多层复合抗菌阻燃面料的制备及性能

漆春一 ,朱国权

(1.广东职业技术学院,广东 佛山 528000;2.中纺协东莞检验技术服务有限公司,广东 东莞 532900)

在消防、应急救援等领域,从业人员常处于各种潜在的高温、高湿环境,具有防水、阻燃及抗菌等功能的纺织品在保护工作人员安全方面有着重要意义。从功能性角度考量,设计多层复合抗菌阻燃面料结构,筛选及配制炭珠层及防水阻燃层的材料,并对织制试样进行测试分析。

1 多层复合抗菌阻燃面料的设计思路

多层复合抗菌阻燃面料由6 层结构组成,如图1所示。自上而下依次为外层、基布层、第一黏接层、炭珠层、第二黏接层、透气底层。

图1 多层复合抗菌阻燃面料结构示意图

1.1 面层(外层+基布层)

面层采用基布层涂覆外层的防水阻燃材料织制。一方面有效防止消防救援中大量的水进入服装材料的内部使消防员身体浸湿,另一方面具有良好的阻燃性。

1.2 炭珠层

炭珠层具有良好的抗菌、防霉、防毒和吸汗作用,透过透气底层的汗液可以被炭珠层吸收,保证透气底层环境的舒适性,提升了由其制得防护服的舒适性。

1.3 胶黏层

胶黏层主要作用是连接透气底层与炭珠层、炭珠层与面层。所选用的胶黏层一是具备良好的黏接强度;二要有适当的熔点,不能因制备过程中温度过高而影响透气底层的透气性以及炭珠层的抗菌、防霉性。

1.4 透气底层

透气底层直接接触身体的内部,要求具备较好的力学性能,厚度适中,具有较强的吸湿排汗性,同时易于与其他材料粘接。

2 多层复合抗菌阻燃材料的筛选

根据多层复合抗菌阻燃面料的设计思路及功能要求,筛选分层材料。

2.1 外层材料

外层材料的主要功能为防水阻燃,并且能很好地涂覆于基布上。防水性是指织物抵抗被水润湿和渗透的性能[1];阻燃性是指物质或材料经处理后具有的明显推迟火焰蔓延的性质。因此,将具备防水性和阻燃性的材料涂覆于基布上形成涂层织物为最佳选择。涂层织物属于工程复合类材料,以涂覆方式使基布与涂层材料结合,以此形成的涂层织物兼具纺织品与涂层材料的优点,使织物具备良好的机械性能和防水阻燃性能。

按照外层材料的性能要求,选择涤纶针织面料作为基布。选择无卤阻燃剂、聚丙烯酸酯、纳米二氧化钛、环氧树脂、甲基三甲氧基硅烷、热膨胀微球、石墨烯、MF预聚体、消泡剂、填料和增黏剂为原料,以一定的比例配制防水阻燃材料。通过无卤阻燃剂、环氧树脂、MF预聚体、热膨胀微球和增黏剂的复配反应提高PPA 复合材料的力学性能和成膜性能;聚丙烯酸酯以其独特的黏合性增加防水阻燃材料成膜的光泽度、防水性和弹性;聚丙烯酸酯与环氧树脂接枝,再与MF预聚体共聚,得到具有高模量和优良防腐蚀性的环氧树脂,同时得到具备丙烯酸酯光泽度的防水阻燃材料;再则,甲基三甲氧基硅烷表面的Si—OH 键,可与聚丙烯酸酯中的羧基发生化学反应,通过化学交联,更好地将无卤阻燃剂封闭在胶体内部,并且降低其迁移表面所产生的“返霜”缺陷,以此提高防水阻燃材料的阻燃性能;除此之外,MF预聚体的表面可与纳米二氧化钛进行改性接枝,提高MF预聚体对太阳光的反射率,从而提高防水阻燃材料的低温辐射能力和高温反射力,使防水阻燃材料具有更好的综合性能。

2.2 炭珠层材料

以油酸钠、竹炭粉、酚醛树脂、十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基苯磺酸钠和纳米银为原料,按照一定比例配制得到复合炭珠。该复合炭珠的比表面积高,具有良好的抗菌性、防霉性、防毒性和吸汗性。同时,纳米银成分提升复合炭珠的抗菌、防臭效果;表面活性剂(十二烷基苯磺酸钠)将竹炭粉和酚醛树脂结合,油酸钠促进纳米银在竹炭粉和酚醛树脂中的均匀分布,十六烷基三甲基溴化铵进一步提升复合炭珠的结构和化学稳定性,使得配制的复合炭珠球形度好。

