阻燃纺织品

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摘 要：

本文通过阐述纺织品的阻燃机理,介绍了几种阻燃纺织品的加工方法,现阶段常用的评判、测试方法以及阻燃纺织品的发展趋势.

关 键 词：阻燃纺织品；阻燃机理；加工方法；燃烧性能测试

引言

随着现代化科学技术的发展、纺织工业的进步,纺织品种类不断增多,其应用范围不断扩展延伸到人们生产、生活的各个方面.但纺织品材料一般都易燃或可燃,容易引发火灾事故.据统计,世界上约20%以上的火灾事故都是由纺织品燃烧引起或扩大的,尤其是住宅失火.因此,纺织品的阻燃功能对消除火灾隐患,延缓火势蔓延,降低人民生命财产损失都极为重要.近年来,各国纷纷开展纺织品阻燃技术方面的研究,并制定了相应的纺织品燃烧性能测试方法、阻燃制品标准和应用法规等.

1纺织品的阻燃机理

所谓“阻燃”,并非阻燃整理后的纺织品在接触火源时不会燃烧,而是使织物在火中尽可能降低其可燃性,减缓蔓延速度,不形成大面积燃烧,离开火焰后,能很快自熄,不再续燃或阴燃[1-3].

1.1纤维材料的燃烧与阻燃原理

合成纤维的燃烧是材料和高温热源接触,吸收热量后发生热解反应,热解反应生成易燃气体,易燃气体在氧存在的条件下,发生燃烧,燃烧产生的热量被纤维吸收后,又促进了纤维继续热解和进一步燃烧,形成一个循环.对此人们提出了阻燃的基本原理：减少(或者基本没有)热分解气体的生成,阻碍气相燃烧的基本反应,吸收燃烧区域的热量,稀释和隔离空气等.

1.2阻燃剂的阻燃机理

纤维用阻燃剂有：铝镁氢氧化物、含硼化合物、卤硼化合物、卤系阻燃剂、磷系阻燃剂等.不同阻燃剂的阻燃机理有很大的区别.概括起来主要有以下几种.

1.2.1覆盖机理

在可燃材料中加入阻燃剂后,阻燃剂在高温下可在聚合物表面形成一层玻璃状或稳定泡沫覆盖层以隔热、隔绝空气,起到阻止热传递、减少可燃性气体释放和隔绝氧的作用从而达到阻燃目的.阻燃剂形成隔离膜的方式有两种,一是阻燃剂降解产物促进纤维表面脱水炭化,进而形成结构更趋稳定的交联状固体物质或炭化层,炭化层能阻止聚合物进一步热裂解,还能阻止其内部的热分解产物进入气相参与燃烧过程.含磷阻燃剂对含氧聚合物的阻燃作用即是通过此种方式实现的.二是阻燃剂在燃烧温度下分解成不挥发的玻璃状物质包覆在聚合物表面起隔离膜的作用,硼系和卤化磷类阻燃剂具有类似特征.

1.2.2不燃性气体窒息机理

阻燃剂受热分解出现不燃性气体,将纤维燃烧分解出来的可燃性气体浓度冲淡到能产生火焰浓度以下,同时稀释燃烧区内的氧浓度,阻止燃烧继续进行,又由于气体的生成和热对流带走了一部分热,从而达到阻燃作用[4-5].

1.2.3吸热机理

任何燃烧在短时间所放出的热量有限,如果能在短时间内吸收火源所放出的部分热量,火焰温度就会降低,辐射到燃烧表面和作用于自由基的热量就会减少,燃烧反应受到抑制.

高温条件下,阻燃剂发生吸热脱水、相变、分解或其他吸热反应,降低纤维表面及燃烧区域的温度,降低可燃物表面温度,有效地抑制可燃性气体的生成,阻止燃烧的蔓延,最终破坏维持聚合物燃烧的条件,达到阻燃目的.如铝、镁及硼等无机阻燃剂,充分发挥其结合水蒸气时大量吸热的特性,提高自身的阻燃能力.

1.2.4自由基控制机理

根据燃烧的链反应理论,维持燃烧的是自由基.阻燃剂在气相燃烧区捕捉燃烧反应中的自由基,阻止火焰的传播,使燃烧区的火焰密度下降,最终使燃烧反应速度下降直至终止.如含卤阻燃剂的蒸发温度和聚合物分解温度相同或相近,当聚合物受热分解时,阻燃剂也同时挥发出来,此时含卤阻燃剂与热分解产物同时处于气相燃烧区,卤素便能够捕捉燃烧反应中的自由基,阻止火焰的传播,使燃烧区的火焰密度下降,最终使燃烧反应速度下降直至终止[6-7].

