汽車座椅復(fù)合面料的熱學(xué)性能分析

汽車座椅復(fù)合面料的熱學(xué)性能分析
選擇了一種由滌綸機(jī)面料、海綿和薄型滌綸底布復(fù)合而成的汽車座椅面料，通過垂直燃燒法測(cè)試 3 種單層組分( 層滌綸面料、海綿和底布) 、2 種兩層復(fù)合組分( 海綿和底布的復(fù)合物、層面料和海綿的復(fù)合物) 及 1 種三層復(fù)合組分( 層面料、海綿和底布的復(fù)合物) 的燃燒性能，同時(shí)利用 DSC、TG 對(duì) 6 種面料的受熱熔融、熱分解等熱行為進(jìn)行了征，進(jìn)而分析了不同復(fù)合面料燃燒性能和熱學(xué)性能的變化情況。結(jié)果明: 層面料與海綿復(fù)合得到的二層面料及層面料與海綿和底布復(fù)合后得到的三層面料的損毀長度相比各單層組分而言有所降低，但是兩層面料、三層面料的熱穩(wěn)定性反而不如單層面料。據(jù)交通部統(tǒng)計(jì)，2012 年，我國汽車產(chǎn)業(yè)用紡織品近 ． 73 萬 t，平均每輛車要消耗 10 ～ 15 kg 的纖維品，一輛中檔汽車需用 10 m2裝飾面料及 8． 5 m2地毯面料1。我國汽車用紡織品市場(chǎng)發(fā)展不過 20 年，但其巨大的市場(chǎng)潛力正逐年顯現(xiàn)，相對(duì)于微利的紡織行業(yè)，汽車用紡織品的利潤水平遠(yuǎn)高于紡織業(yè)平均利潤水平2。汽車座椅面料大多采用火焰復(fù)合法，即以面單層面料、聚氨酯海綿層和薄型底布為原料，經(jīng)火焰復(fù)合機(jī)復(fù)合3而成。盡管火焰復(fù)合法存在一些缺點(diǎn)，但因其具有產(chǎn)量高、耐洗性好、改善面料性能等優(yōu)點(diǎn)，仍被廣泛使用。東華大學(xué)金梁英4提出，火口工藝5、復(fù)合速度、軋距、張力等影響復(fù)合效果。不同的層面料、海綿和底布也會(huì)影響面料的最終性能，但是這方面的研究卻不多。本文利用垂直燃燒測(cè)試法及熱重分析儀、DSC 研究 3 種單層面料、2 種兩層面料和 1 種 3 層面料的燃燒性能及熱穩(wěn)定性能。

1 試驗(yàn)材料、儀器和測(cè)試方法1． 1 試驗(yàn)材料本實(shí)驗(yàn)曠達(dá)汽車座椅面料面料有限公司提供的底布、海綿、黑布( 層滌綸面料，機(jī)織純滌綸面料，經(jīng)緯向同) 、底二層( 上述底布與海綿的復(fù)合物) 、黑二層( 上述黑布與海綿的復(fù)合物) 、黑三層( 上述黑布、海綿、底布的復(fù)合物) 共 6 種。6 種面料的基本規(guī)格見試驗(yàn)儀器和測(cè)試方法( 1) 試驗(yàn)儀器。本實(shí)驗(yàn)采用的主要儀器有 209F1 型熱重分析儀( 以 10℃ / min 的升溫速率從 50℃ 升至 600℃) ，TM3000 DSC 分析儀( 室溫至 300℃，升溫速率 20℃ /min) ，YG815B 垂直法面料阻燃性能測(cè)試儀( 點(diǎn)火時(shí)間 12 s) 。( 2) 測(cè)試方法。按 GB /T 5455–1977《紡織品 燃燒性能測(cè)試 垂直法》對(duì) 6 種面料( 包括海綿) 的續(xù)燃時(shí)間、陰燃時(shí)間和損毀長度進(jìn)行了測(cè)試。評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn): B1為損毀長度不大于 15 cm，續(xù)燃時(shí)間不長于 5 s，陰燃時(shí)間大于 5 s; B2 級(jí)為損毀長度不大于20 cm，續(xù)燃時(shí)間不大于 10 s，陰燃時(shí)間不大于 10 。