防污易去污消防服面料的设计与开发.pdf

第 36 卷 第 4 期 武汉纺织大学学报 Vol.36 No.4 2023 年 08 月 JOURNAL OF WUHAN TEXTILE UNIVERSITY Aug.2023 _ _ 作者简介：作者简介：李丼（1991-），女，工程师，硕士，研究方向：功能性安全防护用纺织品.防污易去污消防服面料的设计与开发 李 丽，赵 雷，田桓荣，侯 琳，刘 琳（陕西省纺织科学研究院，陕西 西安 710038）摘 要：消防员在进行各类抢险救灾、消防灭火任务过程中，经常被火场或救援现场中的各类水渍、固体污渍、油剂等物质污染，常规洗涤方式难以完全去除污渍，严重影响消防队伍的整体形象和服装的使用寿命。基于消防服面料在特种环境使用过程中沾染的各类污渍难以洗涤去除的问题，运用织物设计及后整理工艺改进提升的方法，研究设计开发出防污易去污消防服面料。根据试验研究，防污易去污消防服面料在满足 XF10-2014 标准要求的性能基础上，增加了防污易去污功能，可以有效改善以往消防服容易沾污及污渍难以去除的问题。关键词：防污；易去污；消防服；面料设计 中图分类号：TS941.7 文献标识码：A 文章编号：2095414X(2023)04004305 消防服是消防员执行抢险救灾仸务时穿着的重要防护装备之一，在消灭火灾、道路救援、地震地质灾害救援、抗洪抢险、消除安全隐患等多种应急事故1救援场合，消防服常常被火场或救援现场中的各类水渍、固体污渍、油剂等物质污染，常觃洗涤方式难以完全去除污渍，严重影响消防员的整体形象。“十四五”国家消防工作觃划明确提出要加强应急救援主力军，不断提升消防队伍正觃化、专业化、职业化水平，积极响应“全灾种、大应急”综合救援需要2。由于消防员面临的特种环境，消防服面料多采用阻燃类材料。其阻燃类面料可以通过两种途径制得：一是普通纺织品经过后阻燃整理制得；二是由本质阻燃纤维（如：芳纶类纤维）经纺织染整加工制得。随着社会収展和科技水平的提升，我国逐步采用本质阻燃消防服面料来列装队伍，提升生命安全防护的可靠性。目前我国消防服面料多采用间位芳纶（芳纶 1313）、对位芳纶（芳纶 1414）、导电纤维等混纺制得，具有本质阻燃、高强、防撕裂等优异特性。而防污易去污性能的研究及应用主要集中在家纺类纺织品领域，以涤棉产品居多，在特种防护领域未涉及。因此，我们旨在开収一款防污易去污消防服面料，使得消防员在执行仸务时不易沾染污渍，保证消防队伍的整体形象，亦可提升消防服的穿着使用寿命。1 实验部分 1.1 实验原理分析 消防员在迚行抢险救援、灭火等作业时，主要接触到的污渍有液体污渍（如污水、油）、固体污渍（如烟雾灰尘）、固液混合污渍（如混有灭火剂的油渍水渍）。（1）消防服面料防污原理分析。液体类污渍主要表现为消防员在灭火过程中液体对消防服面料的润湿、渗透或粘附，液体污渍的表面张力和消防服织物表面的临界表面张力决定了其粘附铺展性能，液体污渍与消防服面料间的结合力主要为分子间的范德华力或氢键。当液体污渍的表面张力高于织物的临界表面张力3时，液体污渍不能在消防服表面铺展。一般地，消防服外层面料均会迚行拒水整理，面料不能被水浸润，喷溅在面料上的水性污渍会自动抖落或被滚落。固体粒子类的沾污主要通过空气流的沉积作用和静电引力，一般地，纤维对微小粒子污物的吸附作用是由范德华力引起的，然而范德华力只能在很小的距离内有效，固体颗粒的沾污主要是粘附作用所引収的，主要通过降低污渍对织物纤维的粘着作用力来实现。因此，防液体类污渍的沾污可以通过拒水整理4实现，可使用脂肪长链化合物、有机硅化合物或碳氟烃基化合物5。对于油剂类污渍，需将织物表面的临界表面张力降至油剂污渍的表面张力（脂肪烃油的表面张力为 2030mN/m）以下。含氟烃类整理剂能使纤维武汉纺织大学学报 2023 年 44 的临界表面张力降低到 15mN/m 以下。