聚酰亞胺防護(hù)面料的阻燃性能研究

嚴(yán)成 劉佳明 唐聞濤

摘 要：為深入研究聚酰亞胺面料的阻燃特性，對(duì)聚酰亞胺、間位芳綸、阻燃粘膠3種原料紡制成的面料的阻燃性能進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：聚酰亞胺具有更好的阻燃效果，聚酰亞胺面料極限氧指數(shù)高達(dá)38%，無(wú)陰燃、續(xù)燃時(shí)間，不融滴，損毀長(zhǎng)度小于10 mm；在有焰燃燒條件下，產(chǎn)生毒性氣體量及煙密度遠(yuǎn)小于其他阻燃面料；并且聚酰亞胺能以較低混紡比例大幅改善間位芳綸、阻燃粘膠的阻燃性能。

關(guān)鍵詞：聚酰亞胺；極限氧指數(shù)；燃燒特性；毒性氣體量；煙密度

中圖分類號(hào)：TS157

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X（2018）06-0091-04

Abstract：In order to study the flame retardant property of polyimide fabrics， flame retardant properties of three fabrics made of polyimide， meta-aramid and flame-retardant viscose respectively were contrasted and analyzed in this paper. The results showed that polyimide fabrics have better flame retardant effect than the other two materials. The limit oxygen index of polyimide fabrics is as high as 38%， and it doesnt show after-flame or smoldering time. The damaged length is less than 10 mm. In case of fire， the density of smoke and toxic gas produced by the combustion of polyimide fabrics is much lower than other flame-retardant viscose fabrics. Whats more， the flame retardation of mixed fabrics could be significantly improved with low blending proportion.

Key words：polyimide； limit oxygen index； combustion characteristic； toxic gas flow； smoke density

隨著紡織新材料新技術(shù)的不斷發(fā)展，紡織品種類日益增多，人們對(duì)功能性紡織品的需求也日趨旺盛，阻燃紡織品作為保障人身財(cái)產(chǎn)安全的保護(hù)傘，受到人們更加廣泛的關(guān)注，并實(shí)現(xiàn)較快發(fā)展[1]。

現(xiàn)階段賦予紡織品阻燃性能的方法一般有兩種：一種是選用本質(zhì)阻燃纖維；另一種是對(duì)常規(guī)纖維、織物進(jìn)行阻燃整理。與本質(zhì)阻燃材料相比，阻燃整理工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，在應(yīng)用上具有良好的靈活性，但是經(jīng)過(guò)阻燃處理的織物存在兩大主要問(wèn)題：一是阻燃效果逐步衰退，二是遇火會(huì)產(chǎn)生有害氣體，因此制約其進(jìn)一步發(fā)展；而本質(zhì)阻燃性纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)就決定了其不燃性，如芳綸、聚苯硫醚纖維、聚酰亞胺纖維等[2-3]。

其中，聚酰亞胺作為本質(zhì)阻燃纖維的代表，成為21世紀(jì)最具發(fā)展前途的高技術(shù)阻燃纖維。聚酰亞胺纖維是指分子鏈中含有芳酰亞胺的纖維，化學(xué)結(jié)構(gòu)式如圖1所示，其具有穩(wěn)定的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，被稱為“解決問(wèn)題的能手”[4]。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

1.1.1 實(shí)驗(yàn)材料

為深入研究聚酰亞胺面料的阻燃性能，將聚酰亞胺纖維與間位芳綸、阻燃粘膠纖維分別進(jìn)行紡紗織造，制成同規(guī)格面料，并對(duì)不同材質(zhì)的面料阻燃性能進(jìn)行對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)采用的纖維、紗線、面料規(guī)格如表1所示。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

纖維細(xì)度儀用于測(cè)量纖維線密度（型號(hào)XQ-1A，上海利浦應(yīng)用科學(xué)技術(shù)研究院）；纖維強(qiáng)伸度儀用于測(cè)量纖維斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長(zhǎng)率等強(qiáng)伸性能（型號(hào)XD-1，上海利浦應(yīng)用科學(xué)技術(shù)研究院）；縷紗測(cè)長(zhǎng)儀用于測(cè)量紗線線密度（型號(hào)YG086）、紗線捻度儀用于測(cè)量紗線捻度（型號(hào)Y331A）、單紗強(qiáng)力儀用于測(cè)量紗線斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長(zhǎng)率等強(qiáng)伸性能（型號(hào)YG020）（常州市第一紡織設(shè)備有限公司）；極限氧指數(shù)儀用于測(cè)量面料的極限氧指數(shù)值（型號(hào)JF-3，南京市江寧分析儀器廠）；垂直燃燒試驗(yàn)儀用于測(cè)量面料續(xù)燃時(shí)間、陰燃時(shí)間、損毀長(zhǎng)度、燃燒特性以及是否有滴熔物等（型號(hào)DJC-1，北京中航時(shí)代儀器設(shè)備有限公司）；煙密度箱用于測(cè)量CO，HCN，HF，HCl，SO2，NOx氣體含量以及材料燃燒煙密度值，（型號(hào)SD-1-C-X，莫帝斯燃燒技術(shù)有限公司）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 極限氧指數(shù)

