翟倩，張恒，丁佳偉，甄琪，段澤平，郭正

[1.中原工學(xué)院紡織學(xué)院,鄭州 451191； 2.中原工學(xué)院服裝學(xué)院,鄭州 451191； 3.通標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)（上海）有限公司,上海 200233]

聚酰亞胺非織造材料作為一種含有酰亞胺環(huán)（—CO—NCO—）高分子聚合物纖維直接組成的柔性多孔材料[1],不僅具有高耐熱性和強(qiáng)化學(xué)穩(wěn)定性,還具有多孔隙結(jié)構(gòu)特性,在航空航天、高溫過濾和特種服裝（消防服、隔熱服和阻燃服）等特種防護(hù)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。但聚酰亞胺纖維自身的吸濕性差,會造成聚酰亞胺非織造材料的液體管理能力弱而難以在潮濕環(huán)境中高質(zhì)應(yīng)用。如高溫環(huán)境下防護(hù)人員在空間狹小的防護(hù)服內(nèi)進(jìn)行長時間的作業(yè),防護(hù)服的排汗透濕性差將會導(dǎo)致其中暑昏迷、蒸汽燙傷等嚴(yán)重后果[2]。因此,增強(qiáng)聚酰亞胺非織造材料的液體水管理能力,使其具備定向?qū)б禾匦砸殉蔀樘胤N防護(hù)領(lǐng)域和功能性紡織材料領(lǐng)域共同的研究熱點(diǎn)。

對于非織造材料定向?qū)б耗芰Φ奶岣?國內(nèi)外學(xué)者通過設(shè)計(jì)基于潤濕梯度效應(yīng)的梯度結(jié)構(gòu),使得非織造材料的上下表面間形成液體傳輸壓力差,進(jìn)而促使液體沿著厚度方向上定向傳導(dǎo)[3-9]。而共混改性的多層纖維網(wǎng)針刺復(fù)合方法則提供了一種便利的潤濕梯度成型方法。如以滌綸纖維與粘膠纖維為原料分別針刺鋪網(wǎng),后兩層纖網(wǎng)疊合針刺獲得具有潤濕梯度結(jié)構(gòu)的非織造復(fù)合材料,該復(fù)合材料具有液體單向傳輸能力[10]。Zou Yaqin等[11]采用多壁碳納米管（MWCNTs）涂層在聚丙烯/聚乙烯（PP/PE）針刺非織造材料表層,形成一種Janus 結(jié)構(gòu),通過潤濕梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)誘導(dǎo)水的快速定向傳輸以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的快干特性。但是目前關(guān)于聚酰亞胺非織造材料的液體單向傳輸能力增強(qiáng)研究鮮見報(bào)道。

基于此,筆者以聚酰亞胺纖維、粘膠纖維和雙組分纖維為原料,采用梳理-針刺-熱熔復(fù)合工藝制備了雙層梯度結(jié)構(gòu)的聚酰亞胺/粘膠針刺非織造材料試樣,并試驗(yàn)分析了試樣的舒適性、定向?qū)б盒砸约白枞继匦?為新型特種熱防護(hù)纖維材料的制備提供研究案例。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

聚酰亞胺纖維：P84,細(xì)度1.67 dtex,長度51 mm,連云港德彥新材料有限公司；

粘膠纖維：細(xì)度1.38 dtex,長度38 mm,唐山三友集團(tuán)有限公司；

雙組分纖維：PE/聚對苯二甲酸乙二酯(PET),細(xì)度2.45 dtex,長度38 mm,日本帝人株式會社。

1.2 主要儀器及設(shè)備

針刺機(jī)：WL-GS-A型,常熟萬龍機(jī)械有限公司；

熱熔機(jī)：NHJ-A-600 型,上海威士機(jī)械有限公司；

液體水分管理測試儀：M290型,美國錫萊亞太拉斯(深圳)有限公司；

掃描電子顯微鏡(SEM)：JSM-IT 200 型,日本JEOL公司；

超景深顯微鏡：VHX600型,日本KEYENCE株式會社；

力學(xué)性能分析儀：HD026S-100 型,南通宏大實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；

