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CN102859055A - 具有改善的舒适性的用于防暴燃和电弧的结晶间位芳族聚酰胺共混物 - Google Patents

具有改善的舒适性的用于防暴燃和电弧的结晶间位芳族聚酰胺共混物 Download PDF

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CN102859055A CN2011800169368A CN201180016936A CN102859055A CN 102859055 A CN102859055 A CN 102859055A CN 2011800169368 A CN2011800169368 A CN 2011800169368A CN 201180016936 A CN201180016936 A CN 201180016936A CN 102859055 A CN102859055 A CN 102859055A
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Abstract

本发明公开了适用于防电弧和防火并具有改善的暴燃防护性的纱线、织物和衣服，所述纱线基本上由(a)50-80重量％的间位芳族聚酰胺纤维，所述间位芳族聚酰胺纤维具有至少20％的结晶度，(b)10-30重量％的阻燃人造丝纤维，(c)10-20重量％的改性聚丙烯腈纤维，(d)0-5重量％的对位芳族聚酰胺纤维，以及(e)0-3重量％的防静电纤维组成，所述重量百分数基于组分(a)、(b)、(c)、(d)和(e)的总重量计。在一个实施方案中，由所述纱线制成的衣服提供热保护，使得穿着者按照ASTM F1930暴露于4秒钟的暴燃下将经受小于65％的预测身体烧伤，同时等同于2类电弧等级。

Description

具有改善的舒适性的用于防暴燃和电弧的结晶间位芳族聚酰胺共混物
发明背景
1.发明领域
本发明涉及用于生产织物的混纺纱，所述织物不仅具有防电弧、防火和防暴燃特性，而且具有改善的舒适性。本发明还涉及用此类织物生产的衣服。
2.相关领域描述
当用防护性服装保护工作者免受可能的暴燃时，暴露于实际火焰的时间为重要的考虑因素。一般来讲，使用术语“暴燃”是由于暴露于火焰的持续时间极短，大约几秒钟。此外，尽管一秒钟的差值看似很小，但是当暴露于火灾时，多暴露于火焰一秒钟就意味着烧伤的重大差别。
暴燃中的材料的性能可使用装有仪器的人体模型通过使用ASTM F1930测试方案进行测量。人体模型穿有待测量的材料，然后暴露于来自燃烧器的火焰；遍布于人体模型的温度传感器测量人体模型所经历的局部温度，该温度将是人体在经受相同的火焰量时所经历的温度。在给定的标准火焰强度下，可根据人体模型温度数据测定人将经受的烧伤程度(即一度烧伤、二度烧伤等)和人体烧伤百分比。
授予Zhu等人的美国专利7,348,059公开了用于防电弧和防火的织物及衣服的改性聚丙烯腈/芳族聚酰胺纤维共混物。此类共混物通常具有高含量(40-70重量％)的改性聚丙烯腈纤维和低含量(10-40重量％)的具有至少20％结晶度的间位芳族聚酰胺纤维、以及对位芳族聚酰胺纤维(5-20重量％)。由此类共混物制成的织物和衣服提供对电弧及暴露于暴燃至多3秒钟的防护。授予Zhu的美国专利申请公布US2005/0025963公开了由下列的共混物制成的改善的防火共混物、纱线、织物及衣物制品：10-75份的至少一种芳族聚酰胺人造短纤维、15-80重量份的至少一种改性聚丙烯腈人造短纤维、以及5-30重量份的至少一种脂族聚酰胺人造短纤维。该共混物将不提供在186.5-237克/平方米(5.5-7盎司/平方码)范围内的用于织物的2类电弧等级，这是由于该共混物中存在高比例的易燃的脂族聚酰胺纤维。授予Lovasic等人的美国专利7,156,883公开了包括非晶态的间位芳族聚酰胺纤维、结晶间位芳族聚酰胺纤维和阻燃纤维素纤维的纤维共混物、织物和防护服，其中间位芳族聚酰胺纤维占50-85重量％，其中三分之一至三分之二的间位芳族聚酰胺纤维为非晶态的且三分之二至三分之一的间位芳族聚酰胺纤维为结晶的。此外，由这些共混物制成的织物将不提供在186.5-237克/平方米(5.5-7盎司/平方码)范围内的用于织物的2类电弧等级。