極限氧指數(shù)（LOI）是指材料在氮、氧混合氣體中，維持其燃燒所需的最低的氧氣體積比例，根據(jù)極限氧指數(shù)值，阻燃性能可分為5個(gè)等級(jí)：LOI值大于30為阻燃一級(jí)（不燃），LOI值27～30為阻燃二級(jí)（難燃），LOI值24～27為阻燃三級(jí)（阻燃），LOI值21～24為阻燃四級(jí)（可燃），LOI值小于21為易燃[5]。

實(shí)驗(yàn)對(duì)不同面料極限氧指數(shù)按照GB/T 5454—1997《紡織品 燃燒性能試驗(yàn) 氧指數(shù)法》[6]規(guī)定進(jìn)行測(cè)試。首先將試樣夾在試樣夾上垂直于燃燒筒內(nèi)，在向上流動(dòng)的氧氮?dú)饬髦杏^察其燃燒特性，通過(guò)在不同氧濃度中一系列試樣的試驗(yàn)，測(cè)得維持燃燒時(shí)氧氣百分含量表示的最低氧濃度值，確定面料極限氧指數(shù)。

1.2.2 燃燒性能

紡織品的燃燒性能主要包括：續(xù)燃時(shí)間、陰燃時(shí)間、損毀長(zhǎng)度、燃燒特性以及是否有滴熔物等。

實(shí)驗(yàn)對(duì)不同面料燃燒性能按照GB/T 5455—2014《紡織品 燃燒性能 垂直方向損毀長(zhǎng)度陰燃和續(xù)燃時(shí)間的測(cè)定》[7]規(guī)定進(jìn)行測(cè)試。首先，將面料制成尺寸為300 mm×89 mm的樣布并在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下進(jìn)行調(diào)濕，隨后在溫度為10～30 ℃，相對(duì)濕度30%～80%的環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，采用規(guī)定點(diǎn)火器，點(diǎn)燃丁烷氣體，調(diào)整火焰高度，使其穩(wěn)定在（40±2）mm，產(chǎn)生的火焰，對(duì)垂直方向的試樣底邊中心點(diǎn)火，12 s后，移開火源，測(cè)量面料的續(xù)燃時(shí)間、陰燃時(shí)間及損毀長(zhǎng)度，并記錄燃燒特性及是否有滴熔物。

1.2.3 毒性氣體

面料燃燒時(shí)產(chǎn)生毒性氣體，毒性氣體的產(chǎn)生會(huì)對(duì)人身安全造成更大傷害，常見的毒性氣體包括CO，HCN，HF，HCl，SO2，NOx等，按照BSS7239《Test method for toxic gas generation by materials on combustion》（材料燃燒產(chǎn)生的毒氣測(cè)試方法）的要求，將面料在溫度為20～23 ℃，相對(duì)濕度45%～50%的環(huán)境下平衡24 h，放入SD-1-C-X煙密度箱中，進(jìn)行4 min有焰燃燒，收集分析燃燒后釋放的氣體含量。

1.2.4 煙密度

按照BSS 7238《Test method for smoke generation by materials on combustion》（材料燃燒產(chǎn)生的煙霧測(cè)試方法）測(cè)試。將面料在溫度為20～23 ℃，相對(duì)濕度45%～50%環(huán)境下平衡24 h，放入SD-1-C-X煙密度箱中，進(jìn)行4 min有焰燃燒，煙密度值為最大的煙密度值。

2 結(jié)果與討論

2.1 極限氧指數(shù)分析

表2為幾種常見纖維的極限氧指數(shù)，通過(guò)表2可以看出，聚酰亞胺纖維的極限氧指數(shù)遠(yuǎn)高于其他纖維，這是因?yàn)榫埘啺肪哂蟹€(wěn)定的環(huán)形結(jié)構(gòu)，分子鍵能極高[8-9]。當(dāng)在低氧氣濃度下點(diǎn)燃時(shí)，纖維受熱分解，但是此種狀態(tài)下分解反應(yīng)速率較慢，分解釋放熱量不足以維持聚酰亞胺纖維燃燒，因此聚酰亞胺表現(xiàn)出良好的阻燃效果；只有當(dāng)氧氣濃度增大到一定值后，聚酰亞胺熱降解反應(yīng)劇烈，隨之釋放大量熱，并且纖維分解過(guò)程中產(chǎn)生一定量可燃性氣體，可燃性氣體和氧氣混合燃燒，也釋放大量熱，兩者結(jié)合剛好達(dá)到維持聚酰亞胺纖維持續(xù)燃燒所需熱量，此時(shí)混合氣體中氧氣所占的體積分?jǐn)?shù)，即聚酰亞胺纖維的極限氧指數(shù)。