高精度測厚儀：32CHQF1030型,德清盛泰芯電子科技公司；

法寶儀：PhabrOmeter 3 型,美國欣賽寶科技公司；

全自動透氣量儀：YG461E-III 型,寧波紡織儀器廠；

織物阻燃性能測試儀：HD815A-Ⅱ型,嘉興市志博(踏誠)精密儀器有限公司；

TPP 熱防護(hù)性能測定儀：TPP-1 型,莫帝斯(中國)燃燒技術(shù)有限公司。

1.3 試樣制備

梯度結(jié)構(gòu)聚酰亞胺/粘膠針刺非織造材料的成型原理如圖1所示。

圖1 梯度結(jié)構(gòu)聚酰亞胺/粘膠針刺非織造材料的成型原理圖

首先通過手工開松的方式將聚酰亞胺纖維、粘膠纖維和雙組分纖維按照一定比例制備成共混纖維,并將共混物分別送入到梳理機(jī)內(nèi)以獲得多種比例的聚酰亞胺纖維/粘膠纖維/雙組分纖維組成的阻燃層纖網(wǎng),以及粘膠纖維/雙組分纖維組成的吸濕層纖網(wǎng)；此后依據(jù)潤濕梯度效應(yīng)將兩層纖維網(wǎng)以1∶1的比例進(jìn)行疊層預(yù)針刺以獲得梯度結(jié)構(gòu)的預(yù)制品。預(yù)針刺工藝的針刺密度為201 刺/cm2,針刺深度為4.9 mm。最后將預(yù)制品送入到熱軋機(jī)內(nèi)進(jìn)行熱固接處理以獲得聚酰亞胺/粘膠針刺非織造材料。熱熔工藝溫度160℃,壓力0.4 MPa,所制備的試樣特性參數(shù)見表1。

表1 試樣特性參數(shù)

1.4 性能測試與表征

（1）特征性能。

試樣的厚度參照GB/T 24218.2-2009測量；

面密度按照GB/T 24218.2-2009測量；

使用導(dǎo)電膠將試樣固定后進(jìn)行噴金處理,采用SEM觀察試樣表面形態(tài)和截面結(jié)構(gòu)；

使用超景深顯微鏡觀測試樣的表面形貌。

（2）力學(xué)性能。

參照GB/T 24218.3-2010,使用力學(xué)性能分析儀測量試樣縱橫向拉伸斷裂強(qiáng)力以及斷裂伸長率。夾持距離100 mm,拉伸速度100 mm/min。每個試樣縱橫向各取5塊試樣,測試后取其平均值。

參照GB/T 19976-2005使用力學(xué)性能分析儀測量試樣頂破強(qiáng)力。試樣為100 cm2的圓形,頂壓速度600 mm/min。每個試樣取5 塊試樣,測試后取其平均值。

（3）舒適性能。

按照GB/T 24218.15-2018,使用全自動透氣量儀測量試樣的透氣性。試樣面積為20 cm2。

按照GB/T 8942-2002,使用法寶儀測量試樣的柔軟度得分。試樣面積為100 cm2。

（4）液態(tài)水分管理。

按照AATCC-195,使用液態(tài)水分管理性能測試儀測量單向傳輸能力指數(shù),測試液體為0.9%的氯化鈉水溶液。

（5）熱防護(hù)性能。

參照GB/T 14644-2014,使用織物阻燃性能測試儀測量試樣阻燃性能。試樣形狀為100 mm×60 mm,點(diǎn)燃時間為12 s。

參照GB/T 14644-2014,使用TPP 熱防護(hù)性能測定儀測量試樣燃燒防護(hù)性能。試樣尺寸為130 mm×130 mm,輻射熱流為13 kW/m2,總熱流值為83 kW/m2。

2 結(jié)果與討論

2.1 梯度結(jié)構(gòu)特征

圖2 為經(jīng)過梳理-針刺-熱熔復(fù)合工藝制得的試樣SEM 照片。從圖2a 可以看出,兩層纖維網(wǎng)經(jīng)過疊合針刺和熱軋固結(jié)后,形成一種清晰的雙層梯度結(jié)構(gòu)。其中,上表面阻燃層主要由聚酰亞胺纖維、粘膠纖維和雙組分纖維組成的雜亂纖維網(wǎng)（圖2b）,下表面吸濕層主要由粘膠纖維和雙組分纖維組成的雜亂纖維網(wǎng)（圖2c）,兩層纖維網(wǎng)之間疊合而成梯度結(jié)構(gòu)的雙層纖維網(wǎng)。從圖2a還可以看出,兩層纖維網(wǎng)之間存在有纖維簇。纖維簇的存在一方面可以增加兩層纖網(wǎng)之間抱合力,提升非織造材料的強(qiáng)度；另一方面也可以在兩層纖維網(wǎng)之間形成導(dǎo)濕通道,進(jìn)而增強(qiáng)液體的傳輸能力。從圖2b以及圖2c可以看出,纖維間存在清晰的粘結(jié)點(diǎn),粘結(jié)點(diǎn)的存在在進(jìn)一步改善非織造材料的最終強(qiáng)度的同時,還可以保持其原有的結(jié)構(gòu)形態(tài)[12-13]。