用差熱分析法測(cè)試 6 種面料( 含海綿) 的熱熔過程，熱重法分析 6 種面料( 含海綿) 的分解過程。2 結(jié)果與分析2． 1 汽車座椅面料的垂直燃燒性能采用垂直燃燒法測(cè)得 6 種面料經(jīng)緯方向的續(xù)燃時(shí)間、損毀長度如 2 所示。比較相關(guān)數(shù)據(jù)，可知: 海綿和底布復(fù)合的過程中，海綿、底布、底二層的續(xù)燃時(shí)間均為 0 s，即點(diǎn)火時(shí)間結(jié)束，火焰移開后，直接熄滅; 但是就損毀長度而言，底布經(jīng)緯向的損毀長度達(dá) 15 cm 左右，海綿在 10 ～ 11cm，復(fù)合后底二層的損毀長度也在 10 ～ 11 cm，與海綿較為接近。3 種面料之所以續(xù)燃時(shí)間為 0，是因?yàn)樵邳c(diǎn)火時(shí)間內(nèi)，它們更多的是熔縮，與火焰距離近的面料受熱熔融，熔融區(qū)域下寬上窄，呈拋物線狀。拋物線的面積較大時(shí)，火焰產(chǎn)生的熱量不足以使面料熔融，而非燃燒，且熔縮的長度和面積又較大，以至于在點(diǎn)火時(shí)間內(nèi)火焰的外焰已經(jīng)接觸不到面料。因此，在評(píng)價(jià)燃燒性能時(shí)，面料的損毀長度參考性更強(qiáng)。比較損毀長度，可以認(rèn)為底布和海綿復(fù)合后，底二層的燒性能優(yōu)于底布，與海綿的燃燒性能相似。由試驗(yàn)現(xiàn)象可見: 點(diǎn)火時(shí)間結(jié)束后，面料上存在火焰; 在續(xù)燃時(shí)間 14 s 以內(nèi)，火焰主要向上蔓延; 隨著時(shí)間增加，損毀長度增大，14 s 以后，火焰開始變小，不再向上燃燒，而是向下蔓延，火勢(shì)很小; 隨著時(shí)間增加，損毀長度幾乎沒有變化。再結(jié)合海綿、底布的熔縮情況，在評(píng)價(jià)面料燃燒性能時(shí)，應(yīng)主要依據(jù)損毀長度。比較黑布、海綿、黑三層 3 種面料的損毀長度，可以得到以下結(jié)論: 黑布與海綿復(fù)合后，阻燃性能有所提高; 黑二層與底布復(fù)合后，損毀長度有少量降低。結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象，面料背面沒有復(fù)合底布時(shí)，背面面料在損毀長度的上方，存在被火熏黑且部分熔融的相對(duì)完好的面料; 復(fù)合底布后，這種現(xiàn)象出現(xiàn)弱化。筆者認(rèn)為，底布雖然在復(fù)合物中所占質(zhì)量比不大，但是它能適當(dāng)?shù)販p慢海綿的熔縮，并在黑二層與底布復(fù)合后，使損毀長度下降。2． 2 6 種面料的 TG 分析面料在升溫過程中會(huì)存在分解，為了分析這些分解過程造成的質(zhì)量變化，對(duì) 9 種面料進(jìn)行熱重分析。本分析采用氮?dú)獗Ｗo(hù)，從室溫 30℃以每分鐘 10℃ 的升溫速率升到 600℃，并測(cè)得 9 種面料的熱重曲線。( 1) 海綿、底布與底二層的 TG 分析。經(jīng)測(cè)試，得出海綿、底布、海綿底布復(fù)合物的熱重曲線見 1。3種面料的 TG 比較見 3。 1 海綿、底布、底二層 TG 曲線比較 3 海綿、底布、海綿底物的復(fù)合物 3 種面料的 TG 比較項(xiàng)目 海綿 底布 底二層T 初始 261． 