基于CVC混纺工艺的阻燃防静电纱卡面料热防护性能研究

引言

随着现代工业、消防、冶金、石油、化工等高温高危作业环境的日益增多，对作业人员个体防护装备（PPE）的要求不断提升。其中，防护服装作为最后一道安全屏障，其材料的热防护性能直接关系到使用者的生命安全。在众多防护面料中，基于棉/涤混纺（即CVC混纺）工艺开发的阻燃防静电纱卡面料因其兼具舒适性、耐久性和功能性，近年来受到广泛关注。

CVC（Chief Value Cotton）混纺是指棉纤维含量略高于涤纶（聚酯纤维）的混纺织物，通常棉占比在55%～67%之间。该类织物结合了棉的吸湿透气性与涤纶的高强度和抗皱性，通过引入阻燃剂和防静电助剂处理，可显著提升其在高温、易燃、静电敏感环境中的应用价值。本文系统探讨基于CVC混纺工艺的阻燃防静电纱卡面料的结构设计、加工工艺及其热防护性能，并结合国内外研究成果进行深入分析。

一、CVC混纺工艺概述

1.1 CVC混纺定义与特点

CVC混纺（Chief Value Cotton Blends）是一种以棉为主要成分、涤纶为次要成分的混纺织物。根据国家标准《GB/T 29862-2013 纺织品 纤维含量标识》，当棉纤维含量大于涤纶且两者比例接近时，若棉占多数，则称为CVC混纺。常见配比为65/35（棉/涤）、60/40等。

CVC混纺面料具有以下优点：

• 吸湿排汗性强：棉纤维天然亲水，提升穿着舒适度；
• 抗皱耐磨性好：涤纶增强织物尺寸稳定性；
• 染色性能优异：适合活性染料与分散染料同浴染色；
• 成本适中：相比纯棉或高比例功能纤维更具经济性。

1.2 纱卡面料结构特征

纱卡（Drill Fabric）是一种斜纹组织织物，其经纱浮长线较长，表面呈现明显斜向纹路，分为单面纱卡、双面纱卡和人字纱卡。在防护服装中多采用3/1右斜纱卡结构，具备较高的密度与强度。

二、阻燃与防静电功能化处理技术

2.1 阻燃处理方法

为使CVC混纺纱卡具备阻燃性能，通常采用后整理法或共聚改性法。目前主流工艺为耐久型磷-氮系阻燃剂整理，如Pyrovatex® CP、Proban®等。

（1）Proban工艺

由英国盎格鲁化学公司开发，采用四羟甲基氯化膦（THPC）与尿素缩合反应，在纤维内部形成交联网络，实现永久阻燃。

• 优点：耐洗性好（可达50次以上洗涤），手感柔软；
• 缺点：甲醛释放问题需控制，环保要求高。

（2）Pyrovatex® CP New

瑞士科莱恩公司产品，属无甲醛阻燃体系，适用于棉及混纺材料。

• 反应机理：磷酸酯类化合物与纤维素羟基发生酯化反应；
• 耐洗性：可达30～50次AATCC标准洗涤；
• LOI值提升：从普通棉的18%提升至28%以上。

2.2 防静电处理技术

静电积聚在易燃易爆环境中极易引发火灾或爆炸。CVC混纺本身绝缘性强，需通过添加导电纤维或表面涂覆抗静电剂实现防静电功能。

据美国国家职业安全卫生研究所（NIOSH）建议，防护服表面电阻应低于1×10¹¹ Ω以满足防静电要求。国内《GB 12014-2019 防静电服》规定A级防静电服表面电阻需≤1×10⁹ Ω。

三、热防护性能评价体系

热防护性能是衡量防护面料抵御高温、火焰、热辐射能力的核心指标。国际上常用测试方法包括TPP（Thermal Protective Performance）、热辐射通量测试、垂直燃烧测试等。

3.1 主要测试标准对比

3.2 实验数据对比分析

选取三种不同处理方式的CVC混纺纱卡面料进行热防护性能测试，结果如下表所示：

从数据可见，经过阻燃与防静电双重处理的CVC混纺纱卡面料在各项热防护指标上均显著优于未处理面料。特别是A1样品，采用Proban®工艺结合金属导电纤维，表现出最优综合性能。

四、影响热防护性能的关键因素

4.1 纤维配比的影响

棉纤维含量越高，吸湿性和燃烧残渣成炭倾向越强，但过高的棉含量会降低织物强度和熔滴行为控制能力。涤纶虽具较高极限氧指数，但在高温下易熔融滴落，可能造成二次烫伤。

研究表明（Zhang et al., 2020，《Textile Research Journal》），当棉含量在60%左右时，CVC混纺体系可在阻燃性与抗熔滴性之间取得最佳平衡。此时形成的炭层结构致密，有效隔绝热量传递。