按照NFPA 2112标准，暴燃防护服装所需的最低性能为3秒钟火焰暴露下小于50％的身体烧伤。由于暴燃对于一些工业中的工作者为非常现实的威胁，并且不可能完全预料个人将吞没在火焰中多长时间，因此防护服装织物和衣服的暴燃性能的任何改善均有可能挽救生命。具体地讲，如果防护服装可提供对于超过3秒钟，例如4秒钟或更长时间的火焰暴露下的增强保护，则其代表多达33％或更长的潜在暴露时间的增加。暴燃代表其中一种工作者可能经受的最极端的热威胁类型；此类威胁比简单的暴露于火焰要严重的多。
遗憾的是，增加此类防护服装的性能可使得它们穿起来更不舒适并增加已经紧张的紧急事件响应者的生理应激。在一些工业情形下，工人实际上可能由于舒适问题而放弃保护。因此，为该高性能服装提供舒适性而不牺牲火焰、暴燃或电弧防护性的任何改善均为期望的。
发明概述
本发明涉及用于防电弧和防火的纱线，以及由该纱线制成的织物和衣服，所述纱线基本上由(a)50-80重量％的间位芳族聚酰胺纤维，所述间位芳族聚酰胺纤维具有至少20％的结晶度，(b)10-30重量％的阻燃人造丝纤维，(c)10-20重量％的改性聚丙烯腈纤维，(d)0-5重量％的对位芳族聚酰胺纤维，以及(e)0-3重量％的防静电纤维组成，所述重量百分数基于组分(a)、(b)、(c)、(d)和(e)的总重量计。所述织物和衣服具有在186.5-237克/平方米(5.5-7盎司/平方码)范围内的基重。
在一个实施方案中，由所述纱线制成的衣服提供热保护，使得穿着者按照ASTM F1930暴露于4秒钟的暴燃下将经历小于60％的预测身体烧伤，同时等同于2类电弧等级。
发明详述
本发明涉及一种纱线，可由所述纱线来生产舒适性的织物和衣服，所述织物和衣服既提供电弧防护，又提供优异的暴燃防护。电弧通常涉及数千伏的电压和数千安培的电流，从而使衣服或织物暴露于强烈的入射能量。为了提供对穿着者的保护，衣服或织物必须抵抗该能量透过至穿着者。据信这种抵抗通过织物吸收入射能量的一部分和通过织物抗裂开以及织物与穿着者身体之间的气隙来实现。裂开期间在织物中形成的洞使表面或穿着者直接暴露于入射能量。
除了抵抗来自电弧的强烈的入射能量之外，衣服和织物还抵抗由于长期暴露于大于3秒钟的暴燃的能量的热转移。据信本发明通过吸收入射能量的一部分并且通过使得传递的热能减少的改善炭化而减少能量传递。
纱线基本上由间位芳族聚酰胺纤维、阻燃(FR)人造丝纤维、改性聚丙烯腈纤维、以及任选的小部分对位芳族聚酰胺纤维和防静电纤维组成。通常，纱线由50-80重量％的具有至少20％结晶度的间位芳族聚酰胺纤维，10-30重量％的阻燃人造丝纤维，以及10-20重量％的改性聚丙烯腈纤维组成。纱线也可包含0-5重量％的对位芳族聚酰胺纤维和0-3重量％的防静电纤维。在一些优选的实施方案中，纱线由55-75重量％的具有至少20％结晶度的间位芳族聚酰胺纤维，15-25重量％的阻燃人造丝纤维，15-20重量％的改性聚丙烯腈纤维，3-5重量％的对位芳族聚酰胺纤维，以及2-3重量％的防静电纤维组成。上述百分比基于五种所述组分计，即基于纱线中这五种所述组分的总重量计。所谓“纱线”是指纺丝或加捻在一起以形成连续股线的纤维集合，所述股线可用于编织、针织、编结、或编辫、或换句话讲制备成纺织材料或织物。
据信阻燃人造丝在纤维共混物中的使用向纱线中加入了具有高回潮率的纤维组分，其赋予由包含所述纱线的织物制成的衣服的穿着者更大的舒适性。由阻燃人造丝纤维制成的织物尽管具有良好的阻燃性能和暴燃性能，但是并未已知具有最高的电弧性能。令人吃惊的是，已发现如果阻燃人造丝纤维与改性聚丙烯腈纤维以受权利要求书保护的百分比混合在共混物中，则可获得既具有改善的回潮率又具有舒适性的织物和衣服，同时具有高电弧等级性能、高的阻燃性、以及在某些情况下改善的暴燃性能。
