具备自梯度微腔结构的灭火服外层面料及制备方法与流程

本技术属于特种防护服装面料,具体涉及一种具备自梯度微腔结构的灭火服外层面料及其制备方法，尤其适用于舰艇等密闭或半密闭极端空间灭火救援作业的高等级个体防护外层面料。

背景技术：

1、消防特种防护服是保障消防员在恶劣火场环境中生命安全的关键个体防护装备。对于舰艇消防服而言，其灭火救援作业通常发生于机舱、货舱、弹药舱等密闭或半密闭空间，此类火灾环境具有空间狭窄、通风受限、热积累异常迅速、辐射温度高且伴随有毒烟气等极端特征。在此类环境下，外层面料除了需要具备基础的本质阻燃、防水抗化、高强耐磨等性能外，还必须经受住短时间（如10秒以上）高强度直接火焰冲击而不发生破损、烧穿或严重收缩，且仍能保持良好的结构完整性与穿着柔韧性，这对材料的瞬时耐火焰冲击性能与高温隔热性能提出了极苛刻的要求。

2、目前，在全球高等级灭火服外层面料市场中，聚苯并咪唑（pbi）系列面料被公认为顶级的防护材料。pbi纤维具有极高的极限氧指数（loi）和优异的热稳定性，在极端高温及火焰环境中能形成致密的炭化层，有效阻隔热量传递。然而，pbi纤维的核心技术与产业化长期被国外少数企业垄断，供应渠道单一且价格极其昂贵，严重制约了高等级灭火服的自主保障与应急安全能力。

3、聚对苯撑苯并二噁唑（pbo）纤维作为高性能纤维，其热分解温度高于pbi，在耐瞬时高温及耐火焰冲击方面展现出突出的物理优势。然而，pbo纤维长期以来未能被主流高等级灭火服作为核心主材采纳，主要原因在于其存在三大缺陷：一是耐日晒（紫外光）老化性能较差，在日光或紫外辐照下，pbo分子链易发生光氧降解与断裂，导致纤维强度大幅下降，面料服役寿命缩短；二是纤维导热系数高，热量沿纤维轴向传导迅速，极不利于服装整体的隔热防烫伤性能；三是纯pbo面料手感生硬、表面易因摩擦而起毛起球。为了改善其性能，目前行业内主要采用pbo与对位芳纶混纺的技术方案。但研究发现，该方案并未从根本上解决pbo的耐日晒老化问题；相反，对位芳纶本身亦存在耐光性缺陷，在日照下易发生氧化变色与强度衰减，二者混纺反而形成了耐日晒性能的叠加短板，难以满足舰艇消防服长期户外备勤及复杂光照环境下的使用需求。

4、此外，为了解决高性能纤维面料导热系数高、隔热不足的问题，行业内曾尝试引入中空隔热纱线的概念。然而，传统的宏观中空纱线结构在消防作业高频次的挤压、弯曲、摩擦以及剧烈的水洗循环过程中，由于缺乏内部微观骨架的弹性支撑，其中空腔体极易发生不可逆的扁塌、变形与压实失效，导致面料的空气隔热层在实际服役后迅速丧失，防护效能大幅下滑。

5、聚酰亚胺（pi）纤维是另一类重要的本质阻燃纤维，其最突出的特点是具有优异的耐日晒老化性能与卓越的化学稳定性，能够长期在紫外光照射下保持稳定的纤维强度与色泽。但纯pi面料同样存在抗烧穿能力弱、高温隔热性能不足等局限性，单独使用难以承受密闭空间的剧烈火焰冲击。

6、综上所述，现有单一纤维体系均难以同时满足舰艇灭火服对耐火焰冲击、耐日晒老化、持久耐水洗、高强度及低热传导等多性能均衡的需求。因此，如何利用高性能国产纤维，通过创新的成纱和织物结构设计，实现聚酰亚胺（pi）对聚苯并二噁唑（pbo）的高效光屏蔽防护，同时在纱线内部构筑出抗扁塌、耐洗涤的高稳定微纳级隔热微腔，开发出一种综合性能优异、完全自主可控的高等级灭火服外层面料，是当前特种防护纺织品领域亟待解决的技术瓶颈。

技术实现思路

1、本技术的目的在于克服现有单一纤维体系及传统混纺、中空纱线技术的固有缺陷，提供一种具备自梯度微腔结构的灭火服外层面料及其制备方法。

2、为了实现上述目的，本技术提供如下技术方案：

3、第一方面，本技术提供了一种具备自梯度微腔结构的灭火服外层面料，包括：

4、由基体经纱和基体纬纱交织形成的织物基布，以及设置于所述织物基布中的骨架纱；

5、所述基体经纱和所述基体纬纱均采用具备自梯度结构的包芯纱；所述包芯纱包括芯层和包覆于所述芯层外侧的皮层；

6、所述皮层的横截面上，聚酰亚胺短纤维在最外层区域的分布密度高于内层区域，形成外富聚酰亚胺、内富聚苯并二噁唑的自梯度结构；

7、所述芯层内部具有由聚酰亚胺微纳纤维缠结形成的阻热微腔，所述阻热微腔内分布有纳米级空气孔隙；

8、所述骨架纱采用高性能高强高模长丝，与所述基体经纱和基体纬纱以格子增强组织交织，在所述面料表面形成网格化增强结构。

9、作为优选的技术方案，在所述包芯纱皮层纱线的横截面上，处于最外层20% 半径区域内的聚酰亚胺短纤维数量占该最外层区域纤维总数的80%以上。

10、作为优选的技术方案，所述阻热微腔内部的空气孔隙平均孔径为50–150 nm，整体孔隙率为75%–92%，且所述聚酰亚胺微纳纤维在所述阻热微腔内的三维空间缠结密度为1.5×10¹0个/cm³ 至6×10¹¹个/cm³。