圖2 試樣的SEM照片

2.2 拉伸斷裂性能和頂破性能

試樣的縱橫向拉伸斷裂曲線和頂破曲線如圖3所示,數(shù)據(jù)匯總于表2。從圖3a 及圖3b 可以看出,試樣的縱向和橫向拉伸強(qiáng)力均隨著聚酰亞胺纖維比例的增大而增大。具體表現(xiàn)為當(dāng)阻燃層聚酰亞胺纖維所占比例為30%時,試樣縱向斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率分別是68.6 N 和72.2%；而隨著聚酰亞胺纖維比例從30%到80%,試樣縱向斷裂強(qiáng)力增加到83.8 N,而斷裂伸長率減少到53.8%。同時,橫向拉伸斷裂強(qiáng)力從96.4 N增加到115.9 N,橫向斷裂伸長率從59.9%減少到48.9%。這原因是針刺非織造材料拉伸強(qiáng)度主要受纖維強(qiáng)度和纖維間纏結(jié)程度的影響,而聚酰亞胺纖維的強(qiáng)度大于粘膠纖維[14]。另外,從圖3a及圖3b還可看出,隨著聚酰亞胺纖維比例從30%增加到80%,試樣的拉伸彈性模量（應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率[15]）也逐漸從1.3 Pa 增大到3.6 Pa,提升約177%。可能是因?yàn)殡S著聚酰亞胺纖維比例的增多,非織造材料中纖維本身能承受更多的載荷,從而使得非織造材料在外力拉伸下更難變形,有效地提高了其拉伸彈性模量,同時雖然聚酰亞胺/粘膠針刺非織造材料的斷裂伸長率下降,但依舊有較好的柔韌性。

圖3 試樣的縱橫向拉伸斷裂曲線和頂破強(qiáng)力-位移曲線

表2 力學(xué)性能測試

由圖3c可以看出,試樣的頂破強(qiáng)力隨著聚酰亞胺纖維比例的增大而增大,結(jié)合表2數(shù)據(jù)可得,當(dāng)聚酰亞胺纖維所占比例為80%時,聚酰亞胺/粘膠針刺非織造材料具有最大頂破強(qiáng)力168.7 N,對應(yīng)的失效時最大位移是78.96 mm。而當(dāng)聚酰亞胺所占比例降到30%時,失效時最大位移是77.85 mm,對應(yīng)的最大應(yīng)力為159.9 N。分析原因可能是隨著非織造材料內(nèi)纖維本身強(qiáng)度的增加與纖維間糾纏程度的變化,使得單位受力面積下纖網(wǎng)強(qiáng)力提升[16]。

2.3 柔軟度和透氣性

織物的透氣性是評價(jià)織物穿著舒適性的重要性能指標(biāo)[17-18],常用透氣率表征,圖4 為試樣的透氣率與孔隙率。

圖4 試樣的透氣度和孔隙率

從圖4 可以看出,試樣的孔隙率都處于89%左右,屬于一種大孔隙率的柔性非織造材料,具備氣流快速穿透的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。其次,從圖4還可以看出,聚酰亞胺纖維比例對空氣的穿透沒有顯著性的影響規(guī)律；其透氣率分布介于924～886 mm/s之間。出現(xiàn)這一情況的原因是,針刺非織造材料透氣性主要受孔隙率、面密度和厚度等結(jié)構(gòu)特征影響。所制備的試樣的梯度結(jié)構(gòu)變化主要來自于聚酰亞胺纖維和粘膠纖維間比例的變化,并且聚酰亞胺纖維細(xì)度和粘膠纖維細(xì)度近似。因此,在聚酰亞胺/粘膠針刺非織造材料結(jié)構(gòu)特征沒有顯著差異的情況下,透氣率沒有顯著差異。在其它條件相同的情況下,采用PhabrOmeter對試樣的柔軟度進(jìn)行測試,得到的試樣測試結(jié)果數(shù)值越大,試樣的柔軟性越好[19]。圖5 為試樣的柔軟度。由圖5 可知,隨著聚酰亞胺纖維所占比例從30%增加到80%,聚酰亞胺/粘膠針刺非織造材料的柔軟度從89.1降低到88.4。原因是聚酰亞胺纖維的初始模量較大,所形成的織物彎曲剛度大,手感硬挺,懸垂性小,使得聚酰亞胺/粘膠針刺非織造材料的柔性隨著聚酰亞胺纖維比例的增大而降低。

