汽车座椅复合面料的热学性能分析

汽车座椅复合面料的热学性能分析
选择了一种由涤纶机面料、海绵和薄型涤纶底布复合而成的汽车座椅面料，通过垂直燃烧法测试 3 种单层组分( 层涤纶面料、海绵和底布) 、2 种两层复合组分( 海绵和底布的复合物、层面料和海绵的复合物) 及 1 种三层复合组分( 层面料、海绵和底布的复合物) 的燃烧性能，同时利用 DSC、TG 对 6 种面料的受热熔融、热分解等热行为进行了征，进而分析了不同复合面料燃烧性能和热学性能的变化情况。结果明: 层面料与海绵复合得到的二层面料及层面料与海绵和底布复合后得到的三层面料的损毁长度相比各单层组分而言有所降低，但是两层面料、三层面料的热稳定性反而不如单层面料。据交通部统计，2012 年，我国汽车产业用纺织品近 ． 73 万 t，平均每辆车要消耗 10 ～ 15 kg 的纤维品，一辆中档汽车需用 10 m2装饰面料及 8． 5 m2地毯面料1。我国汽车用纺织品市场发展不过 20 年，但其巨大的市场潜力正逐年显现，相对于微利的纺织行业，汽车用纺织品的利润水平远高于纺织业平均利润水平2。汽车座椅面料大多采用火焰复合法，即以面单层面料、聚氨酯海绵层和薄型底布为原料，经火焰复合机复合3而成。尽管火焰复合法存在一些缺点，但因其具有产量高、耐洗性好、改善面料性能等优点，仍被广泛使用。东华大学金梁英4提出，火口工艺5、复合速度、轧距、张力等影响复合效果。不同的层面料、海绵和底布也会影响面料的最终性能，但是这方面的研究却不多。本文利用垂直燃烧测试法及热重分析仪、DSC 研究 3 种单层面料、2 种两层面料和 1 种 3 层面料的燃烧性能及热稳定性能。

1 试验材料、仪器和测试方法1． 1 试验材料本实验旷达汽车座椅面料面料有限公司提供的底布、海绵、黑布( 层涤纶面料，机织纯涤纶面料，经纬向同) 、底二层( 上述底布与海绵的复合物) 、黑二层( 上述黑布与海绵的复合物) 、黑三层( 上述黑布、海绵、底布的复合物) 共 6 种。6 种面料的基本规格见试验仪器和测试方法( 1) 试验仪器。本实验采用的主要仪器有 209F1 型热重分析仪( 以 10℃ / min 的升温速率从 50℃ 升至 600℃) ，TM3000 DSC 分析仪( 室温至 300℃，升温速率 20℃ /min) ，YG815B 垂直法面料阻燃性能测试仪( 点火时间 12 s) 。( 2) 测试方法。按 GB /T 5455–1977《纺织品 燃烧性能测试 垂直法》对 6 种面料( 包括海绵) 的续燃时间、阴燃时间和损毁长度进行了测试。评级标准: B1为损毁长度不大于 15 cm，续燃时间不长于 5 s，阴燃时间大于 5 s; B2 级为损毁长度不大于20 cm，续燃时间不大于 10 s，阴燃时间不大于 10 。用差热分析法测试 6 种面料( 含海绵) 的热熔过程，热重法分析 6 种面料( 含海绵) 的分解过程。2 结果与分析2． 1 汽车座椅面料的垂直燃烧性能采用垂直燃烧法测得 6 种面料经纬方向的续燃时间、损毁长度如 2 所示。比较相关数据，可知: 海绵和底布复合的过程中，海绵、底布、底二层的续燃时间均为 0 s，即点火时间结束，火焰移开后，直接熄灭; 但是就损毁长度而言，底布经纬向的损毁长度达 15 cm 左右，海绵在 10 ～ 11cm，复合后底二层的损毁长度也在 10 ～ 11 cm，与海绵较为接近。3 种面料之所以续燃时间为 0，是因为在点火时间内，它们更多的是熔缩，与火焰距离近的面料受热熔融，熔融区域下宽上窄，呈抛物线状。抛物线的面积较大时，火焰产生的热量不足以使面料熔融，而非燃烧，且熔缩的长度和面积又较大，以至于在点火时间内火焰的外焰已经接触不到面料。因此，在评价燃烧性能时，面料的损毁长度参考性更强。