CN103857837B - 具有优异的防电弧性的高回潮率纱线、织物、和服装 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有高回潮率的纱线，其用于在防电弧和防火焰中使用，以及包含所述纱线的织物和服装。所述纱线具有纤维共混物，其包括10至40重量％的具有至少20％结晶度的间位芳族聚酰胺纤维，20至60重量％的变性聚丙烯腈纤维，15至45重量％的阻燃人造丝纤维，和(d)5至20重量％的对位芳族聚酰胺纤维；所述重量百分比以这些组分的总重量计。如果需要，所述纱线中1至3重量％的对位芳族聚酰胺纤维可被防静电纤维替换，只要存在至少5重量％的对位芳族聚酰胺纤维。

Description

具有优异的防电弧性的高回潮率纱线、织物、和服装
背景技术
1.技术领域。本发明涉及混纺纱，其用于生产具有改善的舒适度(由于其高回潮率)和优异的防电弧性的组合的织物。本发明还涉及用此类织物生产的服装。
2.背景技术。授予Zhu等人的美国专利7,348,059公开了用于在防电弧和防火焰中使用的织物及服装的变性聚丙烯腈／芳族聚酰胺纤维共混物。此类共混物具有高含量(40-70重量％)的变性聚丙烯腈纤维和低含量(10-40重量％)的具有至少20％结晶度的间位芳族聚酰胺纤维、以及对位芳族聚酰胺纤维(5-20重量％)。由此类共混物制成的织物和服装提供了对电弧及暴露于暴燃至多3秒钟的防护。
授予Zhu的美国专利申请公布US2005／0025963公开了由下列各项的共混物制成的防火共混物、纱线、织物及衣物制品：10-75份的至少一种芳族聚酰胺人造短纤维、15-80重量份的至少一种变性聚丙烯腈人造短纤维、以及5-30重量份的至少一种脂族聚酰胺人造短纤维。该共混物将不会提供186.5至237克／平方米(5.5至7盎司／平方码)范围内的用于织物的2类电弧等级，这是由于该共混物中易燃的脂族聚酰胺纤维的高比例。
授予Lovasic等人的美国专利7,156,883公开了包括非晶形间位芳族聚酰胺纤维、晶形间位芳族聚酰胺纤维和阻燃纤维素纤维的纤维共混物、织物和防护服，间位芳族聚酰胺纤维为50至85重量％，其中三分之一至三分之二的间位芳族聚酰胺纤维为非晶形的且三分之二至三分之一的间位芳族聚酰胺纤维为晶形的。此外，由这些共混物制备的织物将不会提供186.5至237克／平方米(5.5至7盎司／平方码)范围内的用于织物的2类电弧等级。
授予Zhu的美国专利申请公布US2010／0299816公开了用于改善的防暴燃和优异的防电弧的晶形间位芳族聚酰胺共混物。基本上由(a)50-60重量％的具有至少20％结晶度的间位芳族聚酰胺纤维、(b)31-39重量％的变性聚丙烯腈纤维、和(c)5-15重量％的对位芳族聚酰胺纤维组成，所述重量百分比以组分(a)、(b)、和(c)的总重量计。在一些实施例中，1-3重量％的间位芳族聚酰胺纤维被防静电纤维替换，前提条件是保持至少50重量％的间位芳族聚酰胺纤维。服装提供热保护使得穿着者根据ASTM F1930暴露于暴燃4秒钟时将经历小于65％的预测身体烧伤，同时根据ASTM F1959和NFPA70E保持2类电弧等级。同时具有期望的电弧和暴燃性能的织物基重为135g／m2(4盎司／平方码)或更大。
授予Zhu的美国专利7,744,999涉及用于在防电弧和防火焰中使用的纱线、以及由该纱线制成的织物和服装，所述纱线基本上由(a)50-80重量％的具有至少20％结晶度的间位芳族聚酰胺纤维、(b)10-30重量％的变性聚丙烯腈纤维、(c)5-20重量％的对位芳族聚酰胺纤维、以及(d)1-3重量％的防静电纤维组成，所述重量百分比以组分(a)、(b)、(c)和(d)的总重量计。织物和服装的基重在186.5-237克／平方米(5.5-7盎司／平方码)的范围内。在一个实施例中，由所述纱线制成的服装提供热保护使得穿着者根据ASTM F1930暴露于暴燃4秒钟时将经历小于65％的预测身体烧伤，同时保持2类电弧等级。
遗憾的是，前述提供最好防护的织物趋于具有较低的回潮率并因此可能在某些环境下是相对不舒适的。经设计用于个人防电弧的服装仅当个人在危险环境中穿着时有用。如果服装是不舒适的，个人更可能冒着受伤的风险而不穿着防护服装。因此防电弧服装舒适度的任何改善是受欢迎的。
发明内容
本发明涉及用于在防电弧和防火焰中使用的纱线，该纱线基本上由(a)10至40重量％的具有至少20％结晶度的间位芳族聚酰胺纤维，(b)20至60重量％的变性聚丙烯腈纤维，(c)15至45重量％的阻燃人造丝纤维，和(d)5至20重量％的对位芳族聚酰胺纤维组成；所述重量百分比以组分(a)、(b)、(c)、和(d)的总重量计。
