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煤矿用防护服面料的研究与设计


太原理工大学 硕士学位论文 煤矿用防护服面料的研究与设计 姓名:顾园 申请学位级别:硕士 专业:@ 指导教师:戴晋明 @

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煤矿用防护服面料的研究与设计

摘 要 煤矿用防护服是用于煤矿工人作业时穿着的用来防御普通伤害、脏污 和静电积聚,并具有阻燃功能的服装。 本文在对煤矿井下环境和工

人作业情况调研分析的基础上,对煤矿工 人的防护服面料的性能进行了系统的研究和设计,首次提出了煤矿用防护 服的概念,并重点进行了煤矿用防护服面料的性能设计,通过先进的纺织 技术赋予了面料特殊的功能,如:高强、耐磨、阻燃和防静电等,从而满 足现代化煤矿安全生产的要求,为煤矿工作人员构筑一道坚实可靠的安全 防线,为井下矿工提供更好的工作保护,也为避免人为原因产生的矿难奠 定基础。 本文重点研究了煤矿用防护服面料的基本性能,主要通过以下步骤完 成。 首先,在设计实验方案时,利用实验室条件,对纤维的基本力学性能 进行了测试。在了解纤维性能的基础上,纺制了 Kevlar 与棉混纺纱线,织 造了不同成分及混纺比的双斜纹组织的织物。测试了混纺纱线和混纺织物 的基本性能,包括纱线力学性能、条干不匀率、织物强力、耐磨性、阻燃 性和防静电性能,得到了纤维、纱线及面料基本性能的大量实验数据和规 律。 其次,在进行理论分析时,以专业知识分析为基础,采用正交试验设
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计和数学评判方法,对实验数据进行了综合分析处理,并以此为依据,分 析了织物的原料组合、织物结构、品种规格等因素对织物性能的影响。 试验结果表明: Kevlar 与棉纤维混纺比为 5/95,纱支 20s,织物组织 为双层 3/1 的斜纹的织物为煤矿用防护服面料的最优方案,其强力、耐磨 性、阻燃和防静电等综合性能明显优于纯棉煤矿用普通工作服。 最后,希望能通过论文证明,依靠先进的纺织服装科技,完全可以用 新材料代替纯棉制品,并且更加符合矿井复杂环境下使用,给矿下工人提 供更好的工作保护。这项研究对保障人民生命财产安全、促进我国煤炭行 业的持续与稳定地发展、加快我国社会主义现代化建设进程都有十分重要 的意义。希望通过本文的研究,能够为矿工工作服的国家标准和行业标准 的修改和重新制定起到一定的促进作用,从而进一步为我国煤炭行业的安 全生产提供切实的保障。

关键词:煤矿用防护服,煤矿井下环境,耐磨,阻燃 ,防静电

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THE STUDY AND DESIGN OF PROTECTIVE CLOTHING FABRIC FOR COAL MINERS

ABSTRACT

Protective clothing for coal miners is used to defend general injury, dirt, electrostatic accumulation and flame-retardant when coal miners working. In this paper, based on the analysis of the working environment and the conditions of coal mine workers, there is a systemic design and research on protective clothing fabric properties. This paper puts forward the concept for coal mine protective clothing at first time. Meanwhile it focuses on the protective clothing fabric performance design, such as giving the special fabric features: high strength, abrasion resistance, flame retardant and anti-static, which all wish to meet the producer of coal mine safety requirements for coal mine workers, and builds a solid and reliable line of defense to provide a underground miners good job with better protection. In other meaning, it also gives a light on how to avoid the coalmine mishap due to human factors. This paper primarily studies on the basic properties of protective clothing fabrics for coal miners, which is mainly through the following steps to complete.
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First of all, we use the laboratory conditions to test the basic mechanical properties of fibers, when we design the testing plan .On the basis of understanding the basis of fiber properties, Kevlar and cotton blended yarn has been spun different composition and blend ratio of double twill weave fabric was woven. By testing the basic properties of blended yarn and fabric, including yarn mechanical properties, evenness rate, fabric strength, abrasion resistance, flame resistance and anti-static properties, this paper get a large number of experimental data and rules about the basic properties of fiber, yarn and fabric. Secondly, when it came to theoretical analysis, it was based on analysis of professional knowledge, which chose orthogonal experimental design and mathematical evaluation method. Eventually, the experiment data was purified synthetically. On that basis, the analysis focused on the detailed influence of the raw material, fabric structure, specifications and the factors so on with the fabric properties. The results show that:the best program for the Protective clothing for coal miners is Kevlar and cotton fiber blending ratio of 5 / 95, 20s yarn count and 3 / 1 double-layer weaves .The fabrics of Protective clothing for coal miners is apparently better than Miner general protective clothing in the Comprehensive performance of strength, abrasion resistance, flame resistance and anti-static properties. Finally, through the paper we hope to prove that depending on the advanced textile technology the new materials completely can replace the cotton
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products and it must be very fitful for the complex environment in coal mine and give the mine workers better job protection. The study would mean great especially about the protection of life and property safety, and promotion of China's coal industry sustained and stable development, and accelerating the process of socialist modernization in China. In more down-to-earth terms, through this study it is another purpose to promote the amendment or the rebuilding of Protective clothing’s national criterion and the industrial criterion. Consequently, the safeguard coal production in china will get more consolidated assurance.

KEY WORDS:Protective clothing for coal miners,the environment of coal, wear resisting,flame retardant, anti-static

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第一章 绪论

1.1 我国煤炭行业对煤矿用工作服的需求分析

1.1.1 我国的煤炭资源 我国是煤炭资源最丰富的国家之一,目前已经探明的煤炭资源储量为世界第二。据 统计, 截至 2007 年年底, 全国煤炭保有探明资源储量为 11800 亿吨, 其中基础储量 3260 亿吨,资源量 8540 亿吨。煤炭储量主要分布在华北和西北地区,内蒙古、山西、新疆、 陕西和贵州五省(区)保有探明资源储量为 9561 亿吨,占全国总量的 81%,另外还有近 9%集中于川、云、贵、渝地区[1]。山西省是煤炭资源储量最多的省份,占全国煤炭资源 总储量的 30%。在漫长的地质演变过程中,由于成煤年代、成煤原始物质、还原程度及 成因类型上的差异,再加上各种变质作用并存,致使中国煤炭品种多样化,从低变质程 度的褐煤、长焰煤到高变质程度的无烟煤、天然焦以及石煤,都有储存。按中国的煤种 分类,其中炼焦煤类占 27.65%,非炼焦煤类占 72.35%。中国虽然煤炭资源丰富,但适 于露天开采的煤炭储量较少,仅占总储量的 7%左右,其中 70%是褐煤,主要分布在内 蒙、新疆和云南等地[1][2]。 1.1.2 煤炭工业在我国国民经济中的地位 从整个世界的能源消费结构看, 石油占主导地位, 在一次能源消费中, 石油占 40%, 煤炭占 27%,天然气占 23.2%,核能占 7.3%,水电占 2.6%。但在我国的能源消费结构 中,中国“富煤、贫油、少气”的能源储备特点,决定了煤炭是中国最主要的一次能源, 占一次能源消耗比例的 76%,在相当长时期内,它将供应中国生产和生活用能的 70%左 右。随着我国经济的快速发展,对煤炭的需求还会进一步增加,我国以煤为主要能源的 生产和消费特征在今后相当长的时间内都不会改变。
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《国务院关于促进煤炭工业健康发展的若干意见》指出, “煤炭将长期是我国的主 要能源” , “煤炭工业的健康发展事关国民经济发展和能源供应安全大局” 。 “煤为基础、 多元发展”的能源工业发展格局,既为我国能源的安全供应提供了基础保障,也开阔了 煤炭工业的发展前景。 煤炭工业的发展, 不仅有力地支撑了国民经济发展对煤炭的需求, 而且有力地带动了电力、冶金、化工、建材、机电、运输等的蓬勃发展,成为我国经济 最重要的支柱产业之一[3]。 因此,保持煤炭生产持续、稳定地自我发展,实现有效供给和高效利用,对保证社 会政治经济的稳定和发展有着重大作用, 尤其是各省市齐头并进的 GDP、 中国迅猛的工 业化,中国迈向现代化的每一步,都需要煤炭,尤其需要山西的煤炭[4]。 1.1.3 煤矿用工作服的市场前景 我国是煤炭资源最丰富的国家之一,煤炭工人总数也是全球最多,有 700 多万,比 全世界所有产煤国的煤矿工人加在一起还要多,其中井下工人约有 500 多万[5][6]。众所 周知,煤矿的井下作业是一种环境特殊的工作。由于受地质条件的影响,大多数煤矿的 现场作业条件较差,黑暗、潮湿、工作面狭窄,还伴有瓦斯、煤尘、水、火、顶板等五 大自然灾害时刻威胁着矿工的生命安全[3]。因此针对煤矿恶劣的作业环境,高强度、高 危害和高风险的工作性质,发放和正确使用劳动防护用品,对于保障广大煤矿从业人员 在生产过程中减少工伤事故,有效预防职业危害显得尤为重要。 劳动防护用品对于保障从业人员劳动过程中防止或减轻事故伤害及职业危害至关 重要,是保障从业人员安全与健康的最后一道防线[7]。按照国家经贸委《关于印发劳动 防护用品配备标准(试行)的通知》国经贸安全[2000]189 号文件精神,采煤工劳动防 护用品配备标准为:工作服、工作帽、防砸鞋、劳防手套、防寒服、雨衣、胶鞋、眼护 具、防尘口罩和安全帽。其它如水采工、采煤机司机、矿井通风工等相近工种类比。 1993 年,山西省劳动厅根据《山西省劳动保护暂行条例》和国务院国发[1988]10 号 及[1988]69 号文件精神,结合我省实际,颁发了《山西省企业职工劳动防护用品发放标 准》 ,具体用于国家统配的煤炭行业井下各工种劳动防护用品的发放标准见附录 1[3]。 以工作服为例, 矿工普通工作服是矿工作业时穿着的用来防御普通伤害及脏污的防 护服[8]。通常,人体表面积约为 1.5~2m2。皮肤是人体的一个薄弱部位,也是人体抵抗 外部侵袭的第一道防线。在井下作业,人们受到种种机械力的作用,如:摩擦、牵拉、挤
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压、冲撞、切割等,还有病毒、细菌、真菌等微生物的侵害,要积极采取防范措施使人 的肌肤不受侵犯,而工作服正是保护在井下作业时皮肤少受损害的一个重要屏障。 井下采、掘、运等生产环节都产生着大量的煤尘、粉尘,侵入皮肤就可堵塞皮脂腺、 汗腺,造成皮肤干燥、易受感染,可引起毛囊炎、溃疡性皮炎和脓皮病,再加上致病菌 的侵入,使得煤矿井下工人职业性皮肤病的发病率居高不下。上海第一医学院在某矿区 对化脓性皮肤病作了专题调研,发病率竟占矿工总发病率的 12%。皮肤的健康与否在一 定程度上反映了肌体的健康状况,皮肤功能障碍反过来也会影响全身各器官的功能。质 量合格的工作服是可以作为一道屏障来减少那些有害物质对矿工体表的侵害[9]。 根据附录 1 可以得出:采煤工(薄煤层)每 6 个月发一套工作服,采煤工(中、厚 煤层)和掘进工每 10 个月发一套工作服,其余的工种大都在一年发一套,而我国井下 工人有 500 多万,一年下来工作服的发放量至少也是 500 多万套,这个需求量是相当可 观的。其它劳动防护用品的量也同理。 为了保护煤矿井下 500 多万人的安全与健康, 就必须对劳动防护用品予以高度重视, 采取行之有效的措施,认真做好煤矿劳动防护用品各项工作,切实保护广大煤矿从业人 员的职业健康和生命安全。作为纺织品设计者,本文重点选择研究煤矿井下工人的工作 服装。

1.2 煤矿用工作服的面料性能要求

1.2.1 煤矿行业的作业环境与特点 煤矿的井下作业是一种环境特殊的工作。由于受地质条件的影响,大多数煤矿的现 场作业条件较差,黑暗、潮湿、工作面狭窄,还伴有瓦斯、煤尘、水、火、顶板等五大 自然灾害时刻威胁着矿工的生命安全[10]。 (1)瓦斯事故 矿井瓦斯是从煤层、岩层、采空区中涌出的,以及井下生产过程中产生的各种有害 气体的总称。矿井瓦斯本身无毒性,但是,当它的浓度增加时,相对地氧气浓度下降, 而使人窒息甚至死亡。另外,矿井瓦斯和空气混合成适当的浓度时,遇到火源能够引起 燃烧和爆炸。
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我国是世界上最大的产煤国,但同时也是煤矿瓦斯灾害最严重的国家, 我国国有重点 煤矿中,高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井占 49%,具有煤尘爆炸危险的矿井占 86%,存在自 然发火危险的矿井占 55%。国有地方煤矿中,38%属高瓦斯矿井,42%具有煤尘爆炸危 险,29%存在自然发火危险[10]。 与此同时,随着开采深度的增加和开采强度的加大,煤矿的自然条件还在恶化,我 国煤矿开采深度平均每年增加 10~20m,煤层瓦斯压力增加 0.1~0.3MPa,绝对瓦斯涌 出量增加 15 亿 m3 以上,原来低瓦斯矿井可能变为高瓦斯矿井,甚至发展成为煤与瓦斯 突出矿井[10][11][12]。 (2)火灾 煤矿火灾根据火灾发生地点不同可以分为:地面火灾和井下火灾。地面火灾是指在 煤矿工业范围内、不影响正常生产的火灾;井下火灾是指发生在井下、或发生在井口附 近、影响井下正常生产的火灾。煤矿火灾按引火源的不同又可以分为外因火灾和内因火 灾。 外因火灾是指可燃物由于外来热源作用引起的火灾。其特点是:突然发生,来势凶 猛,如果不能及时发现,往往可能酿成恶性事故。但其燃烧往往是在表而,如果发现的 及时,还是容易扑救的。外因火灾可以发生在矿井的任何地点,但多发生在井口、井筒、 机电铜室、火药库以及装有机电设备的巷道或工作面中。 内因火灾是指由于煤自身发生物理化学变化引起的火灾。 其特点是自然发火时间较 长,往往有一个孕育的过程,根据预兆能够早发现,但内因火灾的最大难点是火源一般 都发生在人们难以发现的隐蔽地区,要想找到真正的火源位置决不是轻而易举的事情。 因此,一旦发生煤炭自燃火灾,要想立即扑灭,往往是非常困难的,有的内因火灾往往 持续数月、数年、甚至数十年之久。矿井火灾中,自燃火灾约占 70%。矿井自燃火灾经 常引发瓦斯爆炸,灭火时常伴随水煤汽爆炸,火灾产生的有毒有害气体在井下一维空间 流动,给矿井生产工作人员生命安全造成极大威胁,煤矿每年由于煤炭自燃导致的优质 煤损失量己达 42 亿吨以上,现在仍以每年 2000~3000 万吨的速度增加,煤矿每年都因 火灾造成人员的重大伤亡,造成数十亿元的经济损失。尤其是近年来,随着高产高效新 技术的不断发展,矿井开采强度加大,采空区范围不断扩大,通风系统相对复杂化,使 得煤层自燃火灾更是成为影响煤炭安全生产的主要灾害之一。 煤炭自燃火灾,不但严重危害煤矿的安全生产,而且还会造成大量的煤炭资源的损
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失,造成地下空洞,岩石破碎,造成地下污染及水流失;在地表造成岩石烧变、崩塌, 在地面形成裂缝、塌陷,土壤沙化,释放大量的有毒有害气体,威胁人民生命健康[13]。 (3)水害 矿井水害是煤矿的又一大灾害。它是指影响生产、威胁采掘工作面或矿井安全的、 增加吨煤成本和使矿井局部或全部被淹没的矿井水,包括矿井水和矿井突水。水害是煤 矿五大自然灾害之一,水害轻者会增加煤炭企业负担,影响经济效益,重者会直接危害 职工生命安全和给国家财产造成损失。 矿井充水水源包括:地表水、大气降水、含水层水、断层水、老空水和钻孔水,这 些水源不是孤立地存在,往往是互相沟通,互相补给的。因此,必须对矿井各种水源之 间的水力联系进行调查研究,做到心中有数,才能有效地防止水害事故的发生[12]。 (4)矿尘灾害 煤尘是指颗粒直径在 1mm 以下的粉煤,通常以浮游煤尘和沉积煤尘的形式存在。 在煤矿开采过程中,一方面由于采掘活动致使煤体破碎而产生大量的煤尘,另一方面采 下的煤在装运、提升过程中受到风流吹洒、机械抛洒和人工抛洒,使得井下煤尘继续增 加。 煤尘具有很大的危害性,主要表现在以下几个方面:一、影响人体健康。矿工长期 吸入煤尘后,会患呼吸道疾病、尘肺病甚至肺癌;二、引起燃烧爆炸和参与爆炸。井下 空气中的煤尘达到一定的浓度时,有一定的温度和火源时就可能引发煤尘爆炸;三、降 低工作场所的能见度。在采煤和掘进工作面,高浓度的煤尘会使工作面的能见度降低, 从而导致误操作,增加伤亡事故的几率;四、加速机械磨损。随着煤矿机械化、自动化 程度的提高,煤尘对机械设备的影响就更加突出,可以加速机械的磨损;五、缩短精密 仪器的使用寿命[14]。 (5)其它灾害 在井下开采中,除了水、火、瓦斯、矿尘等主要灾害外,由于井下工作的特殊性, 狭小空间中安装了很多设备,还有支护设备、火工材料(炸药、雷管等)的使用,不安 全因素大大增多,因此,顶板、爆破、机电、运输方面的事故也是必须加以预防的灾害, 否则亦会造成人员伤亡及财产损失[3]。