比较损毁长度，可以认为底布和海绵复合后，底二层的烧性能优于底布，与海绵的燃烧性能相似。由试验现象可见: 点火时间结束后，面料上存在火焰; 在续燃时间 14 s 以内，火焰主要向上蔓延; 随着时间增加，损毁长度增大，14 s 以后，火焰开始变小，不再向上燃烧，而是向下蔓延，火势很小; 随着时间增加，损毁长度几乎没有变化。再结合海绵、底布的熔缩情况，在评价面料燃烧性能时，应主要依据损毁长度。比较黑布、海绵、黑三层 3 种面料的损毁长度，可以得到以下结论: 黑布与海绵复合后，阻燃性能有所提高; 黑二层与底布复合后，损毁长度有少量降低。结合试验现象，面料背面没有复合底布时，背面面料在损毁长度的上方，存在被火熏黑且部分熔融的相对完好的面料; 复合底布后，这种现象出现弱化。笔者认为，底布虽然在复合物中所占质量比不大，但是它能适当地减慢海绵的熔缩，并在黑二层与底布复合后，使损毁长度下降。2． 2 6 种面料的 TG 分析面料在升温过程中会存在分解，为了分析这些分解过程造成的质量变化，对 9 种面料进行热重分析。本分析采用氮气保护，从室温 30℃以每分钟 10℃ 的升温速率升到 600℃，并测得 9 种面料的热重曲线。( 1) 海绵、底布与底二层的 TG 分析。经测试，得出海绵、底布、海绵底布复合物的热重曲线见 1。3种面料的 TG 比较见 3。 1 海绵、底布、底二层 TG 曲线比较 3 海绵、底布、海绵底物的复合物 3 种面料的 TG 比较项目 海绵 底布 底二层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 终止 389． 4 441． 3 437． 4从 1 可以看出，3 种面料在氮气保护下自 30℃升温到 600℃的过程中，都存在明显分解和质量损失过程。从 1 中可以看出，600℃时海绵最后的残余率约为 1． 7% ，底布的残余率约为 12% ，两者的复合物总的残余物约为 13． 02% ，大约等于两者之和。底二层的分解速率介于底布和海绵之间，且分解曲线形状与海绵较为相似，两者分解 5% 时的温度极为接近，分解 10% 时的温度仅差 5℃，在温度大于260℃ 之后，两者的分解情况差异才越来越大，温度大于 380℃以后，底二层的分解曲线与底布更为相似。比较海绵和底布两种单层面料的分解曲线和分解温度情况可知，底布大约在 380℃ 才开始分解，而海绵在此温度时分解已经基本完成，残余率已经基本稳定。故在温度低于 380℃ 时，复合物的分解曲线与海绵较为相似，之后的分解曲线则与海绵更为相似。这同样也可以解释复合物的终止分解温度为什么比较接近涤纶底布的终止分解温度。由上文的面料质量测试可知，单层海绵 10 cm ×10 cm 的质量为 1． 29 g，而同样面积的底布质量仅为0． 45 g，底二层的质量为 1． 59 g，假设海绵和底布两者在复合时仍然保持未复合时的质量比例，则复合后海绵占底二层的质量比例约为 81% ，底布仅为 19% ，因此认为，在温度低于底布的分解温度时，整个底二层的分解速率取决于底二层中海绵的分解况。由于复合过程中海绵的质量除了热熔外，还存在和底布样的形变，故在底二层中海绵的实际比例是低于 81% 的。故当单层海绵的分解速率与底二层中海绵成分的分解速率相同时，两者的质量损失速率将因约占底二层质量 19% 的底布还未开始分解而有所不同，现为底二层的分解速率小于单层海绵的分解速率。底布和海绵复合后，初始分解温度降低，分解温度范围变大，终止分解温度及残余物与底布较为接近。4 种面料的热重曲线见 2，黑布、海绵和黑二层、第三层的 TG 分析见 4。 2 海绵、黑布、黑二层、黑三层等面料的 TG 曲线比较从 2 可见，4 种面料在氮气保护下自 30℃ 升温到 600℃的过程中，都存在明显分解和质量损失过程。 