評(píng)價(jià)阻燃纖維及其性能表征方法研究

文/張新民 周禎德 李紅杰 陸秀琴

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和消費(fèi)者安全意識(shí)的增強(qiáng)，阻燃紡織品的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，需求量與日俱增。為此，國(guó)內(nèi)很多化纖企業(yè)加速對(duì)阻燃纖維的開(kāi)發(fā)和研究，特別是阻燃滌綸和阻燃粘膠纖維發(fā)展更快，已形成了一定的市場(chǎng)規(guī)模，部分產(chǎn)品還出口國(guó)外。但國(guó)內(nèi)外對(duì)材料阻燃性能的檢測(cè)僅有針對(duì)面料的測(cè)試方法和標(biāo)準(zhǔn)，尚無(wú)適合纖維形態(tài)的阻燃性能檢測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)。纖維阻燃性能測(cè)檢方法的空白已在很大程度上制約了阻燃纖維產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和市場(chǎng)推廣。因此，盡快建立纖維阻燃性能的檢測(cè)和評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于促進(jìn)國(guó)內(nèi)阻燃纖維的開(kāi)發(fā)，規(guī)范行業(yè)內(nèi)產(chǎn)品質(zhì)量水平有重要的指導(dǎo)意義。

一、滌綸和粘膠纖維阻燃改性的技術(shù)現(xiàn)狀

1.阻燃滌綸纖維

滌綸纖維用阻燃劑有添加型和反應(yīng)型兩大類(lèi)，其中添加型阻燃劑比較多，添加阻燃劑也是聚酯纖維最初的阻燃改性方法，主要有鹵素阻燃劑和磷系阻燃劑。反應(yīng)型阻燃劑是指分子中含有阻燃元素(磷、氯、溴、氮)及活性基團(tuán)(羧基、羥基以及酸酐等)的小分子阻燃劑。反應(yīng)型阻燃劑將逐漸取代添加型阻燃劑。目前國(guó)際上最常用的是磷系共聚型阻燃劑，其對(duì)聚酯纖維具有良好的阻燃效果。

2.阻燃粘膠纖維

阻燃粘膠纖維根據(jù)阻燃劑類(lèi)型的不同，主要分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是采用無(wú)機(jī)材料改性的阻燃纖維；另一類(lèi)是采用有機(jī)阻燃劑（以磷氮系為主）改性的阻燃纖維。其中無(wú)機(jī)阻燃粘膠纖維由于具有阻燃性好、耐高溫和低煙無(wú)毒性等特點(diǎn)，近年來(lái)發(fā)展很快，應(yīng)用也十分廣泛。

二、國(guó)內(nèi)外阻燃性能試驗(yàn)方法介紹

如何表征和評(píng)價(jià)阻燃產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)劣？目前，國(guó)內(nèi)外測(cè)量紡織品的阻燃性能方法，通常使用垂直法、45度法和氧指數(shù)法來(lái)表征。

1.垂直法檢測(cè)方法介紹

將一定規(guī)格的試樣垂直放置，在下端施加火焰點(diǎn)燃規(guī)定時(shí)間后撤離，測(cè)量試樣的續(xù)燃時(shí)間、陰燃時(shí)間及損毀長(zhǎng)度。續(xù)燃時(shí)間是指火焰撤離后試樣持續(xù)有焰燃燒的時(shí)間；陰燃時(shí)間是指有焰燃燒終止后，或者火焰撤離后試樣持續(xù)無(wú)焰燃燒的時(shí)間；損毀長(zhǎng)度是指燃燒終止后，在規(guī)定方向上試樣損毀面積的最大距離。國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 5455-1997《紡織品燃燒性能試驗(yàn)垂直法》。

2.45 度法檢測(cè)方法介紹

45度法的方法與垂直法基本相同，區(qū)別是試樣是呈45°放置的，另外增加一項(xiàng)損毀面積。損毀面積是指燃燒終止后試樣損毀的總面積。國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)是GB/T 14645-1993《紡織織物燃燒性能 45°方向損毀面積和接焰次數(shù)測(cè)定》。