1.2.5催化脱水机理

阻燃剂在高温下生成具有脱水能力的羧酸、酸酐等,与纤维基体反应促进脱水炭化,减少可燃性气体的生成.

2阻燃纺织品的加工方法

研究织物的阻燃技术是指通过物理或化学的方法赋予织物一定的阻燃性能,降低材料的可燃性,减慢火焰蔓延速度,其实质是破坏织物中纤维的燃烧过程.近年来,世界各国主要从以下两个方面来开展对织物阻燃技术的研究：一是生产阻燃纤维；二是对织物进行阻燃整理[8-9].

2.1阻燃纤维的制造

纤维阻燃的途径是阻止或减少纤维热分解,隔绝或稀释氧气,快速降温使其终止燃烧.为实现上述目的,一般是将有阻燃功能的阻燃剂通过聚合物聚合、共混、共聚、复合纺丝、接枝改性等加入到化纤中或用后整理方法将阻燃剂涂在纤维表面或渗入纤维内部.在实际应用中,往往采用多种阻燃剂,以两种以上方式协同效应达到阻燃效果.

2.1.1共聚法

现行的阻燃腈纶和涤纶大多数采用共聚方法生产,其技术已较成熟.由于阻燃元素结合在成纤高分子链上,因此阻燃性能持久,对纤维的其他性能影响较小,采用这种方法生产的阻燃腈纶通常称为改性腈纶.

2.1.2共混法

共混法技术具有生产简便、品种更换灵活等特点,因此是阻燃纤维开发的重要技术路线,几乎所有阻燃化学纤维均可采用这种方法制备.

2.1.3接枝法

主要用于制备阻燃涤纶或混纺织物,其方法有化学法、辐射法和等离子体法,接枝体都为具有不饱和双键的化合物.接枝法技术使用灵活,既可用于纤维也可用于织物的阻燃,但因成本高、设备较复杂而还没有工业化.

2.1.4皮芯复合纺丝法

以共混或共聚阻燃高聚物为芯、普通高聚物为皮,通过复合纺丝制成的阻燃复合纤维可避免阻燃纤维变色和耐光性差的问题,提高阻燃性能的稳定性和染色性能,但加工设备要求高.

2.1.5本质阻燃纤维

按性能分类,阻燃纤维可分为阻燃常规改性纤维和阻燃高性能纤维,阻燃常规改性纤维以阻燃涤纶和腈纶产量最大,由于航空航天等尖端高技术和军事工业发展的需要,阻燃高性能纤维得到越来越广泛的应用.阻燃高性能纤维主要包括芳香族聚酰胺Nomex和Kevlar,聚酰亚胺如法国的Kermal,聚砜酰胺,聚芳酣,聚酚醛树脂,聚四氟乙烯,以及陶瓷、玻璃等纤维.

2.2织物的阻燃整理

织物的阻燃整理是通过吸附沉积、化学键合、粘合作用使阻燃剂覆在织物上.当遇到火种时发生物理和化学反应,从而达到阻燃效果.

2.2.1喷涂

适宜于不需洗涤织物或洗涤次数极少的装饰织物和建筑用织物,如地毯、墙布等.喷涂加工后一般不经水洗等后处理,对阻燃剂的选择要求不高,工艺简单,操作简便.

2.2.2浸轧和浸渍

适宜于加工睡衣、床上用品和家具用品等,也可加工外衣.要求阻燃剂的耐洗牢度优良.可结合其他特种功能――浴浸轧型整理,也可分步加工.此种加工方式工艺复杂,适用范围广,成本较喷涂高.

2.2.3涂层

适宜于加工劳动保护服,以及装饰织物.对阻燃剂的选择要求较高,要求阻燃性和耐热性好.在加工过程中,一般与其他特种功能涂层同时进行.

3阻燃织物的测试

GB/T17591―2006《阻燃织物》标准规定了阻燃织物的产品分类、技术要求、试验方法、检验规则、包装和标志,适用于装饰用、交通工具内饰用、阻燃防护服用的机织物和针织物.

3.1评判标准

评判织物的阻燃性能通常采用两种标准：一是从织物的燃烧速度来进行评判,即经过阻燃整理的面料按规定的方法与火焰接触一定的时间,然后移去火焰,测定面料继续有焰燃烧的时间和无焰燃烧的时间,以及面料被损毁的程度.有焰燃烧的时间和无焰燃烧的时间越短,被损毁的程度越低,则面料的阻燃性能越好；反之,则表示面料的阻燃性能不佳.