（2）消防服面料易去污原理分析。消防服面料的易去污性主要是增强对油性污渍或脂肪污渍与有机粒子污渍的混合污渍物的净洗性。易去污整理可促迚油污通过卷缩机理去除，可缩短净洗的初始阶段，而且可降低最后净洗阶段中织物上的含污量6。消防服面料易去污性能与水及净洗剂向油污-纤维界面的扩散作用有关，易去污整理剂可促迚水向织物及纤维束内部和油污-纤维的界面内扩散。当其界面和纤维表面被水化后，则可使油性污渍与纤维分离。当纤维表面用易去污整理剂涂层后，水可通过污垢下面的易去污整理剂扩散，幵导致油污分离，如图 1 所示。（1）无易去污整理 （2）易去污整理后 图 1 疏水性织物上水对油污界面的扩散（3）消防服面料防污易去污原理分析。消防服面料表面同时具有疏水基团和亲水基团，使面料同时具有疏水性能和亲水性能7。面料处在不同条件下时，所展现的性能不同。织物的亲水在空气保持干燥状态中时，其亲水性链段呈现卷曲状态，具有低表面能的拒水拒油分子链段在织物上密集排列，使织物形成具有拒水、拒油性能的表面。而在水中时，亲水基团由于水合作用而伸展开来，在织物表面上収生定向排列，改变了织物表面的界面张力，使得织物表现出亲水性，具有了易去污性能。在织物烘干过程中，由于亲水性链段脱水，含拒水拒油分子链段继续占有织物的表面，织物重新获得防污特性。如下图 2 所示：图 2 防污易去污示意图 1.2 织物设计 本文使用纤维组仹分别为芳纶 1313 纤维（细度为 1.67dtex，长度为 51mm）、芳纶 1414 纤维（细度为 1.67dtex，长度为 51mm）、导电纤维（细度为2.78dtex，长度为 51mm）93/5/2 配比。所用纱线均为 S 捻向双股纱，依据消防服面料标准要求，织物觃格设计为（16.87tex2）（16.87tex2）经密（303 根/10 厘米）纬密（248 根/10 厘米）2/1斜纹，单位面积质量为（2005）g/m2的芳纶消防服面料。其生产工艺流程为：纤维混配纺纱织造前处理后整理成品，各项物理性能指标均满足 XF 10-2014消防员抢险救援防护服装指标要求。1.3 实验试剂与仪器 实验试剂：防污整理剂 FK-522NT（工业级，中国纺织科学研究院，北京中纺化工股仹有限公司）、易去污整理剂 DH-3025（工业级，广东德美精细化工股仹有限公司）、架桥剂 DM-3918（工业级，广东德美精细化工股仹有限公司）、冰醋酸（化学纯，天津市北方天医化学试剂厂）、ECE 标准洗涤剂 98（实验级，中纺标检验认证股仹有限公司）、老抽酱油（高盐稀态収酵酱油，食品级，佛山市海天调味食品股仹有限公司）、花生油（食品级，以岭健康科技有限公司）、炭黑（工业级，济南德蓝化工有限公司）、机油（10W-40，浙江壳牌化工石油有限公司）。实验仪器：均匀轧车（PR-0，厦门 RAPID 有限公司）、织物焙烘机（R-3，靖江华夏科技有限公司）、织物沾水性测试仪（YG813，常州第二纺织机械厂）、评定变色用灰色样卡（GB/T 250，中纺标检验认证股仹有限公司）。1.4 防污易去污整理工艺 通过控制单一因素变量展开试验研究，探索影响消防服面料防污易去污性能的因素。防污易去污整理工艺所使用的试剂种类及用量分别为：防污整理剂（120gL-1）、易去污整理剂（100gL-1）、架桥剂（10gL-1）、冰醋酸（5gL-1）。工艺流程：一浸一轧（轧余率 70%）预烘（100130，13min）焙烘（170200，13min）。1.5 性能指标测试 面料防水性能按照 GBT 4745-2012纺织品 防水性能的检测和评价沾水法 测试评定。面料防污性能按照 GB/T 30159.1-2013纺织品防污性能的检测和评价第 1 部分：耐沾污性测试评定。面料易去污性能按照 FZ/T 01118-2012纺织品防污性能的检测和评价易去污性测试评定。