4 海绵、黑布、黑二层、黑三层 4 种面料的 TG 比较项目 底布 海绵 黑布 黑二层 黑三层中可以看出，600℃ 时底布的残余率约为12% ，海绵的残余率约为 1． 7% ，黑布的残余率约为14% ，黑二层的残余物约为 7． 08% ，黑三层的残余率约为 7． 56% 。比较分解速率，黑二层、黑三层的分解速率介于黑布和海绵之间，且分解曲线形状与海绵较为相似; 黑二层、黑三层质量损失率在 5% 时的温度与海绵较为接近，分解10% 时的温度差已大于 10℃; 黑二层、黑三层的分解曲线在整个分解过程中一直较为接近，黑布的分解速率最大，相同的质量损失率，黑布的分解温度大于黑二层和黑三层; 分解终止时，黑布和黑二层、黑三层三者终止分解温度几乎相同，但是黑二层和黑三层的残炭率远小于黑布的残炭率，说明黑布和海绵、底布等复合后，热稳定性有所降低。2． 3 6 种面料的 DSC 分析在空气氛围中由 50℃ 以 20℃ /min 的升温速率升至 300℃，进行 DSC 分析。海绵、底布、底二层的 DSC曲线见 3，分析见 5。 3 海绵、底布、底二层的 DSC 曲线比较 5 海绵、底布、底二层面料的 DSC 分析项目 海绵 底布 底二层5 可知，海绵、底布、底二层的初始融化温度分别为 227． 47℃、247． 02℃、246． 86℃，底二层的初始熔融温度大于海绵约20℃，小于底布不到 1℃。这充分说明了复合之后，底二层初始熔融的温度升高，耐热性能有较大的提高。从 5 可以看出，海绵、底布、底二层三者的熔融峰值分别为 257． 94℃、252． 30℃、252． 0℃，相差不大，三者的终止分解温度分别为 276． 76℃、254． 70℃、253． 97℃ ，两组数据都说明复合后熔融峰值和终止分解温度与底布较为接近，尤其在温度为 250℃ 附近时。此外，可以看出，底布和底二层的熔融区峰值明显，而海绵的熔融曲线则宽而胖，熔融峰不太明显。这与海绵是由软段、硬段等不同组分组成有关，而底布则是由聚酯材料纺制而成，所以熔融峰较为明显。三者的焓变存在明显差异，底二层起始分解温度、终止分解温度相差较小，且峰值也小，所以焓变值最低。从受热熔融角度来讲，底布和海绵复合后，热学性能降低，熔融需要的热量降低。海绵、黑布、黑二层、黑三层面料的DSC 曲线见 4。分析见 6。 4 海绵、黑布、黑二层、黑三层面料的 DSC 曲线比较 6 海绵、底布、黑布、黑二层、黑三层面料的 DSC 对比项目 海绵 底布 黑布 黑二层 黑三层可以看出，海绵、底布、黑布、黑二层、黑三层的 初 始 融 化 温 度 分 别 为 227． 47℃、247． 02℃、250． 89℃ 、243． 93℃ 、243． 75℃ ，黑二层、黑三层的初始熔融温度较为接近，且大于海绵的初始熔融温度，复合物的初始熔融温度大于海绵约 20℃小于底布不到1℃ 。这说明了复合之后，复合物开始熔融的温度升高，耐热性能有较大的提高。黑二层、黑三层的熔融峰值、终止熔融温度、熔融过程中的焓变值几乎一样，两者的指标略小于底布和黑布，显著小于海绵，可以认为海绵的加入使得复合面料的热学性能偏离了涤纶的性质。3 结 语( 1) 通过垂直燃烧实验，得出海绵和底布复合后，底二层的损毁长度和续燃时间与海绵较为接近; 黑布与海绵复合后，阻燃性能有所提高，黑二层与底布复合，损毁长度有少量降低。( 2) 热重分析证明，底布和海绵复合后，初始分解温度降低，分解温度范围变大，终止分解温度及残余物与底布较为接近黑布和海绵、底布等复合后，热稳定性有所降低。( 3) 从受热熔融角度来讲，底布和海绵复合后，热学性能降低，熔融需要的热量降低; 因为海绵的加入，黑布和海绵、底布的复合物的热学性能偏离了涤纶的性质