另一种是通过测定样品的极限氧指数来进行评判.面料燃烧都需要氧气,氧指数LOI是样品燃烧所需氧气量的表示,故通过测定氧指数即可判定面料的阻燃性能.氧指数越高则说明维持燃烧所需要的氧气浓度越高,即表示越难燃烧.该指数可用样品在氮、氧混合气体中保持燃烧所需氧气的最小体积百分数来表示.从理论上讲,纺织材料的氧指数只要大于21%,其在空气中就有自熄性.根据氧指数的大小,通常将纺织品分为(LOI<20%)、可燃(LOI=20%～26%)、难燃(LOI=26%～34%)和不燃(LOI>35%)4个等级.事实上,几乎所有常规纺织材料都属易燃或可燃的范围.

3.2测试方法

燃烧试验方法主要用来测试试样的损毁长度、面积,续燃时间和阴燃时间,火焰蔓延速率等指标.

根据试样与火焰的相对位置,可分为垂直法、倾斜法和水平法.国际上对纺织材料的燃烧性能测试方法的标准化已经相当全面和完善,包括ISO、ASTM、BS、JIS在内的国际和国外先进标准都各自有10余项相关的测试方法标准,如：GB/T5454―1997《纺织品燃烧性能试验氧指数法》、GB/T5455―1997《纺织品燃烧性能试验垂直法》、GB/T5456―2009《纺织品燃烧性能试验垂直方向火焰蔓延性能的测定》,GB14645《纺织织物燃烧性能45°方向损毁面积和接焰次数测定》,FZ/T01028《纺织织物燃烧性能测定水平法》等.

中国目前对于服装阻燃性能的测试主要采用GB/T5455―1997《纺织品燃烧性能试验垂直法》.其原理是将一定尺寸的试样垂直于规定的燃烧试验箱中,用规定的火焰点燃12s除去火源后,测定试样的续燃时间和阴燃时间,阴燃停止后,按规定的方法测出损毁长度.

4阻燃纺织品的发展趋势

随着纺织技术的快速发展,我国的阻燃纺织品近年来也获得了长足的进步,并呈现出不同的发展趋势.

4.1功能复合化

阻燃功能纺织品除早期的阻燃防热辐射、阻燃抗静电以外,近年来根据纺织品面料应用场所不同提出了新的要求,如日本专利报道的用于浴室等潮湿环境下的窗帘、帷幕等,除阻燃外,还要求防霉和拒水；用于服用、沙发和床单等面料要求阻燃外还需具有卫生保健功能.在军事领域,作战服和军事装备的伪装材料不仅要求具有阻燃性,还要求具有防伪功能.在我国,阻燃抗静电纺织品研究较成熟,对阻燃拒水和拒油产品也有研究,具有卫生保健功能的纺织品开发值得关注.

4.2绿色环保化

阻燃纤维的绿色化,是指减少生产过程对环境和操作人员的毒害作用,防止纤维对穿用人产生不良影响,火灾发生时,不会产生“二次毒害”.这是因为,阻燃纤维所用阻燃剂一般含有卤、磷、硫等元素,大都具有较大的毒性,在阻燃剂合成和纤维生产过程中会对操作人员产生一定的毒害作用,其“三废”的排放会带来较严重的环境污染.从环境保护、人类安全和阻燃效率的角度出发开发无卤、高效、低烟、低毒的环境友好型阻燃纺织品是未来的发展趋势.有机硅系阻燃剂作为典型的无卤阻燃剂,具有高效、无毒、低烟、无污染的特点,并具有改善分散性和加工性能的特点.

4.3高技术化

高技术纤维是随着高新产业的发展需要而开发出来的一系列具有高性能、高功能的纤维.高技术纤维在生产工艺中应用发展了一系列新技术,如静电纺丝、凝胶纺丝、膜裂纺丝、液晶纺丝、离心纺丝等,给合成纤维工业带来新的生命.高技术耐高温阻燃纤维是其中的一个重要分支,高技术型阻燃纤维由于自身独特的化学结构,无须添加阻燃剂或进行改性,本身

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4.4舒适型阻燃纤维

在高温、强热辐射及有明火的环境中,作业人员必须穿着阻燃防护服或热防护服.在上述条件下,人的热负荷过高,难以长时间坚持正常的工作效能.因此对于阻燃纺织品而言,必须兼顾纺织品的舒适性.对于阻燃纤维而言则应兼顾阻燃性能、可纺性能和热湿舒适性能.