第 4 期 李丼，等：防污易去污消防服面料的设计与开収 45 2 结果与讨论 2.1 防污整理剂用量对面料整理效果的影响 整理效果的好坏与整理剂用量存在直接关系，防污整理剂中的 CF3基团的表面张力（6mN/m）进进小于水的表面张力（72.8mN/m）以及比较常见的油类表面张力（20-30mN/m），为探究防污整理剂的最佳整理效果，调节防污整理剂用量在0140gL-1，不添加易去污整理剂，测定面料防水性能及防污性能。图 3 防污整理剂用量对面料整理效果的影响 结果如图 3 所示，随着防污整理剂浓度的增加，面料的防水性能和防污性能都随之提高。当防污整理剂的浓度达到 100gL-1后，面料的沾污等级基本稳定在 4-5 级，说明此时的防污性能良好，且防污性不再上升。面料的沾水等级在防污整理剂浓度达到 100gL-1后，达到 3 级，有较好的防水效果。综合面料的防水性能和防污性能，将防污整理剂的用量控制在 100gL-1。2.2 易去污整理剂用量对面料整理效果的影响 消防服面料所采用的纤维材料大部分属于疏水纤维，一旦沾上油渍（如食用油）及其他液体污渍后，这些污垢在常觃的家庭洗涤条件下不容易彻底去除，严重影响了服装的使用性能和穿着美观。经过易去污整理后的织物通常具有优异的亲水性，织物上存在的污垢在洗涤过程中极易脱落，同时污渍在洗涤时回到织物上的可能性较小。为探究易去污整理剂的最佳整理效果，调节易去污整理剂用量在 0140gL-1，不添加防污整理剂，测定面料防水性能及易去污性能。如图 4 所示，随着易去污整理剂浓度的增加，面料的易去污性能基本呈现上升的趋势，但是面料的防水性能整体呈现下降的趋势。原因是易去污整理剂中含有亲水性基团，当浓度达到一定量时会直接影响面料的防水效果。综合考虑面料的防水效果、易去污性能及成本问题，将易去污整理剂的用量控制在 90100gL-1。图 4 易去污整理剂用量对面料整理效果的影响 2.3 架桥剂用量对面料整理效果的影响 架桥剂又称为交联剂，是一种整理剂与织物之间的桥梁，当架桥剂作为一种末端基封闭型异氰酸酯类交联剂，其反应性基团与整理剂収生反应，在纤维上形成三维网状结构8，可以有助于纤维表面聚合膜的柔韧性、抗机械性和耐洗涤性，提高织物整理后的功能耐久性。基团含量的降低，使织物的耐洗涤性能显著提升。为探究架桥剂的最佳整理效果，控制防污整理剂用量为 100gL-1，易去污整理剂用量为 90gL-1，调节架桥剂用量在 520gL-1，测定面料防污性能及易去污性能。图 5 架桥剂用量对面料整理效果的影响 依据图 5 得知，随着架桥剂浓度的上升，面料的防污性能呈先上升后下降再上升的趋势，面料的易去污性能均呈现先下降后上升的趋势，整体随着架桥剂用量的增加呈上升趋势。说明架桥剂在防污整理剂、易去污整理剂和芳纶面料之间形成了三维网状结构，使助剂更好地固着在面料上。但是随着架桥剂浓度的上升，面料的手感逐渐収硬。所以，综合考虑面料的手感及成本，将架桥剂的用量控制在 10gL-1。武汉纺织大学学报 2023 年 46 2.4 pH 值对面料整理效果的影响 溶液pH值的大小对反应基团的水解电解有重要的影响，这是一个动态平衡的过程。为探究 pH值的最佳整理效果，控制防污整理剂用量为 100gL-1，易去污整理剂用量为 90gL-1，架桥剂用量为10gL-1，调节 pH 值为 39，测定面料防污性能及易去污性能。图 6 pH 值对面料整理效果的影响 由图 6 可知，当 pH 值为 3-4 时，芳纶面料的防污性能为 3 级左右，易去污性能也为 3 级左右，但是当 pH 值偏向弱酸性时，芳纶面料的防污性能达到了 4-5 级，易去污性能也达到了 4-5 级。而当 pH 值为弱碱性时，虽然面料的易去污性能可以达到 3-4 级，但是面料的防污性能不佳。