一种具有热防护功能的消防服面料的制作方法

本发明涉及消防服面料，具体为一种具有热防护功能的消防服面料。

背景技术：

1、具有热防护功能的消防服面料，是专为消防救援场景研发的高性能特种防护纺织材料，主要用于消防防护服外层、隔热层与舒适层，可抵御火场高温辐射热、对流热、蒸汽热浪以及火焰灼烧，同时阻隔飞溅火星、熔融物接触伤害；该面料多采用芳纶、聚酰亚胺等耐高温阻燃纤维织造，搭配复合层压结构，本身不燃、离火自熄，炭化层稳定无熔滴，能有效延缓热量向人体传导，降低高温灼伤风险。

2、现有的消防服面料普遍存在三重技术短板：

3、1、隔热层中引入的功能性填料多采用简单的物理共混或涂覆方式添加，与纤维基体缺乏牢固结合界面，在反复洗涤、摩擦及高温热冲击下极易损失，导致面料对红外辐射的阻隔能力随使用周期增加而急剧衰减；

4、2、同时，传统的隔热毡体依赖均匀分布的单一孔径结构，此类结构在高温下孔壁串联形成热桥效应，热流通过固体骨架与孔隙内气体连续传导，若提高孔隙率以增强隔热，则透气排湿通道受阻，若追求高透湿性，则隔热效率不足，二者存在此消彼长的固有矛盾，难以在阻断强热流的同时维持较低的湿阻；

5、3、此外，纤维在频繁碱性洗涤中易氧化，进一步加剧了消防服在高强度实战场景下功能性耐久不足的问题。

6、因此，本发明提供一种具有热防护功能的消防服面料，用于解决上述所提出的相关技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种具有热防护功能的消防服面料，外层基布表面涂覆含可膨胀石墨与纳米氧化锆，遇火时石墨迅速膨胀形成炭化阻隔层，氧化锆微粒则增强表面对高温辐射热的反射能力，从源头上削弱热量向内部的传导；第二层为经功能填料增强的梯度孔隙隔热毡，采用氧化锆溶胶包覆结合六甲基二硅氮烷疏水改性技术，在氮化硼晶须表面形成化学包覆保护层，显著提升填料在纤维网络中的分散稳定性与耐热冲刷能力；同时，通过四级动态逆流梯度置换将毡体内溶剂逐步置换为水，再经冷冻干燥使冰晶升华，从而在纤维骨架间构建出具有多尺度孔隙特征的立体网络，该孔隙结构使得热量被纤维界面、填料反射界面及孔隙内静止空气逐级衰减，而人体产生的湿热蒸汽则可沿贯通孔隙定向排出，实现了隔热与透湿功能的协同优化。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种具有热防护功能的消防服面料，所述具有热防护功能的消防服面料包括第一层、第二层以及第三层；所述第二层由以下重量份原料制成：60～70份间位芳纶短切纤维、30～40份聚酰亚胺短切纤维、3～5份功能填料、20～24份水性复合乳液、10～20份甲基丙烯酸六氟丁酯、0.5～1.5份异氰酸酯交联剂以及1～3份六方氮化硼纳米片分散液；

4、其中，第一层由以下重量份原料制成：55份聚酰亚胺纤维、28份芳砜纶纤维、17份超高分子量聚乙烯纤维以及95份外层涂层浆料；

5、所述外层涂层浆料由以下重量份原料制成：22份可膨胀石墨、9份纳米级氧化锆、40份水性氟碳树脂、4份异氰酸酯交联剂以及3份含氟硅烷偶联剂。

6、第三层由以下重量份原料制成：45份间位芳纶纤维、30份阻燃粘胶纤维、18份调温纤维以及7份导电纤维；

7、更进一步地，所述功能填料的制备步骤为：

8、按质量比1:2.5～3.5将氮化硼晶须与无水乙醇超声分散15～25min，形成悬浮液产物，向悬浮液产物中滴加质量为氮化硼晶须8%～12%的过氧化氢溶液，在55～65℃水浴搅拌1.5～2.5h，搅拌结束后用去离子水离心洗涤2～4次，再用无水乙醇置换洗涤1～3次，得到活化滤饼；

9、制备氧化锆溶胶，将活化滤饼和无水乙醇按质量比1.2～1.5:1混合并超声分散10～20min，形成第一浆料，将第一浆料与氧化锆溶胶等比例进行混合进行包覆反应，得到第二产物，对第二产物进行改性，得到功能填料。

