消防员化学防护服面料用涂层织物的研究Yd15129
徐田慧1 郭荣如2 陈旭炜1 李毓陵1 杜卫平3 1.东华大学纺织学院，上海，201620； 2 常州三毛纺织集团有限公司，常州，213004；3.上海纺织集团有限公司技术中心，上海，200336)
收稿日期：2012-01-11
作者简介：徐田慧，女，1987年生，在读硕士研究生。主要研究方向为消防化学防护服面料用涂层聚苯硫醚织物。
通信作者：陈旭炜，E-mail：cxw@dhu.edu.cn
原载：产业用纺织品2012/4；33-37
【摘要】化学防护服是消防员进入化学毒剂和化学危险物品和腐蚀性物品火灾或事故现场进行灭火战斗时必须穿着的个人防护装备。选择聚四氟乙烯(PTFE)薄膜在聚苯硫醚(PPS)织物表面覆膜，以求涂层后织物达到一定的耐化学品渗透性能。先将混有硅烷偶联剂的PTFE乳液处理PPS织物表面，并形成一层牢固的高分子改性膜；进而将PTFE薄膜覆在改性后PPS织物表面，进行热压复合；最后按照GA 770-2008标准对外层面料要求，测试涂层织物的基本力学性能以及阻燃性。耐化学品渗透试验按照EN 374标准进行。测试结果表明，涂层织物的阻燃测试和耐化学品渗透性能均符合GA 770-2008标准的要求。
【关键词】化学防护服，涂层，聚苯硫醚织物，聚四氟乙烯薄膜，硅烷偶联剂，耐化学品渗透
【中图分类号】TS106.6 文献标识码：A 文章编号：1004-7093(2012)04-0033-05
聚苯硫醚(PPS)纤维具有优异的耐化学腐蚀性(200 ℃下无溶剂可溶)、阻燃(LOI≥35)、耐辐射(GY≥1×107)和良好的机械性能及优良的电绝缘性能等特点[1]。在国外PPS被广泛用于防腐材料，我国过去主要用作吸尘器用袋滤器等工业原料，现在主要将PPS用于防腐蚀涂料，而在防护服领域却较少用到。鉴于PPS本身优异的性能，考虑将PPS织物用作化学防护服面料的基布。按照GA 770-2008[2]对化学防护服外层面料的要求，化学防护服外层面料除了应具备一定基本力学性能外，还应有一定的耐化学品渗透性及阻燃性。
张抗震[3]研究得出PPS织物的拉伸、撕裂等基本性能均符合GA 770-2008的要求，因此本文旨在此基础上为PPS织物做涂层，以达到一定的耐化学品渗透性能。
1 PPS织物的织造
(1)织物组织选择1／2斜纹组织。
(2)织物紧度。织物紧度是指织物的紧密程度，即织物中纱线的投影面积与织物的全部面积之比。因此设计织物时需要在其强力和面密度达到防化服标准要求的基础上，需要选择较小的紧度。同时，根据《棉织手册》(上)中本色棉布代表性品种对Ej和Ew上下界的要求[4]，并参照卡其的参数，选择Ej=80％ ，Ew =40％ 试织[3]，所得织物参数如表1所示。
表1 PPS织物参数
|
经密/[根/10cm] |
纬密/[根/10cm] |
厚度/mm |
面密度/（g/m2） |
|
374 |
176 |
0.6763 |
173.48 |
2 防化服外层面料性能要求
本课题主要研究PPS织物作为化学防护服外层面料基布的应用。化学防护服对面料性能测试的核心指标是测试防化服是否具有阻隔有害化学物质的能力，以及是否达到一定的基本力学性能等。阻隔有害化学物质包括抗穿透以及耐化学品渗透能力。化学穿透既与防护服材料的结构、纤维与纱线之间的空隙、材料与液体之间的亲和性等有关，也和服装的结构设计、接缝密封方式、辅料的性能有密切的关系[5]。
高等级化学防护服则需要测试其渗透性。渗透过程是指化学物质在防护服材料中溶解或化学物质以分子运动的方式穿透防护服材料的过程[6]。化学防护服的外层面料通由高分子聚合物材料或膜材料构成的，聚合物运动单元的多重性及高聚物的蠕变性使聚合物本质上是可渗透的，化学防护服渗透性取决于透过物的种类、聚合物的结构以及聚合物与透过物的相互作用[7]。除此之外，化学防护服外层面料还需具有阻燃性。
化学防护服的防渗透性能常以穿透时间和渗透率表示。穿透时间是指测试化学品分子从防护材料的一侧渗透到另一测的时间。防护材料对不同化学物质的耐渗透性能不同，当一种化学物质对防护材料的穿透时间超过某一时间限度时，则认为防护服材料对该种化学物质的抗渗透性能是合格的。渗透率表示在单位时间内单位面积的防护材料上化学物质的渗透量。影响渗透率的因素很多，如化学物质的浓度、防护服材料的厚度、环境温湿度以及化学物质的压力等[8]。