本发明也涉及适于在防电弧和防火焰中使用的织物，所述织物包含纱线，所述纱线基本上由(a)10至40重量％的具有至少20％结晶度的间位芳族聚酰胺纤维，(b)20至60重量％的变性聚丙烯腈纤维，(c)15至45重量％的阻燃人造丝纤维，和(d)5至20重量％的对位芳族聚酰胺纤维组成，所述重量百分比以组分(a)、(b)、(c)、和(d)的总重量计；所述织物具有在135-407克／平方米(4-12盎司／平方码)范围内的基重。
本发明还涉及适于在防电弧和防火焰中使用的服装，所述服装包含织物，所述织物基本上由(a)10至40重量％的具有至少20％结晶度的间位芳族聚酰胺纤维，(b)20至60重量％的变性聚丙烯腈纤维，(c)15至45重量％的阻燃人造丝纤维，和(d)5至20重量％的对位芳族聚酰胺纤维组成，所述重量百分比以组分(a)、(b)、(c)、和(d)的总重量计；所述织物具有在150-339克／平方米(4.5-10盎司／平方码)范围内的基重。
具体实施方式
本发明涉及由纤维共混物制成的纱线，其当制成织物和服装时具有优异的防电弧性，同时也具有高回潮率。这种高回潮率转化为对穿着者改善的舒适度。具体地，本发明涉及用于在防电弧和防火焰中使用的纱线，该纱线基本上由(a)10至40重量％的具有至少20％结晶度的间位芳族聚酰胺纤维，(b)20至60重量％的变性聚丙烯腈纤维，(c)15至45重量％的阻燃人造丝纤维，和(d)5至20重量％的对位芳族聚酰胺纤维组成；所述重量百分比以组分(a)、(b)、(c)、和(d)的总重量计。
在一些优选的实施例中，纱线基本上由(a)20至30重量％的具有至少20％结晶度的间位芳族聚酰胺纤维，(b)40至50重量％的变性聚丙烯腈纤维，(c)15至25重量％的阻燃人造丝纤维，和(d)5至15重量％的对位芳族聚酰胺纤维组成；所述重量百分比以组分(a)、(b)、(c)、和(d)的总重量计。如果需要，纱线中1至3重量％的对位芳族聚酰胺纤维可被包含碳或金属的防静电纤维替换，前提条件是在纱线中保持至少5重量％的间位芳族聚酰胺纤维。换句话讲，如果使用防静电纤维，则其用量为1至3重量％并且(d)的重量％变为5至最多19重量％的对位芳族聚酰胺纤维。
上述百分比以四种所述组分计，即基于纱线中这四种所述组分的总重量计。如果在纱线中包括防静电纤维，上述百分比以四种所述组分和防静电纤维计。所谓的“纱线”是指纺丝或加捻在一起以形成连续股线的纤维集合，所述股线可用于编织、针织、编结、或编辫、或换句话讲制备成纺织材料或织物。在一些优选的实施例中，纤维是短纤维。
在一些优选的实施例中，纱线具有按重量计至少3％的回潮率，并且在一些实施例中纱线具有按重量计至少4％的回潮率。在一些实施例中，纱线具有按重量计至少5％的回潮率。据信在纤维共混物中使用阻燃人造丝向纱线中加入了具有高回潮率的纤维组分，其赋予由包含所述纱线的织物制成的服装的穿着者更大的舒适性。由阻燃人造丝纤维制成的织物尽管具有良好的阻燃性能和暴燃性能，但是并未已知具有最高的电弧性能。令人吃惊的是，已发现如果阻燃人造丝纤维与变性聚丙烯腈纤维以受权利要求书保护的百分比混合在共混物中，则可获得既具有改善的回潮率又具有舒适性的织物和服装同时保持高的电弧等级性能、高的阻燃性、以及在某些情况下改善的暴燃性能。
如本文所用，“芳族聚酰胺”是指如下聚酰胺，其中至少85％的酰胺(-CONH-)连接基直接连接到两个芳族环。可将添加剂与芳族聚酰胺一起使用，并且实际上已发现，可将多达10重量％的其它聚合材料与芳族聚酰胺共混，或者可使用共聚物，所述共聚物具有多达10％的替代芳族聚酰胺二胺的其它二胺，或多达10％的替代芳族聚酰胺二酰氯的其它二酰氯。合适的芳族聚酰胺纤维在Man-Made Fibers--Science and Technology，第2卷，标题为“Fiber-Forming Aromatic Polyamides”的部分，第297页，W.Black等人，IntersciencePublishers，1968中有所描述。芳族聚酰胺纤维也公开在美国专利4,172,938；3,869,429；3,819,587；3,673,143；3,354,127；和3,094,511中。间位芳族聚酰胺为其中酰胺键相对于彼此处于间位的那些酰胺，而对位芳族聚酰胺为其中酰胺键相对于彼此位于对位的那些酰胺。最常用的酰胺为聚(间苯二甲酰间苯二胺)和聚对苯二甲酰对苯二胺。
