呂 璐 王 杰 王 妮 徐 導(dǎo)

1. 東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室， 上海 201620；2. 東華大學(xué)紡織學(xué)院， 上海 201620；3. 江蘇丹毛紡織股份有限公司， 江蘇 丹陽 212300

隨著金屬冶煉行業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展和人們對勞動防護要求的不斷提高，能夠阻隔金屬熔滴的隔熱防護服的研發(fā)工作越來越受到人們的關(guān)注[1]。冶金行業(yè)中的金屬熔融溫度為600～1 500 ℃，而人的皮膚在熱能溫度為72 ℃時就會立刻發(fā)生表皮損傷，因此高溫金屬液體傷害成為冶金行業(yè)最典型的職業(yè)傷害[2]。此外，金屬電焊過程中產(chǎn)生的紫外線也會對皮膚造成傷害，致使從業(yè)人員患皮膚癌的概率大大增加[3]。特種隔熱阻燃防護服可以保護高溫環(huán)境下作業(yè)人員免受熱傳導(dǎo)、熱輻射、熱對流、熔融金屬噴濺以及熱蒸汽和紫外線的傷害[4]。

目前隔熱阻燃防護服多采用鋁箔作為外層防護層，其具有防輻射熱效果好、反射率高、不易燃燒、質(zhì)輕、耐老化和防水等特點[5]，但是鋁箔的防護溫度無法達到鐵水的溫度(1 500 ℃)，防護性能低，不能接觸明火，強力低，耐久性差。六鈦酸鉀晶須具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，優(yōu)異的耐腐蝕性、耐熱性、耐磨性、潤滑性，較高的紅外反射率；室溫下導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.089 W/(m·K)，800 ℃時只有0.017 W/(m·K)，即具有負的溫度系數(shù)；高溫下導(dǎo)熱系數(shù)低，性能穩(wěn)定，使用壽命長，不污染環(huán)境[6]，目前已被用在隔熱材料中。

通常織物只有一層隔熱層，并不能起到很好的隔熱作用，而隔熱阻燃織物中還有一層防水層，其可以起到防水、阻隔熱蒸汽的作用[7]。對隔熱織物進行防水整理可以避免高溫環(huán)境下外界的液態(tài)水滲入服裝后對人體造成更為嚴重的燒傷。這是因為高溫環(huán)境下外界的液態(tài)水會揮發(fā)成水蒸氣滲入服裝，同時這個過程會吸收大量熱量，導(dǎo)致人體燒傷程度變得更為嚴重?？諝鈱?dǎo)熱系數(shù)較低，其是一種很好的隔熱材料。若想制得隔熱性能較好的織物，需要保證織物內(nèi)部有較多的靜止空氣。施加一層防水層可以防止涂層液因下滲而填充空氣間隙，防水層在一定程度上會對織物的隔熱效果產(chǎn)生影響。目前隔熱防護服面料的開發(fā)與應(yīng)用在品質(zhì)和數(shù)量上都有大幅增加，并且向著防水透濕、抗菌、抗靜電等多重功能方向發(fā)展[8]。林裕衛(wèi)等[9]采用熱塑性彈性體(TPE)無孔防水透氣薄膜對隔熱織物進行防水整理，結(jié)果表明，織物的靜水壓達到98.07 kPa以上，提高了阻燃織物的舒適性，同時避免了水高溫蒸發(fā)產(chǎn)生的熱蒸汽對穿著人員的燙傷。劉亞光[10]采用聚四氟乙烯膜、隔熱氈以及均勻分布起支撐作用的硅膠凸點組成新型防水透氣隔熱層，其中硅膠凸點利用定制點塑硅膠技術(shù)再經(jīng)高溫發(fā)泡形成。結(jié)果表明，該防水透氣隔熱層阻燃耐高溫，同時織物中形成的空氣層起到了隔熱作用。廖喜林[11]在納米聚偏氟乙烯(PVDF)纖維防水膜中加入石墨烯和多種遮光劑(Ag、TiO2、Al2O3)賦予PDVF纖維防水膜熱穩(wěn)定性能，結(jié)果表明，石墨烯/遮光劑/PVDF納米纖維復(fù)合膜的熱輻射防護性能和力學(xué)性能都優(yōu)于PVDF膜，有效提高了PVDF納米纖維膜在隔熱領(lǐng)域的應(yīng)用前景。但上述研究工藝皆較為復(fù)雜，并且沒有在隔熱織物添加防水層后研究防水整理對織物原本隔熱性能的影響。本文主要研究織物的防水預(yù)整理能否對織物的隔熱效果產(chǎn)生正面影響及其影響機制，以期為進一步提升織物的隔熱性能提供參考。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