因此，为满足防化服外层面料要求，要对PPS织物表面进行涂层，以达到耐化学品渗透性能。聚四氟乙烯(PTFE)薄膜耐酸碱性能优异，由此选择PTFE薄膜在PPS织物表面覆膜。由于PTFE和PPS的惰性均非常大，因此，找出能使得PTFE薄膜附着在PPS织物表面的偶联剂配方是本课题第一大难点。通过与南京中材科技股份有限公司合作，经反复试验，得到了较好的成果，即找到了合适的配方，使得PTFE薄膜能较好的附着在PPS织物表面。
3 PPS织物与PTFE薄膜复合
复合有两种方法，一种是胶合，即在基布表面涂覆一层胶，并通过胶将薄膜与基布粘结起来，这种方法的缺点是涂层织物过于厚重，而防护服外层面料讲究轻薄。本课题采用第二种复合方法，即热压复合。国内常用PPS针刺毡与PTFE薄膜复合，因PPS针刺毡表面毛羽丰厚，经过烧毛处理后，表面的端点比较多，通过整理后容易和PTFE薄膜粘结牢固。而本课题用的PPS织物较薄，毛羽稀疏，热压复合时易熔融变性。因此需要用到偶联剂。本课题选择硅烷偶联剂作为粘接剂。
硅烷偶联剂是一类在分子中同时具有2种不同的性质基团(可水解基团和非水解基团)的有机硅化合物。由美国联合碳化合物公司和道康宁公司在上世纪40年代首先开发。随着工业发展，硅烷偶联剂独特的性能得到显著的改性效果，其新品种也越来越多的问世，使得其应用领域日益扩大[9]。目前，硅烷偶联剂已成为有机硅工业的一个重要的分支。
3.1 PTFE薄膜与PPS织物粘接配方
PTFE薄膜惰性大，难以熔融，且表面难粘性强，而PPS惰性也非常大，O-S键能非常大，性能稳定，因此覆膜前需要对PPS织物表面进行改性。
选用硅烷偶联剂KH550和PTFE乳液这两种改性剂组分，通过一定比例混合，并在均匀涂覆在PPS织物表面，经过浸渍，压轧，烘焙等工艺，在PPS织物表面形成一层均匀牢固的高分子改性膜。硅烷偶联剂KH550作为“桥梁”将PTFE乳液和PPS织物表面连接起来。
280℃下，将PTFE薄膜与PPS织物热压复合，在此温度下PPS织物表面上已经包覆的高分子改性膜发生熔融，PTFE薄膜与改高分子改性膜在高温下发生分子之间的缠结并伴随着分子转移，最终达到PTFE、PPS两种界面的高温热压复合。
PTFE薄膜较好的与PPS织物粘接在一起，分别由配方A和配方B处理的涂层织物形态如图1和图2所示。
3.2 粘接机理分析
KH550溶入一定量的乙醇中，水解形成硅醇键，为PTFE的氟原子提供氨基，并与之形成氢键。PPS纤维在高温下氧化分子末端会形成Si-O-S的。高温下氧化也会产生断链，生成更多的SH键反应。
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图1 配方A处理的涂层织物 |
图2 配方B处理的涂层织物 |
(2)PTFE在高温下是可以软化的。因为PPS织物表面上的高分子膜上已经有PTFE在上面了，PTFE薄膜和已经在PPS表面的PTFE是同种物质，在高温压力下容易结合在一起。
3.3 薄膜粘接强度测试
由于PPS织物的强力远远大丁PFFE薄膜的强力.因此考虑采用渗水性测试仪间接测试溥膜的粘接强度，即将涂层织物的覆膜面向上，在水压下观察涂层织物表面的变化，如果薄膜与布而发生分离，
产生气泡，则说明在一定水压下涂层覆膜出现分离破坏。测试采用YG825E型数字式渗水性测试仪，分别在水压1547 Pa和最大水压2 793 Pa 下
观察涂层织物表面。图3和图4分别是试样在渗水仪测试中和测试完毕从仪器移开后的图片，可以看出薄膜与织物表面之间并无气泡产生，薄膜仍然与织物表面紧贴，因此得出结论，即粘接强度较合适，
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图3 2793 Pa水压时试样状态 |
图4 渗水测试后试样表面状态 |
3.4 耐化学品渗透测试
由于难以获得GA 770-2008要求的测试耐化学品渗透的仪器，因此采用EN
374.3-2003[10]测试织物的耐化学品渗透性，表2列出了测试化学品表。
表2 测试化学品列表
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化学品 |
CAS号 |
种类 |
|
40%氢氧化钠 |
1310-73-2 |
无机碱 |
|
96%硫酸 |
7664-93-9 |
无机酸 |
表3和表4分别是分别经两种配方A和B处理的涂层织物的耐酸碱渗透性能测试数据列表，其中试样l是指经配方A处理的涂层织物。试样2是指经配方B处理的涂层织物
表3 96％硫酸测试涂层织物渗透性
|
时间／min |
传输速率／(µs/cm) |
|
|
试样1 |
试样2 |
|
|
0 |
O.164 |
O.014 |
|
1 |
0.236 |
O.025 |
|
2 |