將聚酰亞胺、間位芳綸、阻燃粘膠3種面料的極限氧指數(shù)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

通過(guò)表3可以看出：和纖維相比，面料結(jié)構(gòu)更為緊密，和混合氣體接觸面積更小，其極限氧指數(shù)普遍高于纖維。3種面料中聚酰亞胺面料縱、橫向極限氧指數(shù)均高于38%，遠(yuǎn)高于另外兩種，屬于不燃織物。較高的極限氧指數(shù)使聚酰亞胺面料能夠應(yīng)對(duì)更加復(fù)雜的火場(chǎng)環(huán)境，即使在較高氧氣含量或者空氣流動(dòng)強(qiáng)的危險(xiǎn)環(huán)境中，依然能夠提供高效的阻燃防護(hù)[10]。

2.2 燃燒特性分析

表4為3種面料的燃燒特性對(duì)比，通過(guò)表4可以看出：聚酰亞胺面料具有無(wú)陰燃、續(xù)燃時(shí)間，損毀長(zhǎng)度小，無(wú)融滴的燃燒特性。而間位芳綸和阻燃粘膠均存在陰燃時(shí)間，并且損毀長(zhǎng)度較大；經(jīng)過(guò)12 s的垂直燃燒，聚酰亞胺面料的損毀長(zhǎng)度不到1 cm，遠(yuǎn)小于間位芳綸和阻燃粘膠面料，保證聚酰亞胺面料在有焰燃燒的情況下，破損小，能夠更好的維持面料結(jié)構(gòu)，提供更持久的防護(hù)效果。

進(jìn)一步探究聚酰亞胺纖維對(duì)間位芳綸、阻燃粘膠面料燃燒特性的改善，將不同比例聚酰亞胺分別和芳綸以及阻燃粘膠纖維進(jìn)行混紡，織造210 g/m2的2上1下斜紋機(jī)織面料，并對(duì)混紡面料的燃燒特性進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表5所示。

通過(guò)表5可以看出，聚酰亞胺能夠有效提高面料的燃燒特性，能以較低比例大幅減小面料的損毀長(zhǎng)度，使面料具有更優(yōu)異的阻燃性能。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：聚酰亞胺和芳綸進(jìn)行混紡，當(dāng)聚酰亞胺含量為5%時(shí)，面料損毀長(zhǎng)度小于20 mm，遠(yuǎn)小于純間位芳綸50 mm左右的損毀長(zhǎng)度；當(dāng)聚酰亞胺含量達(dá)到30%時(shí)，混紡面料陰燃時(shí)間消失。同樣，將聚酰亞胺和阻燃粘膠進(jìn)行混紡，當(dāng)聚酰亞胺比例大于等于20%時(shí)，面料損毀長(zhǎng)度可控制在20 mm以內(nèi)，遠(yuǎn)小于純阻燃粘膠90 mm以上的損毀長(zhǎng)度。

2.3 毒性分析

表6顯示了3種面料均是環(huán)保型阻燃面料。在有焰燃燒的條件下，毒性氣體釋放量均遠(yuǎn)小于空客裝飾面料標(biāo)準(zhǔn)要求限值，能夠保證面料遇明火燃燒時(shí)，產(chǎn)生較少毒性氣體，減小對(duì)人體造成的傷害。和間位芳綸、阻燃粘膠面料相比，聚酰亞胺面料的毒性氣體釋放量更小，CO釋放量?jī)H為間位芳綸的1/5，更加安全環(huán)保，可應(yīng)用于飛機(jī)座椅裝飾面料、飛行員服裝面料、機(jī)務(wù)人員服裝面料、窗簾、地毯等眾多領(lǐng)域。

2.4 煙密度分析

表7顯示了3種面料的煙密度對(duì)比，可以看出，聚酰亞胺在2.5 W/cm2的熱源下，4 min內(nèi)幾乎不發(fā)煙，最大煙密度僅為1，透光率依舊高達(dá)98.3%，能夠最大限度減少濃煙對(duì)人身造成的傷害。

3 結(jié) 論

聚酰亞胺面料是極佳的阻燃防護(hù)材料，和間位芳綸、阻燃粘膠等應(yīng)用廣泛的阻燃防護(hù)面料相比，其阻燃效果優(yōu)勢(shì)明顯。

a） 聚酰亞胺面料極限氧指數(shù)高達(dá)38%，屬于不燃織物，高效阻燃；

b） 聚酰亞胺面料垂直燃燒無(wú)陰燃、續(xù)燃時(shí)間，損毀長(zhǎng)度??；聚酰亞胺和芳綸或阻燃粘膠混紡，能夠高效改善面料的燃燒性能；

c） 聚酰亞胺面料有焰燃燒毒性氣體排放量極低，安全環(huán)保；

d） 聚酰亞胺面料有焰燃燒煙密度值小，4 min中產(chǎn)煙密度極小僅為1。

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