3.氧指數(shù)法檢測(cè)方法介紹

將一定規(guī)格的試樣垂直放置在氧、氮混合氣流中，在上端施加火焰，測(cè)定試樣剛好維持燃燒狀態(tài)所需要的最低氧氣濃度（稱氧指數(shù)），以體積百分率（%）表示。國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 5454-1997《紡織品燃燒性能試驗(yàn)氧指數(shù)法》，非等效采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 4589：1984，其主要技術(shù)內(nèi)容、試驗(yàn)方法程序與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)一致。

4.國(guó)外檢測(cè)方法介紹

日本的JIS L1091-1999《織物燃燒性能測(cè)試》，其中就有垂直法、45度法和氧指數(shù)法。法國(guó)在1978年發(fā)布了《紡織品燃燒性能試驗(yàn)氧指數(shù)法》，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）1996年發(fā)布了ISO 4589：1996《塑料 燃燒性能測(cè)定氧指數(shù)法》。

三、纖維阻燃性能試驗(yàn)方法的確立

盡管?chē)?guó)內(nèi)外都已有了垂直法、45度法和氧指數(shù)法來(lái)測(cè)定紡織品的阻燃性能檢測(cè)方法，但這些方法都要把樣品做成面料才能檢測(cè)，這對(duì)于化纖生產(chǎn)廠質(zhì)量控制和貿(mào)易帶來(lái)了很大的不便，尤其在貿(mào)易中一旦碰到質(zhì)量糾紛，很難分清責(zé)任方，會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。尋找適合表征纖維阻燃性能試驗(yàn)方法，關(guān)鍵要解決用什么試驗(yàn)方法的指標(biāo)值來(lái)表示阻燃纖維性能的指標(biāo)，試驗(yàn)中樣品又如何制備等一系列工作。

1.試驗(yàn)方法的選擇

目前國(guó)內(nèi)外主要有三種方法即垂直法、45度法和氧指數(shù)法來(lái)，由于垂直法、45度法測(cè)量的續(xù)燃時(shí)間、陰燃時(shí)間和損毀長(zhǎng)度較為抽象。用氧指數(shù)來(lái)表示試樣的阻燃性能比較直觀，因?yàn)槿紵切枰鯕獾模諝庵醒鯕馄骄鶟舛葹?1%，如果氧指數(shù)低于21%，說(shuō)明能在空氣中燃燒較長(zhǎng)的時(shí)間；反之，只能燃燒較短的時(shí)間或不會(huì)燃燒。有關(guān)資料將極限氧指數(shù)在21%以下的稱為易燃性材料，22%～27%的稱為可燃性材料，27%以上的稱為阻燃性材料。

同時(shí)用垂直法、45度法試驗(yàn)時(shí)，由于要求試樣的尺寸較大，這對(duì)織物是很容易制備的，而要求纖維做成大尺寸的織物形態(tài)是比較困難，相比之下用氧指數(shù)法試驗(yàn)時(shí)，要求試樣的尺寸可較小，用纖維來(lái)制作試驗(yàn)樣品來(lái)滿足試驗(yàn)要求相比之下還有可能，因此決定采用氧指數(shù)法來(lái)表征纖維阻燃性能方法。

2.試樣制備方法的研究

在確定試驗(yàn)方法和試驗(yàn)儀器后，關(guān)鍵是要解決試樣如何制作的難題。試樣既要制作方便，能適應(yīng)現(xiàn)有的儀器，雖然織物是非自撐材料（即不能自已直立），但是要有形的，能用U形框架的夾子夾住。而纖維不但是非自撐材料，還是無(wú)固定形狀的，較難用U形框架的夾子夾住。另外，試樣的大小、形狀應(yīng)保證試驗(yàn)結(jié)果既要能區(qū)分有阻燃和無(wú)阻燃，又要符合現(xiàn)有的氧指數(shù)評(píng)定指標(biāo)?；w行業(yè)各有關(guān)單位經(jīng)過(guò)三年的不斷試驗(yàn)摸索，終于制定出了一套能適用于纖維的表征阻燃性能試驗(yàn)方法的制樣方法。