試驗所用機織基布來自丹毛紡織股份有限公司，成分為天絲/棉/高強維綸，面密度為271.5 g/m2，基本性能如表1所示。

表1 機織基布經(jīng)緯向的基本性能

防水和隔熱整理所需化學(xué)藥品如表2所示。

表2 試驗藥品

1.2 防水及隔熱整理工藝

防水整理：采用質(zhì)量分數(shù)為1%的防水整理劑與去離子水配成防水整理液；使用P-AO型臥式軋車二浸二軋(軋液率為60%，浸泡1 h)，烘干(140 ℃，2 min)后得到防水整理后的織物。

六鈦酸鉀改性：將六鈦酸鉀晶須在烘箱中于120 ℃干燥4 h，再倒入盛有無水乙醇的三口燒瓶中配成懸浮液，并加入六鈦酸鉀晶須質(zhì)量5%的K550偶聯(lián)劑，在DF-101 S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中于30 ℃攪拌1 h，反應(yīng)結(jié)束后在布氏漏斗中抽濾，再在烘箱中于100 ℃干燥1 h，得到改性六鈦酸鉀。

隔熱整理：利用涂層膠和改性六鈦酸鉀配制六鈦酸鉀質(zhì)量分數(shù)分別為5%、10%和15%的隔熱涂層液，在JJ-1B型恒速可調(diào)攪拌器中以轉(zhuǎn)速1000 r/min攪拌1 h，得到隔熱涂層液。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 織物防水性能測試

參照GB/T 4744—2013《紡織品 防水性能的檢測和評價》，采用YG812DA型滲水性測定儀測量防水整理后的織物滲水壓，水壓上升速率為6 kPa/min。使用OCA15EC型接觸角測量儀測試接觸角。

1.4 織物厚度測試

參照GB/T 3819—1997《紡織品和紡織制品厚度的測定》，采用YG141N型織物厚度儀測量織物的厚度。壓腳面積為1 200 mm2，加壓時間為30 s。

1.5 反射性能測試

采用日立U-4100型紫外可見近紅外分光光度儀測試250～2 500 nm波段紅外光譜的反射率，環(huán)境條件為標準大氣條件，即溫度(20±2) ℃、相對濕度(65±3)%。

1.6 隔熱性能測試

使用DRE-III型多功能快速導(dǎo)熱系數(shù)測試儀，用Hot Disk探頭測量防水整理前后的隔熱織物的導(dǎo)熱系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 織物防水性能測量與分析

織物防水性能測試結(jié)果表明：防水整理前，織物接觸水后會被直接浸濕，遇水無法形成水滴聚集在織物表面;防水整理后，水會在織物表面形成水滴，織物不會被浸濕。防水整理后織物滲水壓平均值為2.88 kPa。未經(jīng)防水整理的織物的平均接觸角為37.54°<(90°±4°)，為親水織物；防水整理后織物的平均接觸角為129.00°>(90°±2°)，具有防水性能。由GB/T 4744—2013《紡織品 防水性能的檢測和評價 靜水壓法》可知，防水整理后的織物具有較好的防水性能。