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1.2.2 煤矿用工作服的面料性能 煤矿生产的特殊性使得工人处于一种易燃易爆、昏暗潮湿的恶劣运行环境中工作。 因此,煤矿用工作服的面料不仅要具备防御普通伤害及脏污的基本要求,还要满足适应 井下恶劣环境条件的特殊要求;不仅要具备可靠的使用性能,还必须具备完善的安全性 能。理想的矿工工作服应该同时具备防水防尘、舒适耐用、阻燃防污、抗静电、耐洗、 耐磨、抗菌等功能。 (1)耐久性 煤矿井下作业,劳动强度大,工作空间狭小,环境条件比较恶劣,工人的动作幅度 都比较大,涉及到的身体部位也较多。所以煤矿工人的工作服必须具备很好的耐久性, 能够承受反复摩擦、拉扯和洗涤,因此服装面料的强度、耐磨性、耐钩挂、耐撕破、耐 洗涤、形态稳定性、色牢度等都是非常重要的因素。 (2)阻燃 目前我国国有重点煤矿中,存在自然发火危险的矿井占 55%。国有地方煤矿中,29% 存在自然发火危险。由于煤炭自燃导致的优质煤损失量己达 42 亿吨以上,现在仍以每 年 2000~3000 万吨的速度增加,煤矿每年都因火灾造成人员的重大伤亡,造成数十亿 元的经济损失[10]。要求工作服能在即使矿井发生大型火灾的情况下,并不助燃,且一旦 远离火源便自行熄灭,对人体阻燃隔热保护,便于逃生。 (3)防静电 一般来说,煤矿事故主要有瓦斯爆炸、瓦斯突发窒息、冒顶(矿层塌陷) 、水淹, 以及机械设备事故(例外缆车坠落)等。其中发生频率最高的破坏力、杀伤力和惨烈程 度最大的矿难就是瓦斯爆炸。导致瓦斯爆炸(除了人为破坏之外) ,需要两个条件同时 具备,一是瓦斯浓度超过爆炸临界点,二是现场出现明火(包括电火花) 。而井下煤矿 瓦斯爆炸的原因:一是电器漏电产生的火花而引发瓦斯爆炸;二是人体静电产生的火花 而引发的瓦斯爆炸
[15]

。科学实验已经证明:一般人都带有几十至几百伏的电压。“静电

火花放电” 在危险的易燃易爆的煤矿井下,会使带电人体犹如一根一触即发的导爆索
[16]

。静电火花的伤害也是煤矿电伤害中最普遍的形式[17]。所以在煤矿安全生产中,应认

真考虑工人的着装避免服装摩擦而产生的静电,减少瓦斯爆炸事故的发生机率。 纯棉服不能替代防静电服,因为纯棉本身也是绝缘体,在相对湿度低于 30%时,纯 棉布的带电量有时还大于化纤布。只有相对湿度高于 50%时,因纯棉吸水才不起静电,
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虽然说在湿度较高的地区或场所,也能起到一定的防静电的效果,但是井下自然条件复 杂,湿度也不相同,比如北方的矿井或是冬季天气较干燥的时候,纯棉面料的使用无疑 埋下了安全隐患[31]。 因此,给井下作业人员装备具有防静电性能的服装,是当前我国煤矿安全生产必须 落实的一项基本工作。 (4)防尘 就煤矿工作服而言,对于煤尘危害最大的防护表现在:一、衣服能永久的防静电, 从而杜绝因为静电吸附煤尘而导致的工作服易脏污;二、工作服的面料具有良好的防止 煤尘尘粒透过的特性和易洗涤的特点。 (5)舒适性 井下工人作业的工作量比较大,人体产生的热量和出汗量也较多,作为此类工作服 装的面料必须具备较好的透气和排湿性。另外工人作业时的动作幅度大,服装面料的伸 长能力和伸长恢复能力要比较好,能够减少服装对人体的约束[18]。 舒适的服装不但可以保护工人身体健康,而且还可以提高工作效率,减少工作失误 等。 (6)抗菌性 井下采、掘、运等生产环节都产生着大量的煤尘、粉尘,侵入皮肤就可堵塞皮脂腺、 汗腺,造成皮肤干燥、易受感染,可引起毛囊炎、溃疡性皮炎和脓皮病,再加之致病菌 的侵入,使得煤矿井下工人职业性皮肤病的发病率居高不下[9]。具有抗菌性的服装能够 作为一道屏障来减少那些有害物质对矿工体表的侵害,保护煤矿工人的皮肤健康。

1.3 煤矿用工作服现状
1.3.1 山西省煤炭工业概况 山西省是煤炭资源储量最多的省份,占全国煤炭资源总储量的 30%。山西省煤炭产 量从 1949 年的 267 万吨,到 2008 年的 6.56 亿吨,59 年间,山西共生产煤炭 105.24 亿 吨,占全国生产总量的 1/4 以上;外调全国 26 个省、市、区,外调量达 2.3 亿 t,占全 国省际外调总量的 80%,供应煤炭出口达 1700 万 t,出口 20 多个国家和地区,出口量 占全国的 70%[19] [20]。尤其是在焦炭产量上,多年以来,山西焦炭产量分别占全国产量
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的 40%和全球焦炭产量的 18%, 其中出口量占全国焦炭出口总量 80%和全球焦炭市场交 易量 48%[21]。 建国以来, 山西省的煤炭生产和供应状况就一直都对全国煤炭供求形势有着决定性 的影响[22],无论是为中国的国民经济发展和现代化建设,还是在兴晋富民、支撑山西经 济方面,都作出了巨大贡献。 山西含煤构造主要以晚古生界石炭系上统太原组和二迭系下统山西组为主, 煤炭储 量占全省总储量 98%;其次为中生界侏罗系大同组,分布于大同煤田及宁武煤田北部地 区,其储量约占全省 16%;第三为新生界第三系含煤构造,分布于繁峙、垣曲等地,储 量不多[23]。 按煤田沉积环境、地址构造特征、煤质变质规律等综合因素,山西自北向南主要分 布大同、宁武、河东、西山、沁水、霍西六大煤田[23]。拥有西山煤电、霍州煤电、晋煤 集团、大同煤业、阳煤集团、兰花集团等大型现代化标准煤矿。山西省部分国有大型煤 矿、地方大中型矿及个别乡镇煤矿资料如表 1-1 所示。
表.1-1 山西省部分煤矿情况 Table.1-1 The situation of partial coal mine in Shanxi Province 煤矿名称 晋煤集团寺河矿 霍州煤电辛置矿 西山煤电官地矿 兰花集团唐安矿 阳煤集团一矿 晋煤集团凤凰矿 灵石县夏门矿 灵石县靖烨公司 矿井类型 高瓦斯 低瓦斯 低瓦斯 低瓦斯 斜井 平井 斜井 斜井 ~375 米 ~200 米 ~300 米 ~300 米 ~300 米 矿井深度 ~300 米 ~230 米 采掘方式 机采 机采 机采 机采 机采 机采 炮采 炮采 矿工工作时间 22 天/月 22 天/月 22 天/月 22 天/月 22 天/月 22 天/月 22 天/月 22 天/月 8 小时/天 8 小时/天 8 小时/天 8 小时/天 8 小时/天 8 小时/天 8 小时/天 8 小时/天 煤矿性质 国有煤矿 国有煤矿 国有煤矿 国有煤矿 国有煤矿 国有煤矿 地方煤矿 乡镇煤矿

高瓦斯 立井 低瓦斯 低瓦斯 低瓦斯 斜井 斜井 斜井

就对山西省部分煤矿展开的调研发现,山西省大部分矿井深度不超过 500 米,不属 于高温矿井,四季温度比较平稳,冬春季多在 10℃左右,夏秋季多在 20℃左右,相对 湿度一般在 60~80%(因矿井内湿度一般比较大,不会构成安全隐患,故一般不在监控 范围) ,风速多在 10m/s 左右,是人们工作比较舒适的气候条件。表 1-2 为晋中市部分煤 矿冬天、春天和夏天的井下温度的详细情况。

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表.1-2

晋中市部分矿井井下温度

Table.1-2 Temperature of partial coal mine in Jinzhong city 煤矿名称 监控位置 时 间 温度(℃) 7~9 ~15 ~20 ~12 10~13 14~16 5~7 ~12 19~22 8~10 12~13 ~12 13~15 12~13 14~16 5~7 ~13 ~21 数据提供:晋中市煤炭工业管理局监控中心

2009.2.1~2009.3.1 和顺县天池公司 主井 2009.4.22 2009.6.25~2009.7.2 2009.2.1~2009.3.1 寿阳县段王矿 150400 采掘面 2009.4.22 2009.6.25~2009.7.2 2009.2.1~2009.3.1 左权县下其至 回风 2009.4.22 2009.6.25~2009.7.2 2009.2.1~2009.3.1 平遥县二亩沟 040104 采掘面 2009.4.22 2009.6.25~2009.7.2 2009.1.1~2009.2.1 灵石县夏门矿 151001 回采工作面 2009.4.22 2009.6.25~2009.7.2 2009.1.1~2009.2.1 介休市左则沟 中央配电室 2009.4.22 2009.7.2

从表 1-2 数据可以看出, 大部分矿井四季气温变化不大, 符合 《煤矿安全规程》“生 产矿井采掘工作面空气温度不得超过 26℃,机电设备硐室的空气温度不得超过 30℃。 ” 的规定。冬季时由于地面温度较低,矿井通风系统会源源不断地送入暖风,矿井温度均 大于 5℃。夏季时则送入冷风,矿井温度均小于 26℃。2009 年 7 月 2 日,晋中市气温达 37℃,矿井温度仍在 20℃左右,符合安全生产条件。 1.3.2 山西省煤矿用工作服使用现状 太原理工大学“矿工普通工作服现状调研”课题组于 2008 年 3 月至 2009 年 1 月期 间,多次深入山西省国有大型煤矿、地方大中型矿及个别乡镇煤矿生产第一线,咨询矿
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业、 地质等各方面的技术专家以及矿山医护人员, 详细了解矿工对井下环境的亲身感受, 与矿工面对面交谈,了解他们对矿工服的面料、款式等方面的要求和建议,参观了部分 集团(或煤矿)的服装加工企业,收集到大部分调研企业的矿工工作服,获得了大量的 矿工工作服资料、信息及实物。表 1-3 为山西省矿工普通工作服目前使用现状。
表.1-3 山西省矿工普通工作服使用情况 Table.1-3 Miner general protective clothing usage in Shanxi province 煤矿名称 发放 周期 晋煤集团 寺河矿 霍州煤电 辛置矿 西山煤电 官地矿 兰花集团 唐安矿 晋煤集团 凤凰矿 阳煤集团 一矿 灵石县 夏门矿 灵石县 靖烨公司 12 月 12 月 224 个 工日 12 月 8月 12 月 12 月 12 月 工作服 面料 纯棉 牛仔布 纯棉 全线帆布 纯棉 全线帆布 纯棉 全线帆布 纯棉 全线帆布 纯棉 全线帆布 纯棉 坚固呢 纯棉 坚固呢 洗涤 方式 洗衣房 机洗 洗衣房 机洗 洗衣房 机洗 洗衣房 机洗 洗衣房 机洗 洗衣房 机洗 矿工 自洗 矿工 自洗 不定 三紧式 外购 仅外套 洗涤 周期 1~2 周 1~2 周 1~2 周 3~5 天 1~2 周 1~2 周 不定 三紧式,易磨 损部位加厚 三紧式 三紧式,易磨 损部位加厚 三紧式 三紧式 三紧式+护腰 集团服装厂 生产 集团福利厂 生产 集团统购 (绿洲产) 本矿福利厂 生产 本矿多营公 司生产 外购 三紧式 外购 内衣、绒衣、 外衣三套 内衣、绒衣、 外衣三套 内衣、绒衣、 外衣三套 内衣、绒衣、 外衣三套 内衣、绒衣、 外衣三套 内衣、绒衣、 外衣三套 仅外套 款 式 来 源 备 注

(一)矿工普通工作服的面料和款式:均符合中华人民共和国煤炭行业标准 MT/T843—1999[8]。各类煤矿所发放的工作服面料均为纯棉,且符合中华人民共和国国 家标准棉印染布 GB/T411—93 要求[24];工作服款式为上、下身分离式,上衣为三紧式, 下装为直筒裤。 (二)工作服配备标准:调研煤矿均能按照国家经贸委《关于印发劳动防护用品配 备标准(试行)的通知》国经贸安全[2000]189 号文件精神为采煤工配备标准工作服、 工作帽、防砸鞋、劳防手套、防寒服、雨衣、胶鞋、眼护具、防尘口罩和安全帽[25]。大 型国有煤矿均为矿工配备棉大衣、棉二衣、纯棉内衣(有些为外购秋衣,有些为自制机
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织衬衣)及绒衣(多为外购) ,而且在下井前均有安检员进行服装检查;小型煤矿则只 发放外衣,下井前检查不十分严格。 (三)工作服发放制度:调研煤矿均能按照《山西省企业职工劳动防护用品发放标 准》发放劳保用品[25],采煤工工作服多为 12 月发放一次,个别煤矿则 224 个工作日发 放一次,按照每月 22 个工作日则是十个多月,也符合发放标准。 (四)工作服面料组织结构:符合中华人民共和国国家标准棉印染布 GB/T411—93 要求的织物有多种,就其组织结构而言,可以是粗、中、细各类平布,哔叽、贡呢、卡 其、华达呢等斜纹。传统工作服面料为纯棉坚固呢或牛仔布,这种面料结实、耐穿,但 是笨重、 难以洗涤, 也不美观, 更不利于工人灵活操作, 所以大型国有煤矿均选用蓝 (黑) 色纯棉全线帆布,这种面料轻薄、美观,便于矿工灵活操作。 从收集到的工作服实物质量情况看,工作服市场比较混乱,没有实现专业化生产, 更谈不上标准化、规范化,生产、经营企业的资质值得怀疑。一些煤矿企业领导重生产、 重经济效益,对工作服不够重视;同时,在工作服的生产、采购、保管中也存在一些问 题,许多局、矿都有自办的被服厂,工作服自产自销,根本就不送检,更不管是否合格 就出厂;还有些矿务局把采购权下放到各矿、厂,造成多渠道进货,不注意把好质量关; 某些乡镇煤矿仅仅是纯棉工作服就行,对款式、服装的颜色、服装的合适与否根本没有 要求,所选购的服装在纯棉的基础上,是越便宜越好。这些也是全国煤矿行业普遍存在 的问题。 1.3.3 煤矿用普通工作服存在的问题及原因分析 1.3.3.1 耐久性差 煤矿用普通工作服存在的最普遍问题是面料质量差,拉伸强度、撕裂强度不够,耐 磨性也较差,经过洗涤后的工作服在领口、袖口、口袋等边缘部分磨损相当厉害。目前, 我国地下煤矿作业的工种多达近百种,不同的工种有不同的作业内容,如表 1-4[18]。 对其中不同的作业内容和实际使用情况进行分析, 就能得出现有的煤矿工作服在耐久性 上存在问题及其造成这些问题的原因。

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表.1-4 煤矿井下代表性工种作业情况分析 Table.1-4 some representative operations in coal mine 工种 清货工 工作内容 清理浮货,与采煤机司机、液压支架工、放煤 工配合 采煤机、传送机、 操纵采煤机或传送机、修理一般故障、清扫 液泵站司机 液压支架工 回柱绞车司机 机械上的异物 操纵液压支架、铺网、联网、推移输送机 操作搬运绞车、运送煤、矿石、矸石、物料 等 巷修工 操纵风动、电动等机具,维护、修复、拆换巷 道支架,处理巷道冒顶、片帮、底鼓和压架等 工作面支护工 架设和回撤支柱、放顶、铺设架顶,对顶板、 攀爬、搬、抬、扛、撬、抬臂 围岩进行控制 钻眼工 爆破工 操纵掘煤机械,进行钻进工作 炮眼(孔、洞)装药、充填、连线、警戒、引 爆 资料来源:煤矿作业人员防护服装的设计研究 攀爬、搬、抬、扛、手臂弯曲 攀爬、下蹲、手臂伸展和弯曲 攀爬、搬、抬、扛、撬 主要姿势 半跪、弯腰、反复伸臂 ,前臂时常 伸缩 站立、 弯腰、 手臂频繁运动和弯曲、 下蹲 上肢频繁运动,弯腰、搬抬重物 站立、弯腰、走动、撬

