迷彩面料室内加速老化过程及其性能变化.pdf

第 卷 第 期 年 月现代纺织技术 .:.迷彩面料室内加速老化过程及其性能变化夏兆鹏潘佳俊张海宝卢佳浩胡高强(.青海省产品质量检验检测院西宁 .天津工业大学纺织科学与工程学院天津)摘 要:为深入研究紫外辐照和温度对防护用纺织品的耦合破坏过程根据青藏高原地区的 个典型城市西宁、格尔木、日喀则一年内的月平均温度及紫外线辐照量共设计了 组对照试验对迷彩面料室内加速老化前后的微观形态、力学性能、热学性能、化学结构进行分析 结果表明:在高温高辐照度环境下加速 后纤维表面出现裂纹力学性能大幅下降其经纬向断裂强力分别下降了.、.顶破强力下降了.经纬向撕破强力下降.、.老化后织物的热稳定性变差织物在老化过程中发生了氧化生成了相对稳定的氧化产物 该老化过程研究可以为青藏高原地区开发相应的防护用纺织品提供理论支持关键词:青藏高原防护用纺织品力学性能热稳定性老化过程中图分类号:.文献标志码:文章编号:()收稿日期:网络首发日期:基金项目:国家市场监督管理总局技术保障专项项目()作者简介:夏兆鹏()男山东济南人博士主要从事功能性纺织品设计、智能可穿戴关键技术方面的研究 防护用纺织品涉及生产生活中的方方面面大到航天服、防弹衣、作训服等特种防护服小到日常生活用防护纺织品但纺织品在使用过程中不可避免的会受到周围环境影响而发生老化这对防护用纺织品的性能提出了更高的要求 防护用纺织品发生老化的原因可以分为人为因素和外界因素人为因素包括存放条件和日常洗涤外界因素中紫外线辐射和温度的作用尤为强烈青藏高原地理位置属于中低纬度并且太阳高度角高、空气稀薄、大气干燥、多晴天等这些综合因素导致了青藏高原地区的昼夜温差较大太阳辐射远高于其他地区 目前对防护用纺织品老化方面的研究大多针对于常规且单一的大气环境在青藏高原这种纬度高、紫外线辐照时间长且强度高、昼夜温差大等特殊大气环境下紫外辐照度和温度对防护用纺织品的破坏存在交互影响然而针对两者耦合破坏作用的相关研究较少 因此目前紫外辐照和温度对防护用纺织品的耦合破坏机理尚不明确 防护服作为保护生命安全的重要保障如果由于长时间紫外线照射和温度的共同作用导致性能下降或消失在面对危险时将严重威胁到使用人员的生命安全本文利用自主研制的紫外温度老化装置进行防护用纺织品的室内人工加速老化试验 根据青藏高原地区的 个典型城市西宁、格尔木、日喀则一年内的月平均温度及紫外线辐照量共设计 组对照试验对迷彩面料室内加速老化前后的微观形态、力学性能、热学性能、化学结构进行分析研究紫外温度耦合作用对防护用纺织品性能的影响 实 验.实验原料平纹迷彩色面料通过市场采购获得包含 棉纤维、.维纶和.聚酯纤维其经密为 根()纬密为 根()厚度为 平方米质量为.表面形貌观察采用荷兰 公司生产的 台式扫描电镜来观测老化后纤维表面的变化.傅里叶变换红外光谱分析采用赛默飞世尔科技公司的红外光谱仪()记录样品在 之间的红外光谱分辨率优于.热重分析采用 热重分析仪在氮气气体流量为 的条件下进行试验 在 的加热速率下探索温度区间为 记录质量损失的温度依赖性()测定质量损失与温度的一阶微分曲线()分解温度()在 峰的最大值处测量根据 曲线显示的峰面积计算质量损失 样品(约 )取自室内外老化各阶段的织物上放入仪器并准确称重.差示扫描量热分析采用 差示扫描量热仪该仪器使用高纯度氮气以 的流速吹扫样品室进行完全校准 标准 测试在 温度范围内以 的升温速率进行从室内外老化各阶段的每种织物上剪取约 样品剪碎放在坩埚中将坩埚置于炉体中的试样托盘上.室内加速老化试验本文利用自主研制的紫外温度老化装置进行防护用纺织品的室内人工加速老化试验装置如图 所示 根据西宁、格尔木、日喀则 个地方一年内的月平均温度及紫外线辐照量共设计了 组对照试验分别为第一组低温、低辐照度(、)第二组常温、中等辐照度(、)第三组高温、高辐照度(、)每组试验的老化时间梯度为、共 个周期每次试验放一块样品加速老化时待设定温度稳定后再调节辐照量使其达到设定值当达到老化时间后关闭仪器待样品冷却至室温时取回样品测试、分析室内人工加速老化后样品性能的变化图 室内人工加速老化箱.