汽車座椅的熱學性能分析
選擇了一種由滌綸機麵料、海綿和薄型滌綸底布複合而成的汽車座椅麵料，通過垂直燃燒法測試 3 種單層組分( 層滌綸麵料、海綿和底布) 、2 種兩(liang) 層複合組分( 海綿和底布的複合物、層麵料和海綿的複合物) 及 1 種三層複合組分( 層麵料、海綿和底布的複合物) 的燃燒性能，同時利用 DSC、TG 對 6 種麵料的受熱熔融、熱分解等熱行為(wei) 進行了征，進而分析了不同複合麵料燃燒性能和熱學性能的變化情況。結果明: 層麵料與(yu) 海綿複合得到的二層麵料及層麵料與(yu) 海綿和底布複合後得到的三層麵料的損毀長度相比各單層組分而言有所降低，但是兩(liang) 層麵料、三層麵料的熱穩定性反而不如單層麵料。據交通部統計，2012 年，我國汽車產(chan) 業(ye) 用紡織品近 ． 73 萬(wan) 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裝飾麵料及 8． 5 m2地毯麵料1。我國汽車用紡織品市場發展不過 20 年，但其巨大的市場潛力正逐年顯現，相對於(yu) 微利的紡織行業(ye) ，汽車用紡織品的利潤水平遠高於(yu) 紡織業(ye) 平均利潤水平2。汽車座椅麵料大多采用火焰複合法，即以麵單層麵料、聚氨酯海綿層和薄型底布為(wei) 原料，經火焰複合機複合3而成。盡管火焰複合法存在一些缺點，但因其具有產(chan) 量高、耐洗性好、改善麵料性能等優(you) 點，仍被廣泛使用。東(dong) 華大學金梁英4提出，火口工藝5、複合速度、軋距、張力等影響複合效果。不同的層麵料、海綿和底布也會(hui) 影響麵料的最終性能，但是這方麵的研究卻不多。
本文利用垂直燃燒測試法及熱重分析儀(yi) 、DSC 研究 3 種單層麵料、2 種兩(liang) 層麵料和 1 種 3 層麵料的燃燒性能及熱穩定性能。1 試驗材料、儀(yi) 器和測試方法1． 1 試驗材料本實驗曠達汽車座椅麵料麵料有限公司提供的底布、海綿、黑布( 層滌綸麵料，機織純滌綸麵料，經緯向同) 、底二層( 上述底布與(yu) 海綿的複合物) 、黑二層( 上述黑布與(yu) 海綿的複合物) 、黑三層( 上述黑布、海綿、底布的複合物) 共 6 種。6 種麵料的基本規格見試驗儀(yi) 器和測試方法( 1) 試驗儀(yi) 器。本實驗采用的主要儀(yi) 器有 209F1 型熱重分析儀(yi) ( 以 10℃ / min 的升溫速率從(cong) 50℃ 升至 600℃) ，TM3000 DSC 分析儀(yi) ( 室溫至 300℃，升溫速率 20℃ /min) ，YG815B 垂直法麵料阻燃性能測試儀(yi) ( 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 種麵料( 包括海綿) 的續燃時間、陰燃時間和損毀長度進行了測試。評級標準: B1為(wei) 損毀長度不大於(yu) 15 cm，續燃時間不長於(yu) 5 s，陰燃時間大於(yu) 5 s; B2 級為(wei) 損毀長度不大於(yu) 20 cm，續燃時間不大於(yu) 10 s，陰燃時間不大於(yu) 10 。用差熱分析法測試 6 種麵料( 含海綿) 的熱熔過程，熱重法分析 6 種麵料( 含海綿) 的分解過程。
2 結果與(yu) 分析2． 1 汽車座椅麵料的垂直燃燒性能采用垂直燃燒法測得 6 種麵料經緯方向的續燃時間、損毀長度如 2 所示。比較相關(guan) 數據，可知: 海綿和底布複合的過程中，海綿、底布、底二層的續燃時間均為(wei) 0 s，即點火時間結束，火焰移開後，直接熄滅; 但是就損毀長度而言，底布經緯向的損毀長度達 15 cm 左右，海綿在 10 ～ 11cm，複合後底二層的損毀長度也在 10 ～ 11 cm，與(yu) 海綿較為(wei) 接近。
3 種麵料之所以續燃時間為(wei) 0，是因為(wei) 在點火時間內(nei) ，它們(men) 更多的是熔縮，與(yu) 火焰距離近的麵料受熱熔融，熔融區域下寬上窄，呈拋物線狀。拋物線的麵積較大時，火焰產(chan) 生的熱量不足以使麵料熔融，而非燃燒，且熔縮的長度和麵積又較大，以至於(yu) 在點火時間內(nei) 火焰的外焰已經接觸不到麵料。因此，在評價(jia) 燃燒性能時，麵料的損毀長度參考性更強。比較損毀長度，可以認為(wei) 底布和海綿複合後，底二層的燒性能優(you) 於(yu) 底布，與(yu) 海綿的燃燒性能相似。由試驗現象可見: 點火時間結束後，麵料上存在火焰; 在續燃時間 14 s 以內(nei) ，火焰主要向上蔓延; 隨著時間增加，損毀長度增大，14 s 以後，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(jia) 麵料燃燒性能時，應主要依據損毀長度。