0.359 |
O.026 |
|
3 |
0.504 |
O.058 |
|
4 |
0.676 |
O.067 |
|
5 |
4.572 |
O.162 |
|
6 |
- |
O.18l |
|
7 |
- |
O.207 |
|
8 |
- |
0.394 |
|
9 |
- |
0.504 |
|
10 |
- |
0.681 |
|
11 |
- |
2.79 |
|
穿透时间 |
＜10min |
10-20min |
|
EN374 |
Level 0 |
Level 1 |
注：传输速率超过0.7µs/cm时,视为透过。
结果分析：试样l在4 min时，硫酸传输速率为0.676<0.7µs/cm(渗透速率为lµg／(cm2·min)，在5 min时硫酸传输速率达到4.572>O.7µs/cm，穿透低于10min，因此配方A处理的试样即试样1耐96％硫酸渗透等级为O级。式样2在llmin时硫酸传输速率达到0.681<0.7µs/cm，在第12
min时达到2.79>0.7µs/cm，穿透时间大于lO min，因此配方B处理的试样即试样2耐96％硫酸渗透等级为l级。
由此可以看出.配方B处理后的涂层织物的耐96％硫酸渗透性能比经配方A处理的涂层织物的渗透性要好。经配方A处理的涂层织物的耐96％硫酸渗透的等级为0级，即没有达到标准。
表4 40%Na0H测试涂层织物耐渗透性
|
时间／min |
传输速率／(µs/cm) |
|
|
试样1 |
试样2 |
|
|
0 |
0.151 |
0.13I |
|
1 |
O.152 |
O.292 |
|
2 |
O.229 |
0.363 |
|
3 |
O.54 |
0.479 |
|
4 |
O.74 |
0.518 |
|
5 |
0.93 |
0.693 |
|
6 |
1.32 |
O.80l |
|
7 |
1.75 |
O.893 |
|
8 |
3.06 |
O.995 |
|
9 |
- |
1.186 |
|
10 |
- |
1.307 |
|
11 |
- |
1.442 |
|
12 |
- |
1.531 |
|
13 |
- |
1.673 |
|
14 |
- |
1.868 |
|
15 |
- |
3.639 |
|
穿透时间 |
＜10min |
10-20min |
|
EN374 |
Level 0 |
Level 1 |
注：传输速牢超过I.8 µs/cm时，觇为透过。
结果分析：试洋2d 8 min硫酸传输速率达到3.06>1.8 µs/cm (渗透速率为lµs/cm2·min)，穿透低于10 min.因此配方A处理的试样即试样1耐40％氢氧化钠渗透等级为0级。试样2在14 min时；硫酸传输速率达到1.868>1.8 µs/cm(渗透速率为1µg／(cm2·min)，穿透大于10 min，因此配方B处理的试样即试样2耐40％氢氧化钠渗透等级为l级。
3.5 燃烧性能测试
采用YG815垂直法燃烧织物性能测试仪器，执行标准GA 770-2008 中的试验方法.测定阻燃织物的损毁长度、续燃时间和阴燃时间。燃烧性能测试值见表5，燃烧后织物形态见图5和图6。
试验结果分析：
(1)织物的续燃时问和阴燃时间均为0 s，均符合GA 770-2008的要求，同时在燃烧过程中没有熔滴现象。
表5 试样的燃烧性能
|
试样 |
损毁长度/cm |
续燃时间/s |
阴燃时间/s |
|||
|
经向 |
纬向 |
经向 |
纬向 |
经向 |
纬向 |
|
|
A |
9.68 |
9.37 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
B |
4.36 |
4.52 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
|
|
|
图5 配方A处理的涂层织物的燃烧后状态 |
图6 配方B处理的涂层织物的燃烧后状态 |
(2)试样的损毁长度小于GA 770-2008要求的损毁长度，其中，配方B处理后的涂层织物的损毁长度明显比配方A的小，因此可以看出配方B处理的后的涂层织物的阻燃性较好。
4 结论
(1)偶联剂配方B能使PTFE薄膜较好的与PPS织物表面贴合。经反面渗水性测试间接测试薄膜粘接强度，粘接强度较好。
(2)配方B涂层织物的耐化学品渗透符合EN374要求，阻燃性则符合GA770-2008的要求。
参考文献
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