圖5 試樣的柔軟度

2.4 液態(tài)水管理能力

圖6 為試樣的液態(tài)水分管理。圖6a為不同梯度結(jié)構(gòu)特征聚酰亞胺/粘膠針刺非織造材料的單向傳輸指數(shù)。在進(jìn)行液體水分管理測試時,筆者利用生理鹽水同時對液體從阻燃層到吸濕層的單向?qū)衲芰εc液體從吸濕層到阻燃層的單向?qū)衲芰M(jìn)行了測試分析。結(jié)果如下：隨著聚酰亞胺纖維比例從80%減少到30%,液體從阻燃層到吸濕層的單向?qū)衲芰?36增加到511,并且當(dāng)聚酰亞胺纖維所占比例大于30%時,液體從阻燃層到吸濕層的單向運(yùn)輸能力均高于相反方向。這主要是由于試樣的梯度結(jié)構(gòu)特征導(dǎo)致。梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖6 試樣的液態(tài)水分管理

圖7 梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)液體附著在以粘膠纖維為主的吸濕層時,由于粘膠纖維優(yōu)良的吸濕性,使得水分在接觸到吸濕層的瞬時就被材料表面快速吸收并擴(kuò)散,并因?yàn)橐跃埘啺防w維為主的阻燃層的存在,阻礙了液體沿厚度方向上的進(jìn)一步滲透擴(kuò)散。由圖6c 試樣的水分?jǐn)U散云圖可見,當(dāng)液體首先接觸吸濕層時,液體沿直徑方向的擴(kuò)散明顯大于其在厚度方向上的傳導(dǎo)。與此相反,當(dāng)液體附著在阻燃層上,由于液體受到阻燃層表面疏水性的作用,液滴通常為球形或半球形,當(dāng)阻燃層表面的水分逐漸凝聚而體積變大,一方面因?yàn)橐后w變形產(chǎn)生的自驅(qū)動力使其進(jìn)入材料內(nèi)部；另一方面,吸濕層與阻燃層通過針刺工藝的預(yù)針刺進(jìn)行復(fù)合時,使得吸濕層的粘膠纖維被刺針帶動進(jìn)入阻燃層（從圖7b的局部放大圖中可以明顯看到粘膠纖維存在于阻燃層內(nèi)的纖維簇）形成的粘膠纖維簇對引導(dǎo)液體定向傳導(dǎo)起到了促進(jìn)的作用,從而使液體能夠快速地沿厚度方向傳導(dǎo),當(dāng)液體被引導(dǎo)至吸濕層,液體就快速在吸濕層滲透擴(kuò)散,完成液體的定向傳導(dǎo)。這一現(xiàn)象可以從圖6c看到,當(dāng)液體首先接觸到阻燃層時,液體沿厚度方向上的傳導(dǎo)能力明顯高于其在直徑方向上的擴(kuò)散。當(dāng)聚酰亞胺纖維所占比例為30%,液體從吸濕層向阻燃層的單向傳導(dǎo)能力高于正向液體單向傳導(dǎo)能力。這可能是由于當(dāng)阻燃層中粘膠纖維的比例遠(yuǎn)大于聚酰亞胺纖維的比例時,阻燃層的疏水性被改變,導(dǎo)致吸濕層與阻燃層針刺復(fù)合得到的潤濕梯度結(jié)構(gòu)被破壞,聚酰亞胺/粘膠針刺非織造材料也失去了單向?qū)衲芰?。參照AATCC-195測試指標(biāo)來看,筆者制得的聚酰亞胺/粘膠針刺非織造材料在聚酰亞胺纖維所占比例在60%～70%時,已達(dá)到了液體單向運(yùn)輸能力的4級標(biāo)準(zhǔn)[20]。結(jié)合圖6b試樣的浸潤速度比較可以看出,當(dāng)聚酰亞胺纖維所占比例從80%減少到50%時,試樣阻燃層和吸濕層的液體浸潤速率分別從1.1,1.5 mm/s增加到2.8,4.9 mm/s,而當(dāng)聚酰亞胺所占的比例小于50%時,試樣兩側(cè)的浸潤速度下降。出現(xiàn)這一情況的原因是粘膠纖維與聚酰亞胺纖維的親水性存在差距,通過針刺復(fù)合工藝后,形成了低可浸潤區(qū)和高可浸潤區(qū)的非均勻性分布,在此基礎(chǔ)上適當(dāng)?shù)卣{(diào)整原料配比,由于液體自發(fā)地傾向于從低可浸潤區(qū)向高可浸潤區(qū)移動,使其浸潤速度發(fā)生改變,從而可以更好地促使液體從阻燃層向吸濕層的傳導(dǎo),增加材料對液體的定向傳導(dǎo)速率[21-22]。