如本文所用，“芳族聚酰胺”是指如下聚酰胺，其中至少85％的酰胺(-CONH-)连接基直接连接到两个芳族环。可将添加剂与芳族聚酰胺一起使用，并且实际上已发现，可将多达10重量％的其它聚合材料与芳族聚酰胺共混，或者可使用共聚物，所述共聚物具有多达10％的替代芳族聚酰胺二胺的其它二胺，或多达10％的替代芳族聚酰胺二酰氯的其它二酰氯。合适的芳族聚酰胺纤维描述于Man-Made Fibers--Science and Technology，第2卷，标题为Fiber-Forming Aromatic Polyamides的章节中(第297页，W.Black等人，Interscience Publishers，1968年)。芳族聚酰胺纤维也公开于美国专利4,172,938、3,869,429、3,819,587、3,673,143、3,354,127和3,094,511中。间位芳族聚酰胺为其中酰胺键相对于彼此处于间位的那些酰胺，而对位芳族聚酰胺为其中酰胺键相对于彼此处于对位的那些酰胺。最常用的酰胺为聚(间苯二甲酰间苯二胺)和聚对苯二甲酰对苯二胺。
当在纱线中使用时，间位芳族聚酰胺纤维提供极限氧指数(LOI)为约26的阻燃炭化纤维。间位芳族聚酰胺纤维还阻止由于暴露于火焰而对纱线的损伤扩散。由于间位芳族聚酰胺纤维在模量和伸长物理特性之间的平衡，其还提供用于单层织物衣服的舒适织物，所述单层织物衣服旨在作为常规衬衫、裤子和连衣工作服形式的工作服穿用。纱线具有至少50重量％的间位芳族聚酰胺纤维以向轻型织物和衣服提供改善的炭化，从而阻止长期暴露于暴燃期间的能量热转移。在一些优选的实施方案中，纱线具有至少55重量％的间位芳族聚酰胺纤维。在一些实施方案中，优选的间位芳族聚酰胺纤维最大量为75重量％或更少；然而，能够使用高达80重量％的量。
所谓阻燃人造丝纤维是指具有一种或多种阻燃剂并具有至少2克/旦尼尔的纤维拉伸强度的人造丝纤维。包含聚硅酸形式的二氧化硅作为阻燃剂的纤维素纤维或人造丝纤维明确排除在外，这是由于此类纤维具有较低的纤维拉伸强度。此外，尽管此类纤维为良好的成炭剂，但是相对而言它们的垂直燃烧性能劣于包含磷化合物或其它阻燃剂的纤维。
人造丝纤维为本领域所熟知的，并且为一般由再生纤维素组成的人造丝纤维，此外还具有其中取代基已取代羟基中不超过15％的氢的再生纤维素。它们包括由粘胶法、铜氨法、以及现在已废弃的硝化纤维法和皂化醋纤法制成的纱线；然而在一个优选的实施方案中使用粘胶法。一般来讲，人造丝由木浆、棉短绒、或溶解于粘胶纺丝溶液中的其它植物性物质获得。将溶液挤出为酸盐凝固浴并拉伸成连续长丝。多组这些长丝可形成纱线或者切割成短纱并进一步加工成短纤纱。如本文所用，人造丝纤维包括已知为lyocell纤维的那些。
阻燃剂可如下掺入人造丝纤维中：将阻燃剂化学物质加入纺丝溶液中并将阻燃剂纺丝加入人造丝纤维中，用阻燃剂涂覆人造丝纤维，使人造丝纤维接触阻燃剂并使纤维吸收阻燃剂，或者通过使阻燃剂掺入人造丝纤维中或掺入有人造丝纤维的任何其它方法。一般来讲，包含一种或多种阻燃剂的人造丝纤维命名为“FR”，其用于阻燃剂。在一个优选的实施方案中，阻燃人造丝具有纺入的阻燃剂。
阻燃人造丝具有高回潮率，其向织物提供舒适性组分。据信纱线应具有至少10重量％的阻燃人造丝以提供织物中可检测的改善舒适性。此外，尽管更大百分比的阻燃人造丝可提供甚至更大的舒适性，但是据信如果阻燃人造丝的量在纱线中超过约30重量％，则织物可具有将超过任何舒适性改善的负面性能问题。在一些优选的实施方案中，阻燃人造丝纤维以15-25重量％的量存在于纱线中。
阻燃人造丝纤维可包含多种可商购获得的阻燃剂中的一种或多种；包括例如某些磷化合物，例如购自Sandoz的Sandolast
Figure BDA00002208268800051
等。尽管多种化合物可用作阻燃剂，但是在一个优选的实施方案中，阻燃剂基于磷化合物。有用的阻燃人造丝纤维以商品名DFG“Flame-resistant viscose rayon”购自Daiwabo Rayon Co.，Ltd.(Japan)。另一种有用的阻燃人造丝纤维以商品名Viscose FR购自Lenzing AG(也已知为Lenzing