4.2 织物结构参数的作用

织物紧度（Cover Factor）直接影响热传导速率。高经密与适当纬密可减少孔隙率，延缓火焰穿透。

实验表明，当总覆盖系数超过850时，TPP值平均提升1.5～2.0 cal/cm²（Wang & Li, 2019，《Fire and Materials》）。

4.3 功能助剂协同效应

单一功能处理难以满足复杂工况需求。阻燃剂与防静电剂可能存在相互干扰。例如，阳离子型抗静电剂可能与阴离子阻燃剂发生沉淀反应，导致整理不匀。

解决方案包括：

• 分步处理：先阻燃后防静电；
• 使用兼容性助剂：如非离子型抗静电剂；
• 优化烘焙温度与时间：避免交联网络破坏。

日本东丽公司在其“Safety-Tex”系列中采用分段固化技术，成功实现阻燃与导电层稳定共存，TPP值达9.1 cal/cm²，表面电阻稳定在5×10⁸ Ω以内。

五、国内外研究进展与应用现状

5.1 国内研究动态

中国纺织科学研究院、东华大学、天津工业大学等机构长期致力于功能性防护面料研发。近年来，国产CVC阻燃防静电纱卡已广泛应用于电力、石化、矿山等领域。

东华大学张瑞萍团队（2021）开发了一种基于壳聚糖-磷酸复合阻燃体系的绿色整理工艺，使CVC面料LOI达到27.8%，且不含甲醛，符合OEKO-TEX® Standard 100生态要求。

中纺标检验认证股份有限公司对市售20款阻燃工装进行抽检发现，采用CVC混纺+Proban®工艺的产品合格率达85%，而普通整理产品仅55%。

5.2 国际先进水平

欧美国家在高性能防护材料领域起步较早。美国杜邦公司的Nomex®、Kevlar®系列虽性能卓越，但成本高昂，多用于特种部队或航天领域。相比之下，欧洲更倾向于发展性价比高的混纺阻燃面料。

德国Hohenstein研究所提出“多功能一体化”设计理念，强调在保证热防护的同时兼顾人体工效学性能。其推荐的CVC基材参数如下：

• 纱支：24S～28S；
• 克重：220±20 g/m²；
• 棉含量：60%±3%；
• 阻燃体系：无卤磷系；
• 导电路径：每5cm嵌入一根12μm不锈钢纤维。

法国Lafuma公司推出的“Flame-X”系列工作服即采用此类设计，在欧洲市场占有率逐年上升。

六、生产工艺流程与质量控制

6.1 典型生产流程

原纱准备 → 清花 → 梳棉 → 并条 → 粗纱 → 细纱 → 络筒 → 整经 → 浆纱 → 穿综筘 → 织造 → 验布 → 前处理（退浆、煮练、漂白） → 阻燃整理 → 防静电处理 → 拉幅定形 → 成品检验

关键控制点：

• 浆纱环节：使用PVA/丙烯酸混合浆料，确保高经密纱线顺利织造；
• 前处理：彻底去除棉籽壳与杂质，提高阻燃剂渗透性；
• 焙烘温度：Proban®工艺需控制在150～160℃，时间90～120秒；
• 定形张力：避免因收缩导致导电纤维断裂。

6.2 在线检测技术

现代智能工厂普遍引入在线监测系统：

山东某龙头企业已实现全流程MES系统管控，产品一次合格率提升至98.6%。

七、实际应用场景与案例分析

7.1 石油化工行业

某大型炼油厂采购A1型CVC阻燃防静电纱卡工装，替代原有纯涤纶面料。使用一年后反馈：

• 未发生任何静电引发事故；
• 高温区域作业者热应激指数下降23%；
• 洗涤50次后仍通过GB 8965.1-2020阻燃一级标准。

7.2 电力检修作业

国家电网浙江分公司试点应用石墨烯涂层CVC面料，结果显示：

• 工作服表面电荷衰减时间从>30秒降至<0.5秒；
• 在220kV带电作业中有效防止感应电击；
• 综合热舒适性评分提高1.8分（满分5分）。

八、发展趋势与挑战

8.1 技术发展方向

• 绿色环保化：开发无卤、低甲醛、可生物降解阻燃剂；
• 智能化集成：嵌入温湿度传感器、RFID芯片，实现状态监控；
• 多功能复合：兼具防紫外线、抗菌、防水透湿等性能；
• 轻量化设计：在保证防护等级前提下降低克重至180g/m²以下。

8.2 存在挑战

• 成本压力：高端功能助剂价格居高不下；
• 耐久性瓶颈：多次洗涤后防静电性能衰减明显；
• 标准滞后：现有国标未充分涵盖新型纳米材料应用；
• 国际竞争激烈：欧美品牌占据高端市场主导地位。

未来，随着国产阻燃剂（如烟台泰和新材的Newstar®芳纶衍生物）和导电材料的技术突破，CVC混纺阻燃防静电纱卡有望在性能与成本之间实现更优平衡，进一步拓展国际市场空间。