阻燃纺织品及其发展

摘要：本论文主要介绍了阻燃纺织品的阻燃机理、加工方法、阻燃效果的评判标准和测试方法以及发展趋势。提出了阻燃纺织品应该向舒适、环保以及多功能化方向发展。

关键词：阻燃纺织品；阻燃机理；加工方法；测试方法；发展趋势

前言

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。有关阻燃的各个方面已成为人们关注的课题。

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[1-2]。

1.1纤维燃烧与阻燃原理

纤维的燃烧过程，需经过一系列复杂的物理和化学变化，这些变化具有明显的阶段性。通常，可将燃烧过程分为以下三个阶段：（1）纤维热裂解，产生可燃性气体、不燃性气体和炭化残渣；（2）可燃性气体与氧混合，当温度达到着火点时，着火燃烧并释放出热、光、烟；（3）放出的热量使纤维继续裂解燃烧，引起火焰蔓延，形成一个循环[3]。纤维阻燃的基本原理：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，吸收纤维表面及燃烧区域的热量，隔绝燃烧区内的氧气或稀释氧气浓度等[4]。

1.2阻燃剂的分类

阻燃剂种类繁多，分类的方法也有多种。按所含阻燃元素分类，分为含卤阻燃剂、含磷阻燃剂、含氮阻燃剂等;根据材料的加工方法,阻燃剂可分为添加型阻燃剂和反应型阻燃剂；按阻燃织物耐久程度分为非耐久性阻燃整理剂、半耐久性阻燃整理剂、耐久性阻燃整理剂;按化学成分不同,阻燃剂可分为无机阻燃剂、有机阻燃剂。本文主要介绍按后两种方法分类的阻燃剂。

1.2.1按阻燃织物的耐久程度分类[5]

（1）非耐久性阻燃整理剂:又称为暂时性阻燃整理剂，大部分为水溶性无机盐。处理时先将阻燃剂溶于水，织物经浸渍烘干即可使用;也有二浴浸轧的，第二浴用氨水或纯碱，使氧化物覆盖在织物表面。此方法工艺简单，成本低廉，但织物洗涤后阻燃效果会大幅度下降。一次性防护服一般应用这种阻燃剂。

（2）半耐久性阻燃整理剂:用这种整理剂处理的阻燃纺织品能耐1～10次温和洗涤，但不耐高温皂洗。

（3）耐久性阻燃整理剂:采用化学法在纤维内部表面进行聚合或缩合反应，形成不溶于水的聚合物，一般要求耐洗程度30次以上。该法主要有汽巴(CP)法和Proban法。CP法加工工艺容易实施，阻燃效果显著;但织物强力损失较大，。Proban法整理的织物阻燃效果好，特别是处理后织物的手感与强力保持是任何其他整理方法所不可比拟的，但此法危险性较大，环境污染严重，因而推广受到限制[6]。

1.2.2按阻燃剂的化学成分分类

（1）无机阻燃剂：无机阻燃剂具有稳定性高、不易挥发、烟气毒性小和成本低等优点,但其耐洗性较差。这是由于无机阻燃剂具有较强的极性与亲水性,与非极性织物的兼容性差，将向精细、超精细颗粒和改善尺寸分布方向发展。

（2）有机阻燃剂：有机阻燃剂又分为有机磷系阻燃剂和含卤阻燃剂。有机磷阻燃剂的阻燃机理与无机磷阻燃剂相同,但对织物的机械物理性能影响较小[7]。主要包括磷酸酯、有机膦酸盐、亚磷酸酯、氧化磷和磷杂环化合物,应用广的是磷酸酯。有机磷系阻燃剂的阻燃机理[8]：磷化合物在加热初期,生成具有脱水作用的挥发性酸,使纤维碳化达到阻燃效果。含卤阻燃剂通过产生比空气重的卤化氢沉积在燃烧物的外层,稀释及隔绝空气,使被燃物窒息,同时,卤化氢捕捉氢氧自由基,使火焰减小[9]。

1.3阻燃剂的阻燃机理

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[10]。

1.3.1吸热机理

任何燃烧在短时间内所放出的热量都是有限的,如果能在较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(由气化的可燃分子裂解生成)的热量就会减少,燃烧就能得到一定程度的抑制。在高温条件下,阻燃剂强烈地吸收燃烧放出的热量,降低可燃物表面的温度,有效地抑制可燃性气体的生成,阻止燃烧的蔓延。

1.3.2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。

1.3.3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，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，终使燃烧反应速度下降直至终止[11]。

2阻燃纺织品的加工方法

2.1阻燃纤维

2.1.1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，聚酚醛树脂，聚四氟乙烯，以及陶瓷、玻璃纤维等[12]。

2.1.2阻燃纤维的制造[10]

(1)共聚法,在成纤高聚物的合成过程中，把含有磷、卤素、硫等阻燃元素的化合物作为共聚单体引入大分子链上再引到纤维中；(2)共混法，将阻燃剂加入纺丝熔体或纺制阻燃纤维的方法；(3)接枝改性，用放射热、高能电子束或化学引发剂使纤维(或织物)与乙烯基型阻燃单体进行接枝共聚反应，是获得有效而持久阻燃改性的方法。

2.2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阻燃纺织品的测试

3.1阻燃性能的评判标准[13-14]

评定织物的燃烧性能存在两种评判标准：一种是从织物的燃烧速率来进行评判。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，则表示面料的阻燃性能越好；反之，则表示面料的阻燃性能不佳。