腰部、 腹部磨损大———这是由于作业人员需要佩挂矿灯盒、 自救器等装备,在运动 状态下这些装备与服装摩擦所造成的。 肘部、膝部磨损大———这是由于作业人员反复伸臂、下蹲等动作以及身体在工作 时频繁与工作面摩擦造成的。 部分工种工人的衣服钩破很严重———部分工种的工人需在狭窄的巷道内走动, 所 以易在工作时被机器、支架和工具等钩住而造成工作服钩破。 另外,一方面,煤矿井下作业环境较差,煤炭易使工作服脏污,井下作业环境中的 无机酸类物质容易使其面料纤维迅速破坏;另一方面,工人的劳动强度大,出汗较多, 汗水也会破坏棉纤维,使其面料强力降低。完成工作回到地面后,矿上的洗衣房在洗涤 工作服的过程中,摩擦也是对工作服耐磨性的一项大考验。最重要的是,棉纤维本身不 耐磨,弹性差,使得工作服在这样的环境下使用寿命大打折扣,同时也难以符合国家劳 保服装的使用标准。
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根据国家的劳动防护用品配备标准及发放制度, 采煤工工作服多为 12 月发放一次, 个别煤矿则 224 个工作日发放一次,按照每月 22 个工作日则是十个多发放一次月。所 以,对于工作服要求能有一年的使用寿命。而对于井下特殊环境和相对较大的劳动量而 言,工人普遍反应工作服的耐磨性能比较差,对于井下职工而言根本不够穿。调研中与 矿工面对面交谈时发现,一些工种的工作服一到两个月钩破就比较严重了,五到六个月 的时候由于磨损、钩挂等原因衣服已经是补丁累累,这些就对煤矿用工作服的面料在耐 磨、强力、耐钩挂等性能上的要求较高。 1.3.3.2 阻燃性差 目前全国均使用纯棉面料的煤矿用工作服,然而,棉纤维是可燃纤维,LOI 为 17~ 19 之间,远低于空气中可自熄的最小值 27,不仅燃烧速度快,而且具有很大的助燃性。 织物一旦遇到点火源就会迅速燃烧,酿成火灾,属易燃纤维[26]。另外,研究发现,当火 灾发生时,火焰直接燃烧皮肤远没有衣物着火燃烧造成的伤害大,同时发现最严重的烧 伤源于衣服的燃烧而非火焰本身, 燃烧服装下皮肤的烧伤程度往往比直接暴露的皮肤更 加严重[27]。由于这方面的原因,为确保煤矿这种涉及燃爆危险领域从业人员的安全,必 须以阻燃织物取代易燃的普通纯棉织物。从而保证即使矿井发生大型火灾的情况下,煤 矿工作服既不助燃,也能一旦远离火源便自行熄灭,能够给出职工逃生的时间、减少人 员伤亡和财产损失。 1.3.3.3 防静电性差 对于人体穿着的纺织品来说,带静电的织物常有放电现象,在易燃易爆场合内容易 发生爆炸和火灾事故。如行走中的人,身体就会带上 3000-5000 伏的静电,当空气干燥 相 对 湿 度 较 低 时 , 可 达 5000-18000 伏 。 当 人 体 产 生 静 电 放 电 时 , 产 生 的 能 量有 2.5-52mJ[28] ,而瓦斯的最小发火能量才 0.28mJ[29] ,煤矿粉 尘 的 最 小 引 燃 能 量 为 1 0 ~ 1 0 0 m J [30], 人 体 静电足以点燃和引爆瓦斯气体或是煤矿粉尘。 纯棉服不能替代防静电服,因为纯棉本身也是绝缘体,在相对湿度低于 30%时,纯 棉布的带电量有时还大于化纤布。只有相对湿度高于 50%时,因纯棉吸水才不起静电, 虽然说在湿度较高的地区或场所,也能起到一定的防静电的效果,但是井下自然条件复 杂,湿度也不相同,比如北方的矿井或是冬季天气较干燥的时候,纯棉面料的使用无疑 埋下了安全隐患[31]。 所以在煤矿安全生产中,应该认真考虑工人的着装避免服装摩擦而产生的静电,减
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少瓦斯和煤尘爆炸事故的发生。因此,给井下作业人员装备具有防静电性能的服装,是 当前我国煤矿安全生产必须落实的一项基本工作。

1.4 国内外煤矿用工作服的标准和研究现状

1.4.1 国内外煤矿用工作服的标准 矿工普通工作服,英语中称为 miner general protective clothing,是矿工作业时穿着 的用来防御普通伤害及脏污的防护服。 矿工普通工作服国家标准采用现行中华人民共和国煤炭行业标准 MT/T843—1999, 工作服面料应符合 GB/T411 的要求, 同时应能保证在 《煤炭工业职工劳动防护用品发放 标准》规定的期限内满足服用要求。 1999 年 11 月 11 日国家煤炭工业局行业管理司发布了我国现行的矿工普通工作服行 业标准 MT/T843—1999,矿工普通工作服行业标准(MT/T843—1999)是在《矿工纯棉 普通工作服暂行质量指标》 和 《矿工普通工作服检验方法》 基础上制定的, 并采用了 FZ/T 81007—1994《男女单服装》 、GB/T 13661—1992《一般防护服》的有关内容。由江苏省 煤矿研究所起草,由煤炭工业煤矿安全标准化技术标委会归口,于 2000 年 3 月 15 日开 始实施。并且自实施之日起代替《矿工纯棉普通工作服暂行质量指标》和《矿工普通工 作服检验方法》[8]。 该标准适用于以纯棉织物为面料,采用缝制工艺制作的矿工普通工作服,规定了矿 工普通工作服的款式、面料选用原则、技术要求、试验方法、检验规则、标志、运输和 贮存。 该标准规定矿工普通工作服必须是纯棉织物, 目前国内的煤矿用工作服也均为纯棉 面料。通过在网上查询和咨询矿业行业的资深专家,发现国外(俄罗斯、西欧、美国) 的煤矿行业的工作服也是使用纯棉工作服。 国外的煤矿用的工作服中国的煤矿开采条件 较差,开采深度深,瓦斯含量大,煤层透气性低,煤层瓦斯采前不易抽放。而美国、澳 大利亚等发达国家,对地质条件复杂的突出矿井往往停产关闭,但中国尚无可能做到这 一点。 矿井瓦斯等级的不同, 对于安全装备的要求差别很大。 一个年产 100 万吨的矿井, 从高瓦斯矿井升级到突出矿井,安全投资要增加 5000 万元到 1 亿左右,这还不包括生
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产过程中的投入。目前一些煤矿已达到突出矿井标准,但由于升级投资较大,企业不愿 意申报。不久前发布的《全国国有煤矿安全保障能力调研报告》显示,中国 7.5 亿吨、 即将近 40%的原煤产能尚无安全保障,属于超能力生产[32]。对于发展中国家来说,煤炭 开采行业还是劳动密集型行业,是在用人命换取工业的发展速度,而对于西欧、美国等 发达国家而言,由于新技术的应用、机械化和自动化采掘,提高了工作效率,从而减少 了井下工人数量,也就减少了易于遇险的人群,实际上美国煤矿工人的总数已经下降到 不足 10 万,他们中绝大多数也是操作设备的技术工人,这也使得他们的煤炭开采能实 现高产量低伤亡[33]。目前我国采煤效率较低。国有煤矿采煤机械化程度只有 60-70%, 大量的乡镇煤矿采煤机械化程度很低,装备水平十分落后。我国煤矿采煤效率(劳动生 产率)只相当于美国的 2.2%[34]。 综合上述情况可知,就目前我国的经济条件、工业化程度、新技术的开发和国家标 准的完善情况来看,我国煤矿工人面临的危险较高,对最后一道防御伤害的安全屏障— 工作服的要求也就较国外高,我们应该相信随着国内煤炭开采业的发展,纯棉工作服肯 定不能满足进一步的需要,对于工作服的性能的完善才是发展的大势所趋。 1.4.2 国内矿工普通工作服的研发现状 近几年, 很多煤矿和纺织工作者都发表了不少的文章呼吁煤矿工人应该穿着专门的 煤矿用防静电防护服。早在 1995 年,江苏省煤矿研究所的严桂莲就已经在《加强对煤 矿劳动防护服的管理》 上提出了矿工工作服除了用以保护人体少受物理性因素和生物性 因素的侵害之外,还必须重视工作服的吸湿性能和导电性能[9];2003 年江苏金湖国祥工 贸有限公司董事长朱国侯在《走出煤矿安全防护的误区》一文中建议工人不仅要穿防静 电服,而且要穿抗静电靴,以释放人体活动时产生的静电[35];2005 年他又在发表的学术 文章《煤矿工人应穿抗静电靴而不是绝缘靴》一文中再次重申:在煤矿安全生产中,应 将煤矿井下作业人员个体抗静电问题,纳入煤矿防爆管理范围。全棉工作服只能减少而 不能彻底杜绝静电的产生,给井下作业人员装备全棉防静电服,是当前我国煤矿安全生 产必须落实的一项基本工作[36];2006 年国内防静电领域的前辈保定三源纺织科技有限 公司董事长房树基在《中国个体防护装备》上发表了《煤矿工人应穿抗静电工作服而不 是纯棉工作服》文章,呼吁我国煤矿生产企业应统一配备能排放人体静电的抗静电服、 鞋和袜子,在井下构成一个以个人为单位的强大抗静电网,以杜绝或减少人体静电火花
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引发的瓦斯爆炸事故[31];2008 年苏州大学材料工程学院硕士生导师陈雁和辽东学院服 装纺织学院的老师阚丽红发表了关于《煤矿作业人员防护服装的设计研究》的论文,提 出了能够实现安全防护性能和舒适性能的煤矿作业人员防护服的设计方案, 该方案中要 求新的煤矿作业人员防护服材料具有可识别性、防静电性、耐久性和舒适性等性能[18]。 此外,2008 年长春工业大学的冀来生和唐淑娟也在《煤炭行业防静电、防粉尘、阻燃防 护服面料的研究与设计》的文章中对煤炭系统一线从业人员的防护服进行了防静电、防 灰尘、阻燃性的设计和开发[37]。2009 年荣向东、冯杰在中州煤炭杂志上发表的《浅谈 煤矿入井人员劳动保护与安全用品使用误区及订正》中也明确提出,煤矿井下工作服装 的面料必须具有一定的耐磨强度、裂断强度和抗撕强度等主要机械性能,还要有抗静电 性能[38]。 由上可以看出,煤矿用普通工作服的安全使用情况已经引起了各界的煤炭工作者、 纺织工作者、纺织企业和全国防护服研究会的重视,但是基本只是停留在对工作服各项 性能理论的研究上,只有 2008 年 9 月长春工业大学的冀来生和唐淑娟对煤炭工作人员 的防护服进行了简单的面料防静电、防灰尘、阻燃性的实验设计,将煤矿工作服的理论 呼吁上升到了实践研究。 我校对于煤矿用工作服的研究始于 2006 年, 2007 年全省范围内开始调研,同年, 为了开发我国新型安全防护材料,经全国防护服研究会协调,南通金仕达超微阻燃材料 有限公司就与我太原理工大学轻纺工程与美术学院合作进行高强防静电天然纤维织物 (坯布)的研究,该项目研究的高强防静电天然纤维织物是专门为煤矿工作服设计的。 在经过多次深入国有大型煤矿、地方大中型矿及个别乡镇煤矿等生产第一线,实地调研 后,该项目的实验在 2008 年 1 月正式开始,截止 2009 年 6 月由我校负责的面料设计部 分已经全部完成,后续的染色性能由金仕达公司承担试验。项目全部完成后,拟由全国 防护服研究会组织召开“煤炭防护服及其防护材料全国学术研讨会” ,促进煤炭防护服 的发展。

1.5 煤矿用防护服

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1.5.1 国内外防护服技术现状 随着工业的飞速发展,人们在工作、 生活中面临着越来越多的威胁。 为了抵御这种威 胁,减少不必要的损失,人们运用了各种防护装备,防护服就是其中重要的一种[39]。它能 有效地保护作业人员现场作业时免受环境中物理、化学、生物等因素的伤害。 目前,世界纺织科技迅速发展,纺织新材料、新产品不断涌现,第三、第四代合成 纤维和新型纤维素纤维以优异的性能,弥补了天然纤维的局限和不足,并通过高新技术 开发出了具有轻质、高强、耐高温的特种纤维以及具有多功能的差别化纤维和技术性纺 织品,进一步拓展了纺织品应用领域[40]。 具体到防护服领域,从20世纪80年代开始,国际上防护服技术发展非常迅速,功能 防护服装中材料的发展呈现下列趋势。 (1)纤维材料的功能性、高科技性增强,并向差别化方向发展。 随着人们对纺织纤维的需求范围越来越广,性能要求越来越高,特殊功能纤维的应 用领域不断扩展,致使世界各大化学纤维制造商全力注重差别化纤维的研究与开发。原 有化学纤维的染色、光热稳定、抗静电、防污、阻燃、抗起球、蓬松手感和吸湿等性能 都有较大改进。 目前在阻燃领域中,美国、日本以及一些西欧国家长期以来致力于开发新型阻燃纤 维并取得了很大成果,开发出了芳香族聚酰胺纤维、PAN、玻璃纤维、三聚氰胺纤维、 PPS、PBA 等阻燃性能优良的纤维。新纤维如 PBI、Nomex、KERMEL、kevlar、芳砜纶 等,本身所具有的优良的阻燃性、热稳定性、高温尺寸稳定性、耐热性和良好的物理机 械性能,远远超过了棉。所以用新的这些阻燃纤维代替棉,或者与棉混纺,不仅可以提 高织物的阻燃性能,而且可以提高织物的强力和耐磨性等。 (2)多功能化和复合化、系统化。 现在,防护服发展已趋向于集多种防护功能于一体。如阻燃与防静电兼容,防水与 透湿兼备等。通过高技术纤维的应用,把复合、涂层等特种加工工艺结合起来。从纤维 到织物加工、从服装材料的研制到特种功能服装产品的开发结合,都将改变和提高防护 产品的特性。 (3)舒适健康化 随着高科技的发展,防护服装除了能满足防护目的外,更会向更舒适,更有利于人 体健康的方向发展。
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(4)应用领域不断扩大 除了传统的阻燃、抗静电等领域,在其他方面,如光逆反射标志材料等新品种将会 陆续出现。另外,新工艺和新发明必将大量涌现,使功能防护服装的应用领域得以不断 扩大[41]。 1.5.2 矿用普通工作服的功能转变 矿工普通工作服行业标准 MT/T843—1999 是 1999 年 11 月 11 日由国家煤炭工业局 行业管理司发布的,从发布至今已经十年了,期间并没有修改或是补充过。随着聚合物 技术的发展和特殊纤维、纱线与织物生产工艺的不断成熟,该标准在 1999 年当时技术 环境下制定的某些规定已经被历史逐渐所淘汰了, 而且传统的工作服无论是从性能还是 款式上均不能适应现代化生产的需要。此外,伴随着开采深度和强度的不断增加,煤矿 的自然条件还在恶化,人类涉及危险的范围在扩大,防御危害的技术水平也在提高,因 此,有必要根据目前及未来一段时间的防御对象、防护要求、防护技术的实际状况和水 平,根据现有的技术基础、经济条件和需求的轻重缓急,制订出切实有效的煤矿用工作 服标准,为煤矿工作人员构筑一道坚实可靠的安全防线。 行业标准中一直在使用矿工普通工作服这一定义, 但在防护服的定义中规定防护服 可分为两类:一般防护服和特种防护服。一般防护服是指防御普通伤害和脏污,在一般 作业环境下都适用的防护服。特种防护服是指具有特定防护功能,适用于特定环境下穿 用的防护服,如阻燃防护服、防静电工作服、防酸工作服等[41]。以前一直叫普通工作服 并没有上升为具有特殊功能的防护服, 所以改变对普通工作服的定义将其改为煤矿用防 护服,增加符合煤矿井下复杂工作环境要求的各方面性能,更好的为矿下工人的安全生 产提供保护。本文对煤矿用防护服做了如下定义:煤矿用防护服是用于煤矿工人作业时 穿着的用来防御普通伤害、脏污和静电积聚,并具有阻燃功能的服装。