10、更进一步地，所述制备氧化锆溶胶的具体步骤如下：

11、将无水乙醇、去离子水以及二水合硝酸氧锆按质量比8～12:1～3:1混合，搅拌至完全溶解，再滴加质量为二水合硝酸氧锆30%～35%的乙酰丙酮，在23～27℃下搅拌25～35min，得到氧化锆溶胶。

12、更进一步地，所述将第一浆料与氧化锆溶胶等比例进行混合进行包覆反应具体为：

13、将氧化锆溶胶等比例滴加至第一浆料，保持温度在35～45℃，滴加结束后搅拌25～35min，用氨水调节ph至8.0～8.5，升温至65～75℃，恒温搅拌3.5～4.5h，得到第二产物。

14、更进一步地，所述对第二产物进行改性，包括：

15、对第二产物进行干燥处理，得到干燥产物，将干燥产物置于马弗炉中，以2℃/min升温至600～610℃，保温1.8～2.2h，得到次干燥产物；

16、将次干燥产物与无水乙醇按质量比1:1.8～2.2超声分散15～25min，通入氮气置换出空气，在55～65℃下滴加质量为次干燥产物4%～6%的六甲基二硅氮烷，持续搅拌反应10～12h，反应结束后离心分离，收集沉淀物，用无水乙醇洗涤1～3次，在55～65℃的真空中干燥3～5h，得到功能填料。

17、更进一步地，所述对第二产物进行干燥处理，具体为：

18、对第二产物进行离心分离，收集离心产物，离心产物依次用无水乙醇洗涤1～3次、去离子水洗涤2～4次，洗涤结束后在55～65℃的真空中干燥10～14h，得到干燥产物。

19、第二方面，本发明提供了一种所述具有热防护功能的消防服面料的制备方法，用于实现上述所述具有热防护功能的消防服面料，包括：

20、称取聚酰亚胺纤维、芳砜纶纤维以及超高分子量聚乙烯纤维、纺纱并织造为外层基布，制备外层涂层浆料，将外层涂层浆料涂覆在外层基布上，形成第一层；

21、即各纤维组分依次经抓棉机抓取、混棉机混合、开棉机开松，再经梳棉机梳理成生条，生条经两道并条机并合牵伸，制成纤维平行顺直的熟条；熟条喂入环锭纺纱机，纺制成40英支双股纱线，捻度650～750捻/米，此为现有技术，在此不做过多赘述。

22、制备外层涂层浆料的具体步骤为：

23、将可膨胀石墨、纳米氧化锆与含氟硅烷偶联剂预先在高速分散机中混合，得到预分散填料浆，将水性氟碳树脂乳液与异氰酸酯交联剂混合搅拌均匀，缓慢加入预分散填料浆，搅拌20min，加入去离子水调节黏度至2000～3000毫帕·秒，得到外层涂层浆料。

24、将外层涂层浆料涂覆在外层基布上，具体为：将外层基布平铺于印刷台，将外层涂层浆料通过网版印刷至外层基布外表面，控制湿膜厚度60～80微米，印刷结束后进入热风烘箱，80℃预烘5min，再120℃焙烘5min，第一次印刷烘干后在同一位置进行第二次印刷，使干膜总厚度达到20～40微米。

25、制备功能填料，对功能填料进行预处理，形成功能悬浮液，将间位芳纶短切纤维和聚酰亚胺短切纤维混合并喷洒功能悬浮液，得到初始纤维毡坯，对初始纤维毡坯进行预处理，得到第二层；

26、称取间位芳纶纤维、阻燃粘胶纤维、调温纤维以及导电纤维进行混合，再纺纱、织造得到第三层，将第一层、第二层以及第三层按顺序进行叠放和固定，固定结束后进行边缘缝合，得到具有热防护功能的消防服面料。

27、将第一层、第二层以及第三层按顺序进行叠放和固定，具体为：

28、采用超声波点焊方式将三层初步固定，焊点间距15～20cm，呈梅花状分布，在三层面料四周边缘向内2cm处进行双针锁式线迹缝合，针距3～4针/cm。缝合时将第二层和第三层边缘向内折入，包住第一层边缘，形成平整包边结构。

29、更进一步地，所述对功能填料进行预处理包括：

30、将功能填料与无水乙醇按质量比1:1.8～2.2进行混合并超声分散8～12min，得到功能分散液，向功能分散液中滴加质量为功能填料45%～55%的六方氮化硼纳米片分散液，搅拌10～20min，形成功能悬浮液。