另一种是通过氧指数（也称极限氧指数）法来进行评判：面料燃烧都需要氧气，氧指数是纤维燃烧所需氧气的表述，故通过测定氧指数即可判定面料的阻燃性能，氧指数越高则维持燃烧所需的氧气浓度越高，即表示越难燃烧。该指数可用样品在氮、氧混合气体中保持烛状燃烧所需氧气的小体积百分数来表示：LOI=氧气浓度／(氧气浓度+氮气浓度)×100％。

氧指数低于20％，属易燃纤维；氧指数在20％～26％之间，属可燃纤维；氧指数在26％～34％之间属难燃纤维；氧指数在35％以上属不燃纤维。

3.2测试方法[15-17]

3.2.1燃烧试验法

主要用来测试试样的燃烧广度（炭化面积和损毁长度）、续燃时间和阴燃时间。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。我国目前对于服装阻燃性能的测式主要使用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置于规定的燃烧试验箱中，用规定的火源点燃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。该方法可用于服装织物、装饰织物、帐篷织物等的阻燃性能；45°倾斜法适用于飞机内装饰用布；水平法适用于地毯之类的铺垫织物和汽车内饰织物。

3.2.2氧指数法(GB/T5454-1997纺织品燃烧性能试验氧指数法）

氧指数法是将被夹持试样．垂直放人透明燃烧筒中，筒内有向上的移动氧氮气流，点燃试样端，随即观察燃烧现象，并与规定的极限比较其持续燃烧时间或燃烧的距离：通过不同氧浓度中一系列试样的实验，可以测得低氧浓度，氧指数法较适合用于工艺过程实验使用。

3.2.3发烟性试验（参照GB/T8323.2-2008塑料烟生成第2部分：单室法测定烟密度试验方法）

材料燃烧产生的烟在火灾现场存在巨大的危害，其可燃性物质的流动将造成火势的迅速蔓延，其窒息性和毒性会对人员造成直接伤害，所以发烟性是材料阻燃性能好坏的一个重要衡量指标。发光度法是测试织物燃烧发烟性能的重要方法：将试样置于规定的试验箱内，在试样因燃烧而产生烟雾的过程中，用一束光通过烟密度箱内的烟层，利用测光系统来测量透光率的变化，从而表征烟浓度的变化，评价阻燃纺织品的发烟性。

3.2.4闪点和自燃点的测定（参照GB/T9343-2008塑料燃烧性能测试方法）

织物受热分解产生可燃气体，这些气体刚刚能被外界的小火焰点着时，此时周围空气的低初始温度称为闪点。织物受热达到一定温度后不用外界火焰点燃，而能够自行爆炸或燃烧，此时周围空气的低初始温度称为自燃点。闪点和自燃点越高，表明织物的阻燃性能越好。闪点和自燃点也是阻燃材料研究的重要测试技术。

3.2.5热防护性能试验

材料热防护性能是指透过织物引起二级烧伤的暴露能量。热防护性能试验采用热对流和热辐射两种传热方式预测热防护服的实际使用效果，是目前国际上通用的评价热防护服热防护性能的试验方法。它的基本原理为：试验水平放置于距离对流/辐射混合热源一定距离的夹持装置上，当透过的热量与引起人体组织二级烧伤相等时，仪器记录暴露的时间。根据样品与测试传感器放置位置的不同，用直接接触和间隔一定距离分别来模拟阻燃防护服与身体接触穿着或阻燃防护服与身体存在一定空间的情况。

4阻燃纺织品的发展趋势

4.1研发阻燃纤维

阻燃纤维在衣用、室内装饰、交通运输、防护及工业用纺织品方面具有广泛的应用。从环境保护、人类安全和阻燃效果的角度出发，开发无卤、高效、低烟、低毒的环保型阻燃纤维是未来的发展趋势。有报道在聚丙烯细丝中加入纳米SiO2，并用于生产地毯纱，可增加其阻燃性[18]。

4.2开发舒适型阻燃纤维

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。

4.3使用新型环保阻燃剂

国内外对阻燃剂工业的需求已经越来越高。环保型阻燃剂的发展趋势：(1)高效、无毒、对材料性能影响小的阻燃剂。以反应型阻燃剂以及具有良好相容性的添加型阻燃剂为主；(2)有协同效应的阻燃剂，如磷、氮、溴在分子内或分子间的结合；(3)不同应用范围的系列阻燃剂；(4)阻燃剂的复配，包含阻燃剂之间和阻燃剂与不同基体之间的复配。

4.4采用新型阻燃整理技术

4.4.1超细化[18-19]

近年来兴起的纳米材料，如纳米SiO2、纳米氢氧化物等，促进了阻燃纤维的发展。由于纳米微粒的尺寸极小，使它们具有许多特性，如：量子尺寸效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应和表面效应等。

4.4.2微胶囊技术[20-23]

将微胶囊技术用于阻燃剂中是近年兴起的一项新技术。微胶囊化的实质是先把阻燃剂粉碎成微粒，再用有机物或无机物包裹成为微胶囊阻燃剂；或者以表面能很大的无机物为载体，将阻燃剂吸附在载体的空隙中，形成蜂窝式微胶囊阻燃剂。

4.5阻燃纺织品的多功能化

目前，多数阻燃纤维或织物仅具有阻燃功能，已不能满足特殊要求，如阻燃拒水、阻燃拒油、阻燃抗静电等，国内已有阻燃抗皱纺织品。在冶金、林业、化工、石油及消防等部门，阻燃防护服的需求量很大，除阻燃外，还需防水、拒油、抗静电等多种功能因此，开发阻燃多功能化产品势在必行。0DrelVzTx