2 398． 8 242． 6T5% 237． 1 385． 2 237． 4T10% 255． 3 394． 6 260． 1T30% 291． 1 411． 9 342T50% 352． 7 422． 7 367． 0T70% 369． 1 434． 2 404． 9T80% 375． 5 446． 1 425． 2Tmax 372． 3 421． 4 362． 9T 終止 389． 4 441． 3 437． 4從 1 可以看出，3 種面料在氮?dú)獗Ｗo(hù)下自 30℃升溫到 600℃的過程中，都存在明顯分解和質(zhì)量損失過程。從 1 中可以看出，600℃時(shí)海綿最后的殘余率約為 1． 7% ，底布的殘余率約為 12% ，兩者的復(fù)合物總的殘余物約為 13． 02% ，大約等于兩者之和。底二層的分解速率介于底布和海綿之間，且分解曲線形狀與海綿較為相似，兩者分解 5% 時(shí)的溫度極為接近，分解 10% 時(shí)的溫度僅差 5℃，在溫度大于260℃ 之后，兩者的分解情況差異才越來越大，溫度大于 380℃以后，底二層的分解曲線與底布更為相似。比較海綿和底布兩種單層面料的分解曲線和分解溫度情況可知，底布大約在 380℃ 才開始分解，而海綿在此溫度時(shí)分解已經(jīng)基本完成，殘余率已經(jīng)基本穩(wěn)定。故在溫度低于 380℃ 時(shí)，復(fù)合物的分解曲線與海綿較為相似，之后的分解曲線則與海綿更為相似。這同樣也可以解釋復(fù)合物的終止分解溫度為什么比較接近滌綸底布的終止分解溫度。由上文的面料質(zhì)量測(cè)試可知，單層海綿 10 cm ×10 cm 的質(zhì)量為 1． 29 g，而同樣面積的底布質(zhì)量僅為0． 45 g，底二層的質(zhì)量為 1． 59 g，假設(shè)海綿和底布兩者在復(fù)合時(shí)仍然保持未復(fù)合時(shí)的質(zhì)量比例，則復(fù)合后海綿占底二層的質(zhì)量比例約為 81% ，底布僅為 19% ，因此認(rèn)為，在溫度低于底布的分解溫度時(shí)，整個(gè)底二層的分解速率取決于底二層中海綿的分解況。由于復(fù)合過程中海綿的質(zhì)量除了熱熔外，還存在和底布樣的形變，故在底二層中海綿的實(shí)際比例是低于 81% 的。故當(dāng)單層海綿的分解速率與底二層中海綿成分的分解速率相同時(shí)，兩者的質(zhì)量損失速率將因約占底二層質(zhì)量 19% 的底布還未開始分解而有所不同，現(xiàn)為底二層的分解速率小于單層海綿的分解速率。底布和海綿復(fù)合后，初始分解溫度降低，分解溫度范圍變大，終止分解溫度及殘余物與底布較為接近。4 種面料的熱重曲線見 2，黑布、海綿和黑二層、第三層的 TG 分析見 4。 2 海綿、黑布、黑二層、黑三層等面料的 TG 曲線比較從 2 可見，4 種面料在氮?dú)獗Ｗo(hù)下自 30℃ 升溫到 600℃的過程中，都存在明顯分解和質(zhì)量損失過程。 4 海綿、黑布、黑二層、黑三層 4 種面料的 TG 比較項(xiàng)目 底布 海綿 黑布 黑二層 黑三層中可以看出，600℃ 時(shí)底布的殘余率約為12% ，海綿的殘余率約為 1． 7% ，黑布的殘余率約為14% ，黑二層的殘余物約為 7． 08% ，黑三層的殘余率約為 7． 56% 。