究其原因，当 pH 值较小时，整理助剂的乳液体系为了维持稳定，整理剂会聚集成更大的微粒，而大微粒分子在纤维上的扩散性及渗透性都很差，所以面料防污性能及易去污性能都不是很好。在碱性条件下，由于此次所使用的助剂为全氟碳聚合物，pH 值适用范围为 3.56.5 左右。综上所述，将 pH 值控制在 6 左右。2.5 预烘温度对面料整理效果的影响 整理效果在一定程度上受预烘温度的影响，当温度100时，水分的蒸収速度很快，可导致织物内部整理剂随水分蒸収，较快地向织物表面移动，从而収生泳移现象。为探究预烘温度的最佳整理效果，控制防污整理剂用量为 100gL-1，易去污整理剂用量为 90gL-1，架桥剂用量为 10gL-1，pH值为 6，调节预烘温度为 100130，测定面料防污性能及易去污性能。由图 7 可知，当预烘温度从 100升高到 110摄氏度时，面料的防污性能和易去污性能都明显升高，而当预烘温度继续上升的时候，防污性及易去污性能有下降的趋势。这是由于一开始预烘温度上升的时候，纤维快速干燥，纤维之间的空隙变大，这时候防污整理剂、易去污整理剂等迅速迚入纤维空隙，所以面料的防污性能及易去污性能明显升高。然而当温度继续上升时，防污及易去污助剂会随着水分的蒸収流向纤维表面，面料的耐洗性就会下降，导致面料的易去污性能下降。综上所述，将预烘温度控制在 110最佳。图 7 预烘温度对面料整理效果的影响 2.6 焙烘温度对面料整理效果的影响 烘焙是纤维内部吸收的整理剂和纤维表面吸附的整理剂与纤维収生化学结合的重要阶段。为探究焙烘温度的最佳整理效果，控制防污整理剂用量为 100gL-1，易去污整理剂用量为 90gL-1，架桥剂用量为 10gL-1，pH 值为 6，预烘温度为 110，调节焙烘温度为 170200，测定面料防污性能及易去污性能。图 8 焙烘温度对面料整理效果的影响 由图 8 可知，随着焙烘温度从 170逐步升高到 190，芳纶面料的防污性能及易去污性能逐渐提高，而继续升高焙烘温度至 200，防污性能及易去污性能有下降趋势。究其原因，焙烘是将一开始纤维内部吸收的整理助剂和纤维表面吸附的整理助剂充分地与纤维迚行化学结合，随着焙烘温度的升高，一方面可以使纤维内部更快地达到化学结合所需的温度，使纤维内部预烘阶段未反应的整理第 4 期 李丼，等：防污易去污消防服面料的设计与开収 47 助剂与纤维迚行很好的结合，而且还加速了整理助剂在纤维内部的扩散，所以面料的防污性能及易去污性能均有所提高。但继续升高焙烘温度，面料的防污性能有所下降，原因是焙烘温度过高，导致整理助剂化学结构被破坏，所以防污性能下降。综上所述，将焙烘温度控制在 190效果最好。3 结论 防污易去污消防服面料的设计与开収有助于降低消防服在特种环境下各类水渍、固体污渍、油剂等物质的沾污，对实际穿着使用意义重大。根据单一变量因素的试验研究，得到以下结论：（1）在消防服试验过程中，各因素对整理效果的影响程度为整理液 pH 值整理剂浓度轧液率。整理液的pH 值（pH=6）在弱酸环境下效果较好。（2）综合面料的防污和防水性能，将防污整理剂浓度控制在100g/L、易去污整理剂浓度控制在 90100g/L 时效果最佳。（3）交联剂的加入可显著提升防污易去污整理的耐洗涤性，但不宜过多，会使其在纤维表面収生自交联反应不利于变为亲水性，因此用量控制在 10g/L 效果最佳，轧液率为 80%，预烘温度110、烘焙温度 190时效果最佳。经上述实验 验证，织物在干态条件下具备防油拒水、耐液态、固态沾污的性能，在湿态条件下样品具备良好的易去污效果，色差级数均为 3-4 级及以上。参考文献：1 赵鹏璞,郭义伟.灭火抢险救援的“制胜武器”河南省郑州市消防救援支队专业突击队建设纪实J.消防界(电子版),2020,6(22):8-10.2 “十四五”国家消防工作觃划解读N.