①短纖維試樣制作方法

a)棉卷法制樣

取約20 g纖維，用原棉分析機(jī)或梳棉機(jī)將纖維開(kāi)松除雜。將開(kāi)松樣品平鋪均勻，剪成50 mm×100 mm的長(zhǎng)方形棉塊，質(zhì)量為（0.20±0.02）g。開(kāi)啟熨燙升華色牢度儀，上下板溫度170℃，壓燙時(shí)間20 s。將棉塊移至壓燙板下，按設(shè)定好的參數(shù)進(jìn)行壓燙。將壓燙好的試樣對(duì)折成25 mm×100 mm的棉條再次進(jìn)行壓燙。取出壓燙好的棉條冷卻到室溫，用棉卷制備工具（由一根直徑為2 mm，一端帶有一個(gè)狹縫的細(xì)長(zhǎng)不銹鋼構(gòu)成）的狹縫以45°夾住棉條毛面的一角，旋轉(zhuǎn)工具使棉條螺旋狀地纏繞在工具上，待末端卷入后繼續(xù)旋轉(zhuǎn)工具，轉(zhuǎn)數(shù)為10～15，卷成直徑約3 mm～4 mm高度約90 mm～100 mm直挺、緊密的試樣棉卷。抽離棉卷制備工具，把棉卷頂端的散紗或毛羽剪去20 mm，即為測(cè)試樣品。

b)股線法制樣

取20 g左右作為紡紗試樣。利用小型紡紗設(shè)備將紡紗試樣制成紗線（線密度不大于60 tex）。在縷紗測(cè)長(zhǎng)機(jī)上繞取一定長(zhǎng)度（整數(shù)圈）的紗線，質(zhì)量為（0.60±0.03）g。取下繞好的縷紗沿接頭和中間部位剪成兩段，每段長(zhǎng)度為500 mm，質(zhì)量約為0.30 g。將縷紗的一端打結(jié)置于紗線捻度機(jī)的夾持頭中，用手捏持另一端，將紗線加捻（與單紗同捻向），捻數(shù)一般在110～150之間。然后沿中間對(duì)折成合股線，末端打結(jié)。該股線即為測(cè)試樣品。

由纖維紡制的紗線并合成為一定重量的縷紗，可有效消除自制單紗條干不勻而影響縷紗粗細(xì)的均一性?？|紗加捻成股線，挺直性好，表面光滑。樣品燃燒均勻穩(wěn)定，氧指數(shù)測(cè)定結(jié)果精密度好，完全滿足材料的阻燃測(cè)試要求。

②長(zhǎng)絲試樣制備方法

在縷紗測(cè)長(zhǎng)儀上繞取一定長(zhǎng)度的紗線，其質(zhì)量應(yīng)為（0.30±0.03）g。取下繞好的紗線一端置于紗線捻度機(jī)的夾持頭中，用手捏持另一端，將紗線加捻（與單紗同捻向），捻數(shù)一般在60～80捻之間。然后沿中間對(duì)折成股線，在股線中間位置用單紗扎緊，防止股線散開(kāi)，該股線即為測(cè)試樣品。對(duì)于含油率較高的長(zhǎng)絲產(chǎn)品，試驗(yàn)前需對(duì)制好的股線進(jìn)行清洗：將樣品在中性皂液（4%）中浸泡4 h，輕輕揉捏，洗凈殘留的皂液后放入烘箱內(nèi)烘干。