1.6 本研究的目的及意义
本文在对煤矿井下环境和工人作业情况调研分析的基础上, 对煤矿工人的防护服服 装面料的功能进行了系统的研究与设计, 提出了能够实现重点进行安全防护的防护服面 料的设计思路,为矿下工人提供更好的工作保护,也为预防人为原因产生的矿难做出一 定的贡献。
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本文拟设计出一种新型的高强耐磨同时又兼顾阻燃抗静电性能的煤矿用防护服面 料。我们首先重点考虑,如何大幅提高煤矿用防护服面料的强度、耐磨性能,从而使其 更加适合艰苦的井下作业环境,给矿下工人提供更好的工作保护。与此同时,尽可能的 提高面料的阻燃抗静电性能,来预防服装磨擦起静电而导致的可燃性气体爆炸;在其他 因素:如电路、自然、人为等,造成火灾时,对人体阻燃形成隔热保护,便于逃生。这 项研究对保障人民生命财产安全、促进我国煤炭行业的持续与稳定地发展、加快我国和 谐社会建设进程都有十分重要的意义。 最后,希望能通过该项研究证明,依靠先进的纺织服装科技,现在完全可以用新材 料代替纯棉制品,并且更加符合矿井复杂环境下的使用,从而引起相关部门的注意,促 进我国煤矿用工作服的国家标准和行业标准的修改和制定, 进一步为我国的煤炭安全生 产提供切实的保护。

1.7 相关概念

1.7.1 防护服 防护服可分为两类:一般防护服和特种防护服。一般防护服是指防御普通伤害和脏 污,在一般作业环境下都适用的防护服。特种防护服是指具有特定防护功能,适用于特 定环境下穿用的防护服[41]。 1.7.2 矿工普通工作服 矿工普通工作服是矿工作业时穿着的用来防御普通伤害及脏污的防护服[8]。 1.7.3 阻燃防护服 在接触火焰或炽热物体后能防止本身被点燃、有焰燃烧和阴燃的防护服[42]。 1.7.4 防静电工作服 为了防止衣服的静电积聚,用防静电织物为面料而缝制的工作服。 1.7.5 防静电织物 为防止衣物的静电积聚,在纺织时,大致等间隔或均匀地混入导电纤维或防静电合 成纤维或者两者混合交织而成的织物[43]。 1.7.6 阻燃性 物质具有的或材料经处理后具有的明显推迟火焰蔓延的性质。
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1.7.7 耐磨性 织物具有的抵抗耐磨的特性[44]。 1.7.8 帆布 帆布一般多采用平纹组织,少量的用斜纹组织 [45]。

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第二章 新型煤矿用防护服面料的设计

2.1 设计思路
织物的性能是由组成织物的纤维,纱线与织物结构及纺织工艺所决定的。就煤矿用 防护服而言,其最终用途及性能要求高强、耐磨、阻燃、抗静电并且价格适宜。综观近 年来国内外在研究阻燃防静电面料方面所采取的主要技术路线及其存在问题, 大致有以 下几种: (1)对棉、涤/棉等材料的织物采用阻燃剂和防静电剂进行后整理,以实现阻燃性能 与防静电性能的兼容。由于并存于织物上的有机阻燃剂和有机防静电剂的相互作用,往 往使其阻燃、防静电性能劣化,并使织物强度大为降低、手感粗糙发硬;同时这种双防 织物的耐洗涤性甚差,难以达到实用化的程度。 (2)对织物采用阻燃、防静电涂层处理。即在织物表面均匀地形成一层阻燃与防静电 的膜状覆盖物。此法在一定程度上提高了织物双防性能的耐久性,强度也有所改善。但 涂层易老化、阻燃防静电性能不佳,同时手感也难以调节适当。 (3)使导电纤维长丝嵌入普通织物中,再对织物进行阻燃后整理。此法可获得良好的 阻燃防静电性能,但阻燃的耐洗涤性较差,织物强度低、手感风格仍较厚硬。 (4)使阻燃纤维与棉或一般合纤混纺成纱制成织物后,再在织物中嵌织导电纤维长 丝,从而赋于织物双防功能。此法避开了对织物的阻燃后整理,使双防织物的强度和手 感均有一定改善。但因混纺纱中的棉或其他合纤材料仍属易燃材料,故织物的阻燃性能 难以达到要求。同时,若混纺纱中含有涤纶等合纤,遇燃时还有收缩和熔滴现象。织物 的强度在一些特殊用途中(如制作野战服、消防服)仍不能满足要求[46]。 综上所述,目前国内外在研发阻燃防静电面料中存在的关键问题是:如何在保证面 料既具有良好的防静电性能和阻燃性能的前提下, 又能使双防面料同时具有很高的强度 和耐磨性。这也是在研究煤矿用防护服中需要重点解决的问题。 针对上述问题,本研究将高强阻燃纤维、导电纤维和棉纤维以混纺或交织的方式形
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成新型织物,从而使其不仅具有阻燃、防静电的持久防护功能,也具有高强耐磨的优异 性能。

2.2 煤矿用防护服面料的纤维选择

2.2.1棉纤维 据资料显示,1990年我国纤维的产量为3846万吨,其中化学纤维为1772万吨,而三 大纤维涤纶、锦纶、腈纶占化纤总量的85%。1995年世界的化学纤维产量上升为2137万 吨,其中以涤纶为主的三大合成纤维达到1829万吨,占化纤总量的85%[47]。所以在当时 的生产条件下,除了天然纤维之外,可供选择的纤维种类还是较少的。表2-1为常见纤 维的各项性能[48],我们可以明显地看到天然纤维与常见化学纤维各项性能的对比。
表.2-1 常见纤维的各项性能 Table.2-1 Performance of common fiber 纤维 相对 密度 棉 蚕丝 羊毛 维纶 腈纶 锦纶 涤纶 1.5 1.35 1.32 1.30 1.17 1.14 1.38 回潮率 (%) 8 11 16 5 1.5 3.6 0.4 干湿强度 N/kg.m-1(g/D) 干平均 湿平均 断裂伸 长 (%) 7.5 20 33 23 25 28 23 静电 性 1 3 2 6 4 5 7 耐磨 性 1 2 3 6 4 7 5 150°C 分解 148°C 分解 135°C 分解 200-220 软化 190-220 软化 220-240 软化 230-240 软化 耐热性

3.35*105(3.8) 3.71*105(4.2) 4.24*105(4.8) 3.35*105(3.8) 1.32*105(1.5) 9.71*105(1.1) 4.24*105(4.8) 3.27*105(3.7) 3.53*105(4) 3.35*105(3.8)

5.56*105(6.3) 4.94*105(5.6) 4.41*105(5) 4.41*105(5)

资料来源:煤矿职工安全生产知识简明教程 注:1 回潮率=((湿纤维重—干纤维重)/干纤维重) *100%; 2 静电性、耐磨性:数字表示相对顺序,如:1 表示小(弱),7 表示大(强) 。

首先,纯棉的静电性能比维纶、腈纶、锦纶、涤纶均低的多,即使同是天然纤维的 蚕丝和羊毛也不能与之相比,可以说是几种常见纤维中静电性能最小的纤维,即纯棉本 身就相对较难产生静电,另外,当衣物之间或衣物与身体的摩擦产生静电荷时,在矿井 的湿度高达 60-80%,甚至 100%的情况下,纯棉服装也能因为具有很高的回潮率,能迅 速吸收水分,从而将静电荷及时释放到空气中。 此外,在火灾事故中,纯棉织物虽然易燃,150°C 开始燃烧,但它灰烬少,灰末细
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软,不会粘连在皮肤上;而常规化纤衣物则是一边熔化或是收缩,一边加剧燃烧,并且 一旦开始燃烧就不易熄灭,燃烧的化纤衣物也会粘在皮肤上,加剧烧伤的面积和深度。 这些具体的特征可以清晰地从表 2-2 常见纤维的燃烧特征上看出来。 仅仅燃烧性能这点, 煤矿用工作服就不考虑使用常规化学纤维.
表.2-2 纤维的燃烧特征 Table.2-2 Burning characters of fiber 纤维 棉 麻 粘胶纤维 醋酯纤维 涤纶 锦纶 丙纶 腈纶 维纶 燃烧情况 易燃 易燃 易燃 缓缓燃烧 一边熔化,一边缓慢燃烧 一边熔化,一边缓慢燃烧 一边收缩,一边熔化燃烧 一边熔化,一边燃烧 缓慢燃烧 灰烬颜色及形状 灰烬少,灰末细软,浅灰色 灰烬少,灰末细软,浅灰色 灰烬少,灰末细软,浅灰色 黑色硬块或小球 易碎,灰褐色硬块 坚硬褐色小球 黄褐色硬块 易碎,黑色硬块 易碎,褐色硬块 资料来源:煤矿职工安全生产知识简明教程

上面提及的棉的静电性较化纤低和燃烧不扩大的特点是纯棉应用于矿用普通工作 服最重要的原因, 也是纯棉与化纤相比最大的优点, 最能满足煤矿井下易燃易爆的要求。 但是纯棉同时也存在很多不足之处,比如纯棉的断裂伸长和耐磨性比化纤差的多,在环 境如此恶劣,劳动强度如此大的矿下,这二点的缺点也就只能忽视了。本试验致力于在 不改变棉的静电和阻燃性能的前提下,解决棉织物的强力和耐磨性能。基于此,本文考 虑加入强力比棉大、耐磨性比棉好的的化学纤维。

2.2.2 化学纤维

2.2.2.1 再生纤维素纤维 化学纤维分再生纤维素纤维和合成纤维两类。 本试验在考虑加入合成纤维来改善棉 织物的耐磨性时,优先考虑再生纤维素纤维的替代可能。因为再生纤维素纤维是天然纤 维素物质制成的, 纤维结构组成与棉相似, 吸湿量高达 13%~15%, 比棉纤维高出 6%~ 7%,穿着更加舒适,染色靓丽性优于棉纤维,热稳定性和光稳定性高,不起静电,强
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度和伸度能满足大多数纺织品的需要。再生纤维素纤维主要有粘胶纤维、Modal 纤维、 富强纤维、竹浆纤维、Lyoell 纤维、铜氨纤维、醋酯纤维等[49][50]。表 2-3 为几种再生纤 维素纤维的性能比较[50]。

表.2-3 再生纤维素纤维性能的比较 Table.2-3 Performance comparison of Regenerated Cellulose Fibers 纤维英文名 纤维中文名 支数(dtex) 干强度(CN/tex) 干伸长(%) 湿强度(CN/tex) 湿伸长(%) 湿模量伸长 5% (CN/tex) 回潮率(%) 缩水率 11.5 低 13 低 14 中等 12.5 中等 13 高 8 中等 0.5 低 Tencel 坦塞尔 1.4-1.7 38-42 14-16 34-38 16-18 270 Lyoell 莱奥塞尔 1.3-1.7 35 14 28 17 160 Polynosic 富纤 1.7 38 11 26 12 180 Modal 莫代尔 1.7 34-36 13-15 19-21 13-15 100 Viscose 粘胶 1.7 25 17 14 21 50 Cotton 棉 1.7 28 10 32 l1 100 Polyester 涤纶 1.7 50-56 25-30 50-54 25-30 200

资料来源:中国纱线网

本研究的目的是设计出一款高强、耐磨、阻燃和防静电的面料。在对纤维进 行选择时,重点考虑所选纤维的强力及阻燃性。综合各种再生纤维素纤维的性能和 煤矿井下的工作环境,研究发现再生纤维素纤维与棉相比各有优缺点,总体不能满足本 研究的要求,有些再生纤维素纤维强力较棉低,起不到提高面料强力与耐磨的作用,比 如:普通粘胶纤维的断裂强度比棉小,醋酯纤维,富强纤维的湿强比棉小,铜氨纤维和 海藻纤维的强力也比棉小;有些再生纤维素纤维成纱和织造中有明显的缺陷,比如:竹 纤维可纺性差且成纱的单纱强力变异系数较高、强力明显下降,Modal 织物挺适性差, Tencel 织物的原纤化严重[35][36][37][38] [39][40][41];此外,本研究曾考虑过阻燃粘胶纤维的对比 试验,结果发现虽然资料上有相关介绍,但在购买的时候很难找到供货商和生产厂家。 本研究经过大量的资料对比,综合各种再生纤维素纤维的性能和煤矿井下的工作环境, 不考虑使用再生纤维素纤维。 2.2.2.2 合成纤维 从表 2-1 常见纤维的性能和表 2-2 纤维的燃烧特征看,不考虑常规化纤,直接考虑 高科技纤维。
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2.2.2.3 高科技纤维 高科技纤维是指依靠高技术和纤维材料科学最新的基础理论, 研制成功的一系列新 纤维材料[58]。具有高强、高模、耐高温、耐腐蚀、阻燃等高性能和高感性、高吸湿、防 水透湿、抗静电、导电、离子交换性、抗菌性等高功能。阻燃纤维和抗静电纤维均属于 高科技纤维[59]。 (1)高强阻燃纤维 目前, 使织物获得阻然性能的方法有两种: 一是采用本身具有阻燃性能的纤维材料, 这类纤维本身具有阻燃性能,此类织物性能保持长久,是永久性的。二是对纤维或织物 进行化学功能整理。一般常见纯棉织物、涤棉织物和其他传统面料的阻燃处理。阻燃效 果分一次性和长久性(洗涤耐用次数 50 次以上) ,由于化学处理所有染化料,多含有对 人体有危害成分的甲醛, 而且对织物的其他性能如外观、 强力、 舒适性等有一定的影响, 而且阻燃性能及其耐久性较差, 所以正逐渐被具有阻燃性能的纤维织物所代替[60]。 因此, 本文选用本身具有阻燃性能的纤维材料来实现煤矿用防护服面料的阻燃性, 并且在选择 时同步考虑对煤矿用防护服面料强力等性能的提高。 目前国内外市场上的本质阻燃纤维主要包括以下几种:芳香族聚酰胺如 Nomex 和 Kevlar,聚酰亚胺如法国的 Kermal,聚砜酰胺,聚芳酯,聚酚醛树脂,聚四氟乙烯,以 及陶瓷、玻璃等纤维。部分高性能阻燃纤维的各项性能指标如表 2-4[61]。
表.2-4 几种高性能阻燃纤维的性能指标 Table.2-4 Some indecies of several kind of high performance flame-retardant fibers 品种 密度 g/cm3 聚四氟乙烯 PTFE 玻璃纤维 聚苯硫醚 PPS 聚苯并咪唑 PBI 聚酰亚胺 P84 2.1 2.54 1.37 1.43 1.41 强度 g/d 0.9-2.0 3.5 2.6-3.0 3.7 断裂伸 长% 19-140 3-4 40 25-30 19-21 回潮率 % 0 0 0.6 15 4-4.5 好 好 好 好 耐碱好 耐酸一般 间位芳纶 1.38 3.5-5.0 22-32 6.5 耐碱好 耐酸一般 芳砜纶 PSA 1.42 3.0-3.5 20-25 6.28 耐酸好 耐碱一般 Kevlar 1.67 20.92 3.55 7 耐酸好 耐碱一般
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耐酸碱性

耐氧 化性 好 好 差 好 好

极限氧 指数 100 34 38 40

安全使用 温度℃ 250 240 190 315 260



30

180



33

230



30

400

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近年来,国际上常使用聚对苯二甲酸对苯二胺纤维(PPTA) 、聚间苯二甲酰间苯二 胺纤维(MPIA) 、Teflon,聚苯并咪唑纤维 PBI 等阻燃纤维材料研制阻燃防护服,但是 这些材料在性能上也存在着很多缺陷。PPTA 纤维虽然具有优秀的阻燃性能,在高温下 也不熔融,但是其产量非常少,因而价格昂贵,在市场推广上存在着很大的缺陷。MPIA 纤维,在高温水蒸气条件下会缓慢脆化,并在分解时释放出一氧化碳气体。这在火场救 援时,会对消防人员的生命安全造成极大威胁。PBI 纤维虽然具有良好的热稳定性和热 收缩性,但是其具有致癌性。PTFE(聚四氟乙烯)纤维由于其纺丝成形困难,制备工 艺复杂而应用较少[62]。 在综合对比表 2-4 的阻燃纤维各项性能之后,本文在多种阻燃纤维中选取了本身具 有阻燃性能并且强力最高(断裂强力 26.99 cN)的高性能 Kevlar 纤维,以实现煤矿用防 护服面料阻燃和高强性能。 Kevlar 的全称是芳香族聚酞胺纤维(Aramid fibers) ,国外商品名 Kevlar,我国称之 为芳纶 1414, 其化学名称为聚对苯二甲酞对苯二胺(PPTA) [63]。 芳纶 1414 外观呈金黄色, 貌似闪亮的金属丝线,实际上是由刚性长分子构成的液晶态聚合物。由于其分子链沿长 度方向高度取向,并且具有极强的链间结合力,从而赋予纤维空前的高强度、高模量和 耐高温特性[64]。 Kevlar 性能中突出的特点是:高强度和高模量。它的强度为钢的 3 倍,为强度较高 的涤纶工业丝的 4 倍;它的初始模量为涤纶工业丝的 4~10 倍,为聚酞胺纤维的 10 倍 以上[65]。 Kevlar 亦有优异的耐温性能,能在-196℃到+204℃的温度范围内连续使用而不会有 很明显的变化或减损;在 150℃下的收缩率为 0,在 500 ℃的高温下不分解不熔化;同 时还具有不溶解、防火性(不助燃)、仅会在 427 ℃开始碳化的特性,即使在-196 ℃的 低温下,也没有变脆和性能损失的现象,并能忍受温度高达 538℃短暂时间接触的优异 耐温性能[66]。 Kevlar 具有固有的不燃性, 遇火不蔓延, 不收缩熔融, 其极限氧指数在 28~32 之间, 且具有良好的绝缘性和抗腐蚀性,生命周期很长,因而赢得了“合成钢丝”的美誉。它还 具有低密度,优良减震性,耐磨,耐冲击,抗疲劳,低膨胀,低导热等突出的热性能以