Figure BDA00002208268800052
购自Lenzing Fibers，Austria)。
所谓改性聚丙烯腈纤维是指由主要包含丙烯腈的聚合物制成的丙烯酸类合成纤维。优选地，聚合物为包含30-70重量％的丙烯腈和70-30重量％的含卤素乙烯基单体的共聚物。所述含卤素乙烯基单体为至少一种选自例如氯乙烯、偏二氯乙烯、溴乙烯、偏二溴乙烯等的单体。可共聚乙烯基单体的实例为丙烯酸、甲基丙烯酸、此类酸的盐或酯、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、乙酸乙烯酯等。
优选的改性聚丙烯腈纤维为与偏二氯乙烯组合的丙烯腈共聚物，所述共聚物还具有用于改善阻燃性的氧化锑或锑氧化物。此类可用的改性聚丙烯腈纤维包括但不限于如美国专利公开3,193,602中所公开的具有2重量％三氧化锑的纤维，如美国专利公开3,748,302中所公开的由含量为至少2重量％且优选不大于8重量％的各种氧化锑制得的纤维，以及如美国专利公开5,208,105&5,506,042中所公开的具有8-40重量％锑化合物的纤维。
取决于掺杂锑衍生物的含量，纱线内的改性聚丙烯腈纤维提供具有通常至少28的极限氧指数的阻燃炭化纤维。改性聚丙烯腈纤维还阻止由于暴露于火焰而对纱线的损伤扩散。尽管高度阻燃，但是改性聚丙烯腈纤维本身向纱线或由纱线制成的织物提供的拉伸强度不足以在暴露于电弧时提供期望的抗裂开程度。纱线具有至少10重量％的改性聚丙烯腈纤维，在一些优选的实施方案中，纱线具有至少15重量％的改性聚丙烯腈纤维。在一些实施方案中，改性聚丙烯腈纤维优选的最大量为20重量％。
间位芳族聚酰胺纤维向纱线或由纱线制成的织物提供附加拉伸强度。改性聚丙烯腈纤维与间位芳族聚酰胺纤维的组合高度阻燃，但是向纱线或由纱线制成的织物提供的拉伸强度不足以在暴露于电弧时提供期望的抗裂开程度。
关键的是间位芳族聚酰胺纤维具有某一最小结晶度以实现防电弧方面的改善。间位芳族聚酰胺纤维的结晶度为至少20％且更优选至少25％。为了便于形成最终纤维而例证起见，结晶度的实际上限为50％(尽管认为较高的百分比是合适的)。一般来讲，结晶度将在25％至40％的范围内。具有该结晶度的商业间位芳族聚酰胺纤维的一个实例为
Figure BDA00002208268800061
T-450，购自E.I.du Pont de Nemours&Companyde(Wilimington，Delaware)。
间位芳族聚酰胺纤维的结晶度通过两种方法中的一种来确定。第一种方法用于无空隙纤维而第二种方法用于并非完全不含空隙的纤维。
间位芳族聚酰胺的结晶度百分数在第一种方法中通过首先使用优良的、基本上无空隙的样本生成用于结晶度的线性校准曲线来确定。就此类无空隙样本而言，比体积(1/密度)可使用两相模型与结晶度直接相关。样本的密度在密度梯度柱中测量。测量通过x-射线散射方法测定的无结晶的间位芳族聚酰胺膜并发现其具有1.3356g/cm3的平均密度。然后根据x-射线晶胞的尺寸测得的完全结晶间位芳族聚酰胺样品的密度为1.4699g/cm3。一旦建立了这些0％和100％的结晶度端点，任何已知密度的非空白实验样品的结晶度可根据这一线性关系进行测定：
Figure BDA00002208268800071
由于许多纤维样本并非完全不含空隙，因此拉曼光谱为测定结晶度的优选方法。由于拉曼测量对空隙度不敏感，因此1650-1cm处的羰基伸缩相对强度可用于确定任何形式的间位芳族聚酰胺的结晶度，而与是否存在空隙无关。为了实现该目的，结晶度与1650cm-1处的羰基伸缩强度(归一化为1002cm-1处的环拉伸模式强度)之间的线性关系使用最小空隙样本形成，所述样本的结晶度由如上所述的密度测量预先确定并已知。建立取决于密度校准曲线的以下经验关系，以便使用Nicolet型910FT-拉曼光谱确定结晶度百分数：
