1時，測試結(jié)果如圖9所示。

圖9 云母粉與Cr2O3比例為1:1時TPP測試曲線

達(dá)到二級燒傷溫度的時間為22.4 s

(2)當(dāng)云母粉與Cr2O3比例為1:2時，測試結(jié)果如圖10所示。

圖10 云母粉與Cr2O3比例為1:2時TPP測試曲線

達(dá)到二級燒傷溫度的時間為22.9 s

(3)當(dāng)云母粉與Cr2O3比例為2:1時，測試結(jié)果如圖11所示。

圖11 云母粉與Cr2O3比例為2:1時TPP測試曲線

達(dá)到二級燒傷溫度的時間為19.5 s

(4)當(dāng)云母粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6 %、Cr2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0 %時，測試結(jié)果如圖12所示。

圖12 云母粉含量6 %、Cr2O3含量0 %時TPP測試曲線

達(dá)到二級燒傷溫度的時間為18.3 s

(5)當(dāng)云母粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0 %、Cr2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6 %時，測試結(jié)果如圖13所示。

圖13 云母粉含量0 %、Cr2O3含量6 %時TPP測試曲線

達(dá)到二級燒傷溫度的時間為20.3 s

輻射熱防護(hù)測試結(jié)果表明：當(dāng)云母粉與Cr2O3比例為1:2時，達(dá)到二級燒傷溫度的時間最長，輻射熱防護(hù)效果最好；云母粉含量6%、Cr2O3含量0%時，達(dá)到二級燒傷溫度的時間最短，輻射熱防護(hù)效果最差。

3 結(jié)論

(1)高嶺土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8 %時，達(dá)到二級燒傷溫度的時間最長，輻射熱防護(hù)效果最好；質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6 %時，達(dá)到二級燒傷溫度的時間最短，輻射熱防護(hù)效果最差。

(2)氣凝膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9 %時，達(dá)到二級燒傷溫度的時間最長，輻射熱防護(hù)效果最好；質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3 %時，達(dá)到二級燒傷溫度的時間最短，輻射熱防護(hù)效果最差。

(3)當(dāng)云母粉與Cr2O3比例為1:2時，達(dá)到二級燒傷溫度的時間最長，輻射熱防護(hù)效果最好；當(dāng)云母粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6 %、Cr2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0 %時，達(dá)到二級燒傷溫度的時間最短，輻射熱防護(hù)效果最差。