当在纱线中使用时，间位芳族聚酰胺纤维提供极限氧指数(LOI)为约26的阻燃炭化纤维。间位芳族聚酰胺纤维还阻止由于暴露于火焰而对纱线的损伤传播。由于间位芳族聚酰胺纤维在模量和伸长物理特性之间的平衡，其还提供用于单层织物服装的舒适织物，所述单层织物服装旨在作为常规衬衫、裤子和连衣工作服形式的工作服穿用。纱线具有至少10重量％的间位芳族聚酰胺纤维。在一些优选的实施例中，纱线具有至少20重量％的间位芳族聚酰胺纤维。在一些实施例中，间位芳族聚酰胺纤维优选的最大量为30重量％或更小；然而，也可利用高达40重量％的量。
所谓阻燃人造丝纤维是指具有一种或多种阻燃剂并具有至少2克／旦尼尔的纤维拉伸强度的人造丝纤维。包含聚硅酸形式的二氧化硅作为阻燃剂的纤维素纤维或人造丝纤维明确排除在外，这是由于此类纤维具有较低的纤维拉伸强度。此外，尽管此类纤维为良好的成炭剂，但是相对而言它们的垂直燃烧性能劣于包含磷化合物或其它阻燃剂的纤维。
人造丝纤维为本领域所熟知的，并且为一般由再生纤维素组成的人造纤维，此外还具有其中取代基已取代羟基中不超过15％的氢的再生纤维素。它们包括由粘胶法、铜氨法、以及现在已废弃的硝化纤维法和皂化醋纤法制成的纱线；然而在一个优选的实施例中利用粘胶法。一般来讲，人造丝由木浆、棉短绒、或溶解于粘胶纺丝溶液中的其它植物性物质获得。将溶液挤出为酸盐凝固浴并拉伸成连续长丝。多组这些长丝可形成纱线或者切割成短纱并进一步加工成短纤纱。如本文所用，人造丝纤维包括已知为lyocell纤维的那些。
阻燃剂可如下掺入人造丝纤维中：将阻燃剂化学物质加入纺丝溶液中并将阻燃剂纺丝到人造丝纤维中，用阻燃剂涂覆人造丝纤维，使人造丝纤维接触阻燃剂并使纤维吸收阻燃剂，或者通过使阻燃剂掺入人造丝纤维中或掺入有人造丝纤维的任何其它方法。一般来讲，包含一种或多种阻燃剂的人造丝纤维命名为“FR”，其用于阻燃剂。在一个优选的实施例中，阻燃人造丝具有纺入的阻燃剂。
阻燃人造丝具有高回潮率，其向织物提供舒适性组分。据信纱线应具有至少15重量％的阻燃人造丝以提供织物中的改善舒适性。此外，尽管更大百分比的阻燃人造丝可提供甚至更大的舒适性，但是据信如果阻燃人造丝的量在纱线中超过约45重量％，则织物可具有将超过任何舒适性改善的负面性能间题。在一些优选的实施例中，阻燃人造丝纤维以15-25重量％的量存在于纱线中。
阻燃人造丝纤维可含有多种可商购获得的阻燃剂中的一种或多种；包括例如某些磷化合物如购自Sandoz的Sandolast等。尽管多种化合物可用作阻燃剂，但是在一个优选的实施例中，阻燃剂基于磷化合物。有用的阻燃人造丝纤维以商品名DFG“Flame-resistant viscose rayon”购自Daiwabo Rayon Co.，Ltd.(Japan)。另一种有用的阻燃人造丝纤维以商品名Viscose FR购自Lenzing AG(也已知为购自LenzingFibers，Austria)。
所谓变性聚丙烯腈纤维是指由主要包含丙烯腈的聚合物制成的丙烯酸类合成纤维。优选地，聚合物为包含30至70重量％的丙烯腈和70至30重量％的含卤素乙烯基单体的共聚物。所述含卤素乙烯基单体为至少一种选自例如氯乙烯、偏二氯乙烯、溴乙烯、偏二溴乙烯等的单体。可共聚乙烯基单体的例子为丙烯酸、甲基丙烯酸、此类酸的盐或酯、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、乙酸乙烯酯等。
优选的变性聚丙烯腈纤维为与偏二氯乙烯组合的丙烯腈共聚物，所述共聚物还具有用于改善的阻燃性的氧化锑或锑氧化物。此类可用的变性聚丙烯腈纤维包括但不限于如美国专利3,193,602中所公开的具有2重量％三氧化锑的纤维，如美国专利3,748,302中所公开的由含量为至少2重量％并且优选不大于8重量％的各种氧化锑制得的纤维，以及如美国专利5,208,105&5,506,042中所公开的具有8至40重量％锑化合物的纤维。
取决于掺杂锑衍生物的含量，纱线内的变性聚丙烯腈纤维提供具有通常至少28的极限氧指数的阻燃炭化纤维。变性聚丙烯腈纤维还阻止由于暴露于火焰而对纱线的损伤传播。尽管高度阻燃，但是变性聚丙烯腈纤维本身向纱线或由纱线制成的织物提供的拉伸强度不足以在暴露于电弧时提供期望的抗裂开程度。其本身也不提供按照ASTM D6413测试方法根据NFPA2112或ASTM F1506要求所述的足够的炭化性能。纱线具有至少20重量％的变性聚丙烯腈纤维，并且在一些优选的实施例中，纱线具有40至50重量％的变性聚丙烯腈纤维。在一些实施例中，变性聚丙烯腈纤维优选的最大量为60重量％。