其中I(1650cm-1)为间位芳族聚酰胺样本在该点处的拉曼强度。使用该强度由以上公式计算实验样本的结晶度百分数。
当由溶液纺丝、骤冷并使用低于玻璃化转变温度的温度干燥而无附加热量或化学处理时，间位芳族聚酰胺纤维仅形成较小的结晶度含量。当使用拉曼散射技术测量纤维的结晶度时，此类纤维具有小于15％的结晶度百分数。这些具有低结晶度的纤维被认为是可通过使用热或化学装置结晶的非晶态间位芳族聚酰胺纤维。结晶度含量可通过在聚合物的玻璃化转变温度或该温度之上进行热处理而增加。此类加热通常通过用处于张力下的加热辊接触纤维来施加，接触的时间足以向纤维赋予期望的结晶度含量。
间位芳族聚酰胺纤维的结晶度含量可通过化学处理增加，在一些实施方案中，这包括在纤维掺入织物中之前对其着色、染色或假染色的方法。一些方法公开于例如美国专利4,668,234；4,755,335；4,883,496和5,096,459中。也已知用作染料载体的染料助剂可用于帮助提高芳族聚酰胺纤维的染料着色。有用的染料载体包括芳基醚、苄醇或苯乙酮。
将对位芳族聚酰胺纤维加入纱线中可为由所述纱线形成的织物提供火焰暴露后某种附加的耐收缩及裂开。纱线中较大量的对位芳族聚酰胺纤维可使得包含该纱线的衣服令穿着者不舒适。纱线具有0-5重量％的对位芳族聚酰胺纤维，在一些实施方案中，纱线具有3-5重量％的对位芳族聚酰胺纤维。
由于静电放电会对用敏感电器或近易燃蒸汽工作的工作者有害，因此纱线、织物或衣服任选地包含防静电组分。例证性的实例为钢纤维、碳纤维或与现有纤维组合的碳。防静电组分以总纱线的0-3重量％的量存在。在一些优选实施方案中，防静电组分以仅仅2-3重量％的量存在。美国专利公开4,612,150(授予De Howitt)和美国专利公开3,803453(授予Hull)描述了尤其有用的导电纤维，其中炭黑分散在热塑性纤维内，向纤维提供防静电的电导系数。优选的防静电纤维为碳芯尼龙外皮纤维。防静电纤维的使用提供具有减少的静电倾向、并因此具有减少的表观电场强度和令人讨厌的静电的纱线、织物和衣服。
短纱可通过纺纱技术制备，所述技术例如但不限于环锭纺纱、包芯纺纱和气流喷射纺纱，所述气流喷射纺纱包括例如村田气流喷射纺纱的气流纺纱技术，其中空气用于将短纤维合股成纱线，前提条件是所需的结晶度存在于最终纱线中。如果制备的是单股纱，则优选随后将它们合股在一起以在转化为织物之前形成包括至少两股单股纱的合股加捻纱。作为另外一种选择，复丝连续长丝纱线可用于制备织物。
为了提供对由电弧造成的高强度热应力的保护，希望由该织物制成的防电弧织物和衣服具有例如以下特征：用于阻燃性的超过空气中氧浓度的极限氧指数(即，大于21并优选大于25)，指示对织物的缓慢损伤扩散的短炭化长度，以及良好的抗裂开性以阻止入射能量直接冲击防护层之下的表面。
如说明书和所附权利要求中所用，术语织物是指已使用一种或多种不同类型的上述纱线织造、针织或换句话讲集合的期望保护层。优选的实施方案为织造织物，并且优选的编织物为斜纹编织物。在一些优选的实施方案中，织物具有用基重归一化的至少每盎司/平方码1.1卡路里/平方厘米(每克/平方米0.14焦耳/平方厘米)的耐电弧性。在一些实施方案中，用基重归一化的耐电弧性优选为每盎司/平方码至少1.3卡路里/平方厘米(每克/平方米0.16焦耳/平方厘米)。在一些实施方案中，用基重归一化的耐电弧性可为每盎司/平方码1.5卡路里/平方厘米(每克/平方米0.185焦耳/平方厘米)或更大。
具有如上所述比例的间位芳族聚酰胺纤维、阻燃人造丝纤维、改性聚丙烯腈纤维、以及任选的对位芳族聚酰胺纤维和防静电纤维的纱线排他性地存在于织物中。在织造织物的情况下，所述纱线既用于织物的经纱中，也用于纬纱中。如果需要，纱线中的间位芳族聚酰胺纤维、阻燃人造丝纤维、改性聚丙烯腈纤维、对位芳族聚酰胺纤维和防静电纤维的相对含量可改变，只要纱线组成落在上述范围内。
用于制备织物的纱线基本上由如上所述的间位芳族聚酰胺纤维、阻燃人造丝纤维、改性聚丙烯腈纤维、对位芳族聚酰胺纤维和防静电纤维以所述比例组成，而不包括任何其它附加热塑性或可燃性纤维或材料。例如聚酰胺或聚酯纤维的其它材料和纤维向纱线、织物及衣服提供可燃性材料，并且据信影响衣服的暴燃性能。