比較黑布、海綿、黑三層 3 種麵料的損毀長度，可以得到以下結論: 黑布與(yu) 海綿複合後，阻燃性能有所提高; 黑二層與(yu) 底布複合後，損毀長度有少量降低。結合試驗現象，麵料背麵沒有複合底布時，背麵麵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麵料; 複合底布後，這種現象出現弱化。筆者認為(wei) ，底布雖然在複合物中所占質量比不大，但是它能適當地減慢海綿的熔縮，並在黑二層與(yu) 底布複合後，使損毀長度下降。2． 2 6 種麵料的 TG 分析麵料在升溫過程中會(hui) 存在分解，為(wei) 了分析這些分解過程造成的質量變化，對 9 種麵料進行熱重分析。
本分析采用氮氣保護，從(cong) 室溫 30℃以每分鍾 10℃ 的升溫速率升到 600℃，並測得 9 種麵料的熱重曲線。( 1) 海綿、底布與(yu) 底二層的 TG 分析。經測試，得出海綿、底布、海綿底布複合物的熱重曲線見 1。3種麵料的 TG 比較見 3。 1 海綿、底布、底二層 TG 曲線比較 3 海綿、底布、海綿底物的複合物 3 種麵料的 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(cong) 1 可以看出，3 種麵料在氮氣保護下自 30℃升溫到 600℃的過程中，都存在明顯分解和質量損失過程。從(cong) 1 中可以看出，600℃時海綿最後的殘餘(yu) 率約為(wei) 1． 7% ，底布的殘餘(yu) 率約為(wei) 12% ，兩(liang) 者的複合物總的殘餘(yu) 物約為(wei) 13． 02% ，大約等於(yu) 兩(liang) 者之和。底二層的分解速率介於(yu) 底布和海綿之間，且分解曲線形狀與(yu) 海綿較為(wei) 相似，兩(liang) 者分解 5% 時的溫度極為(wei) 接近，分解 10% 時的溫度僅(jin) 差 5℃，在溫度大於(yu) 260℃ 之後，兩(liang) 者的分解情況差異才越來越大，溫度大於(yu) 380℃以後，底二層的分解曲線與(yu) 底布更為(wei) 相似。比較海綿和底布兩(liang) 種單層麵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基本完成，殘餘(yu) 率已經基本穩定。
故在溫度低於(yu) 380℃ 時，複合物的分解曲線與(yu) 海綿較為(wei) 相似，之後的分解曲線則與(yu) 海綿更為(wei) 相似。這同樣也可以解釋複合物的終止分解溫度為(wei) 什麽(me) 比較接近滌綸底布的終止分解溫度。由上文的麵料質量測試可知，單層海綿 10 cm ×10 cm 的質量為(wei) 1． 29 g，而同樣麵積的底布質量僅(jin) 為(wei) 0． 45 g，底二層的質量為(wei) 1． 59 g，假設海綿和底布兩(liang) 者在複合時仍然保持未複合時的質量比例，則複合後海綿占底二層的質量比例約為(wei) 81% ，底布僅(jin) 為(wei) 19% ，因此認為(wei) ，在溫度低於(yu) 底布的分解溫度時，整個(ge) 底二層的分解速率取決(jue) 於(yu) 底二層中海綿的分解況。由於(yu) 複合過程中海綿的質量除了熱熔外，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於(yu) 81% 的。故當單層海綿的分解速率與(yu) 底二層中海綿成分的分解速率相同時，兩(liang) 者的質量損失速率將因約占底二層質量 19% 的底布還未開始分解而有所不同，現為(wei) 底二層的分解速率小於(yu) 單層海綿的分解速率。底布和海綿複合後，初始分解溫度降低，分解溫度範圍變大，終止分解溫度及殘餘(yu) 物與(yu) 底布較為(wei) 接近。