3.氧指數(shù)測(cè)定儀原理介紹

氧指數(shù)測(cè)定儀其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

氧氣、氮?dú)夥謩e通過(guò)各自的流量計(jì)形成混和氣流，調(diào)節(jié)氧氣流量計(jì)、氮?dú)饬髁坑?jì)的流量大小可控制混和氣流中氧氣的比例（即：氧氣的濃度）。用下面的式子表示：

式中：Z——氧氣的濃度，%；

X——氧氣的流量，單位為L(zhǎng)/min；

Y——氮?dú)獾牧髁?，單位為L(zhǎng)/min。

混和氣流經(jīng)過(guò)燃燒筒下部的玻璃珠填充區(qū)段，使混和氣流均勻地、從下而上地流經(jīng)燃燒筒。

圖1 氧指數(shù)測(cè)定儀裝置示意圖

試樣夾是二片U形框架構(gòu)成，它的內(nèi)框尺寸為140 mm×38 mm，外框尺寸為150 mm×58 mm。在GB/T 5454《紡織品燃燒性能試驗(yàn) 氧指數(shù)法》中規(guī)定試樣（織物）的尺寸為150 mm×58 mm，放在試樣夾中隨試樣夾一起垂直立起來(lái)。在阻燃纖維試驗(yàn)時(shí)，在試樣夾的中部加一根橫檔，將測(cè)試樣品放在中間，讓二片試樣夾的橫檔夾住。試樣夾固定在燃燒筒中，當(dāng)氧氮混合氣流由下向上流過(guò)一段時(shí)間后,用火焰點(diǎn)燃試樣頂端，同時(shí)記時(shí)和觀察試樣燃燒長(zhǎng)度，與所規(guī)定的依據(jù)相比較。在不同的氧濃度中試驗(yàn)一組試樣，測(cè)定試驗(yàn)剛好維持平穩(wěn)燃燒時(shí)的最低氧濃度，用混合氣中氧含量的體積百分?jǐn)?shù)表示。

4.各種制樣方法的氧指數(shù)檢測(cè)情況

從山東海龍股份有限公司、中國(guó)石化上海石油化工有限公司、太倉(cāng)金輝化纖實(shí)業(yè)有限公司、桐昆集團(tuán)股份有限公司等等企業(yè)取得有機(jī)、無(wú)機(jī)阻燃產(chǎn)品和常規(guī)產(chǎn)品進(jìn)行大量氧指數(shù)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下。

①棉卷法制樣測(cè)定

棉卷法制樣測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1：

表1 滌綸短纖維氧指數(shù)測(cè)試情況表

②股線法制樣測(cè)定結(jié)果

股線法制樣測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2：

表2 不同品種纖維的氧指數(shù)測(cè)定情況表

③長(zhǎng)絲股線法試樣制備方法測(cè)定結(jié)果

長(zhǎng)絲股線法試樣制備方法測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3：

表3 滌綸長(zhǎng)絲氧指數(shù)測(cè)試結(jié)果表

由上述三個(gè)表可以看出，不管用棉卷法還是股線法制樣，用氧指數(shù)法進(jìn)行測(cè)試，都能明顯區(qū)分常規(guī)產(chǎn)品和阻燃產(chǎn)品的阻燃性能，且此方法可行性強(qiáng)，生產(chǎn)企業(yè)能在短時(shí)間投入較少的成本，快速、簡(jiǎn)便、及時(shí)了解本企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品阻燃性能情況。

滌綸和粘膠短纖維及滌綸長(zhǎng)絲阻燃性能試驗(yàn)方法——氧指數(shù)法的建立，打破了制約阻燃纖維產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和市場(chǎng)推廣的現(xiàn)狀，為纖維阻燃性能的表征提供了有力的支撐，為化纖行業(yè)阻燃纖維的生產(chǎn)和發(fā)展帶來(lái)了福音，同時(shí)對(duì)促進(jìn)貿(mào)易雙方公平交易，保障供銷(xiāo)利益提供了技術(shù)依據(jù)。