由具有如上所述比例的间位芳族聚酰胺纤维、阻燃人造丝纤维、改性聚丙烯腈纤维、对位芳族聚酰胺纤维和防静电纤维的纱线制成的衣服向穿着者提供热保护，所述热保护等同于暴露于4秒钟的暴燃下小于60％的预测身体烧伤，同时等同于2类电弧等级。这对穿着者暴露3秒钟下小于50％的预测人体烧伤的最低标准是一个显著改善；一些其它阻燃性织物针对火焰暴露的烧伤基本上为指数性质。由衣服提供的保护万一多一秒钟的火焰暴露时间，则很可能意味着生死之别。
对于电弧等级有两种常见的分类体系。全国消防协会(NFPA)具有4种不同的类别，其中1类具有最低性能而4类具有最高性能。在NFPA 70E体系下，类别1、2、3和4分别对应于4、8、25和40卡路里/平方厘米的通过织物的热流量。全国用电安全规程(NESC)也具有含有3种不同类别的等级体系，其中1类具有最低性能而3类具有最高性能。在NESC体系下，类别1、2和3分别对应于4、8和12卡路里/平方厘米的通过织物的热流量。因此，如按照标准测试方法ASTM F1959所测量的，具有2类电弧等级的织物或衣服可抵挡8卡路里/平方厘米的热流量。
暴燃中的衣服性能使用装有仪器的人体模型通过ASTM F1930测试方案进行测量。人体模型穿有衣服并暴露于来自喷焰器的火焰，并且用传感器测量人体在经受相同的火焰量时经历的局部皮肤温度。在给定的标准火焰强度下，可根据人体模型温度数据测定人将经受的烧伤程度(即一度烧伤、二度烧伤等)和人体烧伤百分比。较低的预测身体烧伤为暴燃危险中的较佳衣服保护的指示。
据信在如上所述的纱线、织物和衣服中使用晶形间位芳族聚酰胺纤维不仅可提供暴燃中的改善性能，而且还导致显著降低的衣物收缩率。这种降低的收缩率按相同的织物计，其中唯一的区别是使用具有如上所示结晶度的间位芳族聚酰胺纤维，其与未被处理来增加结晶度的间位芳族聚酰胺纤维形成对比。就本文而言，在用具有140°F的水温进行20分钟的洗涤循环后测量收缩率。优选的织物在10次洗涤循环后且优选20次循环后显示出5％或更小的收缩率。随着每单位面积的织物量增加，介于潜在危险与受保护对象之间的材料量也增加。织物基重的提高导致抗裂开提高、热保护因数提高、以及防电弧提高；然而如何能够用较轻织物获得改善的性能是不清楚的。如上所述的纱线使得在防护服装(尤其是更舒适的单一织物服装)中使用具有改善性能的较轻重量的织物。同时具有期望的电弧和暴燃性能的织物基重为186.5g/m2(5.5盎司/平方码)或更大，优选为200g/m2(6.0盎司/平方码)或更大。在一些实施方案中，优选的最大基重为237g/m2(7.0盎司/平方码)。超过该最大值，单一织物衣服中的较轻重量织物的舒适性有益效果据信会降低，这是由于据信较高基重的织物将显示出增加的硬度。
炭化长度为纺织物的阻燃性量度。炭化被定义为由于高温分解或不完全燃烧形成的碳质残渣。在ASTM 6413-99测试条件下的织物炭化长度被定义为直接暴露于火焰的织物边缘距已施加具体的扯开力之后的可见织物损伤的最远点之间的距离。按照NFPA 2112标准，织物应具有小于4英寸的炭化长度。
在一些优选的实施方案中，织物用作防护服中的单层。在本说明书内，织物的保护能力值是针对织物的单层进行报导。在一些实施方案中，本发明还包括由织物制成的多层衣服。
在一些尤其有用的实施方案中，具有如上所述比例的间位芳族聚酰胺纤维、阻燃人造丝纤维、改性聚丙烯腈纤维、对位芳族聚酰胺纤维和防静电纤维的短纤纱可用于制作阻燃衣服。在一些实施方案中，所述衣服具有基本上一层由短纤纱制得的防护织物。示例性的此类衣服包括消防人员或军事人员的连裤衫和连衣工作服。此类套装通常用于罩在消防人员衣服之外，并且用于跳伞进入某个区域以扑灭森林火灾。其它衣服可包括在可能发生极度热事件的例如化学处理工业或工业电气/电力环境下可穿着的裤子、衬衫、手套、袖套等。
测试方法