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及优良的介电性能。 总之,在要求材料具有高强度、高模量、耐高温、抗撕裂、防穿刺及耐拉伸性能的 应用领域,Kevlar 都具有不可替代的优越性[67]。 (2)抗静电纤维 要解决静电造成的诸多问题,目前的防静电方法都是以减少静电量和导去静电为 主。常用的方法一是对织物进行抗静电后整理,二是将导电纤维用混纺交织或其它方法 混合织进织物,以导去静电。 对织物进行抗静电整理是使抗静电剂吸附在织物的表面, 其抗静电机理是由于吸湿 而使静电泄漏。通常抗静电剂是表面活性剂或其它亲水性化合物,由于与织物的结合力 偏小, 其耐久性较差, 一般经过几次洗涤就失去抗静电作用。 在相对湿度较低的情况下, 因抗静电剂吸湿能力变低而使其抗静电性能大大下降。因此,抗静电助剂整理无法解决 耐久性的问题和低湿度条件下的抗静电问题[28]。目前,采用在织物中添加导电纤维的方 法是最有效的抗静电方法,它具有效果好,性能持久的优点。使用导电纤维是纺织材料 抗静电技术发展的方向。本文选用美国首诺公司生产的有机导电纤维 22T-5-632Z 和有 机导电 22T-3-B68Z 作为导电丝,各项性能见表 2-5。这两种导电丝均属于金属化合物 复合导电纤维。导电芯纵向分布于纤维表面,并被锁定于纤维中防止磨损和断裂。这种 结构能消除绝缘防止静电的积累及电晕放电,很好地适应商业、工业环境,该产品的优 异性能使其在任何严酷的环境中都能游刃有余。
表.2-5 防静电纤维各项指标 Table.2-5 Indicators of anti-static fiber 型号 形态说明 纤度 强力 电阻 断裂伸长率 沸水收缩率 22T-5-632Z 复合导电纤维 22 dTex 4.5 cN/dTex 108?/cm 43% 9.5% 资料来源:NO-SHOCK 双组分有机导电纤维品种介绍

其抗静电机理是由于导电纤维能产生一种很缓和的电晕放电, 当静电压达到一定得 数值后,即产生无火花的电晕放电,使静电消除。这种现象通常认为是织物中的导电纤 维在静电场的作用下,使周围的空气产生电离作用而形成正负离子,正负离子中的一种
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与织物所带的静电荷相反而中和, 另一种则与环境电荷大地中和, 从而消除了静电。 电晕放电与静电泄漏的显著区别在于, 电晕放电在不接地的情况下也能很好的消除织物 上的静电,而静电泄漏则需要接触地面或在空气湿度较大的情况下才能是静电消除。 相对而言,其它一些抗静电纤维产品均被证明有不同程度的弊病。如金属或金属涂 层纤维的价格昂贵,还容易磨损、断裂,不及有机导电纤维耐用;碳涂层纤维同样存在 使用寿命短的问题[28]。

2.3 纺织工艺设计
2.3.1 实验方法 两种或多种纤维混纺常采用以下两种方法: 一是各组分纤维分别制条后在并条机上 混合,即条混;二是各组分纤维在开清棉阶段进行混合,即纤混[68]。本文实验中先将棉 纤维进行开清棉工序,对棉纤维进行除杂和开松。而 kevlar 为化学纤维,整齐度高,含 杂少,所以将它在梳棉工序与棉均匀混合加入,这样既保证了纤维的充分均匀混合,又 充分利用了纤维的内外转移规律,提高纱线品质。 本研究先将Kevlar纤维与棉纤维混纺形成阻燃纱,再将复合导电纤维长丝与棉纱合 并形成防静电纱,然后将防静电纱与高强阻燃纱交织形成阻燃防静电织物。交织前之所 以增加并捻防静电纱工艺,一是导电长丝本身细度很小,不宜直接使用,二是为了使导 电纤维与棉纱并捻后能够尽可能均匀地混入基础织物中, 以便使防静电性能和阻燃性能 达到最佳的兼容效果。
Kevlar 纤维 混纺 高强阻燃纱 棉纤维 交织 煤矿用防护服面料 纯棉纱线 合并 加捻

防静电纱

导电纤维长丝 图.2-1 实验方法 Figure.2-1 Experimental Methods
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2.3.2 纺纱工艺设计 2.3.2.1 纤维配比与纱支选择 研究显示: 在对 Kevlar 与棉纤维混纺研究中, Kevlar 与棉混纺比常为 80/20、 50/50、 20/80,这 3 种混比织物的续然时间、阴燃时间、损毁长度洗涤前后均满足 GB8965-88 二级以上要求,极限氧指数 LOI 也大于具有阻燃要求的 28 标准。随着 Kevlar 含量的提 高,LOI 值也增加。其中 80/20 织物具有优良的耐热性、阻燃性,不需阻燃整理即可满 足国家阻燃服要求;50/50 和 20/80 混纺织物,需经 Proban 阻燃整理后才能达到阻燃标 准要求[5]。由于本研究的目的是在提高织物的强力和耐磨性的同时,尽可能不影响纯棉 织物的舒适性和燃烧性能。为了不使煤矿用防护服的成本增长太高,并能实现多功能需 求。 本研究选取小比例的 Kevlar 与棉纤维进行一定比例的混纺制得耐磨阻燃织物。 详细 的试验配比为:Kevlar/棉:3/97、5/95、7/93、9/91。 纱线是纤维沿长度方向聚集成形的柔软细长的纤维集合体。 影响纱线特征的因素主 要有纱线的细度、捻度和捻向。纱线的细度是表示纱线相对粗细的。而纱线的粗细直接 决定着织物的规格、品种、风格、用途和物理机器性能,纱线的捻度指单位长度纱线上 所加的捻回数,捻度大,纱线强度大。捻向是纱线加捻的方向,为 S 捻(右捻)和 Z 捻(左 捻)。多数情况下,单纱采用 Z 捻,股线采用 S 捻[70]。 调研发现,我国普通工作服的纱支为 10s、12s 和 16s,大多为 12s。有些企业选择 以牛仔布代替工作服,而传统的牛仔布织物,通常采用三种类型的纱线,薄型:36tex (16s) ,中型:58tex(10s) ,厚型:83tex(7s)[71]。本研究拟纺制 12s,20s,32s,40s 四种支数的纱线;对于捻度的设定,则尽可能设置较大的捻度来提高纱线的强度,以截 取一段单纱使其在自然条件下不会发生捻缩为宜;至于纱线的捻向,由于本试验是单纱 之间的交织,所以直接选择 Z 捻。 2.3.2.2 纺纱工艺流程与纺纱设备 纺纱工艺流程 配棉 纺纱设备 纺纱设备: Y101 型原棉分析机 A454G 粗纱机 AS181A 型梳棉试验机 AS271A 并条机 开清棉 梳棉 并条 粗纱 细纱

小型数字式细纱试验机
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2.3.2.3 细纱机工艺参数设置
表.2-6 细纱机工艺参数设置表 Table.2-6 Spinning technological parameters 工艺号 线密度 tex 牵伸 (倍) 锭速 rpm 前罗拉 m/n 捻度 T/m 级升数 mm 上升速度 m/n 下降速度 m/n 后区牵伸 (倍) 牵伸倍数 (倍) C012 48.9 13.2 8500 13.46 650 0.420 0.12 0.36 1.06 0.95 C020 29.0 11.7 10000 10.30 800 0.320 0.18 0.54 1.12 0.98 C032 18.2 15.8 10000 8.95 920 0.220 0.15 0.40 1.12 1.00 C040 14.5 19.8 12000 9.41 1050 0.180 0.15 0.45 1.12 1.00

2.3.3 织造工艺设计 织物的外观特征、内在性质是由织物的结构,即织物中纱线、纤维的排列和状态及 其相互作用所决定的。织物规格的主要参数是:织物的长度,织物的宽度,织物的重量, 所用纱线的特数及其排列密度,以及织物组织[72]。 本研究是在实验室完成的小试,采用 ASL2000-20-24 小样织布机,该织机生产的织 物幅宽与匹长为 0.5 米×1.3 米。所以本试验对织物最终特征的影响因素为:织物组织、 经纬纱密度和单位克重。 2.3.3.1 织物组织设计 在交织过程中应当充分利用织物组织结构中的可遮盖组织点进行防静电纱的嵌织, 并将其隐蔽于织物的背面。 此举虽是为了在一定程度上改善导电纤维基础织物的色相差 异(由于导电纤维含量极少且多数防护服面料均要求深色,色相差异并非一个突出问题, 况且还可在织物染色过程中进一步妥善解决),但更重要的是出于安全方面的考虑。 众所周知, 在基础织物中嵌织导电纤维之所以能消除静电是基于导电纤维的电晕放 电中和及传导泄漏两种作用.虽然已证实电晕放电是一种小电流的微弱放电、 一般不具备 引燃引爆能力,但为保证其在任何情况下都不致成为危险的点火源,对于在易燃爆场所 使用的防护服面料来说,仍应尽量将导电纤维隐蔽于织物背面,以避免电晕放电直接发 生于面料正面之外的易燃爆环境中。应当指出,将导电纤维嵌织于织物背面并不会影响
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其整体的防静电性能, 即仍可足够有效地消除织物正面可能产生的静电荷。 其原因在于: 第一、 织物正面的静电荷可通过与之接触的导电纤维以电子传导的方式进行泄漏; 第二、 对于织物(特别是薄型织物)这样厚度较小且结构非致密的材料,其正、反两表面的静 电带电差得明显,而具有很大的趋同性;也就是说,织物的正面带电或背面带电都可以 视作织物整体的带电, 只要带电达到一定程度都能诱导导电纤维发生电晕放电从而中和 掉织物所带静电荷[73]。 此外,在织造过程中,针对所选取的Kevlar纤维、防静电纱的加入以及织物的单位 克重上的特点,本研究对织物的组织设计进行了选择。首先,织物的组织结构与阻燃性 能有着重要的关系,组织结构的变化会影响到织物阻燃性能。就部分织物来说,密度越 大,织物重量越重,织物燃烧就越困难。 所以实验中设计了2种织物组织:平纹、双层3/1斜纹。平纹为目前使用的煤矿用普 通工作服常见的组织,双层3/1斜纹是根据实验设计的,不仅满足面料的单位重量,也使 得防静电纱加入后能全部仅在织物背面裸露而正面不裸露。

平 纹

双层 3/1 斜纹 图.2-2 织物组织图 Figure.2-2 Fabric weave

2.3.3.2 织物单位克重设计 在对织物的单位克重和经纬密设计时, 重点参考 “本色棉布代表性品种的技术条件” 和“本色涤棉混纺布代表性品种的技术条件”这两种坯织物规格与技术条件,和煤矿用 防护服面料的性能要求, 以及小样织布机实际操作相结合来设计最终的单位克重。 表 2-7 本色棉布代表性品种的技术条件[74]。

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太原理工大学硕士研究生学位论文 表.2-7 本色棉布代表性品种的技术条件 Table .2-7 The technical conditions of representatives cotton varieties 棉布编号 与名称 幅宽 (cm ) 103 121 159 164 粗平布 中平布 细平布 细平布 96.5 122 91.5 96.5 原纱线密度 (tex) 经纱 48 29 18 14.5 纬纱 48 29 18 14.5 1758 2312 2642 3666 总经根数 密度 (根/10cm) 经向 181 188.5 287 377.5 纬向 173 173 271.5 322.5 无浆干燥 重量 (g/m2) 169.2 103.2 98.1 101.1 1/1 1/1 1/1 1/1 织物 组织

资料来源:织物结构与组织设计

本试验预设计织物的单位克重为 200g/m2 斜纹和 140g/m2 平纹。 2.3.3.3 织物上机经纬密设计 考虑到织物的预计克重和组织,所以织物的经纬密度设计如表 2-8,kevlar/棉的经 纬密设计同纯棉斜纹。
表.2-8 织物的经纬密度 Table .2-8 The end spacing and pick density of Fabric 参 品 种 20s 平纹 双斜 平纹 双斜 平纹 双斜 数 经密 根/10cm 246 536 375 540 392 536 纬密 根/10cm 208 260×2 280 240×2 170×3 240×3 预计克重 g/m
2

实际克重 g/m2 136.0 245.3 138.0 198.0 136.5 202.7

140 200 140 200 140 200

纯 棉

32s

40s

2.3.3.3 织造工艺 (1)阻燃防静电织物(Kevlar/棉) Ⅰ 双层斜纹(3/1) Ⅱ 重量:200g/m2 左右 Ⅲ 防静电纱加入:A:防静电丝与纯棉纱的加捻络合; B:织物纬向、每隔 1.2 厘米加一根防静电纱; C:防静电纱,织物背面裸露、正面不裸露。 Ⅳ 纺织同样结构的全棉织物:200g/m2 斜纹和 140g/m2 平纹。
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第三章 实验材料与设备以及测试方法

3.1 实验材料
(1)棉纤维:二级棉。 (2)Kevlar(芳纶 1414)短纤维:美国杜邦公司产芳纶 1414 ,38MM,200D。 (3)防静电纤维:美国首诺公司生产地抗静电纤维。

3.2 实验设备
纺纱设备: Y101 型原棉分析机 A454G 粗纱机 织造设备:自制整经板 AS181A 型梳棉试验机 AS271A 并条机

小型数字式细纱试验机 自制浆纱机 ASL2000-20-24 小样织布机

3.3 测试仪器
纤维测试仪器: Y(B)802N 八篮恒温烘箱(温州市大荣纺织标准仪器厂) YG(B)003A 型电子单纤维强力机(温州市大荣纺织标准仪器厂) 纱线测试仪器: YG086 型缕纱测长仪(宁波纺织仪器厂) YG063T 全自动单纱强力仪(陕西长岭纺织机电科技有限公司) YG135E 条干均匀度测试分析仪(陕西长岭纺织机电科技有限公司) YG155A 型纱线捻度仪(宁波纺织仪器厂) 织物测试仪器: YG(B)026D-500 型电子织物强力机(温州市大荣纺织标准仪器厂) YG522N 圆盘式织物耐磨仪(南通宏大实验仪器有限公司) YG341N 摩擦式织物静电测试仪(南通宏大实验仪器有限公司) YG(B)403 织物摩擦带电电荷密度测试仪(南通宏大实验仪器有限公司)
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YG(B)815D-Ι 型(垂直法)织物阻燃性能测试仪(温州市大荣纺织标准仪器厂)