在一些优选的实施例中，间位芳族聚酰胺纤维具有在约20％至50％范围内的结晶度。间位芳族聚酰胺纤维向纱线或由纱线制成的织物提供附加拉伸强度。变性聚丙烯腈纤维与间位芳族聚酰胺纤维的组合高度阻燃，但是向纱线或由纱线制成的织物提供的拉伸强度不足以在暴露于电弧时提供期望的抗裂开程度。
间位芳族聚酰胺纤维具有某一最小结晶度以实现防电弧方面的改善。间位芳族聚酰胺纤维的结晶度为至少20％并且更优选至少25％。为了便于形成最终纤维而例证起见，结晶度的实际上限为50%(尽管认为较高的百分比是合适的)。一般来讲，结晶度将在25%至40%的范围内。具有该结晶度的商业间位芳族聚酰胺纤维的例子是购自E.I.du Pont deNemours＆Company，Wilimington，Delaware的T-450。
间位芳族聚酰胺纤维的结晶度通过两种方法中的一种来确定。第一种方法用于无空隙纤维而第二种方法用于并非完全不含空隙的纤维。
间位芳族聚酰胺的结晶度百分数在第一种方法中通过首先利用优良的、基本上无空隙的样本产生用于结晶度的线性校准曲线来确定。就此类无空隙样本而言，比体积(1/密度)可利用两相模型与结晶度直接相关。样本的密度在密度梯度柱中测量。测量通过x-射线散射方法确定为非结晶的间位芳族聚酰胺膜并发现其具有1.33569/cm3的平均密度。然后根据x-射线晶胞的尺寸测得的完全结晶间位芳族聚酰胺样品的密度为1.4699g/cm3。一旦建立了这些0%和100%的结晶度端点，任何已知密度的非空自实验样品的结晶度可根据这一线性关系进行测定:
由于许多纤维样本并非完全不含空隙，因此拉曼光谱为测定结晶度的优选方法。由于拉曼测量对空隙度不敏感，因此1650-1cm处的羰基伸缩的相对强度可用于确定任何形式的间位芳族聚酰胺的结晶度，而与是否存在空隙无关。为了实现该目的，结晶度与1650cm-1处的羰基伸缩强度(归一化为1002cm-1处的环拉伸模式强度)之间的线性关系利用最小空隙样本形成，所述样本的结晶度由如上所述的密度测量预先确定并已知。建立取决于密度校准曲线的以下经验关系，以便利用Nicolet型910FT-拉曼光谱确定结晶度百分数:
其中I(1650cm-1)为间位芳族聚酰胺样本在该点处的拉曼强度。利用该强度由以上公式计算实验样本的结晶度百分数。
当由溶液纺丝、骤冷并利用低于玻璃化转变温度的温度干燥而无附加热量或化学处理时，间位芳族聚酰胺纤维仅形成较小的结晶度含量。当利用拉曼散射技术测量纤维的结晶度时，此类纤维具有小于15％的结晶度百分数。这些具有低结晶度的纤维被认为是可通过利用热或化学装置结晶的非晶形间位芳族聚酰胺纤维。结晶度含量可通过在聚合物的玻璃化转变温度或该温度之上进行热处理而增加。此类加热通常通过用处于张力下的加热辊接触纤维而施加，所述接触的时间足以向纤维赋予期望的结晶度含量。
间位芳族聚酰胺纤维的结晶度含量可通过化学处理增加，并且在一些实施例中，这包括在纤维掺入到织物中之前对其着色、染色或假染色的方法。一些方法公开于例如美国专利4,668,234；4,755,335；4,883,496；和5,096,459中。也已知用作染料载体的染料助剂可用于帮助提高芳族聚酰胺纤维的染料着色。有用的染料载体包括芳基醚、苄醇、苯乙酮、以及它们的混合物。
将对位芳族聚酰胺纤维加入纱线中可为由所述纱线形成的织物提供火焰暴露后某种附加的耐收缩及裂开。纱线中较大量的对位芳族聚酰胺纤维可使得包含该纱线的服装令穿着者不舒适。纱线具有5至20重量％的对位芳族聚酰胺纤维，并且在一些实施例中，纱线具有5-15重量％的对位芳族聚酰胺纤维。
由于静电放电会对用敏感电器或近易燃蒸气工作的工作者有害，因此纱线、织物或服装任选地包含防静电组分。例证性的例子为钢纤维、碳纤维或与现有纤维组合的碳。如果加入纱线中，则防静电组分以总纱线的1至3重量％的量存在，其替换相似量的对位芳族聚酰胺纤维，前提条件是在纱线中保持至少5重量％的对位芳族聚酰胺纤维。如果使用防静电组分，则对位芳族聚酰胺纤维的最大量为19重量％。
美国专利公开4,612,150(授予De Howitt)和美国专利公开3,803453(授予Hull)描述了尤其有用的导电纤维，其中炭黑分散在热塑性纤维内，向纤维提供防静电的电导系数。优选的防静电纤维为碳芯尼龙外皮纤维。防静电纤维的使用提供具有减少的静电倾向、并因此具有减少的表观电场强度和令人讨厌的静电的纱线、织物和服装。
