基于聚酰亚胺纤维的新型防火面料与芳纶纤维的性能对比研究
王晋芳 陈坤 朱瑞 徐寿坤 张国琛 红于 李车
摘要：为探寻新型森林防火服的发展方向，邀请了300余名全国各地在职森林消防员参与调查问卷，并就芳纶1313、芳纶1414和甲纶布三种纤维材料的阻燃性能、热稳定性能、撕破强力和断裂强力等进行实验分析和数据比对。结论如下，甲纶布相较于芳纶1313和芳纶1414，其阻燃性能，力学性能，燃烧稳定性能都更加优越，综合性能优于其它两种材料，可作为新型防火服研发的主要纤维材料。
关键词：芳纶1313;芳纶1414;阻燃性能;热稳定性能;力学性能
中图分类号：TU545 文献标识码：A 文章编号：2096-1227（2021）06-0018-04
近年，我国始终致力于绿色可持续发展和生态文明建设，全国绿化面积和森林蓄积量不断增加。在环境得到改善的同时，森林草原防火形势愈发严峻，对防灭火管理工作也提出了更高的要求。调查数据表明，我国是森林火灾多发的国家[1]，扑火人员根据各类森林火灾情况研发出了多种灭火方式，但受复杂地形和科技水平等因素限制，大部分森林火灾仍需人工进行扑打。国内外各类防灾减灾战略要求明确提出要以人为本[2]，而近距离灭火作战严重威胁扑火人员的人身安全，防火服是不可或缺的装备。防火服具有阻燃、隔热、抗热辐射等特性，可以有效避免消防员身体与火焰的接触，既能减少或者避免扑火人员受到伤害，降低安全风险，又能有效保障灭火作战的胜利[3]。根据调查问卷显示，当前森林消防队伍配备的防火服可基本满足灭火作战需要，但其相关防护性能仍需要进一步提高，特别是随着科技水平和人文社会的发展，对保障消防员的人身安全也提出了更高要求，因此对新型防火服的研究必须加紧脚步。
长期以来，阻燃隔热和舒适耐用一直是防火服急需提升的重点性能，合理采用性能优越的纤维材料，对于防火服的设计制造尤为重要。防火服外层的材料是直接面对火焰的，所以在选择防火外层材料时，要选择阻燃性以及耐高温性质较强的材料。本文主要采取调查问卷和实验对比分析两种方式进行探索，依托中国消防救援学院干部培训大队学员一队在全国各地森林消防员中展开了大量调查问卷，切实掌握一线消防员对当前防火服的改进期盼，进一步明确目标。
经过长期对防火阻燃纤维的研究，聚酰亚胺（PI）、芳纶等高性能纤维不断取得突破性进展[4]。刘超[5]等对几种多组分阻燃防护织物研究探讨，得出结论为：聚酰亚胺、芳纶1414和芳纶1313等高性能纤维在织物中的比例增加，其阻燃性能也会得到明显改善。沈德垚[6]等研究结果表明聚酰亚胺纤维拉伸性较好，阻燃和热稳定性能都明显超过芳纶1313和芳纶1414，但对于150℃的水蒸气耐受强度不足。
就目前来看，仅单一的芳纶1313或1414阻燃面料已经不能满足森林消防员灭火作战的需求。而聚酰亚胺作为新型的材料，具有绝佳的阻燃性能以及热稳定性能，更加容易满足消防员的需求。因此在目前消防服的最外层防火面料中加入高阻燃性的聚酰亚胺纤维具有重要研究意义。通过参考刘呈坤[7]等对高档阻燃防护服的设计探讨思路，重点对外层面料纤维的选择进行了反复思量，我们最终以含有聚酰亚胺成分的高分子复合材料甲纶布（85%聚酰亚胺纤维、13%芳纶1414和2%导电纤维）为对象进行研究。
一、问卷调查
任何科研产品都必须要经过实践的检验，只有经过实践检验合格的产品，才能进行广泛的生产应用。在防火服性能和可操作性上，基层一线消防指战员是最具发言权的群体。本文除了对相关纤维材料进行实验研究和理论分析外，充分借助微信小程序和电话访谈相结合的方式开展调查问卷，其中以微信小程序调查问卷为主。调查对象为全国各省市国家综合性消防救援队伍（森林消防）指战员，累计填写问卷343人次，有效问卷343人次。经整理、统计后总结为以下几点：
（一）83.97%消防员对新型防火服的研发抱有较大期盼。
（二）68.81%的消防员认为当前配发的防火服防护性能良好。