根据ASTM D-3884-01“Standard Guide for Abrasion Resistance of TextileFabrics(转台，双头法)”来测定织物的磨损性能。
根据ASTM F-1959-99“测定衣服材料电弧热性能值的标准试验方法”来测定织物的耐电弧性。
根据ASTM D-5034-95“织物断裂强度及伸长的标准试验方法(抓样试验)”来测定织物的断裂强度。
根据ASTM G-125-00“测量气体氧化剂中液体和固体材料着火极限的标准试验方法”来测定织物的限氧指数(LOI)。
根据ASTM D-5587-03“Standard Test Method for Tearing of Fabrics byTrapezoid Procedure”来测定织物的抗撕裂性。
根据NFPA 2112“工业人员阻暴燃型防火服标准”来测定织物的热保护性能。术语热保护性能(或TPP)涉及在织物暴露于直接火焰或热辐射时，织物向织物下的穿着者皮肤提供连续且可靠保护的能力。
根据ASTM F-1930使用装有仪器的热人体模型进行暴燃防护程度测试，所述热人体模型穿有由测试纤维制成的标准图案连衣工作服。
根据ASTM D-6413-99“Standard Test Method for Flame Resistance ofTextiles(垂直法)”来测定织物的炭化长度。
以体积百分数表示的氧和氮混合物中的最低氧浓度在ASTM G125/D2863条件下测定，所述混合物刚好可维持初始室温下的织物的有焰燃烧。
通过物理测量织物在一次或多次洗涤循环后的单位面积来确定收缩率。一次循环是指在具有140°F水温的工业洗涤剂中洗涤织物20分钟。
为了示出本发明，提供了以下实施例。除非另外指明，所有份数和百分比均按重量计并且度数以摄氏度计。
实施例
比较实施例A
该实施例示出了具有与少量改性聚丙烯腈纤维、对位芳族聚酰胺纤维和防静电纤维混合的大量间位芳族聚酰胺纤维的纱线、织物及衣服，所述间位芳族聚酰胺纤维具有至少20％的结晶度。这种材料既具有期望的电弧等级2，也具有装有仪器的热人体模型预测的暴露4秒钟下＜60％的身体烧伤。
制备耐用电弧和热防护织物，其具有
Figure BDA00002208268800121
型450纤维、
Figure BDA00002208268800122
29纤维、改性聚丙烯腈纤维和防静电纤维的紧密共混物的经纱和纬纱喷气短纤纱。
Figure BDA00002208268800123
型450为具有33-37％的结晶度的聚间苯二甲酰间苯二胺(MPD-I)。改性聚丙烯腈纤维为具有6.8％锑的ACN/聚偏-二氯乙烯共聚物纤维(商业上已知为
Figure BDA00002208268800124
C)。
Figure BDA00002208268800125
29纤维为聚对苯二甲酰对苯二胺(PPD-T)纤维且防静电纤维为商业上已知为P140的碳芯尼龙外皮纤维。
制备具有68.6重量％的型450纤维、10重量％的
Figure BDA00002208268800127
29纤维、25重量％的改性聚丙烯腈纤维和1.4重量％的P140纤维的清棉混纺条，并且使用棉纺系统加工和喷气纺丝机架将其制成短纤纱。所得纱线为21特(28棉纱支数)的单股纱。随后在合股机上将两股单股纱合股在一起以制备具有10转/英寸合股的双股纱线。
纱线随后用作织物的经纱和纬纱，所述织物以2×1的斜纹构造在有梭织机上制造。本色的斜纹织物具有约203g/m2(6盎司/平方码)的基重。本色的斜纹织物随后在热水中洗涤并使用碱性染料喷射染色并干燥。成品的斜纹织物具有每厘米31根经纱×16根纬纱(每英寸77根经纱×47根纬纱)的构造和220g/m2(6.5盎司/平方码)的基重。随后测试该织物的一部分以得到其电弧特性、热特性及机械特性，并将一部分转化为单层防护性连衣工作服用于暴燃测试。
比较实施例B
重复比较实施例A，不同的是在紧密共混物中用相同量的阻燃人造丝纤维取代改性聚丙烯腈纤维。阻燃人造丝纤维为Lenzing阻燃粘胶。随后测试该织物的一部分以得到其电弧特性、热特性及机械特性，并将一部分转化为单层防护性连衣工作服用于暴燃测试。