短纱可通过纺纱技术来制备，所述技术例如但不限于环锭纺纱、包芯纺纱和气流喷射纺纱，所述气流喷射纺纱包括气流纺纱技术例如村田气流喷射纺纱，其中空气用于将短纤维合股成纱线，前提条件是所需的结晶度存在于最终纱线中。如果制备的是单股纱，则优选随后将它们合股在一起以在转化为织物之前形成包括至少两股单股纱的合股加捻纱。作为另外一种选择，复丝连续长丝纱线可用于制备织物。
本发明也涉及适于在防电弧和防火焰中使用的织物，所述织物基本上由(a)10至40重量％的具有至少20％结晶度的间位芳族聚酰胺纤维，(b)20至60重量％的变性聚丙烯腈纤维，(c)15至45重量％的阻燃人造丝纤维，和(d)5至20重量％的对位芳族聚酰胺纤维组成，所述重量百分比以组分(a)、(b)、(c)、和(d)的总重量计；所述织物具有在135-407克／平方米(4-12盎司／平方码)范围内的基重。在一些优选的实施例中，纱线基本上由(a)20至30重量％的具有至少20％结晶度的间位芳族聚酰胺纤维，(b)40至50重量％的变性聚丙烯腈纤维，(c)15至25重量％的阻燃人造丝纤维，和(d)5至15重量％的对位芳族聚酰胺纤维组成；所述重量百分比以组分(a)、(b)、(c)、和(d)的总重量计。如果需要，纱线中1至3重量％的对位芳族聚酰胺纤维可被包含碳或金属的防静电纤维替换，前提条件是在纱线中保持至少5重量％的对位芳族聚酰胺纤维。换句话讲，如果使用防静电纤维，则其用量为1至3重量％并且(d)的重量％变为5至最多19重量％的对位芳族聚酰胺纤维。上述百分比以四种所述组分计，即以纱线中这四种所述组分的总重量计。如果在纱线中包含防静电纤维，则上述百分比以四种所述组分和防静电纤维计。在一些优选的实施例中，纱线中的间位芳族聚酰胺纤维具有在约20％至50％范围内的结晶度。如同此前描述的纱线一样，在一些优选的实施例中，通过使用阻燃剂人造丝作为纤维组分，织物具有按重量计至少3％的回潮率，并且在一些实施例中织物具有按重量计至少4％的回潮率。在一些实施例中织物具有按重量计至少5％的回潮率。
为了提供对由电弧造成的高强度热应力的保护，希望由该织物形成的防电弧织物和服装具有例如以下特征：用于阻燃性的超过空气中氧浓度的极限氧指数(即，大于21并优选大于25)，指示对织物的缓慢损伤扩散的短炭化长度(charlength)，以及良好的抗裂开性以阻止入射能量直接冲击在防护层之下的表面上。
在一些优选的实施例中，织物具有根据ASTM D-6413-99的小于6英寸的炭化长度。炭化长度为纺织品的阻燃性的量度。炭化定义为由于高温分解或不完全燃烧形成的碳质残渣。在ASTM6413-99测试条件下的织物的炭化长度定义为直接暴露于火焰的织物边缘距已施加具体的扯开力之后的可见织物损伤的最远点之间的距离。
如说明书和所附权利要求中所用，术语织物是指已利用一种或多种不同类型的上述纱线织造、针织或换句话讲集合的期望保护层。优选的实施例为机织物，并且优选的编织物为斜纹织。
在一些优选的实施例中，织物具有用基重归一化的至少1.2卡路里／平方厘米／每盎司／平方码(0.148焦耳／平方厘米／每克／平方米)的抗电弧性。在一些实施例中，用基重归一化的织物抗电弧性可为1.5卡路里／平方厘米／每盎司／平方码(0.185焦耳／平方厘米／每克／平方米)或更大。
具有如上所述比例的间位芳族聚酰胺纤维、阻燃人造丝纤维、变性聚丙烯腈纤维、对位芳族聚酰胺纤维、以及任选的防静电纤维的纱线排他性地存在于织物中。在机织物的情况下，所述纱线既用于织物的经纱中，也用于纬纱中。如果需要，纱线中的间位芳族聚酰胺纤维、阻燃人造丝纤维、变性聚丙烯腈纤维、对位芳族聚酰胺纤维和防静电纤维的相对含量可改变，只要纱线组成落在此前描述的范围内。
用于制备织物的纱线基本上由此前描述的间位芳族聚酰胺纤维、阻燃人造丝纤维、变性聚丙烯腈纤维、对位芳族聚酰胺纤维和防静电纤维以所述比例组成，而不包括任何其它附加热塑性或可燃性纤维或材料。诸如聚酰胺或聚酯纤维的其它材料和纤维向纱线、织物及服装提供可燃性材料，并且据信影响服装的暴燃性能。
