我国阻燃纺织品技术开发现状及发展趋势

我国阻燃纺织品技术开发现状及发展趋势刘海燕际华集团股份有限公司，北京100070摘要：综述了阻燃纺织品的阻燃机理、加工方法和发展趋势等，并提出了我国阻燃纺织品应向着功能复合化、绿色环保化和高技术化的方向发展，希望能够对阻燃纺织材料的发展起到一定的借鉴意义。关键词：阻燃纺织品；技术开发；现状；发展趋势中图分类号：TS197 文献标识码：A 文章编号：1671-5810(2015)41-0107-021 前言纺织材料大量用于衣着和家庭生活，很多时候纺织品成为着火诱燃物，释放有毒气体，直接引火危害人体健康。近年来，世界各国因纺织品引起的火灾不断增加。1985 年，哈尔滨天鹅饭店大火死亡十人，受伤七人，直接经济损失 24.9万元；1994 年，克拉玛依大火，死伤 300 多人，都是因纺织品燃烧引起的。近十年来国内纷纷建造了高层住宅和宾馆，对室内装饰用品的阻燃要求也越来越高。阻燃纤维及纺织品的开发和应用越发受到社会关注。本文就阻燃纺织品的生产现状及发展趋势向大家做一个简要的介绍。2 阻燃织物的评判标准及检测方法2.1 评判标准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几十项相关的测试方法标准，中国也已制订并实施了10 多项不同的测试方法标准， 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/TF5456-1997纺织品燃烧性能试验垂直方向火焰蔓延性能的测定等。目前，出口欧美和日本的纺织产品都必须达到一定的阻燃性要求，这源于欧美和日本等工业发达国家都制订有严格的纺织产品防火安全法规和技术标准。如CPSCl6CFRl610 为美国防火安全法规针对衣着类纺织品(一般成衣)的防火标准，但不包括帽子、手套、鞋子及衬里，此标准是纺织品与成衣防火的最低要求，适用于所有成人及儿童成衣。CPSC16CFR1615/165 为美国防火安全法规针对儿童睡衣防火所制订的更严格的法规，所有作为儿童睡衣用途的衣或材料，都必须符合此规范。英国同样也有相应的安全法规，如1985年颁布的英国睡衣安全法规就要求对睡衣必须进行阻燃试验，测试方法采用BS5722/BS5438。2.2 测试方法燃烧实验方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。将阻燃纺织品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。3 纺织品的阻燃机理3.1 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。合成纤维持续燃烧，必需具备下列条件：高聚物分解，能产生可燃气体；燃烧产生的热量，足以加热高聚物，使之连续不断地产生可燃气体；产生的可燃气体能与氧气混合，并扩散到己点燃的部分；燃烧部分蔓延到可燃气体与氧气的混合区域中。针对这4 个条件，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。3.2 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4 大类。不同的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。3.2.1 隔离膜机理某些阻燃剂在高温下可在聚合物表面形成一层隔离膜以隔绝空气，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，进而形成具有阻燃保护效果的炭化层。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。3.2.2 生成不燃性气体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，使火焰中心氧气供应不足，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。3.2.3 冷却机理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，防止热降解进而减少可燃性气体的挥发，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。3.2.4 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。3.2.5 自由基控制机理有机物在燃烧过程中产生的自由基能使燃烧过程加剧，如能设法捕获并消灭这些游离基，切断自由基连锁反应，就可以控制燃烧，达到阻燃的目的。卤系阻燃剂的阻燃机理属于此类。