实施例1
重复比较实施例A和B中所示的方法以制造纱线、织物和衣服，不同的是制备55.8重量％的
Figure BDA00002208268800131
型450纤维、3％的型29纤维、23重量％的阻燃人造丝纤维、17重量％的改性聚丙烯腈纤维、以及1.2重量％的P140纤维的纤维共混物。随后测试该织物的一部分以得到其电弧特性、热特性及机械特性，并将一部分转化为单层防护性连衣工作服用于暴燃测试。
下表总结了实施例中所述的纱线、织物和衣服的预期性能。用于标称基重和电弧分类的数据被提供，同时预测的身体烧伤和回潮率特性用示出改善的条款相对分级，所述改善相对显示为a(o)的标准给定为a(+)。
比较实施例A具有良好的电弧等级但仅具有标准的舒适性和暴燃性能。比较实施例B具有较差的电弧等级但具有改善的舒适性和改善的暴燃性能。实施例1具有良好的电弧等级、改善的舒适性和改善的暴燃性能。实施例1中的织物具有10.7卡路里/平方厘米的惊人的优异电弧测试性能，该性能优于比较实施例A中织物的10.3卡路里/平方厘米的电弧测试性能。基于重量计，实施例1具有每盎司/平方码1.65卡路里/平方厘米(每克/平方米0.203焦耳/平方厘米)的电弧性能，而实施例A具有每盎司/平方码1.58卡路里/平方厘米(每克/平方米0.195焦耳/平方厘米)的电弧性能。
表
Figure BDA00002208268800141

Claims (10)

1.用于防电弧和防火的纱线，所述纱线基本上由下列组成：
(a)50-80重量％的间位芳族聚酰胺纤维，所述间位芳族聚酰胺纤维具有至少20％的结晶度；
(b)10-30重量％的阻燃人造丝纤维；
(c)10-20重量％的改性聚丙烯腈纤维；
(d)0-5重量％的对位芳族聚酰胺纤维；以及
(e)0-3重量％的防静电纤维；
所述百分比基于组分(a)、(b)、(c)、(d)和(e)计。
2.权利要求1的纱线，其中所述间位芳族聚酰胺纤维具有在20％至50％范围内的结晶度。
3.适用于防电弧和防火的织物，所述织物包含纱线，所述纱线基本上由下列组成：
(a)50-80重量％的间位芳族聚酰胺纤维，所述间位芳族聚酰胺纤维具有至少20％的结晶度；
(b)10-30重量％的阻燃人造丝纤维；
(c)10-20重量％的改性聚丙烯腈纤维；
(d)0-5重量％的对位芳族聚酰胺纤维；以及
(e)0-3重量％的防静电纤维；
所述百分比基于组分(a)、(b)、(c)、(d)和(e)计；
所述织物具有在186.5-237克/平方米(5.5-7盎司/平方码)范围内的基重。
4.权利要求3的织物，其中所述间位芳族聚酰胺纤维具有在20％至50％范围内的结晶度。
5.权利要求3的织物，所述织物具有根据ASTM D-6413-99小于6英寸的炭化长度。
6.权利要求3的织物，所述织物具有根据ASTM F-1959-99每盎司/平方码织物至少1.1卡路里/平方厘米的耐电弧性。
7.权利要求6的织物，其中所述耐电弧性为每盎司/平方码织物至少1.3卡路里/平方厘米。
8.适用于防电弧和防火的衣服，所述衣服包括织物，所述织物基本上由下列组成：
(a)50-80重量％的间位芳族聚酰胺纤维，所述间位芳族聚酰胺纤维具有至少20％的结晶度；
(b)10-30重量％的阻燃人造丝纤维；
(c)10-20重量％的改性聚丙烯腈纤维；
(d)0-5重量％的对位芳族聚酰胺纤维；以及任选地
(e)0-3重量％的防静电纤维；
所述百分比基于组分(a)、(b)、(c)、(d)和(e)计；
所述织物具有在186.5-237克/平方米(5.5-7盎司/平方码)范围内的基重。
9.权利要求8的织物，其中所述间位芳族聚酰胺纤维具有在20％至50％范围内的结晶度。
10.权利要求8的衣服，所述衣服提供的热保护等同于按照ASTM F1930在4秒钟火焰暴露下小于65％的身体烧伤，同时按照ASTM F1959和NFPA 70E的2类电弧等级。
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