本发明还涉及适于在防电弧和防火焰中使用的服装，所述服装包含织物，所述织物基本上由(a)10至40重量％的具有至少20％结晶度的间位芳族聚酰胺纤维，(b)20至60重量％的变性聚丙烯腈纤维，(c)15至45重量％的阻燃人造丝纤维，和(d)5至20重量％的对位芳族聚酰胺纤维组成，所述重量百分比以组分(a)、(b)、(c)、和(d)的总重量计；所述织物具有在150-339克／平方米(4.5-10盎司／平方码)范围内的基重。在一些优选的实施例中，织物基本上由(a)20至30重量％的具有至少20％结晶度的间位芳族聚酰胺纤维，(b)40至50重量％的变性聚丙烯腈纤维，(c)15至25重量％的阻燃人造丝纤维，和(d)5至15重量％的对位芳族聚酰胺纤维组成；所述重量百分比以组分(a)、(b)、(c)、和(d)的总重量计。如果需要，织物中1至3重量％的对位芳族聚酰胺纤维可被包含碳或金属的防静电纤维替换，前提条件是在织物中保持至少5重量％的对位芳族聚酰胺纤维。换句话讲，如果使用防静电纤维，则其用量为1至3重量％并且(d)的重量％变为5至最多19重量％的对位芳族聚酰胺纤维。上述百分比以四种所述组分计，即以织物中这四种所述组分的总重量计。如果在织物中包括防静电纤维，则上述百分比为以四种所述组分和防静电纤维计。在一些优选的实施例中，织物中的间位芳族聚酰胺纤维具有在约20％至50％范围内的结晶度。如同此前描述的纱线和织物一样，在一些优选的实施例中，通过使用阻燃剂人造丝作为纤维组分，服装具有按重量计至少3％的回潮率，并且在一些实施例中服装具有按重量计至少4％的回潮率。在一些实施例中服装具有按重量计至少5％的回潮率。
暴燃中织物或服装的性能可利用ASTM F1930测试方案用装有仪器的人体模型来测量。人体模型穿有要测量的材料，随后暴露于来自喷焰器的火焰。分配在整个人体模型上的温度传感器测量人体模型经历的局部温度，所述温度将为人体在经受相同的火焰量时经历的温度。在给定的标准火焰强度下，可根据人体模型温度数据测定人将经受的烧伤程度(即二度烧伤、三度烧伤等)和人体烧伤百分比。较低的预测身体烧伤为实际火灾危险中的较佳服装保护的指示。
根据NFPA2112标准，暴燃防护服装所需的最低性能为3秒钟的火焰暴露下小于50％的身体烧伤。由于暴燃对于一些工业中的工作者为非常现实的威胁，并且不可能完全预料个人将吞没在火焰中多长时间，因此防护服装织物和服装的暴燃性能的任何改善有可能挽救生命。具体地讲，如果防护服装可提供对于超过3秒钟，例如4秒钟或更长的火焰暴露的增强的保护，这意指穿着者因某些防护具有附加的逃离危险的时间。暴燃代表工作者可能经历的最极端热威胁类型之一；此类威胁比简单暴露于火焰苛刻得多。
在织物重量小于6.5盎司／平方码时，由具有如此前描述的比例的间位芳族聚酰胺纤维、阻燃人造丝纤维、变性聚丙烯腈纤维、对位芳族聚酰胺纤维、和防静电纤维的纱线制成的服装向穿着者提供热保护，该热保护根据ASTM F1930等同于暴露于4秒钟火焰暴露时小于70％的预测身体烧伤，同时根据ASTM F1959和NFPA70E保持2类电弧等级。这相对暴露3秒钟时对穿着者小于50％的预测身体烧伤的最低标准为显著改善；就一些其它阻燃织物而言，烧伤相对于火焰暴露实质上基本呈指数变化。由服装提供的保护万一多一秒钟的火焰暴露时间，则很可能意味着生死之别。
对于电弧等级有两种常见的评级体系。全国消防协会(NFPA70E)具有4种不同的类别，其中1类具有最低电弧危害而4类具有最高危害。在NFPA70E体系下，类别1、2、3和4分别对应于4、8、25和40卡路里／平方厘米的织物防电弧性值。全国用电安全规程(NESC)也具有含有3种不同类别的评级体系，其中1类为最低危害而3类为最高危害。在NESC体系下，类别1、2、和3分别对应于4、8、和12卡路里／平方厘米的织物防电弧性值。因此，如按照标准测试方法ASTM F1959所测量的，具有8卡路里／平方厘米电弧等级的织物或服装可承受2类危害。
在一些优选的实施例中，服装由具有抗电弧性的织物制成，该织物具有用基重归一化的至少1.2卡路里／平方厘米／每盎司／平方码(0.148焦耳／平方厘米／每克／平方米)的抗电弧性。在一些实施例中，服装由具有抗电弧性的织物制成，该织物具有用基重归一化的至少1.5卡路里／平方厘米／每盎司／平方码(0.185焦耳／平方厘米／每克／平方米)或更大的抗电弧性。
据信在如此前描述的纱线、织物和服装中使用晶形间位芳族聚酰胺纤维不仅可提供暴燃中的改善性能，而且还导致显著降低的衣物收缩率。这种降低的收缩率以相同的织物计，其中唯一的区别是利用具有如上所示结晶度的间位芳族聚酰胺纤维，其与未被处理来增加结晶度的间位芳族聚酰胺纤维形成对比。就本文的目的而言，在用具有140°F的水温进行20分钟的洗涤循环后测量收缩率。优选的织物在10次洗涤循环后且优选25次循环后显示出5％或更小的收缩率。随着每单位面积的织物量增加，介于潜在危险与受保护对象之间的材料量增加。织物基重的增加导致增加的抗裂开、增加的热保护因子、以及增加的防电弧。然而，较轻重量的织物如何能够实现改善的性能并不明显。如此前所述的纱线使得在防护服装(尤其是更舒适的单一织物服装)中利用具有改善的性能的较轻重量的织物。同时具有期望的电弧和暴燃性能的织物的基重为186.5g／m2(5.5盎司／平方码)或更大，优选为200g／m2(6.0盎司／平方码)或更大。在一些实施例中，优选的最大织物基重为237g／m2(7.0盎司／平方码)。超过该最大值，单一织物服装中的较轻重量织物的舒适性有益效果据信会降低，这是由于据信较高基重的织物将显示出增加的硬度。