4 阻燃纺织材料开发现状4.1 芳纶芳纶的学名为芳香族聚酰胺纤维（分子结构如图1 所示），分子链结构分为三种：对位，间位和邻位，英文为Aramidfiber（帝人公司芳纶的商品名为 Twaron，杜邦公司的商品名为Kevlar），具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻等优良性能，其强度是钢丝的 56 倍 ，模量为钢丝或玻璃纤维的23 倍，韧性是钢丝的2 倍，而重量仅为钢丝的1/5 左右，在560 度的温度下，不分解，不融化。它具有良好的绝缘性和抗老化性能具有很长的生命周期。芳纶的发现，被认为是材料界一个非常重要的历史进程。自上个世纪60 年代由美国杜邦（DuPont）公司成功地开发出芳纶纤维并率先产业化后，在40 多年的时间里，芳纶纤维走过了由军用战略物资向民用物资过渡的历程。我国从20 世纪70 年代初开始研究开发间位芳纶生产技术，直到2004 年，该项技术才得以攻破，进入工业化生产，打破了国外公司垄断的局面。图1 芳纶分子结构式间位芳纶的极限氧指数(LOI)大于28，因此当它离开火焰时不会继续燃烧。间位芳纶的阻燃特性是由其自身化学结构所决定的，因而是一种永久阻燃纤维，不会因使用时间和洗涤次数降低或丧失阻燃性能。间位芳纶具有很好的热稳定性，在205的条件下可以连续使用，在大于205高温条件下仍能保持较高的强力。间位芳纶具有较高的分解温度，而且在高温条件下不会熔融、融滴，当温度大于370时才开始炭化。4.2 芳砜纶PSA 纤维是一种芳香族聚酰胺纤维（分子结构如图2 所示），具有卓越的阻燃隔热性能。PSA 纤维自身的化学结构非常牢固，在高温条件下也不容易被破坏，因此该纤维的阻燃性能是其与生俱来的。PSA 纤维是由上海纺织科学研究院和上海合成纤维研究所共同开发的具有独立自主知识产权的一种有机耐高温合成纤维，它的问世填补了我国耐250等级合成纤维的空白。图2 PSA 纤维的大分子结构PSA 纤维的极限氧指数 (LO I)接近33，因此纤维在空气中不能被点燃或燃烧，也不熔融或熔滴，在火焰中只有轻微的碳化和收缩。PSA 服装作为火焰和皮肤之间的保护屏障，有助于避免烧伤，给穿着者以保护，使其有足够的时间逃离火海。PSA 织物通过了产业阻燃标准，达到燃烧损毁长度不超过100 mm ，续燃时间为0 s，阴燃时间不超过2 s，并且没有熔融碎片的标准要求。表1 为PSA 织物的燃烧性能试验数据。表1 PSA 织物的燃烧性能试验结果织物和织物系统的热防护性能可以通过热防护性 (TPP)测试得到。这项测试也可以用来全面评价织物在高温状态下的性能，是阻燃纺织品所要考虑的一个重要指标。TPP 值越高，安全性越高。从表2 芳砜纶单层织物的TPP 数据中可以看出，特定材料的TPP 值随着织物面密度的增加而增加。4.3 聚酰亚胺聚酰亚胺是分子结构含有酰亚胺基链节的芳杂环高分子化合物，英文名Polyimide(简称PI)，可分为均苯型PI，可溶性PI，聚酰胺-酰亚胺（PAI）和聚醚亚胺（PEI）四类。聚酰亚胺是综合性能最佳的有机高分子材料之一，耐高温达400以上 ，长期使用温度范围-200300，无明显熔点，高绝缘性能，103 赫下介电常数4.0，介电损耗仅0.0040.007，属F 至H 级绝缘材料。全芳香聚酰亚胺按热重分析，其开始分解温度一般都在500左右。由联苯四甲酸二酐和对苯二胺合成的聚酰亚胺，热分解温度达到600，是迄今聚合物中热稳定性最高的品种之一。聚酰亚胺，因其在性能和合成方面的突出特点，不论是作为结构材料或是作为功能性材料，其巨大的应用前景已经得到充分的认识。表2 PSA 单层织物的TPP 值4.4 PyroTexPyroTex 纤维具有较强的阻燃抗热性、抗酸碱性、抗腐蚀性，还可抵抗UV 辐射，同时可根据不同需求织成长丝或短纤以及非织造材料。Hohenstein 纺织研究所把PyroTex 分类、检定为符合Oeko Tex 标准100 的2 级，意味着PyroTex纤维可与皮肤直接接触，贴身穿着。PyroTex 是阻燃的，极限氧指数(LOI)为43 %，这是其他阻燃纤维难以达到的 (图3)。图3 不同纤维的LOIPyroTex 是耐热的。用热重分析法(TGA)检测试样的质量损失随温度而变化的函数关系。一个重要的指标是纤维损失其20%质量时的温度。在400的温度下，PyroTex 仅损失其大约20%的质量，这个结果比黏胶和改性丙烯睛系纤维好很多。ProTex 纤维既不熔融，又不滴落。PyroTex 炭化而不熔融，因此形成保护层，提供更多的保护对抗火焰和热。这意味着穿戴者可受到保护以对抗热和火焰，同时不会受到熔融纤维的伤害。5 阻燃纺织品的发展趋势“绿色”纤维是当今合成纤维的最大热点和必然发展方向。所谓“绿色”纤维系指纤维生产消耗原材料不会破坏生态平衡，纤维的生产过程不会造成环境污染，纤维在穿用中对人体无毒害，纤维废弃后可再生。具体到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”（卤、磷，硫、氮等阻燃剂会产生有毒气体和浓重的烟雾，危害人体和环境）。世界各国尤其是欧美等发达国家相继制定了一系列环保法规和标准，对进口纺织品实施安全检测，限制非生态纺织品的市场流通和消费。欧盟生态纺