2.3 胶黏层材料

胶黏层选择聚氨酯树脂胶黏剂,该胶黏剂具有很强的粘接性能,可将复合面料的各层进行紧密粘合,避免脱胶问题,提升复合材料的实用性和稳定性。

2.4 透气底层材料

透气底层采用吸湿性和透气性较好的Coolmax涤纶纤维。

3 防水阻燃层与炭珠层的配制

防水阻燃层与炭珠层的配制分别见表1和表2。

4 测试项目及方法

4.1 剥离强度

按FZ/T 01085—2009《热熔粘合衬剥离强力试验方法》[2]进行测量。使用万能拉伸试验机测试材料的剥离强度,剥离强度=剥离力/试样宽度。

4.2 阻燃等级

阻燃等级采用UL94《材料燃烧性能试验方法》[3]。根据材料点燃后的燃烧速度、燃烧时间、抗滴能力以及滴珠是否燃烧判定材料的阻燃等级。

4.3 防水性能

防水性能按照GB/T 12704.1—2009《纺织品 织物透湿性试验方法 第1部分:吸湿法》[4]进行测定。

4.4 透气性能

透气性能按照GB/T 5453—1997《纺织品织物透气性的测定》[5],采用数字式透气量仪进行测试。

4.5 比表面积及微孔孔容

采用BET 方程计算比表面积,T-plot法计算微孔比表面积和孔容,BJH 法计算中孔比表面积和孔容。

4.6 抗菌性

抗菌性参照GB/T 21510—2008《纳米无机材料抗菌性能检测方法》[6]测试。

5 测试与分析

5.1 试样炭珠层性能测试

对4种炭珠层的抗菌性、比表面积及微孔孔容进行测试,测试结果见表3。

表3 抗菌性、比表面积及微孔孔容

通过表3可以发现,配制炭珠层D1、D2、D3的抗菌性、比表面积及微孔孔容均大于D4所购买的炭珠。抑菌率值越大,抗菌性越好;比表面积和微孔孔容作为衡量材料吸附性能的主要指标,比表面积值越大,微孔孔容值越高,材料的吸附能力越强。主要原因在于纳米银本身具有较好的抗菌性和除臭性,十二烷基苯磺酸钠作为表面活性剂,促进纳米银在竹炭粉和酚醛树脂中的均匀分布,从而提高其比表面积和微孔孔容。

5.2 试样综合性能测试

对5种复合面料的透气量、透湿量、剥离强度及阻燃等级进行测试,测试结果见表4。

表4 试样综合性能测试

由表4 可以看出,试样A1BCD1EF、A2BCD2EF及A3BCD3EF 透气量离散系数为0.002 667,试样A1BCD1EF、A2BCD2EF、A3BCD3EF、A4BCD1EF、A5BCD2EF离散系数为0.007 292;试样A1BCD1EF、A2BCD2EF 及 A3BCD3EF 透湿量离散系数为0.005 487,试样 A1BCD1EF、A2BCD2EF、A3BCD3EF、A4BCD1EF、A5BCD2EF 离散系数为0.010 478;A1BCD1EF、A2BCD2EF及A3BCD3EF剥离强度离散系数为0.033 905,试样A1BCD1EF、A2BCD2EF、A3BCD3EF、A4BCD1EF、A5BCD2EF 离散系数为0.166 161;前3组试样的离散系数均小于整体的离散系数。

A1BCD1EF、A2BCD2EF 及A3BCD3EF 的阻燃等级均为0.8 mm V-0,表明试样进行2次10 s的燃烧测试后,火焰在10 s内熄灭;而A4BCD1EF 为最低阻燃等级,A5BCD2EF火焰在60 s内熄灭。这是因为前3组试样多层复合结构一致,仅在防水阻燃层配制时温度及时间处理不同,而后面2 组试样,防水阻燃层A4未添加MF预聚体,A5未添加增黏剂,说明MF预聚体及增黏剂有助于提高试样的防水阻燃性能。

6 结束语

介绍了多层复合抗菌阻燃面料的结构设计思路,确定外层、基布层、第一黏接层、炭珠层、第二黏接层、透气底层为面料的结构,以功能为定位筛选防水阻燃层和炭珠层的材料配制,并对炭珠层的抑菌率、比表面积和微孔孔容及复合面料透气量、透湿量、剥离强度和阻燃等级进行测试分析,结果显示:设计炭珠层比普通购买的炭珠的抗菌性及吸附性好,设计的防水阻燃层加入MF预聚体及增黏剂比未加入时的防水阻燃性能优异。