在一些优选的实施例中，织物用作防护服中的单层。在本说明书内，织物的保护能力值是针对织物的单层进行报导。在一些实施例中，本发明还包括由织物制成的多层服装。
在一些尤其有用的实施例中，具有如上所述比例的间位芳族聚酰胺纤维、阻燃人造丝纤维、变性聚丙烯腈纤维、对位芳族聚酰胺纤维、和防静电纤维的短纤纱可用于制作阻燃服装，其具有基本上一层由短纤纱制得的防护织物。示例性的此类服装包括消防人员或军事人员的连裤衫和连衣工作服。此类套装通常用于罩在消防人员服装之外，并且用于跳伞进入到某个区域以扑灭森林火灾。其它服装可包括在可能发生极度热事件的诸如化学处理工业或工业电气／电力环境下可穿着的裤子、衬衫、手套、袖套等。
测试方法
纱线、织物、和服装的回潮率根据ASTM测试方法D2654-89测定。
根据ASTM F-1959-99“测定服装材料电弧热性能值的标准试验方法”来测定织物的抗电弧性。
根据ASTM G-125-00“测量气体氧化剂中液体和固体材料着火极限的标准试验方法”来测定织物的限氧指数(LOI)。以体积百分比表示的氧和氮混合物中的最低氧浓度在ASTM G125／D2863条件下测定，所述混合物刚好可维持初始室温下的织物的有焰燃烧。
根据NFPA2112“工业人员阻暴燃型防火服标准”来测定织物的热保护性能。术语热保护性能(或TPP)涉及在织物暴露于直接火焰或热辐射时，织物向织物下的穿着者皮肤提供连续且可靠保护的能力。
根据ASTM F-1930利用装有仪器的热人体模型进行暴燃防护程度测试，所述热人体模型穿有由测试纤维制成的标准图案连衣工作服。
根据ASTM D-6413-99“Standard Test Method for Flame Resistance ofTextiles(垂直法)”来测定织物的炭化长度。
通过基于AATCC135方法的物理测量织物在一次或多次洗涤循环后的单位面积来确定收缩率。一次循环是指在具有140°F水温的工业洗涤剂中洗涤织物20分钟。
实例
为了示出本发明，提供了以下实例。除非另外指明，所有份数和百分比均按重量计且度数以摄氏度计。
实例1
该实例示出了具有与变性聚丙烯腈纤维、阻燃人造丝纤维、和对位芳族聚酰胺纤维组合的间位芳族聚酰胺纤维的纱线、织物和服装，所述间位芳族聚酰胺纤维具有至少20％的结晶度。制备耐用的电弧和热保护织物，其具有型300纤维、29纤维、DFG阻燃人造丝纤维、和变性聚丙烯腈纤维的紧密共混物的经纱和纬纱喷气短纤纱。型301纤维为具有33-37％的结晶度的聚(间苯二甲酰间苯二胺)(MPD-I)纤维。阻燃人造丝纤维可从Daiwabo Rayon Company商购获得。变性聚丙烯腈纤维是ACN／聚偏1，1-二氯乙烯共聚合物纤维，其具有6-8％的锑(已知以C市售)并购自KanekaCorporation。29纤维是聚(对苯二甲酰对苯二胺)(PPD-T)纤维。和纤维均购自E.I.du Pont de Nemours&Company。
制备具有23重量％的型300纤维、20重量％的阻燃人造丝纤维、10重量％的29纤维、45重量％的变性聚丙烯腈纤维、和2重量％的防静电P-140碳芯尼龙纤维(购自Invista)的清棉混纺条，并且利用棉纺系统加工和喷气纺丝机架制成短纤纱。所得纱线为20特(30棉纱支数)的单股纱。随后在合股机上将两股单股纱合股在一起以制备具有10转／英寸合股的双股纱线。
纱线随后用作织物的经纱和纬纱中，所述织物以2×1的斜纹构造在有梭织机上制造。本色的斜纹织物具有186.5g／m2(5.5盎司／平方码)的基重。本色的斜纹织物随后在热水中洗涤并利用碱性染料喷射染色并干燥。成品的斜纹织物具有每厘米31根经纱×16根纬纱(每英寸77根经纱×47根纬纱)的构造和203.4g／m2(6.0盎司／平方码)的基重。
将织物的一部分剪裁成多种形状，并且所述多种形状被缝合到一起以将织物转变成单层防护连衣工作服，用于暴露于电危害的那些情况。
期望电弧等级2的织物和服装通过装有仪器的热人体模型预测暴露4秒钟时的身体烧伤为小于70％。织物的一部分也根据ASTM测试方法D2654-89测定它的回潮率并且结果在表1中示出。
比较例A