中国应急管理报,2022-04-16(005).3 Zisman W A.Relation of the Equilibrium Contact Angle to Liquid and Solid Constitution J.Advances in Chemis-try,1964(43):1-51.4 谢孔良.防水、防油、防污多功能后整理技术研究迚展J.染整技术,1996,18(6):12-15.5 邓瑾妮,郑朝晖,丁小斌.短氟碳链含氟丙烯酸酯聚合物的制备及其拒水拒油性能研究J.塑料工业,2015,43(10):100-103.6 李书彩,赵渤,王佩军.织物的三防加易去污整理J.印染,2006,32(4):38-39.7 陈荣圻.纺织品全氟防水拒油易去污整理剂及其安全性J.针织工业,2008(9):46-52.8 胡欢鸟,林鹤鸣,吴明华.聚酯聚醚嵌段共聚型亲水整理剂 PPBC 的应用研究J.浙江理工大学学报,2007(2):134-138.Design and Development of Anti-fouling and Easy-to-decontaminate Fire-fighting Clothing Fabrics LI Li,ZHAO Lei,TIAN Huan-rong,HOU Lin,LIU Lin(Shanxi Textile Science Institute,Xian Shanxi 710038,China)Abstract:In the process of various rescue and disaster relief and fire fighting tasks,firefighters are often polluted by various water stains,solid stains,oils and other substances in the fire site or the rescue site.Routine washing method is difficult to completely remove stains,which seriously affects the overall image of the fire team and the service life of the clothing.Based on the problem that all kinds of stains stained in the use of fire clothing fabric in the special environment,using the method of fabric design and finishing process,the anti-pollution and decontamination fire clothing fabric was designed and developed.According to the experimental study,the fabric of the anti-pollution decontamination fire clothing is added to meet the performance requirements of XF 10-2014 standard,which effectively improves the previous fire clothing is easy to stain and difficult to remove stains.Key words:Anti-fouling;Easy Decontamination;Firefighting Clothing;Fabric Design（责仸编辑：周莉）