（三）64.72%的消防员对隔热性能的满意度较好。
（四）78.42%的消防员对阻燃性能较满意。
（五）56.27%对改进方向的期盼为提升舒适度和耐高温性能。
从调查结果来看，一线消防员对当前所装备的森林防火服性能较为满意，能够满足灭火作战需要;但是不难看出，还是有少部分消防员希望能够进一步提高防火服的舒适性，耐高温性和阻燃等性能，特别是隔热和舒适度两个方面仍需要重点注意。
二、聚酰亚胺和芳纶分子结构简介
聚酰亚胺纤维（polyimide fiber）又称为芳酰亚胺纤维，是指分子链中含有芳酰亚胺的纤维（如图1所示）[7]。由于其具有耐高低温特性、阻燃性，穿着舒适，永久性阻燃[8]，不熔滴，离火自熄以及极佳的隔温性，被广泛用于制作装甲部队的防护服、赛车服、飞行服等防火阻燃服[9]。
芳纶1313（又称Nomex纤维），属于间位芳香族聚酞胺纤维，分子结构如图2所示[4]，[10]。其生产的芳纶1313织物，是一种难燃纺织品，具有不助燃及自熄的功能特点，而且尺寸稳定性好，物理和力学性能均优良，是制备消防服及特种行业个人安全防护服的重要材料[10]。
芳纶1414（聚对苯二甲酰对苯二胺）是芳纶中一种具有高强高模特性的高分子材料[11]，又称为对位芳纶、芳纶Ⅱ，主链结构具有高度的规则性，大分子呈十分伸展的状态[5]。其阻燃性能优良，具有很好的耐高温性。且有高强度、高模量、密度小、等特点，曾一度广泛应用于军工和民品的各個领域。其分子结构式如图3所示[12]。
三、实验部分
（一）实验原料及仪器
奥神甲纶布面料（85% 聚酰亚胺纤维，13%芳纶1414，2% 导电纤维），芳纶1313面料（98%芳纶1313，2%导电纤维），芳纶1414面料（98%芳纶1414，2%导电纤维）均采购于江苏奥神新材料股份有限公司。
实验仪器包括：等速伸长（CRE）试验仪，干燥箱，垂直燃烧测试仪（PX-03-001），多功能电子织物强力仪（YG026H），数字式织物撕裂仪（YG033B），热重分析（TGA）使用热分析仪（Q50，TAInstruments），傅里叶变换红外光谱（IR）仪（日本岛津，DTGS 检测器）。
（二）实验方法：
1.阻燃性能
参照GB/T5455—2014《纺织品燃烧性能 垂直方向 损毁长度、阴燃和续燃时间的测定》，将尺寸为300mmx89mm的面料，经（纵）向取5块，纬（横）向取5块，共10块试样。将剪取试样距离布边至少100mm。试样的两边分别与织物的经（纵）向和纬（横）向平行。而后将试样放置在GB/T 6529规定的标准大气条件下进行调湿，然后将调湿后的试样敌入密封容器内。在温度为10～30℃。相对湿度为30%-80%的大气环境中进行试验。
2.热稳定性能
参照GB8965.1—2009《防护服装阻燃防护第一部分：阻燃服》附录B：热稳定性实验方法，分别取用尺寸100mmx100mm，沿径向，纬向数量各为三块的试样。按照GB/T17596规定洗涤三次，而后在标准大气压，温度20℃±2℃和65%±5%的相对湿度条件下，将样品保持24小时，将干燥箱加热至所需温度（260℃±2℃），迅速将悬挂试样放入干燥箱内，从关上干燥箱门开始记录时间（注：试样应不与干燥箱壁接触），5分钟后打开干燥箱门，取出试样。2分钟内，在常温环境下测量完长，宽方向尺寸。而后计算。
3.断裂强力
参照GB/T 3923.1—3013《纺织品 织物拉伸性能 第1部分：断裂强力和断裂伸长率的测定（条样法）》，使用等速伸长（CRE）试验仪。分别剪取三种无褶皱及疵点织物1m长的全幅宽为实验样品。在进行调湿后，在夹钳中心位置夹持试样，实验开始后，使可移动的夹持器移动，拉伸试样直至断脱。而后记录断裂强力。
4.撕破强力