2.2 織物厚度

隔熱涂層整理前后經(jīng)過防水整理和未經(jīng)過防水整理的織物的厚度變化如圖1所示。

圖1 六鈦酸鉀涂層對織物厚度的影響

由圖1可知，未經(jīng)防水整理的織物在隔熱涂層整理后織物的厚度整體低于隔熱涂層整理前。這是因為織物隔熱涂層整理時使用涂層壓膜機涂覆隔熱涂層，涂層壓膜機具有一定質(zhì)量，在涂覆過程中，其在使織物表面的毛羽被壓實的同時，也將隔熱涂層液擠進織物內(nèi)部的空隙，使得織物內(nèi)部的空隙得到填充，從而織物內(nèi)部的紗線緊密結(jié)合在一起，因此涂層整理后織物的厚度減小?？諝獾膶?dǎo)熱系數(shù)很低，只有0.023 W/(m·K)，是一種良好的隔熱材料，織物的隔熱原理之一即為向織物內(nèi)部引進靜止空氣層，減少熱對流傳導(dǎo)，從而降低織物的導(dǎo)熱系數(shù)，而未作防水整理時直接進行隔熱涂層整理導(dǎo)致涂層壓膜機壓縮了織物間隙的空氣體積，因此對未經(jīng)過防水整理的織物進行隔熱涂層整理后其導(dǎo)熱系數(shù)反而會增大。由圖1b)可以看出，進行防水整理后再進行隔熱涂層整理的織物的厚度明顯大于隔熱涂層整理前的織物。由此可見，通過防水層減少隔熱涂層液向織物內(nèi)部紗線和纖維的滲透，從而減少織物內(nèi)部空隙的損失，在織物內(nèi)部保留空氣層，可在一定程度上保證織物持續(xù)具有隔熱效果。

2.3 織物反射率

經(jīng)過防水整理的織物和未經(jīng)防水整理的織物進行隔熱涂層整理時都制備了3種試樣，即在隔熱涂層中加入的改性六鈦酸鉀的質(zhì)量分數(shù)不同，分別為5%、10%和15%。電磁波的波長范圍很廣，但能被物體吸收并轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿妮椛渚€主要是可見光(400～800 nm)和紅外線(800～2 000 nm) 兩部分。將400～2 000 nm的輻射線統(tǒng)稱為熱射線[12]。六鈦酸鉀涂層后織物的光譜反射率如圖2所示。

圖2 六鈦酸鉀涂層后織物的光譜反射率

由圖2可知：只經(jīng)過隔熱涂層整理的織物和防水整理后再進行隔熱整理的織物，其反射光譜的形狀在1 000～2 000 nm附近較為相似，但反射性能存在顯著差異，這也證實六鈦酸鉀具有良好的紅外反射性能，且六鈦酸鉀質(zhì)量分數(shù)為10%時，織物的反射率最高，其次為六鈦酸鉀質(zhì)量分數(shù)為5%和15%。當六鈦酸鉀質(zhì)量分數(shù)大于10%時，隨著六鈦酸鉀質(zhì)量分數(shù)增加，織物的光譜反射率并沒有增大反而降低，這主要是因為對于一定強度的紅外輻射，已經(jīng)有足夠的功能粒子與紅外光子發(fā)生作用，使紅外光發(fā)生反射，此時繼續(xù)增加功能粒子的含量，會造成過量的六鈦酸鉀分子之間范德華力作用增強，導(dǎo)致六鈦酸鉀粒子表面無法產(chǎn)生電荷間的互斥力使六鈦酸鉀粒子分散均勻，引起六鈦酸鉀粒子的有害團聚，最終織物的光譜反射率降低[13]。隔熱涂層主要通過阻隔、反射和輻射來增強織物的隔熱作用。由圖2可以較明顯地看出，防水整理后的隔熱織物的反射率明顯高于未經(jīng)防水整理的隔熱織物，因此從熱射線反射方面可以推斷防水整理后的織物隔熱效果更好。

2.4 織物導(dǎo)熱系數(shù)

六鈦酸鉀涂層后織物的導(dǎo)熱系數(shù)如圖3所示，其中六鈦酸鉀質(zhì)量分數(shù)為0即對應(yīng)織物原布。

圖3 六鈦酸鉀涂層后織物的導(dǎo)熱系數(shù)