3.4 测试方法与技术标准
以下所有的测试均在温度为 20℃,湿度 35%RH 的实验环境中进行的。每组试 验均是测试 5 次,取平均值。 3.4.1 单纤维断裂强力的测定 实验原理:通过非电量的电转换方法,用高灵敏传感器将纤维拉伸时所受的力转换 成电讯号,经放大和模数转换后由数码管显示出纤维的断裂负荷值。 技术标准: GB/T 14337-2008 化学纤维 短纤维拉伸性能试验方法 测 试 方 法 :关 闭 测 量 开 关 ,取 下 上 夹 持 器 ,用 预 加 张 力 夹 头 夹 住 纤 维 ,然 后将纤维夹紧在上下夹持器之间, 打开测量开关, 按置零按钮, 再按下降按钮, 这 时 步 进 电 动 机 开 始 转 动 ,下 夹 持 器 下 移 ,纤 维 受 力 拉 伸 ,直 至 断 裂 。记 录 负 荷 显 示 和 伸 长 显 示 的 纤 维 断 裂 强 力 和 伸 长 值 [75]。 3.4.2 单根纱线断裂强力和断裂伸长率的测定 实验原理: 使用一个合适的机械装置将纱线试样拉伸至断裂并记录下断裂强力和断 裂伸长。 技术标准:GB/T3916-1997 单根纱线断裂强力及断裂伸长测定方法 测 试 方 法 : 将 纱 管 装 在 纱 管 座 上 , 使 被 测 纱 线 通 过 导 纱 管 , 纱先经上纱夹 夹紧,然后轻轻引到下纱夹,并在下纱夹处的纱上预加一定初张力,再将下纱夹夹紧。 点开始按钮,开始测试。每管纱测试 10 次,测试完成后打印纱线断裂强力、断裂伸长 率、断裂强度等指标[76]。 3.4.3 单根纱线的毛羽测定 实验原理:利用纱线毛羽仪的光电转换原理,自动测试显示在纱线表面的指定长度 的毛羽量。 技术标准: GB/T3292-1997 纺织品纱条条干不匀试验方法电容法 测 试 方 法 : 每 个 品 种 的 纱 线 取 3 个 纱 管 , 每 管 测 试 10 次 , 每 次 测 试 长 度 为 10m ,各 种 纱 线 的 测 试 速 度 一 般 规 定 为 30m/min 。试 样 放 置 在 试 验 用 标 准 大 气 中 调 湿 至 少 24h 。测 试 环 境 条 件 :温 度 20 ℃ 土 2 ℃ ,相 对 湿 度 65% 士 3% [77]。 3.4.4 织物拉伸断裂强力测试
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实验原理:规定尺寸的试样以恒定速率被 拉 伸 直 至 断 脱 ,记 录 断 裂 强 力 及 断裂 伸长率,如 有 需 要 , 也 可 同 时 记 录 断 脱 强 力 和 断 脱 伸长率。 技术标准:GB 3923--1983 机织物断裂强力和断裂伸长的测定(条样法) ISO 13934-1:1999(E) 纺 织 品 - 织 物 拉 伸 特 性 第 一 部 分 用 条 样 法测定断裂强力和断裂伸长率 测 试 方 法 :从 每 个 实 验 室 样 品 中 取 两 组 试 样 ,一 组 经 向 ,一 组 纬 向 ,每 组 试 样 不 少 于 5 块 。将 试 样 沿 着 纱 路 裁 剪 成 宽 6cm ,扯 去 纱 边 使 之 成 为 5cm ,长 30 ~ 33cm 的 经 向 和 纬 向 试 条 。 在 夹 钳 中 心 位 置 夹 持 试 样 , 以 保 证 试 样 的 纵 向 中 心 线 通 过 钳 口 面 得 中 心 点 。开 启 记 录 断 裂 强 力 和 断 裂 伸 长 率 的 仪 器 。移 动 夹 钳 拉 伸 试 样 至 断 脱 。 记 录 断 裂 强 力 、 断裂伸长和断裂伸长率(%)[78][79]。 3.4.5 织物撕裂强力测试 实验原理:一个条形试样的短边中间被切开形成裤腿状。裤腿被夹在一个可记录拉 伸试验仪的夹钳中形成直线,沿切口方向施力以撕破织物,记录撕破到规定长度内的强 力。通过电子装置在线计算出撕破强力。 技术标准:ISO 13937-2:2000(E) 纺 织 品 织 物 撕 破 性 能 第 2 部 分 :裤 型 试 样撕破强力的测定(单舌法) 测 试 方 法 :从 每 个 实 验 室 样 品 中 取 两 组 试 样 ,一 组 经 向 ,一 组 纬 向 ,每 组 试样不少于 5 块。 试样为矩形长条 ( 见 图 2-2) 长 200mm±2mm , 宽 50mm±1mm , 从 宽 度 方 向 的 正 中 切 开 一 长 为 100mm±1mm 的 平 行 于 长 度 方 向 的 裂 口 。 在条样 中 间 距 未 切 割 端 ( 25±1mm ) 处 标 出 撕 裂 终 点 。 将 试 样 夹 在 夹 钳 中 ,每 条 裤 腿 各 夹 入 一 个 夹 钳 中 ,切 割 线 与 夹 钳 的 中 心 线 对 其 。 试 样 的 末 切 割 端 处 于 自 由 状 态 。 夹 持 方 法 如 图 2-3 所 示 。 注 意 确 保 每 条裤腿固定于夹钳中,以使撕裂开始时是平行于切口且在撕力所施加的方向 上。 开启记录撕破强力的仪器。 使移动夹钳以恒定的速度拉伸试样直至试样末 端 的 标 记 处 。 记 录 撕 破 强 力 [80]。

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200±2

25±1

25

100±1

图 .3-1

舌形试样

Figure.3-1 The trouser test specimens

图.3-2 夹持方法 Figure.3-2 Clamping method

3.4.6 织物顶破强力测试 实验原理:将试样夹持在固定基座的圆环试样夹内,圆球形顶杆以恒定的移动速度 垂直地顶向试样,使试样变形直至破裂,测得顶破强力。 技术标准:GB/T19976-2005 纺织品 顶破强力的测定 钢球法 测 试 方 法 : 从 每 个 实 验 室 样 品 中 取 样 , 试 样 大 小 为 环形夹持器内径 45±0.5mm, 试样数量至少 5 块,且应具有代表性。将球形顶杆和夹持器安装在试验机上,保证环形 夹持器的中心在顶杆的轴心在线。将试样反面朝向顶杆,夹持在夹持器上,保证试样平

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整、无张力、无折皱。启动仪器,直至试样被顶破,记录其最大值作为该试样的顶破强 力[81]。 3.4.7 织物耐磨性能测试 实验原理:按规定裁取的试样安放在圆盘式织物耐磨机的工作盘上,工作盘在驱动 机构的带动下旋转,使安放在上面的磨轮转动,于是,试样在工作盘和磨轮之间按规定 的压力承受磨轮的磨削,耐磨机自动记录工作盘的转数,当试样出现经、纬纱线单独或 共同断裂 5 根时的转数用来评价式样的耐磨性能。 技术标准:MT/T843--1999 中华人民共和国煤炭行业标准 矿工普通工作服 测 试 方 法 : 从 每 个 实 验 室 样 品 中 取 样 ,试 样 大 小 为 工作盘大小,试样数量至少 5 块,且应具有代表性。将试样正面朝上安放在工作盘上,根据试样厚度选择圆箍,使试 样绷紧于工作盘上,然后,拧紧工作盘上的螺母,将试样压紧。放下磨轮,装好吸尘管。 打开电源开关,使工作盘旋转,当转数在 100 转以内时,每 50 转停机观察一次,当转 数在 100 转以上时,每 20 转停机观察一次,当出现经、纬纱线单独或共同断裂 5 根以 上时,即终止试验,记录此时工作盘转数,耐磨机工作盘的转数表示工作服的耐磨性能
[8]



3.4.8 织物静电性能测试 实验原理:用规定摩擦材料摩擦试样,使试样带电后,测定投入法拉第筒后试样的 电位,再换算成单位面积上的带电量。 技术标准:FZ/T01060-1999(ZBW4008-89)《织物摩擦带电电荷密度测定方法》 JIS L 1094:1997 机织物与针织物静电性能测试方法 测 试 方 法 : 从 每 个 实 验 室 样 品 中 取 两 组 试 样 , 试样按经、纬向各三块,试样 尺寸为:250mm×350mm。试样长端留出 260mm 余量,另一端缝合为法式缝边,留出 10mm 的缝线余量,将绝缘棒缝好在试验套内,并放置在垫板上。用手握持摩擦棒的两 端,将其从前边向后拉摩擦试样,用力应当均匀,重复此程序 10 次,速度为每秒摩擦 1 次。摩擦结束后,1 秒内将试样从垫板上揭离,并迅速将试样投入电荷密度测试仪的法 拉第筒内,测量显示的静电压。 : 按以下公式计算单位面积带电量(C/m2)

其中:

:单位面积带电量(C/m2)
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C:电容器静电电容(F) V:静电压均值(V) A:测试样与摩擦棒摩擦面积(m2)[82][83] 3.4.9 织物阻燃性能测试 实验原理:将一定尺寸的试样置于规定的燃烧器下点燃,测量规定点燃时间后,试 样的续燃、阴燃时间及损毁长度。 技术标准:GB/T 5455-1997 纺织品 燃烧性能试验 垂直法 测 试 方 法 :从 每 个 实 验 室 样 品 中 取 两 组 试 样 ,试样按经、纬向各三块,试样 应从距离布边 1/10 幅宽的部位量取。试样尺寸为 300mm×80mm,长的一边要与织物 经向(纵向)或纬向(横向)平行。将 试样固定于试样夹中间,两边用夹子夹紧。将试样放 入试样夹中,试样下沿应与试样夹两下端齐平,打开试验箱门,将试样夹连同试样垂直 挂于试验箱中。关闭箱门,此时电源指示灯应明亮,按点火开关,点着点火器,待 30s 火焰稳定后,按起动开关,使点火器移到试样正下方,点燃试样。12s 后,点火器恢复 原位,续燃计时器开始计时,待续燃停止,立即按计时器的停止开关,阴燃计时器开始 计时,待阴燃停止后,按计时器的停止开关。读取续燃时间和阴燃时间,读数应精确到 0.1 s。记 录 续燃时间和阴燃时间[84]。

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第四章 实验结果与讨论
4.1 纤维断裂强力
根据 GB/T 14337-2008《化学纤维 短纤维拉伸性能试验方法》对 Kevlar 和棉的单 纤维断裂强力进行测定。具体测试方法见 3.4.1,测试数据如下表。
表.4-1 纤维断裂强力比较 Table.4-1 Comparison of fiber breaking strength 指标 品种 棉纤维 Kevlar
30 25 20 15 10 5 0 断裂强力F(CN) 断裂伸长率ε(% ) 断裂强度P(CN/ dTex) 棉 Kevlar

断裂强力 F(cN) 3.844 26.99

断裂时间 T(s) 4.50 3.41

断裂伸长 DE(mm) 0.747 0.566

断裂伸长率 EL(%) 7.470 5.660

断裂功 W(cN* mm) 1.447 5.528

断裂强度 P(cN* mm) 2.52 17.76

图.4-1 纤维断裂强力比较 Figure.4-1 Comparison of fiber breaking strength

根据表 4-1 和图 4-1, Kevlar 的断裂伸长率略小于棉纤维的断裂伸长率, 《纺纱基 础知识》中提出:化纤的强伸度对成纱强力有一定影响,当混纺纱受拉伸时,断裂伸长 率低的纤维先断裂,使成纱强力降低[85],所以,应选断裂伸长率相近的纤维进行混纺, 对提高成纱强力有好处, 实验中 Kevlar 纤维与棉纤维的断裂伸长率相接近, 有利于成纱 强力的提高;从断裂强度来讲:Kevlar 纤维的断裂强度远远优于棉纤维,有利于更好地 提高棉纱的强度。
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4.2 纱线性能
对于混纺纱, 最常见的质量考核指标是纱线外观质量和内在质量。 外观质量如条干、 粗细节等;纱线的内在质量如强伸性等[86]。依照 GB/T3916-1997《单根纱线断裂强力及 断裂伸长测定方法》和 GB/T3292-1997《纺织品纱条条干不匀试验方法电容法》对纱线 性能进行了测试,并用正交设计法对这些指标数据进行了分析,探讨了混纺纱的性能与 混纺比和纱支之间的关系,以及混纺纱线性能随着混纺比的变化情况。纱线强力与条干 不匀率测试结果如表 4-2。
表.4-2 纱线强力与细度不匀率测试结果 Table .4-2 The test results of yarn strength and fineness unevenness rate 指 标 品 种 9/91 K / C 7/93 5/95 3/97 0/100 9/91 K / C 7/93 5/95 3/97 0/100 9/91 K / C 7/93 5/95 3/97 0/100 9/91 K / C 7/93 5/95 3/97 0/100 12 s 12 s 12 s 12s 12 s 20 s 20 s 20 s 20 s 20s 32 s 32 s 32 s 32 s 32 s 40 s 40 s 40 s 40 s 40s 捻度 捻/cm 60.8 60.3 60.5 60.6 60.1 82.2 82.6 86.1 81.4 73.8 98.6 96.6 103.1 101.8 91.8 108.1 110.3 115.5 106.4 103.7 强 度 断裂强力 F(CN) 938.3 884.2 876.1 744.4 502.3 450.5 468.3 422.4 478.7 430.1 219.5 258.9 200.1 239.4 292.3 164.9 156.9 149.4 204.4 184.8 断裂伸长率 E% 10.7 5.3 6.3 6.4 5.9 5.2 6.1 5.6 5.8 6.9 4.0 5.3 4.5 4.8 6.3 3.9 4.1 4.0 4.8 5.8 条 干 断裂强度 平均差系 P(CN/Tex) 数 u% 19.2 18.1 18.5 15.3 16.8 15.5 15.1 14.5 16.5 15.5 12.0 14.2 10.9 13.1 13.5 11.2 10.7 10.2 14.0 12.9 12.0 12.7 12.5 12.6 12.4 14.7 14.3 14.1 14.7 11.4 17.1 16.7 17.5 16.4 14.0 17.7 18.0 18.7 17.3 15.2 变异系数 CV% 15.6 16.2 15.8 16.6 15.8 19.3 18.7 18.1 19.1 14.5 22.3 21.7 22.9 21.3 17.9 23.4 23.6 24.5 22.8 19.5

4.2.1 纱线条干不匀率 4.2.1.1 理论分析
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纱线的条干,即纱线的细度不匀,指沿纱线长度方向的粗细不匀,是评价纱线质量 的最重要的指标。它不仅会使纱线强度下降,在织造过程中增加断头、停台,而且影响 织物的外观,降低其耐穿耐用性。影响条干均匀度的因素包括:原料的品质,包括纤维 长度、细度和它们的不匀和短绒有害疵点的影响;半制品的结构的影响:包括纤维伸直 度和纤维分离度凡人影响;细纱牵伸的影响:包括工艺设置和机械状态等。尤其对混纺 纱,混纺纱由于在纺纱过程中,纺织工艺、机构并不能做到对不同性能的纤维给予同样 有效的控制,因而,纤维本身的性能差异,必然会给成品的性能造成一定影响,纱线的 条干均匀度即是如此[86]。对本研究而言,相同支数的纱线工艺参赛设置完全相同,影响 纱线条干均匀度最大的因素就是两种纤维原料的配比、长度、细度和抱合力的差异。 4.2.1.2 正交试验设计与分析 本研究采用正交分析法对纱线条干测试结果的影响因素进行分析。 根据专业知识和 实际调研情况分析,考察的主要因素有:Kevlar/棉配比(A)和纱线纱支(B)。每个因素 的水平分别为:Kevlar/棉配比:3/97、5/95、7/93、9/91;纱线纱支:12 s、20 s、32s、40
s;这个试验有 2 个因素 A、B,都是 4 水平的,具体的因素水平表,如表 4-3。 表.4-3 因数水平表 Table.4-3 The table of factor level 因素 水平 1 2 3 4 K/C 配比 (A) 3/97 5/95 7/93 9/91 纱线纱支(支数) (B) 12 s 20 s 32s 40 s

根据因数水平表选择合适的正交表,本试验条件为二因素四水平,故选用正交表 L16(45),见附录表 2.根据表 4-1 录入试验数据,进行条干的直观和方差分析,结果如 表 4-4 和表 4-5.