断裂强力测试本断裂强力测试依据 .纺织品 织物拉伸性能 第 部分:断裂强力和断裂伸长率的测定(条样法)采用 电子织物强力机将在恒温恒湿室中调湿 后的老化样品分经纬向裁剪成 大小然后分别测试面料的断裂强力每个方向上测试 个样品取其平均值 测试时夹持器拉伸速度为 预加张力为 .顶破强力测试顶破强力测试依据 纺织品顶破强力的测定 钢球法国家标准采用 万能材料试验机测试经调温调湿后样品的顶破强力 测试时样品的面积大小为.顶破速度为 预加张力为 共测试 组取其平均值.撕破强力测试撕破强力测试依据 .纺织品 织物撕破性能 第 部分:裤形试样(单缝)撕破强力的测定采用 电子织物强力机断裂强力测试和撕破强力测试使用的是同一台仪器只是测试所需的配件不同 测试前将样品在恒温恒湿室中调湿 测试时仪器的拉伸速度为 预加张力为 峰值幅度为 织第 期夏兆鹏 等:迷彩面料室内加速老化过程及其性能变化物的经纬方向上各取 个样品测试 撕破强力的测试结果按计算方法的不同可分为人工计算和电子计算人工计算是将撕破强力的强力伸长曲线上的峰形等分成 个区域第一区域舍去不用在剩余 个区域的每个区域内各选择两个最高的峰和两个最低的峰最后计算 个区域内共 个峰值的算术平均值称为十二区峰值电子计算是计算 个区域内所有峰值的算数平均值也称为三区峰值 结果与分析.老化后迷彩面料的表面形貌长时间的老化会导致纤维结构的损伤而纤维作为织物的基本组成单元其结构的劣化会导致织物性能的下降 室内环境加速老化前后迷彩面料表面 照片如图 所示图中织物内部呈扁平转曲带状结构的是棉纤维涤纶纤维呈规则圆柱形色泽度较好纤维束排列整齐 当第一组室内环境下加速 后观察到棉纤维转曲处开始出现褶皱随着老化时间的增加转曲处出现变形当老化 时已严重变形同时纤维表面失去光泽涤纶纤维表面出现凹陷织物力学性能受损 在第二组加速老化条件下也观察到棉纤维转曲结构的变形而且在老化 时观察到部分涤纶纤维局部出现了劈裂现象这表明此时纤维结构遭到严重破坏 当第三组室内环境下加速老化 时观察到涤纶纤维表面出现裂口且随着老化时间的增加裂口逐渐增大到老化 时已出现明显裂缝当老化 时甚至可以观察到部分纤维出现了断口表面变得非常暗淡此刻纤维已变得非常脆弱力学性能损失严重 因此在紫外温度耦合作用下温度越高且辐照度越强对纤维的损伤越剧烈图 室内环境加速老化后迷彩面料表面 照片.现代纺织技术第 卷.老化后迷彩面料红外光谱分析图 为第一、二、三组室内加速环境下迷彩面料的傅里叶变化红外光谱图 经不同组室内加速环境老化后织物吸收峰的位置和波数基本一样没有形成新的化学键这表明紫外温度耦合作用不会对纤维的分子结构造成破坏 从图 中可看出织物在 附近的谱带归因于 和 基团的伸缩振动峰值在 处可归因于 波段振动峰值在 处可归因于 波段振动在 处观察到一个非常强烈的带这是由于羰基()从酯键延伸峰值在 处表示为 酰胺带峰值在 处表示酰胺带 处的强带是由于芳香 面内弯曲 处的带分配给 平面外弯曲图 室内加速老化后迷彩面料的 曲线.老化对迷彩面料热稳定性的影响.热重分析图 显示了迷彩面料在不同加速老化条件下的 和 曲线 从图 可以看出织物在达到最大热分解温度前 曲线上有一个小的肩峰这是由于棉纤维的热分解温度要低于涤纶、维纶纤维在达到织物的最大热分解温度前棉纤维就发生了热分解 织物未老化时达到最大热分解的温度为.在第三组室内加速环境下老化 后最大热分解温度降低到.下降幅度较大 织物未老化时内部结构紧密力学性能较好随着老化时间增加织物结构受损更容易受到环境的影响力学性能损伤程度也逐渐增大这意味着紫外温度耦合作用对织物的力学性能具有显著影响图 室内加速老化后迷彩面料的 曲线.差示扫描量热分析第一、二、三组室内人工加速环境下迷彩面料的 曲线如图 所示 从图 中看到随着室内加速环境中温度和紫外辐照度的增加纤维的熔融峰向低温区移动这表明纤维内部非晶区无规则排列的分子链运动更加活跃结晶区面积减少纤维力学性能发生下降图 室内加速老化后迷彩面料的 曲线.