由圖3可知：未經(jīng)防水整理的織物在經(jīng)過隔熱整理后，不論六鈦酸鉀質(zhì)量分數(shù)為多少，其隔熱織物的導(dǎo)熱系數(shù)都比原布大。這是因為空氣的導(dǎo)熱系數(shù)很小，織物間的靜止空氣有助于保障織物的隔熱性能，而未經(jīng)防水整理時，隔熱涂層液下滲填充了織物間的空氣間隙，反而使織物的導(dǎo)熱系數(shù)增大；六鈦酸鉀是一種紅外反射率高、導(dǎo)熱系數(shù)低的粒子，添加至涂層劑中可賦予織物隔熱性能，當六鈦酸鉀質(zhì)量分數(shù)為5%時，六鈦酸鉀粒子含量較少，尚未完全展現(xiàn)隔熱性能，但是隨著六鈦酸鉀質(zhì)量分數(shù)的增加，即六鈦酸鉀質(zhì)量分數(shù)為10%和15%時，未經(jīng)防水整理的織物的導(dǎo)熱系數(shù)減小并逐漸接近原布，說明此時六鈦酸鉀在一定程度上展現(xiàn)了其導(dǎo)熱系數(shù)低、可提高織物隔熱性能的能力。防水整理后隔熱織物的導(dǎo)熱系數(shù)比未經(jīng)防水整理的隔熱涂層織物的導(dǎo)熱系數(shù)小，當隔熱涂層液中六鈦酸鉀質(zhì)量分數(shù)為15%時，其導(dǎo)熱系數(shù)最高下降17.5%，表明防水整理后的隔熱織物的隔熱效果比未經(jīng)防水整理的隔熱織物好。這是因為防水整理使得織物涂層液沒有下滲，保留了織物間的空隙，因此織物的隔熱效果較好。此外防水整理后，織物的導(dǎo)熱系數(shù)隨著六鈦酸鉀質(zhì)量分數(shù)的增加而降低，本文所使用六鈦酸鉀的導(dǎo)熱系數(shù)為0.117 W/(m·K)，低于原布的導(dǎo)熱系數(shù)，因此隨著六鈦酸鉀質(zhì)量分數(shù)的增加，織物的導(dǎo)熱系數(shù)呈下降趨勢。當六鈦酸鉀質(zhì)量分數(shù)為5%時，相比原布，防水整理的隔熱涂層織物的導(dǎo)熱系數(shù)下降幅度較大，為14.6%，而當六鈦酸鉀質(zhì)量分數(shù)為10%和15%時，織物的導(dǎo)熱系數(shù)下降趨勢減緩。這是因為，一方面六鈦酸鉀粒子可以降低織物的導(dǎo)熱系數(shù)，另一方面逐漸增多的六鈦酸鉀粒子發(fā)生一定程度的團聚，使得反射效果發(fā)生疊加，從而六鈦酸鉀展現(xiàn)隔熱性能的效率降低，最終涂層織物導(dǎo)熱系數(shù)的下降速度減緩。

3 結(jié)論

(1)經(jīng)過防水整理的織物在進行隔熱涂層整理后，其厚度比未經(jīng)隔熱涂層整理時大，而未經(jīng)防水整理直接進行隔熱涂層整理的織物的厚度則小于隔熱涂層整理前。

(2)經(jīng)過防水整理和未經(jīng)防水整理的隔熱織物反射光譜相似，均在1 000～2 000 nm附近反射性能急劇增加；無論是否經(jīng)過防水整理，隔熱涂層中六鈦酸鉀質(zhì)量分數(shù)為10%時，織物的反射率都最高；防水整理后的織物再進行隔熱涂層整理，所得織物的反射率比未作防水整理的隔熱織物大。

(3)防水整理后的隔熱涂層織物的導(dǎo)熱系數(shù)比未經(jīng)防水整理的隔熱涂層織物小，當隔熱涂層液中六鈦酸鉀質(zhì)量分數(shù)為15%時，其導(dǎo)熱系數(shù)下降最多，為17.5%；防水整理后，隨著六鈦酸鉀質(zhì)量分數(shù)的增加，涂層織物導(dǎo)熱系數(shù)下降程度呈逐漸減緩的趨勢，六鈦酸鉀質(zhì)量分數(shù)為5%時，導(dǎo)熱系數(shù)下降程度最大，為14.6%?？傮w而言，防水整理后隔熱涂層織物的隔熱效果比未經(jīng)防水整理的隔熱涂層織物好。