4 種麵料的熱重曲線見 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、黑三層等麵料的 TG 曲線比較從(cong) 2 可見，4 種麵料在氮氣保護下自 30℃ 升溫到 600℃的過程中，都存在明顯分解和質量損失過程。 4 海綿、黑布、黑二層、黑三層 4 種麵料的 TG 比較項目 底布 海綿 黑布 黑二層 黑三層中可以看出，600℃ 時底布的殘餘(yu) 率約為(wei) 12% ，海綿的殘餘(yu) 率約為(wei) 1． 7% ，黑布的殘餘(yu) 率約為(wei) 14% ，黑二層的殘餘(yu) 物約為(wei) 7． 08% ，黑三層的殘餘(yu) 率約為(wei) 7． 56% 。比較分解速率，黑二層、黑三層的分解速率介於(yu) 黑布和海綿之間，且分解曲線形狀與(yu) 海綿較為(wei) 相似; 黑二層、黑三層質量損失率在 5% 時的溫度與(yu) 海綿較為(wei) 接近，分解10% 時的溫度差已大於(yu) 10℃; 黑二層、黑三層的分解曲線在整個(ge) 分解過程中一直較為(wei) 接近，黑布的分解速率最大，相同的質量損失率，黑布的分解溫度大於(yu) 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炭率遠小於(yu) 黑布的殘炭率，說明黑布和海綿、底布等複合後，熱穩定性有所降低。2． 3 6 種麵料的 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、底二層麵料的 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(wei) 227． 47℃、247． 02℃、246． 86℃，底二層的初始熔融溫度大於(yu) 海綿約20℃，小於(yu) 底布不到 1℃。這充分說明了複合之後，底二層初始熔融的溫度升高，耐熱性能有較大的提高。從(cong) 5 可以看出，海綿、底布、底二層三者的熔融峰值分別為(wei) 257． 94℃、252． 30℃、252． 0℃，相差不大，三者的終止分解溫度分別為(wei) 276． 76℃、254． 70℃、253． 97℃ ，兩(liang) 組數據都說明複合後熔融峰值和終止分解溫度與(yu) 底布較為(wei) 接近，尤其在溫度為(wei) 250℃ 附近時。此外，可以看出，底布和底二層的熔融區峰值明顯，而海綿的熔融曲線則寬而胖，熔融峰不太明顯。
這與(yu) 海綿是由軟段、硬段等不同組分組成有關(guan) ，而底布則是由聚酯材料紡製而成，所以熔融峰較為(wei) 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(cong) 受熱熔融角度來講，底布和海綿複合後，熱學性能降低，熔融需要的熱量降低。海綿、黑布、黑二層、黑三層麵料的DSC 曲線見 4。分析見 6。 4 海綿、黑布、黑二層、黑三層麵料的 DSC 曲線比較 6 海綿、底布、黑布、黑二層、黑三層麵料的 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(wei) 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(wei) 接近，且大於(yu) 海綿的初始熔融溫度，複合物的初始熔融溫度大於(yu) 海綿約 20℃小於(yu) 底布不到1℃ 。
這說明了複合之後，複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(liang) 者的指標略小於(yu) 底布和黑布，顯著小於(yu) 海綿，可以認為(wei) 海綿的加入使得複合麵料的熱學性能偏離了滌綸的性質。3 結 語( 1) 通過垂直燃燒實驗，得出海綿和底布複合後，底二層的損毀長度和續燃時間與(yu) 海綿較為(wei) 接近; 黑布與(yu) 海綿複合後，阻燃性能有所提高，黑二層與(yu) 底布複合，損毀長度有少量降低。( 2) 熱重分析證明，底布和海綿複合後，初始分解溫度降低，分解溫度範圍變大，終止分解溫度及殘餘(yu) 物與(yu) 底布較為(wei) 接近黑布和海綿、底布等複合後，熱穩定性有所降低。( 3) 從(cong) 受熱熔融角度來講，底布和海綿複合後，熱學性能降低，熔融需要的熱量降低; 因為(wei) 海綿的加入，黑布和海綿、底布的複合物的熱學性能偏離了滌綸的性質