参照GB/T 3917.3—2009《纺织品 织物撕破性能 第3部分：梯形试样撕破强力的测定》，使用等速伸长（CER）试验仪，分别取尺寸（75±1）mmx（150±2）mm试样，用样板在每个试样上画等腰梯形。试验开始前按照GB/T6529规定调湿试样，在标准大气压下，眼梯形的不平行两边夹住试样，使切口位于两夹钳中间，梯形短边保持拉紧，长边处于褶皱状态。启动仪器，自动计算记录仪上径向和纬向每块试样一系列有效峰值的平均值。
5.热重和红外分析
在空气气氛下（样品吹扫流速为4mLmin-1）将5-6mg样品装入铂坩埚中并以10摄氏度/分钟的速率加热至800℃。[13]
红外光谱的扫描范围是600-4000cm-1，扫描速率4cm-1/s。[14]
（三）性能分析
1.阻燃性能
实验采用垂直燃烧法，将现阶段两种常用的阻燃面料以及新型的阻燃面料数据进行一个深入的对比分析，具体的数据如下表，从表中可以看出，甲纶布阻燃面料续燃和阴燃时间都为0秒。而其余两种阻燃面料都有阴燃现象发生，并且芳纶1313及1414的摧毁面积较之甲纶布阻燃面料更大。这就表明，甲纶布在燃烧状态下较之其余两种面料更加稳定。更适合作为森林消防员在灭火作战中的实践应用。
2.热稳定性能
从表2可以看出，三种阻燃面料的热稳定性能指标都达到了260℃±5℃的高温下形变率≤10的指标。表明三种阻燃面料都具有优秀的抗形变能力。
3.力学性能
消防阻燃面料的断裂强力及撕裂强力在扑救森林火灾中对保护消防员身体起到一个至关重要的作用6，表3是本次实验三种面料的断裂强力及撕破强力数据。可以看出，径向的断裂强力最高为芳纶1313阻燃面料，达到1400N，纬向断裂强力最高为芳纶1414阻燃面料，达到1200N。而甲纶布阻燃面料断裂强力介于两者之间。但是甲纶布的撕破强力分别达到径向254.5N和纬向199.3N，高于其余两种面料。综合数据来看，甲纶布阻燃面料更优于芳纶1313及芳纶1414。
4.红外热重性能
通过红外光谱（图4）验证了甲纶布和芳纶1313的分子结构，其中在芳纶1313和甲纶的红外光谱中，1400-1420cm-1处均出现一个尖锐的吸收峰，这归属于酰胺结构C-N的伸缩振动[15];甲纶布分子的红外光谱1630-1670cm-1处有两个中等强度的峰，这归属于叔酰胺的C=O伸缩振动。这说明甲纶布在芳纶纤维的基础上成功掺杂了聚酰亚胺纤维。
通过热重分析（图5），我们可以发现，芳纶1313在空气气氛下的着火温度为400℃左右，而掺杂了聚酰亚胺分子的甲纶纤维的着火温度从400℃度提高到了500℃[16]，这对于森林消防员来说具有重要意义。此外，我们发现甲纶布在失重20%左右之后趋于稳定，这说明甲纶布纤维不会被完全氧化，通过观察燃烧产物发现，形成了一层黑色物质覆盖在铂盘表面，这可以用于后续研究工作中物品表面的防火材料研究。
四、结语
通过对现阶段常用森林防火服外层阻燃面料芳纶1313，芳纶1414以及新型的高分子复合材料聚酰亚胺甲纶布的阻燃性能，热稳定性能，力学性能，红外光谱和热重性能的性能分析，不难发现，聚酰亚胺甲纶布阻燃面料的阻燃性能、撕破强力、燃烧稳定性相对于其余两种面料更优，热稳定性能与其余两种面料并駕齐驱，断裂强力介于两种面料之间。综合来看，聚酰亚胺纤维作为新型高分子复合材料，具有现阶段防火服材料所不具备的优势，其性能更加优越，适合作为下阶段的森林防火服面料的选择。
参考文献：
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作者简介：
王晋芳（1989-），女，汉族，山西晋城人，毕业于中国人民大学物理化学专业。现任中国消防救援学院基础部共同科目教研室讲师。
陈坤（1996-），男，汉族，四川康定人，2016年参军入伍，2019年考入中国消防救援学院，现为中国消防救援学院消防指挥（森林方向）学员。
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