2.5 熱防護(hù)性

圖8 為試樣的燃燒速率。由圖8 可知,在其它試驗(yàn)條件相同的情況下,聚酰亞胺/粘膠針刺非織造材料隨著聚酰亞胺纖維所占比例從80%減少到30%,試樣的燃燒速率從0.123 cm/s 增加到0.163 cm/s。原因是所選用的粘膠纖維的阻燃特性與熱穩(wěn)定性能低于聚酰亞胺纖維的阻燃特性與熱穩(wěn)定性能,所以隨著具有良好阻燃性的聚酰亞胺纖維所占比例的增加,試樣的燃燒速率下降,試樣的阻燃性能變好。

圖8 試樣的燃燒速率

試樣的熱防護(hù)性能如圖9所示。圖9a是試樣的熱防護(hù)測試的TPP值,圖9b是試樣熱防護(hù)性能測試的升溫曲線。從圖9a可以觀察到,試樣的熱防護(hù)性能隨著聚酰亞胺纖維比例的增大而增大,具體表現(xiàn)如下,當(dāng)聚酰亞胺纖維的比例從30%增加到80%時,試樣的TPP 值從23.35 cal/m2增加到26.65 cal/m2。主要原因是試樣本身所選用的原材料特性對其熱防護(hù)性能產(chǎn)生影響,而聚酰亞胺纖維具有的優(yōu)異阻燃特性和熱穩(wěn)定性能。試樣的結(jié)構(gòu)特性對其熱防護(hù)性能也有一定影響。結(jié)合試樣的面密度與厚度變化觀察可得,試樣的熱防護(hù)性能與試樣的面密度與厚度密切相關(guān),結(jié)合表1數(shù)據(jù)可以得到,隨著試樣厚度與面密度的增加,試樣的TPP值也隨之增加。經(jīng)過計(jì)算得到,試樣的面密度、厚度與試樣的TPP 值呈顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.71,0.98,這也表明試樣厚度對其熱防護(hù)性能的影響要大于面密度對試樣熱防護(hù)性能的影響[23]。由圖9b可見,隨著聚酰亞胺纖維比例的減少,試樣的升溫速率隨之增加,具體表現(xiàn)為聚酰亞胺纖維比例80%的試樣背面溫度在30 s 內(nèi)升高了13.6℃,聚酰亞胺纖維比例30%的試樣背面溫度在30 s內(nèi)升高了15.7℃。這表明在高溫環(huán)境下,聚酰亞胺/粘膠針刺非織造材料能夠?qū)ν饨鐪囟鹊膫ζ鸬阶璧K延緩的作用。

圖9 試樣的熱防護(hù)性能

3 結(jié)論

通過梳理-針刺-熱熔復(fù)合工藝制備了具有定向?qū)衲芰Φ木埘啺?粘膠針刺非織造材料,并通過改變原料配比對聚酰亞胺/粘膠針刺非織造材料的力學(xué)性能、舒適性、定向?qū)б耗芰白枞挤雷o(hù)性能的影響因素進(jìn)行探究。結(jié)論如下：

（1）聚酰亞胺/粘膠針刺非織造材料的力學(xué)性能隨著聚酰亞胺纖維比例的增加而提高。當(dāng)聚酰亞胺纖維所占比例為80%時,試樣的縱橫向拉力和頂破強(qiáng)力最大,分別為83.8,115.9,168.7 N。相比聚酰亞胺纖維所占比例30%時分別提高22.2%,20.2%,5.5%。

（2）基于潤濕梯度效應(yīng)的梯度結(jié)構(gòu)涉及可以有效提升聚酰亞胺/粘膠針刺非織造材料的定向?qū)衲芰?當(dāng)阻燃層聚酰亞胺纖維所占比例為70%時,液體從阻燃層向吸濕層單向傳導(dǎo)能力達(dá)到263.3。

（3）阻燃層中聚酰亞胺纖維所占比例從30%增加到80%,聚酰亞胺/粘膠纖維針刺非織造材料的燃燒速率約下降32.5%,升溫速率從31.2℃/min 降低到27.0℃/min,其TPP值從23.35 cal/m2增加到26.65 cal/m2。

綜上可知,雙層（阻燃層和吸濕層）梯度結(jié)構(gòu)的聚酰亞胺/粘膠針刺非織造材料不僅兼具優(yōu)良的液體定向傳輸能力和阻燃防護(hù)能力,可滿足隔熱服、消防服等特種熱防護(hù)服裝在高溫高濕環(huán)境下的舒適性和安全性要求。