汽車座椅復合面料的熱學性能分析

汽車座椅復合面料的熱學性能分析
選擇了一種由滌綸機面料、海綿和薄型滌綸底布復合而成的汽車座椅面料，通過垂直燃燒法測試 3 種單層組分( 層滌綸面料、海綿和底布) 、2 種兩層復合組分( 海綿和底布的復合物、層面料和海綿的復合物) 及 1 種三層復合組分( 層面料、海綿和底布的復合物) 的燃燒性能，同時利用 DSC、TG 對 6 種面料的受熱熔融、熱分解等熱行為進行了征，進而分析了不同復合面料燃燒性能和熱學性能的變化情況。結果明: 層面料與海綿復合得到的二層面料及層面料與海綿和底布復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，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發(fā)展不過 20 年，但其巨大的市場潛力正逐年顯現(xiàn)，相對于微利的紡織行業(yè)，汽車用紡織品的利潤水平遠高于紡織業(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)火焰復合機復合3而成。盡管火焰復合法存在一些缺點，但因其具有產(chǎn)量高、耐洗性好、改善面料性能等優(yōu)點，仍被廣泛使用。東華大學金梁英4提出，火口工藝5、復合速度、軋距、張力等影響復合效果。不同的層面料、海綿和底布也會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 試驗材料、儀器和測試方法1． 1 試驗材料本實驗曠達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，機織純滌綸面料，經(jīng)緯向同) 、底二層( 上述底布與海綿的復合物) 、黑二層( 上述黑布與海綿的復合物) 、黑三層( 上述黑布、海綿、底布的復合物) 共 6 種。6 種面料的基本規(guī)格見試驗儀器和測試方法( 1) 試驗儀器。本實驗采用的主要儀器有 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試儀( 點火時間 12 s) 。( 2) 測試方法。按 GB /T 5455–1977《紡織品 燃燒性能測試 垂直法》對 6 種面料( 包括海綿) 的續(xù)燃時間、陰燃時間和損毀長度進行了測試。評級標準: B1為損毀長度不大于 15 cm，續(xù)燃時間不長于 5 s，陰燃時間大于 5 s; B2 級為損毀長度不大于20 cm，續(xù)燃時間不大于 10 s，陰燃時間不大于 10 。用差熱分析法測試 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得 6 種面料經(jīng)緯方向的續(xù)燃時間、損毀長度如 2 所示。比較相關數(shù)據(jù)，可知: 海綿和底布復合的過程中，海綿、底布、底二層的續(xù)燃時間均為 0 s，即點火時間結束，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 15 cm 左右，海綿在 10 ～ 11cm，復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)燃時間為 0，是因為在點火時間內(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，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，以至于在點火時間內(nèi)火焰的外焰已經(jīng)接觸不到面料。因此，在評價燃燒性能時，面料的損毀長度參考性更強。比較損毀長度，可以認為底布和海綿復合后，底二層的燒性能優(yōu)于底布，與海綿的燃燒性能相似。由試驗現(xiàn)象可見: 點火時間結束后，面料上存在火焰; 在續(xù)燃時間 14 s 以內(nèi)，火焰主要向上蔓延; 隨著時間增加，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，火勢很小; 隨著時間增加，損毀長度幾乎沒有變化。再結合海綿、底布的熔縮情況，在評價面料燃燒性能時，應主要依據(jù)損毀長度。比較黑布、海綿、黑三層 3 種面料的損毀長度，可以得到以下結論: 黑布與海綿復合后，阻燃性能有所提高; 黑二層與底布復合后，損毀長度有少量降低。結合試驗現(xiàn)象，面料背面沒有復合底布時，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完好的面料; 復合底布后，這種現(xiàn)象出現(xiàn)弱化。筆者認為，底布雖然在復合物中所占質(zhì)量比不大，但是它能適當?shù)販p慢海綿的熔縮，并在黑二層與底布復合后，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存在分解，為了分析這些分解過程造成的質(zhì)量變化，對 9 種面料進行熱重分析。本分析采用氮氣保護，從室溫 30℃以每分鐘 10℃ 的升溫速率升到 600℃，并測得 9 種面料的熱重曲線。( 1) 海綿、底布與底二層的 TG 分析。經(jīng)測試，得出海綿、底布、海綿底布復合物的熱重曲線見 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、海綿底物的復合物 3 種面料的 TG 比較項目 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 種面料在氮氣保護下自 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% 時的溫度極為接近，分解 10% 時的溫度僅差 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，復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，假設海綿和底布兩者在復合時仍然保持未復合時的質(zhì)量比例，則復合后海綿占底二層的質(zhì)量比例約為 81% ，底布僅為 19% ，因此認為，在溫度低于底布的分解溫度時，整個底二層的分解速率取決于底二層中海綿的分解況。由于復合過程中海綿的質(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際比例是低于 81% 的。故當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，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 種面料在氮氣保護下自 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 比較項目 底布 海綿 黑布 黑二層 黑三層中可以看出，600℃ 時底布的殘余率約為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% 時的溫度與海綿較為接近，分解10% 時的溫度差已大于 10℃; 黑二層、黑三層的分解曲線在整個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，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小于黑布的殘?zhí)柯�，說明黑布和海綿、底布等復合后，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。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，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，底布和海綿復合后，熱學性能降低，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 對比項目 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℃ 。這說明了復合之后，復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，兩者的指標略小于底布和黑布，顯著小于海綿，可以認為海綿的加入使得復合面料的熱學性能偏離了滌綸的性質(zhì)。3 結 語( 1) 通過垂直燃燒實驗，得出海綿和底布復合后，底二層的損毀長度和續(xù)燃時間與海綿較為接近; 黑布與海綿復合后，阻燃性能有所提高，黑二層與底布復合，損毀長度有少量降低。( 2) 熱重分析證明，底布和海綿復合后，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，底布和海綿復合后，熱學性能降低，熔融需要的熱量降低; 因為海綿的加入，黑布和海綿、底布的復合物的熱學性能偏離了滌綸的性質(zhì)