重复实例1的方法以使用对比共混物A产生对比物织物，其由23重量％的间位芳族聚酰胺纤维、10重量％的对位芳族聚酰胺纤维、2％的防静电碳芯尼龙纤维、和65重量％的变性聚丙烯腈纤维的共混物组成。然后也根据ASTM测试方法D2654-89测试这种织物的回潮率，所得值在表1中示出。实例1的织物具有显著更好的回潮率，指示该织物将具有比由对比共混物A制成的织物改善的舒适度。
表1
比较例B-G
重复实例1的方法，不同的是附加的织物由对比共混物B至G制成，它们是间位芳族聚酰胺纤维、对位芳族聚酰胺纤维、变性聚丙烯腈纤维、和阻燃人造丝纤维的多种共混物，其量如表2中所示。然后测试这些织物中每一个的一部分的电弧性能，结果在表2中示出。
比较例A至E示出间位芳族聚酰胺、对位芳族聚酰胺、和变性聚丙烯腈纤维的共混物，其表现出良好的性能，但是不如实例1提供的协同共混物一样好。比较例F&G示出用阻燃人造丝纤维替换间位芳族聚酰胺纤维实际上减弱了电弧性能。没有比较例具有与实例1相当的电弧性能，其在它的组成中包含阻燃人造丝纤维和变性聚丙烯腈纤维两者。
表2

Claims (15)

1.用于在防电弧和防火焰中使用的纱线，其基本上由以下组成：
(a) 10至40重量%的间位芳族聚酰胺纤维，所述间位芳族聚酰胺纤维具有至少20%的结晶度；
(b) 20至60重量%的变性聚丙烯腈纤维；
(c) 15至45重量%的具有一种或多种阻燃剂并具有至少2克/旦尼尔的纤维拉伸强度的阻燃人造丝纤维；和
(d) 5至20重量%的对位芳族聚酰胺纤维；
所述重量百分比以组分(a)、(b)、(c)、和(d)的总重量计。
2.根据权利要求1所述的纱线，其中1至3重量%的所述对位芳族聚酰胺纤维被包含碳或金属的防静电纤维替换，前提条件是保持至少5重量%的对位芳族聚酰胺纤维。
3.根据权利要求1所述的纱线，其中所述间位芳族聚酰胺纤维具有在20%至50%范围内的结晶度。
4.根据权利要求1所述的纱线，其具有至少3%的回潮率。
5.适于在防电弧和防火焰中使用的织物，包含纱线，所述纱线基本上由以下组成：
(a) 10至40重量%的间位芳族聚酰胺纤维，所述间位芳族聚酰胺纤维具有至少20%的结晶度；
(b) 20至60重量%的变性聚丙烯腈纤维；
(c) 15至45重量%的具有一种或多种阻燃剂并具有至少2克/旦尼尔的纤维拉伸强度的阻燃人造丝纤维；和
(d) 5至20重量%的对位芳族聚酰胺纤维；
所述重量百分比以组分(a)、(b)、(c)、和(d)的总重量计；
所述织物具有在135至407克/平方米（4至12盎司/平方码）范围内的基重。
6.根据权利要求5所述的织物，其中1至3重量%的所述对位芳族聚酰胺纤维被包含碳或金属的防静电纤维替换，前提条件是保持至少5重量%的对位芳族聚酰胺纤维。
7.根据权利要求5所述的织物，其具有至少3%的回潮率。
8.根据权利要求5所述的织物，其具有根据ASTM D-6413-99的小于6英寸的炭化长度。
9.根据权利要求5所述的织物，其具有根据ASTM F-1959-99的大于1.2卡路里/平方厘米/盎司/平方码织物的抗电弧性。
10.根据权利要求5所述的织物，其中所述间位芳族聚酰胺纤维具有在20%至50%范围内的结晶度。
11.适于在防电弧和防火焰中使用的服装，包含织物，所述织物基本上由以下组成：
(a) 10至40重量%的间位芳族聚酰胺纤维，所述间位芳族聚酰胺纤维具有至少20%的结晶度；
(b) 20至60重量%的变性聚丙烯腈纤维；
(c) 15至45重量%的具有一种或多种阻燃剂并具有至少2克/旦尼尔的纤维拉伸强度的阻燃人造丝纤维；和
(d) 5至20重量%的对位芳族聚酰胺纤维；
所述重量百分比以组分(a)、(b)、(c)、和(d)的总重量计；
所述织物具有在150至339克/平方米（4.5至10盎司/平方码）范围内的基重。
12.根据权利要求11所述的服装，其中1至3重量%的所述对位芳族聚酰胺纤维被包含碳或金属的防静电纤维替换，前提条件是保持至少5重量%的对位芳族聚酰胺纤维。
13.根据权利要求11所述的服装，其提供的热保护等同于按照ASTM F1930在4秒钟的火焰暴露时小于70%的身体烧伤，同时按照ASTM F1959和NFPA 70E保持2类电弧等级。
14.根据权利要求11所述的服装，其中所述织物具有根据ASTM F-1959-99的大于1.2卡路里/平方厘米/盎司/平方码织物的抗电弧性。
15.根据权利要求11所述的服装，其具有至少3%的回潮率。
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