第 期夏兆鹏 等:迷彩面料室内加速老化过程及其性能变化织物的 曲线上显示出两个明显的吸热峰第一个吸热峰出现在 左右表示的是织物内部维伦纤维的熔融峰峰值温度随着老化环境的劣化降低至.第二个吸热峰出现在 对应于涤纶片晶的熔化未老化时涤纶纤维的熔融峰为.老化后峰值温度降低到.老化可能会导致晶体内某些交联作用的破坏结晶度下降 这些结果表明紫外温度耦合作用下温度越高且辐照度越强对纤维结晶度的影响越大.老化对迷彩面料力学性能的影响室内不同人工加速老化条件下迷彩面料的经纬向断裂强力如图 所示 由图 可知织物的经纬向断裂强力随着老化时间增加而下降 织物未老化时经纬向断裂强力分别为.、.当老化 时第一组室内加速条件下织物经纬向断裂强力分别下降了.、.第二组室内加速条件下织物经纬向断裂强力分别下降了、.第三组室内加速条件下织物经纬向断裂强力分别下降了.、.在室内加速老化过程中织物受到热和光的共同作用内部纤维分子结构发生变化非晶区的化学键开始断裂且这种断裂逐渐扩展到结晶区结晶度下降从而导致织物强力的下降室内不同人工加速老化条件下迷彩面料的顶破强力变化如图 所示由于不同组的紫外辐照度和温度的变化织物的顶破强力都呈现不同程度的下降 织物未老化前的顶破强力为.第一、二、三组室内加速老化环境下织物顶破强力分别下降了.、.、.图 室内加速老化后迷彩面料经纬向断裂强力.图 室内加速老化后迷彩面料顶破强力.室内不同人工加速老化条件下迷彩面料的撕破强力变化如图 所示 从图 中可看出三区峰值和十二区峰值撕破强力计算结果基本吻合基于数据的精简分析故下面的讨论中只考虑三区峰值计算结果 由图 可知织物未老化前经纬向撕破强力分别为.、.撕破强力随着老化时间的增加而下降当老化 时第一组室内加速老化环境下织物经纬向撕破强力分别下降了、.第二组室内加速老化环境下织物经纬向撕破强力分别下降了.、第三组室内加速老化环境下织物经纬向撕破强力分别下降了.、.这是由于撕裂破坏主要靠撕裂三角区域的局部应力场作用而从纤现代纺织技术第 卷维形貌的电镜图中观察到老化后纤维束间变得疏松且纤维变脆撕裂三角区域的局部应力场作用减弱图 室内加速老化后迷彩面料撕破强力.这些结果可以发现紫外温度耦合作用对织物的力学性能具有显著影响 当温度和辐照度均提高时织物的损伤越严重其力学性能下降越大这意味着防护用纺织品在青藏高原环境中使用时更易老化失效 结 论文章通过不同室内加速老化环境研究了迷彩面料室内加速老化的过程 结果表明老化后纤维表面变得粗糙不平且部分区域出现裂纹和裂缝 随着室内老化加速时间的增加织物的力学性能大幅下降 老化后织物达到最大热分解时的温度及熔融温度均向低温区移动 最大热分解温度降低说明织物的热稳定性变差更容易发生分解 熔融温度降低表明纤维分子无定形区中无规则排列的分子链运动更加剧烈使纤维内部晶体熔融行为更快到来导致了结晶度的下降 织物经过老化后吸收峰的位置和峰形基本没有变化没有形成新的化学键这表明老化过程中并没有产生新的物质 该基于紫外温度耦合作用的老化过程研究对青藏高原地区开发防护用纺织品具有重要意义参考文献:杨涛石敏万星辰等.电离辐射防护用纺织品的研究进展.棉纺织技术():.():.郭晶李丽樊争科等.个体安全防护用纺织品研究.针织工业():.():.李丽林娜赵雷等.防割类安全与防护用纺织品的研究及应用现状.棉纺织技术():.():.():.德例归吉.近 年青藏高原气温变化趋势分析.西藏科技():.():.刘娜熊安元张强等.青藏高原多源气象辐射数据整合与评估.高原气象():.():.赵文娜次仁尼玛王一楠等.西藏羊八井地区地表辐射的时间变化特征研究.高原科学研究():.第 期夏兆鹏 等:迷彩面料室内加速老化过程及其性能变化 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