11、作为优选的技术方案，所述骨架纱为高强高模聚芳酯长丝或对位芳纶长丝，所述骨架纱的拉伸强度≥20cn/dtex；

12、所述骨架纱在所述织物基布的经向和纬向以1–8mm的格子间距排列。

13、作为优选的技术方案，所述骨架纱在所述织物基布表面形成交替浮点组织结构，其单个经向或纬向浮长跨越3–7根基体经纱或基体纬纱。

14、本发明还提供了一种制备方法，适用于如上所述的具备自梯度微腔结构的灭火服外层面料，所述方法包括:

15、s1、将聚酰亚胺微纳纤维束与水溶性维纶长丝纤维束并合，通过集束形成复合芯纱预制体；

16、s2、将聚苯并二噁唑短纤维与聚酰亚胺短纤维组成的混纺皮层须条送入短纤维纺纱系统的加捻三角区，利用加捻瞬间不同纤维的向心力自迁移规律，使其自发包覆于所述复合芯纱预制体的外表面，获得皮层具备自梯度结构的包芯纱；

17、s3、以所述具备自梯度结构的包芯纱作为基体经纱和基体纬纱，以高性能高强高模长丝作为骨架纱，采用格子增强组织交织织造，形成网格化织物基布；

18、s4、将所述网格化织物基布置于温水介质中浸泡处理，使芯层中的所述水溶性维纶纤维完全液化溶出；留在芯层内的所述聚酰亚胺微纳纤维在空间约束力释放作用下原位发生三维解卷曲与自溶胀，在纱线轴向中心区域自组装形成具备多级微纳孔隙屏障的阻热微腔，经干燥后获得所述面料。

19、作为优选的技术方案，所述聚酰亚胺微纳纤维束由静电纺丝技术制备，其纤维平均直径为100–500nm；

20、所述水溶性维纶长丝的规格为50d，其本征水溶温度为65–75℃；

21、所述聚酰亚胺微纳纤维束与水溶性维纶长丝的质量比为30:70至60:40。

22、作为优选的技术方案，所述混纺皮层须条由聚苯并二噁唑短纤维、聚酰亚胺短纤维和抗静电短纤维按（15–30）:（65–80）:（2–5）的质量比制成；

23、控制细纱机前罗拉输出端的加捻三角区夹角为30°–45°，成纱捻度为 600–950捻/m；

24、其中，所述聚酰亚胺短纤维的平均长度短于聚苯并二噁唑短纤维10%–25%,且所述聚酰亚胺短纤维的线密度大于聚苯并二噁唑短纤维的线密度。

25、作为优选的技术方案，浸泡处理的温度为65–75℃,浸泡时间为30–60 min,浴比控制为1：20至1：30。

26、本发明的有益效果包括：

27、基于克努森效应的微观静态阻热，实现极限热防护：本发明利用牺牲模板法，在原位完全洗脱维纶纤维后，使留在芯部的pi微纳纤维因剪切力释放而自发解除空间压制，通过原位三维解卷曲和自溶胀，在原本维纶占据的微观通道内自组装形成孔径仅为50–150nm的多级阻热微腔。该孔径接近或低于静态空气分子的平均自由程，触发了克努森效应，切断并抑制了微腔内部的气体热对流，提升了组合热防护性能（tpp值≥35cal/cm²）。

28、微弹簧微观缠结网络，解决中空纱线易扁塌问题：通过控制工艺，使芯层残存的pi微纳纤维以1.5×10¹0个/cm³至6×10¹¹个/cm³的高空间密度在微腔内部进行三维网状无序缠结，形成微型三维弹性骨架。在面料承受50 kpa的高频循环压力或经历50次标准水洗后，中空微腔的体积保持率仍维持在90%以上，保证了长期服役过程中的隔热耐久性。

29、利用加捻力场驱动纤维向心迁移，构筑自梯度抗紫外屏障：利用pi短纤维与pbo短纤维在长度及线密度上的物理形态差异，通过控制加捻三角区的几何夹角（30°–45°），驱动pi短纤维自发向成纱最外表层发生向心力迁移，使纱线最外层20%半径区域内的pi纤维数量占比达到80%以上，为pbo核心层提供了紫外光物理屏蔽，提高了耐日晒光老化性能。

30、宏观大浮长格子增强网格，赋予极端火焰冲击下的结构完整性：引入高强高模聚芳酯或对位芳纶长丝作为骨架纱，并采用跨越3–7根基体纱的大浮长交替浮点格子增强组织，实现了力学支撑与局部热应力释放的解耦。在受到800℃ 瞬时火焰冲击10s极端工况下，减缓了局部炭化收缩导致的爆裂，残余抗撕裂强度保持率≥60%。