比較分解速率，黑二層、黑三層的分解速率介于黑布和海綿之間，且分解曲線形狀與海綿較為相似; 黑二層、黑三層質(zhì)量損失率在 5% 時(shí)的溫度與海綿較為接近，分解10% 時(shí)的溫度差已大于 10℃; 黑二層、黑三層的分解曲線在整個(gè)分解過程中一直較為接近，黑布的分解速率最大，相同的質(zhì)量損失率，黑布的分解溫度大于黑二層和黑三層; 分解終止時(shí)，黑布和黑二層、黑三層三者終止分解溫度幾乎相同，但是黑二層和黑三層的殘?zhí)柯蔬h(yuǎn)小于黑布的殘?zhí)柯�，說明黑布和海綿、底布等復(fù)合后，熱穩(wěn)定性有所降低。2． 3 6 種面料的 DSC 分析在空氣氛圍中由 50℃ 以 20℃ /min 的升溫速率升至 300℃，進(jìn)行 DSC 分析。海綿、底布、底二層的 DSC曲線見 3，分析見 5。 3 海綿、底布、底二層的 DSC 曲線比較 5 海綿、底布、底二層面料的 DSC 分析項(xiàng)目 海綿 底布 底二層5 可知，海綿、底布、底二層的初始融化溫度分別為 227． 47℃、247． 02℃、246． 86℃，底二層的初始熔融溫度大于海綿約20℃，小于底布不到 1℃。這充分說明了復(fù)合之后，底二層初始熔融的溫度升高，耐熱性能有較大的提高。從 5 可以看出，海綿、底布、底二層三者的熔融峰值分別為 257． 94℃、252． 30℃、252． 0℃，相差不大，三者的終止分解溫度分別為 276． 76℃、254． 70℃、253． 97℃ ，兩組數(shù)據(jù)都說明復(fù)合后熔融峰值和終止分解溫度與底布較為接近，尤其在溫度為 250℃ 附近時(shí)。此外，可以看出，底布和底二層的熔融區(qū)峰值明顯，而海綿的熔融曲線則寬而胖，熔融峰不太明顯。這與海綿是由軟段、硬段等不同組分組成有關(guān)，而底布則是由聚酯材料紡制而成，所以熔融峰較為明顯。三者的焓變存在明顯差異，底二層起始分解溫度、終止分解溫度相差較小，且峰值也小，所以焓變值最低。從受熱熔融角度來講，底布和海綿復(fù)合后，熱學(xué)性能降低，熔融需要的熱量降低。海綿、黑布、黑二層、黑三層面料的DSC 曲線見 4。分析見 6。 4 海綿、黑布、黑二層、黑三層面料的 DSC 曲線比較 6 海綿、底布、黑布、黑二層、黑三層面料的 DSC 對(duì)比項(xiàng)目 海綿 底布 黑布 黑二層 黑三層可以看出，海綿、底布、黑布、黑二層、黑三層的 初 始 融 化 溫 度 分 別 為 227． 47℃、247． 02℃、250． 89℃ 、243． 93℃ 、243． 75℃ ，黑二層、黑三層的初始熔融溫度較為接近，且大于海綿的初始熔融溫度，復(fù)合物的初始熔融溫度大于海綿約 20℃小于底布不到1℃ 。這說明了復(fù)合之后，復(fù)合物開始熔融的溫度升高，耐熱性能有較大的提高。黑二層、黑三層的熔融峰值、終止熔融溫度、熔融過程中的焓變值幾乎一樣，兩者的指標(biāo)略小于底布和黑布，顯著小于海綿，可以認(rèn)為海綿的加入使得復(fù)合面料的熱學(xué)性能偏離了滌綸的性質(zhì)。3 結(jié) 語( 1) 通過垂直燃燒實(shí)驗(yàn)，得出海綿和底布復(fù)合后，底二層的損毀長度和續(xù)燃時(shí)間與海綿較為接近; 黑布與海綿復(fù)合后，阻燃性能有所提高，黑二層與底布復(fù)合，損毀長度有少量降低。( 2) 熱重分析證明，底布和海綿復(fù)合后，初始分解溫度降低，分解溫度范圍變大，終止分解溫度及殘余物與底布較為接近黑布和海綿、底布等復(fù)合后，熱穩(wěn)定性有所降低。( 3) 從受熱熔融角度來講，底布和海綿復(fù)合后，熱學(xué)性能降低，熔融需要的熱量降低; 因?yàn)楹＞d的加入，黑布和海綿、底布的復(fù)合物的熱學(xué)性能偏離了滌綸的性質(zhì)