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太原理工大学硕士研究生学位论文 表.4-4 纱线条干不匀率直观分析表 Table.4-4 Visual analysis table of yarn fineness unevenness rate 所在列 因素 实验1 实验2 实验3 实验4 实验5 实验6 实验7 实验8 实验9 实验10 实验11 实验12 实验13 实验14 实验15 实验16 均值1 均值2 均值3 均值4 极差 1 纱线配比 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 4 4 4 4 19.950 20.325 20.050 20.150 0.375 2 纱线支数 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 16.050 18.800 22.050 23.575 7.525 1 2 3 4 2 1 4 3 3 4 1 2 4 3 2 1 19.950 20.200 20.325 20.000 0.375 1 2 3 4 3 4 1 2 4 3 2 1 2 1 4 3 20.600 20.225 19.800 19.850 0.800 1 2 3 4 4 3 2 1 2 1 4 3 3 4 1 2 20.525 20.400 19.650 19.900 0.875 3 4 5 实验结果 16.6 19.1 21.3 22.8 15.8 18.1 22.9 24.5 16.2 18.7 21.7 23.6 15.6 19.3 22.3 23.4

表.4-5 纱线条干不匀率 方差分析表 Table.4-5 Analysis of variance table of yarn fineness unevenness rate 因素 配比 纱支 误差 偏差平方和 0.307 135.877 136.18 自由度 3 3 6 F比 0.005 1.995 F临界值 4.760 4.760 显著性

分析表 4-4 和表 4-5 可知,对纱线条干指标影响的因素主次顺序为:B 纱线支数、 A 纱线配比。纱线的配比和支数对纱线不匀率的影响均不显著,但是实验的结果还是有 参考意义的,可以确定的是:纱线的支数越小,即纱线越粗,纱线的条干越好。

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4.2.2 纱线拉伸断裂强力 4.2.1.1 理论分析 纱线拉伸断裂机理与纤维有所不同,短纤维纺成的细纱,任一截面所握持的纤维的 伸出长度都有一个分布。这些纤维中,向两端伸出都较长的纤维被纱两端其它纤维抱合 握持,拉伸中,在此截面上只会被拉断,不会滑脱。但沿此截面向一端伸出长度较短的 纤维, 当其伸出长度为滑脱长度以及与周围纤维抱合摩擦的总切向阻力小于这根纤维的 拉伸断裂强度,则沿细纱这一截面断裂时,这些纤维将被从纱中抽拔出来而不被拉断, 因此,这种短纤维越多,细纱强度就越低。 纱线继续经受拉伸的过程中,纱中外层纤维,短的部分滑脱被抽拔,长纤维受到最 紧张的拉伸。到一定程度后,外层纤维受力达到拉断强度时逐步发生断裂,这时,纱线 受力向内转移造成内层更多纤维滑脱和拉断直至整根纱线被拉断[87]。 4.2.1.2 正交试验设计与分析 正交试验设计部分同 4.2.1.2,根据表 4-1 录入试验数据,进行拉伸断裂强力的直观 和方差分析,结果如表 4-6 和表 4-7。

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太原理工大学硕士研究生学位论文 表.4-6 纱线拉伸断裂强力 直观分析表 Table.4-6 Visual analysis table of yarn tensile and breaking strength 所在列 因素 实验1 实验2 实验3 实验4 实验5 实验6 实验7 实验8 实验9 实验10 实验11 实验12 实验13 实验14 实验15 实验16 均值1 均值2 均值3 均值4 极差 1 配比 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 4 4 4 4 416.725 412.000 442.075 443.300 31.300 2 纱支 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 860.750 454.975 229.475 168.900 691.850 1 2 3 4 2 1 4 3 3 4 1 2 4 3 2 1 397.650 432.800 430.875 452.775 55.125 1 2 3 4 3 4 1 2 4 3 2 1 2 1 4 3 387.975 456.325 437.175 432.625 68.350 1 2 3 4 4 3 2 1 2 1 4 3 3 4 1 2 395.400 431.975 439.250 447.475 52.075 3 4 5 实验结果 744.4 478.7 239.4 204.4 876.1 422.4 200.1 149.4 884.2 468.3 258.9 156.9 938.3 450.5 219.5 164.9

表.4-7 纱线拉伸断裂强力 方差分析表 Table.4-7 Analysis of variance table of yarn tensile and breaking strength 因素 配比 纱支 误差 偏差平方和 3256.875 1178176.385 1181433.26 自由度 3 3 6 F比 0.006 1.994 F临界值 4.760 4.760 显著性

分析表 4-6 和表 4-7 可知,对纱线拉伸断裂强力指标影响的因素主次顺序为:B 纱 线支数、A 纱线配比。纱线的配比和支数对纱线拉伸断裂强力的影响均不显著,但是实 验的结果还是有参考意义的。

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1000 900 800 700 断裂强力/N 600 500 400 300 200 100 0 0/100 3/97 5/95 7/93 9/91 Kevlar与棉纤维混纺比例 12s 20s 32s 40s

图.4-2 纱线断裂强力对比 Figure.4-2 Comparison of yarn breaking strength

混纺纱线原理: 两种纤维混纺时, 两种纤维的伸长能力差异不大而强度差异较大时, 则曲线呈现渐升或渐降的形状[85]。Kevlar 与棉混纺,两种纤维伸长能力差异不大而强度 差异较大, 强度曲线成渐升的形状, 故 Kevlar 与棉混纺纱线的强度高于纯棉纱线的强度。 实验数据与混纺原理基本吻合,个别测试数据有实验误差。

4.3 织物性能

4.3.1 织物强力 4.3.1.1 织物拉伸断裂强力

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700 600 经向拉伸强力/N 500 400 300 200 100 0 0/100 3/97 5/95 7/93 9/91 Kevlar与棉纤维混纺比例 20s 32s 40s

图.4-3 织物经向拉伸强力对比 Figure.4-3 Comparison of tensile strength in the warp direction
1200 1000 纬向拉伸强力/N 800 600 400 200 0 0/100 3/97 5/95 7/93 9/91 Kevlar与棉纤维混纺比例 20s 32s 40s

图.4-4 织物纬向拉伸强力对比 Figure.4-4 Comparison of tensile strength in the weft direction

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4.3.1.2 织物撕破强度
表.4-8 织物经向撕裂强力对比表 Table.4-8 Comparison of tearing strength in the warp direction 经向撕裂强力 /N品种 K/C K/C K/C K/C K/C K/C K/C K/C K/C K/C K/C K/C K/C K/C K/C 9/91 7/93 5/95 3/97 0/100 9/91 7/93 5/95 3/97 0/100 9/91 7/93 5/95 3/97 0/100 20s(导电) 20s(导电) 20s(导电) 20s(导电) 20s(导电) 32s(导电) 32s(导电) 32s(导电) 32s(导电) 32s(导电) 40s(导电) 40s(导电) 40s(导电) 40s(导电) 40s(导电) 越向 80.5 越向 78.1 47.3 56.7 45.9 44.4 48.9 36.8 越向 越向 越向 越向 31.3 228.7 25.5 237.4 221.0 222.2 222.3 231.6 230.9 228.3 125.6 22.3 124.2 124.6 130.5 132.57 23.7 232.9 130.4 撕裂强力(N) 拉伸长度(mm) 撕裂时间(s)

表 4-8 上的越向点较多,无法作成有意义的图形来分析。造成越向的原因为织物经 纬向强力差异过大,织物纬向强力远大于经向强力,这和织物的组织直接相关:首先, 纬纱采用的多是双纬或三纬,纬密大,强度高;另外,导电丝为化学纤维,强度比较高, 在纬向每隔 1.2 厘米加入一根防静电纱后,使纬向的强力也有相对的提高。

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70 60 50 纬向撕破强力/N 40 30 20 10 0 0/100 3/97 5/95 7/93 9/91 Kevlar与棉纤维混纺比例 20s 32s 40s

图 4-5 织物纬向撕裂强力对比图 Figure.4-5 Comparison of tearing strength in weft direction

4.3.1.3 织物顶破强力
800 700 600 顶破强力/N 500 400 300 200 100 0 0/100 3/97 5/95 7/93 9/91 Kevlar与棉纤维混纺比例 20s 32s 40s

图.4-6 织物顶破强力对比图 Figure.4-6 Comparison of bursting strength

与混纺纱线原理相同,两种纤维混纺时,伸长能力差异不大而强度差异较大时,则 强力曲线呈现渐升或渐降的形状[85]。Kevlar 与棉混纺,两种纤维伸长能力差异不大而强 度差异较大,强度曲线理应成渐升的形状。从上面的图 4-3、4-4、4-5、4-6 中可以看出, 当 Kevlar 纤维与棉纤维混纺时,织物的强力随 Kevlar 比例的增加而略微提高,但强力
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的曲线并没有呈现渐升或渐降的形状,而是在 K/C 7/93 出现了明显的最高点。这可能是 由于不同支数的纱线的捻度不同和织物的经纬纱密度不同造成的, 也有可能是由于加入 的 Kevlar 量太少。 综合以上图 4-3、4-4、4-5、4-6 和表 4-8 可对比得到:Kevlar 与棉混纺织物的强度 明显大于纯棉织物的强度;Kevlar 与棉混纺织物中,当属 K/C 7/93 的各项强力指标较稳 定,也较高,均比同等支数的纯棉织物的各项强力高,其中又以 20s 的强力改善最好。 4.3.2 织物耐磨性

250

200

耐磨性/次

150 20s 100 32s 40s 50

0 0/100 3/97 5/95 7/93 9/91 Kevlar与棉纤维混纺比例

图.4-7 织物耐磨性各支数性能对比 Figure.4-7 Comparison of abrasion resistance performance

由图 4-7 可以看出,当 Kevlar 纤维与棉纤维混纺时,耐磨性能均比纯棉织物好,这 说明 Kevlar 纤维能有效地改善棉织物的耐磨性能。 另外, 防静电导电纱的加入也使得加 了防静电纱的 Kevlar 与棉混纺织物的耐磨性较单纯加入 Kevlar 纤维的织物更加优异。 K/C 5/95 的耐磨性能最好,K/C 7/93 次之。

4.4 织物阻燃性
根据 GB/T 5455-1997 纺织品燃烧性能试验垂直法标准测试不同混纺比的织物的燃 烧性能,燃烧后织物的形态如下图 4-8。图 4-8 选择均具有代表性。
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图.4-8 纯棉织物、K/C 燃烧后形态 Figure.4-8 Combustion form of cotton fabric and K/C blending fabric

纯棉织物点火后立即开始燃烧,并且火焰迅速蔓延,将布烧尽,阴燃时间较长,整 个布面仅剩少量黑色灰烬,无熔融、滴落现象。Kevlar 与纯棉混纺织物遇火较难点燃, 点燃后火焰也是自下而上缓慢烧过,火焰很小,燃烧后基本能保持布面形状,损毁长度 为 0,也不熔融、滴落。Kevlar 与棉纤维混纺比为 3/97 燃烧后剩余的灰烬较少勉强能维 持布面形状,剩余物质为 Kevlar。Kevlar 与棉纤维混纺比为 5/95,织物组织为平纹,燃 烧后剩余的物质也能维持布面基本形状,形态较 3/97 完整度好,残余物也较厚,有少量 棉纤维残留。当织物组织为双斜纹,Kevlar 与棉纤维混纺比为 5/95 以及以上时,燃烧后 能保持完整的布面形态,并且布面厚实,具有一定的强力,除有 Kevlar 剩余外,有相当 多的棉纤维也未参与燃烧,仅少量织物表面的棉纤维燃烧了,无灰烬。 随着 Kevlar 加入量的增多,织物越难于燃烧,由于 Kevlar 价格较贵,为了能最大 限度地降低煤矿用防护服的成本,而 Kevlar 与棉纤维混纺比为 5/95 时,就能满足煤矿 用防护服的阻燃需求,所以优先考虑这个混纺比。 阻燃防护服 GB8965-1998 标准中规定, 阻燃织物续燃时间标准值 ≤5 s, 阴燃时间≤5 s,损毁长度≤150 ㎜。但本试验测试的数据:损毁长度为 0 ㎜,能达到标准;而续燃时
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间和阴燃时间都与标准相去甚远,续燃时间 K/C 混纺织物均在 10s 以上,阴燃时间也远 大于 5s,故未建表格,进行数据分析,仅以图像说明。况且煤矿用防护服面料的阻燃性 能并不象用于火灾中的阻燃防护服的要求高,如图 4-8 的阻燃性能已经能够满足它的需 求了。

4.5 织物防静电性
表.4-9 织物静电性能测试 Table.4-9 Performance test of anti static fabric 电荷量(μC /m2) 品种 C 双斜 K/C 3/97+ K/C 5/95+ K/C 7/93+ K/C 9/91+ 经向 0.356 0.161 0.186 0.202 0.232 20s 纬向 0.412 0.145 0.151 0.157 0.162 经向 0.398 0.197 0.231 0.237 0.260 32s 纬向 0.474 0.164 0.162 0.162 0.175 经向 0.416 0.229 0.275 0.285 0.306 40s 纬向 0.514 0.172 0.174 0.179 0.219

注:温度:15°F 湿度:19.5%RH

由表 4-9 可看出,加入导电丝的织物在摩擦之后,经向产生的静电比纯棉织物的 1/2 还小,纬向产生的静电仅为纯棉织物产生静电的 1/3,而且产生的这部分很少的静电 荷也能很快的通过电晕放电而释放掉。在用法拉第法测试电荷时,电荷的衰减也是相当 快的。数据表明,无论加入 kevlar 纤维量的多少,只要加入了导电丝后,织物的导电性 都有了很大的提高。

4.6 织物各项性能综合优选
本研究拟设计一种新型的高强耐磨同时又兼顾阻燃抗静电性能的煤矿用防护服面 料,最终通过试验数据优选出一款强力、耐磨、阻燃性和防静电性能综合性能最优的设 计工艺。 以上图表及数据比较了相同支数、不同比例和相同比例、不同支数面料的拉伸、断 裂和顶破性能,考虑到煤矿工人的衣物出现撕裂的现象较为严重,该项研究重点考虑强 力中的撕裂强力和耐磨性的最优结合。 下文数据分析的目的是选取撕裂强力和耐磨次数 最大的一组数据,以此来选取最佳的纤维配比和纱支。
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根据上述实验数据,不难通过较为简单的数据处理来获得所需的结论。第一步,以 纱线为坐标,求出三种纱支在不同纱线配比下的撕裂强力以及耐磨次数的均值和方差。
表.4-10 相同支数不同配比的织物撕裂强力以及耐磨次数 Table.4-10 Fabric tearing strength and abrasion in the same count and different ratio 性能 N品种 20s 20s 20s 20s 20s 32s 32s 32s 32s 32s 40s 40s 40s 40s 40s K/C K/C K/C K/C K/C K/C K/C K/C K/C K/C K/C K/C K/C K/C K/C 0/100 3/97 5/95 7/93 9/91 0/100 3/97 5/95 7/93 9/91 0/100 3/97 5/95 7/93 9/91
20 s

撕裂强力(N)

耐磨次数

32.0 60.4 52.1 61.8 49.9 44.1 31.4 37.1 34.9 40.8 31.2 33.4 33.4 33.5 30.5

143 182 213 178 161 137 180 141 127 149 85 130 164 148 135
20 s

用X

20 s

表示 20 支纱的样本, E ( X

) 表示这个样本的期望,则 E ( X

)=

∑X

20 s

N ( X 20 s )



样本的方差为 D( X 20 s ) = ∑ E ( X i 20 s )2 ? E 2 ( X 20 s )
表 4-11 相同支数不同配比的织物撕裂强力以及耐磨次数的期望与方差 Table.4-11 Expectation and variance of fabric tear strength and abrasion in the same count and different ratio 纱支 20s 32s 40s 撕裂强力期望 51.24 37.66 32.4 撕裂强力方差 113.63 19.69 1.65 耐磨次数期望 175.4 146.8 132.4 耐磨次数方差 544.24 325.76 700.24

数据分析表明:撕裂强力大小依次为:20s>32s >40s,其中 20s 纱的平均撕裂强力 明显高于其它两种,而 32s 又高于 40s 的,但数据分析表明 20s 的撕裂强力测试的数据
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波动很大,在数据平稳性方面,40s 由于撕裂强力值较小,而相对平稳;在耐磨性能上: 20s>32s>40s,但是 32s 的相关数值较为平稳,说明由 32s 进行配比实验的织物耐磨性能 较为稳定。 分析以上数据能发现撕裂强力和耐磨次数指标的区间特性, 了解其数据大致的平稳 性和性能的整体水平。分析发现,20s 纱是试验最佳的选择,因为从中能获得最佳的撕 裂强力值和耐磨次数值。 第二步,我们以配比值为坐标:
表 4-12 不同支数相同配比的织物撕裂强力以及耐磨次数 Table.4-12 Fabric tearing strength and abrasion in the same ratio and different count 性能 品种 20s 32s 40s 20s 32s 40s 20s 32s 40s 20s 32s 40s 20s 32s 40s K/C K/C K/C K/C K/C K/C K/C K/C K/C K/C K/C K/C K/C K/C K/C 0/100 0/100 0/100 3/97 3/97 3/97 5/95 5/95 5/95 7/93 7/93 7/93 9/91 9/91 9/91 32.0 44.1 31.2 60.4 31.4 33.4 52.1 37.1 33.4 61.8 34.9 33.5 49.9 40.8 30.5 143 137 85 182 180 130 213 141 164 178 127 148 161 149 135 撕裂强力(N) 耐磨次数

同理,可以按配比分析撕裂强度期望和方差。

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太原理工大学硕士研究生学位论文 表.4-13 不同支数相同配比的织物撕裂强力以及耐磨次数的期望与方差 Table.4-13 Expectation and variance of fabric tear strength and abrasion in the same ratio and different count 配比 K/C K/C K/C K/C K/C 0/100 3/97 5/95 7/93 9/91 撕裂强度期望 38.75 41.73 40.87 43.4 40.4 撕裂强度方差 113.76 174.89 65.38 169.61 62.81 摩擦次数期望 121.67 164 172 151 148 摩擦次数方差 678.22 578.67 901 438 112.89