31、更进一步地，所述对初始纤维毡坯进行预处理，具体为：

32、将初始纤维毡坯送入水刺机中经过多道高压水刺，形成湿态纤维毡，将湿态纤维毡浸入浸渍液中，其采用二浸二轧工艺，浸入结束后将湿态纤维毡依次转移至乙醇混合液、无水乙醇，分别静置4～6min，温度为9～11℃，得到湿态隔热纤维毡；

33、将初始纤维毡坯送入水刺机中经过多道高压水刺具体为：

34、预湿水压8巴，再依次经过四道高压水刺：第一道（上表面）为35巴，第二道（下表面）为55巴，第三道（上表面）为75巴，第四道（下表面）为45巴。

35、从湿态隔热毡中置换出乙醇，得到含水湿态毡，将含水湿态毡置于-28～-32℃冷阱中冷冻3.5～4.5h，将冷冻后含水湿态毡在冷冻干燥机（冷阱温度-50℃、真空度10pa干燥48小时）中进一步进行冷冻干燥，得到低温纤维毡；

36、从湿态隔热毡中置换出乙醇采用四级动态逆流梯度置换工艺，配制四级置换浴：乙醇体积分数分别为75%、50%、25%、纯水，每级浴体积为湿态隔热毡体积的20倍，浴温20～25℃；

37、第一级（75%乙醇/水）：将湿态隔热毡浸入，开启循环泵使液体以0.5l/min流速自下而上穿过毡体，动态置换15分钟。取出，轧辊轻压至带液率约100%；

38、第二级（50%乙醇/水）：同样动态置换15分钟，轧辊轻压；

39、第三级（25%乙醇/水）：同样动态置换15分钟，轧辊轻压；

40、第四级（纯去离子水）：动态置换15分钟，轧辊轻压至带液率约100%；

41、对低温纤维毡进行拒水整理和高温定型，得到第二层；

42、其中，所述乙醇混合液由乙醇和去离子水按体积比18～20:1混合得到。

43、更进一步地，所述对低温纤维毡进行拒水整理和高温定型，具体为：

44、将甲基丙烯酸六氟丁酯和异氰酸酯交联剂按质量比13～17:1混合发泡，涂布于低温纤维毡，涂布结束后在105～115℃下烘焙2～4min；

45、烘焙结束后送入热风烘箱，在125～135℃下处理3～5min，得到第二层。

46、更进一步地，所述浸渍液由水性复合乳液和去离子水等比例进行混合，搅拌5～10min得到；

47、所述水性复合乳液由水性聚氨酯和丙烯酸酯按质量比1:1.8～2混合得到。

48、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

49、本发明中外层基布表面涂覆含可膨胀石墨与纳米氧化锆，遇火时石墨迅速膨胀形成炭化阻隔层，氧化锆微粒则增强表面对高温辐射热的反射能力，从源头上削弱热量向内部的传导；第二层为经功能填料增强的梯度孔隙隔热毡，采用氧化锆溶胶包覆结合六甲基二硅氮烷疏水改性技术，在氮化硼晶须表面形成化学包覆保护层，显著提升填料在纤维网络中的分散稳定性与耐热冲刷能力；同时，通过四级动态逆流梯度置换将毡体内溶剂逐步置换为水，再经冷冻干燥使冰晶升华，从而在纤维骨架间构建出具有多尺度孔隙特征的立体网络，该孔隙结构使得热量被纤维界面、填料反射界面及孔隙内静止空气逐级衰减，而人体产生的湿热蒸汽则可沿贯通孔隙定向排出，实现了隔热与透湿功能的协同优化。

50、本面料在保持基础阻燃防护性能的前提下，有效提升了热防护可靠性与穿着舒适性之间的平衡水平，针对消防服隔热层填料易脱落、透气与隔热难以兼顾的共性问题，将功能填料设计为氧化锆溶胶包覆并辅以疏水改性的氮化硼晶须，增强了填料与纤维基体的结合牢度，确保在多次洗涤及高温服役后仍能维持稳定的红外反射与骨架支撑作用；在此基础上，利用四级梯度置换结合冷冻干燥的成型方式，赋予隔热毡以梯度化孔隙特征，使面料在遭遇瞬时强热流冲击时具备较低的热传导速率，减轻消防员在高强度作业状态下的热蓄积与生理负担，使该面料在综合热防护性能上表现出更可靠的实用价值。