分析发现撕裂强力并不随配比的变化而发生明显变化,而摩擦次数又以配比为 K/C 5/95 时最高,当然在样本空间有限的情况下,有可能是一种数字的偶然,但是后续研究 以及更精确地配比实验,将会进一步揭示其中的规律性事实。 原预计同时通过配比和支数两种坐标的结合,来选取最优的方案,因为撕裂强力数 值对于配比变化敏感度不高而作罢,于是本文借助于整体数据,使用最短距离法,来选 取最优的一组数据,再结合上述分析,来判断何种配比和何种纱支的纱线性能最优。 设定给予这样一种标准, 用最靠近最优值的实验数据来证明其配比和纱支的组合属 于实验中最佳组合,即: (1) (2) (3) 令 X 1* 表示数据中最优的撕裂强度, X 2* 表示数据中最优的摩擦次数; 令( X 1i , X 2i )表示一组实验数据, i ∈ (1...15) ; 给 出 评 价 标 准 :
C i = ( X 1i ? X 1* ) 2 + ( X 2i ? X 2* ) 2





。 C * = Min {C i , i ∈ (1,...,15)} ,可以发现 ( X 1* , X 2* ) =(61.8,213)

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太原理工大学硕士研究生学位论文 表.4-14 试验样本表 Table .4-14 Test sample

X 1i X X X X X X X X X
X X X X X X
1

X 2i
143 137 85 182 180 130 213 141 164 178 127 148 161 149 135

32.0 44.1 31.2 60.4 31.4 33.4 52.1 37.1 33.4 61.8 34.9 33.5 49.9 40.8 30.5

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

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太原理工大学硕士研究生学位论文  表.4-15 综合评价结果表 Table .4-15Comprehensive Evaluation of the results

Ci C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C 10 C 11 C 12 C 13 C 14 C 15

17006.61 5788.04 6089.29 17320.36 962.96 2013.16 7695.56 94.09 5794.09 3207.56 8196.89 9939.61 5025.89 4537 7063.69 1225

从表 4-15 发现 C 7 是最小的值,所以 ( X 17 , X 27 ) 是实验得到的数据中最优的数据,可 以这样认为在一定配比和一定纱线条件下, ( X 17 , X 27 ) 是最优的性能组合。 ( X 17 , X 27 ) 的 配比和纱线组合为:Kevlar 与棉混纺比例为 5/95 的 20s 纱性能最优。这符合刚才我们的 分析结果。 从图 4-8 纯棉织物、K/C 燃烧后形态可以得出:当织物组织为双斜纹,Kevlar 与  
 

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棉纤维混纺比为 5/95 以及以上时,燃烧后能保持完整的布面形态,并且布面厚实,具有 一定的强力。随着 Kevlar 加入量的增多,燃烧越来越不容易,考虑到 Kevlar 价格较贵, 为了能最大限度地降低煤矿用防护服的成本,而 Kevlar 与棉纤维混纺比为 5/95 时,又 能满足煤矿用防护服的阻燃需求;此外, 考虑到后整理时 Kevlar 的加入量对织物染色性 能的影响,所以优先考虑混纺比为 5/95 的设计。 对于织物的防静电性能,混纺比和纱支的影响不大,只要加入导电丝都能很好的得 到改善。 综合以上的数据和分析, 本试验最优的试验方案为: Kevlar 与棉纤维混纺比为 5/95, 纱支 20s,织物组织为双层 3/1 斜纹织物,该煤矿用防护服面料的强力、耐磨性、阻燃 和防静电性能,均得到综合提高。

4.7 新旧煤矿用服装面料的性能对比 
对煤矿用防护服面料性能与煤矿用常见普通工作服面料的性能进行对比测试,得到 表 4-16。 
表.4-16 新旧煤矿用服装面料性能对比表 Table.4-16 Fabric performance comparison of the old and new clothing for coal miners 指标 经向拉 伸强力 品种 C12s 平纹 K/C 5/95 20s+ (N) 517.4 542.0 纬向拉 伸强力 (N) 451.0 844.0 经向撕 裂强力 (N) 24.2 越向 纬向撕 裂强力 (N) 36.3 52.1 262.7 450.7 顶破强 耐 电荷量(?C /m2 ) 经向 0.306 0.186 纬向 0.537 0.151

力(N) 磨 性 77 213

从表中可以很明显的看出本研究设计的煤矿用防护服面料的各项性能优于纯棉工 作服, 尤其是耐磨性和防静电性能上。 4.4 节中的织物燃烧后的形态图也反映出 K/C 5/95 已经具备了相当好的阻燃性能,棉织物根本不能与之相比。所以,本研究证了明新设计 的煤矿用防护服的面料各项性能均优于普通工作服,完全可以而且应该用来替代现有的 面料,成为煤矿工人的最后一道防护屏障,也为我国煤矿安全生产提供切实的保护。

 
 

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第五章 成本核算 
   

通过对煤矿用防护服面料的各项性能进行综合对比后, 本文最终选择 Kevlar 与棉纤 维混纺比为 5/95,纱支 20s,织物组织为双层 3/1 的斜纹组织为最佳方案,并按照该方 案进行经济预算。

5.1 原料价格 
 
品种 二级皮棉 Kevlar 纤维 22T-5-632Z 复合导电纤维 图.5-1 原料价格 Figure.5-1Raw material prices 价格 15100 元/吨 160 元/KG 1200 元/KG

5.2 每平方米原料成本 

5.2.1 经纱成本  Kevlar 与棉纤维混纺比为 5/95,纱支 20s(即 29.0tex,1000 米的纱线 29.0g) ,可分 别计算出 Kevlar 纤维与棉纤维的用量。 m Kevlar=29g×5%=1.45g m 棉=29g×95%=27.55g 则: Price Kevlar=1.45g×0.16 元/g =0.232 元 Price 棉=27.55g×0.0151 元/g =0.416 元 千米长阻燃纱=0.232 元+0.416 元?0.65 元 每平方米经纱用纱量=经密×100cm×100cm =536 根/10cm×100cm×100cm  
 

=5360m

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每平方米经纱 Price?3.49 元 5.2.2 纬纱成本  防静电络合纱防静电纱加入是沿织物纬向、每隔 1.2 厘米加一根,其余纱为阻燃纱。 Kevlar 与棉纤维混纺织物的组织为双层 3/1 的斜纹组织,并且为了达到预定的单位克重 采用的是双纬织造, 纬密为: 260 (根/10cm) × 2。 22T-5-632Z 复合导电长丝细度为 22 dTex (1000 米的纱线 2.2g) ,价格 1200 元 /KG。 每平方米复合导电长丝用纱量=100/1.2×1m=83.3m 每平方米复合导电长丝 Price=0.18 元 每平方米纬纱 Price=260×2 根/10cm×100cm×1m×0.65 元 /1000m=3.38 元 每平方米成本=3.49 元+3.38 元=6.87 元 所以,煤矿工人的防护服服装面料每平方米原料成本为 6.87 元,而纯棉织物在相同 的纱支、组织结构和织造工艺下每平方米原料成本 4.72(均未考虑制成率) 。煤矿工人 的劳保用品的发放经济标准为:国有重点煤矿企业集团每年用于劳动防护用品经费投入 为吨煤 0.4-0.6 元,这些经费基本能够保证劳动防护用品的正常购买、发放;地方国有 煤矿用于劳动防护用品经费投入在吨煤 0.30 元左右,乡镇煤矿不到 0.2 元,这些费用只 能保证必要的特种劳动防护用品的购买和发放, 其他劳动防护用品的发放则没有保障[7]。 按照有关资料显示,2002 年,国有重点煤矿有井下矿工 80 万,人均产煤应为 890 吨。 国有地方煤矿,尤其是乡镇煤矿,技术装备不如重点煤矿,但劳动时间更长,几乎没有 节假日,以人均日采煤 2.5 吨、每年 344 个工作日、年产原煤 860 吨计算[87]。 根据计算,2002 年,国有重点煤矿人均一年劳动防护用品经费为 356~534 元。国 有地方煤矿,乡镇煤矿人均一年劳动防护用品经费为 258 元和 172 元。正常体型的人, 一套衣服的用布量不会超过 3 平方米,那么一套防护服的布料成本为 20.61 元,比纯棉 服装一套仅贵了不到 10 元,完全在能够承担的范围内。所以该经济数值完全能够承担 每平方米成本 6.87 元的防护服。            
 

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第六章 结论与展望 
   

6.1 结论 
本文在对煤矿井下环境和工人作业情况调研分析的基础上,对煤矿工人的防护服面 料的性能进行了系统的研究和设计,首次提出了煤矿用防护服的完整定义,并重点进行 了防护服面料的性能设计与研究,得出以下主要结论 : (1)首次提出了煤矿用防护服的完整定义:煤矿用防护服是用于煤矿工人作业时 穿着的用来防御普通伤害、脏污和静电积聚,并具有阻燃功能的服装。 (2)通过对煤矿用防护服面料的各项性能进行测试对比后,本文认为 Kevlar 与棉 纤维混纺比为 5/95,纱支 20s,织物组织为双层 3/1 的斜纹织物最能满足设计初衷。K/C 5/95 在强力、耐磨性、阻燃和防静电性能上均比纯棉纤维有了相当大的改善。另外,新 面料更加厚实柔软,舒适性也得到了提高。 (3)本文通过具体的实验数据证明,新型煤矿用防护服面料的各项性能均优于纯 棉织物,完全具备了取代煤矿用普通工作服的能力,尤其在煤矿服装的耐磨、阻燃和防 静电性能的完善上,更加符合当代科学技术和防护服的发展趋势。 (4)本研究是在现有的棉纺设备的基础上进行的,生产流程和工艺均以棉纺厂现 有的生产条件来考虑的,因此棉纺厂现有的设备就可以实现大规模的生产,不需要增加 额外的设备投入。 (5)在新型煤矿用防护服面料各项性能均能达到要求的前提下,新的面料成本仅 每平方米上涨了 2.15 元,比其它的纯纺或是后整理阻燃抗静电面料要低,完全能够被煤 炭行业所接受,具有经济上的可行性。

6.2 展望 
本试验研究了煤矿用防护服面料的性能,所研究的课题和设计的试验方法具有一定 的创新性。但由于试验条件和时间的限制,在调研的广度、试验条件以及试验样本等方 面还有很多值得深入研究的地方,有待于在今后的研究工作中进一步完善。 总之,通过设计合理的试验方法来改善煤矿用防护服的耐磨、阻燃和防静电性能是     60 

 
 

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可行的,这一课题方向具有进一步研究的价值。本论文所做的基础工作仅仅是对该研究 方向的初步探索,还需要大量的研究工作,如内衣、绒衣和外套的成套研究工作。 另外,在将来的试验中,还可以考虑其它品种的高科技纤维和棉纤维进行混纺,采 用不同的纺纱织造方法,进行更完整的煤矿用防护服的研究。最后,希望通过本文的研 究,能够为矿工工作服的国家标准和行业标准的修改和重新制定起到一定的促进作用, 从而进一步为我国的煤炭安全生产提供切实的保障。
                                                                   

 
 

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参考文献 
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附 录 
 

附录 1  井下各工种部分劳动防护用品发放标准 
  品  名  防  护  服  棉  上  衣  绒  衣  裤  护 腿    护 腰  皮小 大衣  衬衣 裤  棉手 套  护肘 

单  使 用  工  期  位  限  (  种  月  )  采煤工(薄煤层)  采煤工(中、厚煤层)  综采工(机采工)  掘进工  开拓工  巷道维修工  电车司机跟车工  绞车司机  皮带、链板司机  运搬、运料工  钉道工  机电维修工  机电安装工  水泵司机  配电工  充电工  瓦检测风工  接风筒工 

套  6  10  12  10  10  12  18  24  18  18  18  18  12  24  24  18  18  18 

件  36  36  36  36  36  36    36  36      36  36  48  48  48  36  36 

套  36  36  36  36  36  36    48  48  48  48  36  36  48  48  48  36  36 

副  36      36  36                      2    18 

副  24  24  24  24  24                          1 

件              48      48  48          12     

套  12  12  12  12  12                           

副              12      12  12          12     

副  6                                   

 
 

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太原理工大学硕士研究生学位论文  采煤样工  安检员  测量员  管子工  通风密闭工  井下钻探工  火药发放工  验收员管柱工  其它辅助工  采掘区长、基建、通风  其他井下技术员  其他井下管理员  放炮员  送水、送饭、清洁工  送火药工  井下木工  猴车司机  架线工  电话线路维修工  井口摘挂钓工  煤层注水工                          18  18  18  18  18  18  24  18  24  18  24  24  18  18  18  12  24  18  18  12  18  36  36  36  36  36  36  36  48  36  48  48  48  36  36    36          36  48  48  48  48  36  36  48  48  48  48      36  36  48  36  48  48  48  48  48  18    18    18    24      24  24  24    18  18    24    18  18    2  3  3  2    2  2    3    3  3      2    3  2  2  1  2                              24    24  24  24  24                                12    12  12  12  12                                    48  60    48                                      18       

 
 

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附录二  L16(4 5) 正交表 
                列号  试验号  1  2  3  4    5  6  7  8    9  10  11  12    13  14  15  16  1            1           1            1           1  1            2           2            2           2  1            3           3            3           3  1            4           4            4           4    2            1           2            3           4  2            2           1            4           3  2            3           4            1           2  2            4           3            2           1    3            1           3            4           2  3            2           4            3           1  3            3           1            2           4  3            4           2            1           3    4            1           4            2           3  4            2           3            1           4  4            3           2            4           1  4            4           1            3           2     数据来源:纺织测试数据处理  常用正交表                  1            2           3              4                5 

 
 

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太原理工大学硕士研究生学位论文 

 
   

致 谢 

 

三年的研究生生活即将结束,在此,谨向三年来所有指导、帮助和关心过我的老 师、朋友和亲人表示衷心的感谢!  三年前,我有幸投到我的导师戴晋明教授门下,开始我的研究生生活。三年中, 戴晋明教授在科研、学习和生活各个方面给予了我殷切地关怀和不遗余力地帮助和指 导,使我的科研能力、理论水平、研究方法、组织与协调能力等方面得到很大的提高。 在获取知识的同时,导师勤恳敬业、严于律己、宽以待人的处事原则,使我在掌握了 深邃的研究方法的同时,更多的明白了对学习和生活的一种态度。在此,向我的导师 致以最崇高的敬意和最诚挚的感激。  深深感谢昝会云副教授在我的论文研究方向,研究思路中提出的宝贵指导意见, 在论文实地调研中对我的悉心帮助和对我科研论文的精心指导。感谢昝会云老师为本 论文所提供的《矿工普通工作服现状调研》的结题报告,老师对矿工普通工作服资料 所作的预处理以及大量研究工作为我论文的形成打下了坚实的基础。  本论文从选题到完成,几易其稿,每一步都是在戴晋明老师和昝会云老师的指导 下完成的,倾注了二位老师大量的心血,在此我向二位老师表示深切的谢意与祝福! 本论文的完成也离不开其他各位老师、同学和朋友的关心与帮助。在此也要感谢王瑞 教授、魏立桥教授、侯文生副教授、张蕊萍副教授、王万青、朱啸宇等老师在论文开 题、中期评定期间所提出的宝贵意见。  衷心感谢纺织实验室的孙卜昆、黄玉莲、赵晓芳、赵万荣、张文武老师和赵华、 董爱云师傅为本论文的实验所提供的无私的支持与帮助。  真诚感谢符磊同学对我的生活和学习上的帮助,感谢全体 303 宿舍的室友还有结 下深厚情谊的同门和其他同学。此外,学校各科老师在各个方面都给了我莫大的帮助 和支持,在此一并感谢。    
最后,谨以此文献给我的父亲顾竹林和母亲曹兰萍,感谢为培养我长大而含辛茹苦的父母,谢 谢你们在我二十几年求学生涯中,给与我的无微不至和竭尽所能的支持和鼓励。

 
 

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太原理工大学硕士研究生学位论文 

攻读硕士学位期间发表的文章 
   

期刊论文:    
[1] 顾园,戴晋明.简述煤矿用防护服面料的应用[J] .山东纺织科技,2009,4:91-94. [2] 戴晋明,闫承花,顾园. 新纤维材料聚苯硫醚的研究[J] .山西纺织服装,2008,1:1014. 

 

 
 

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煤矿用防护服面料的研究与设计
作者: 学位授予单位: 顾园 太原理工大学

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_D083037.aspx


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I18 一般防护服
6.1.6 衬布、袋布的性能,应同面料相匹配。 6.1.7 钮扣的色泽、质地应服从防护服总体设计要求,电器装配等作业场所用工作服上禁用金属扣 1 6.2 号型尺寸应...
28一般防护服
6.1.6 衬布,袋布的性能,应同面料相匹配. 6.1.7 钮扣的色泽,质地应服从防护服总体设计要求,电器装配等作业场所用工作服 上禁用金属扣. 6.2 号型尺寸应...
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