紡織用品中阻燃纖維的阻燃機(jī)理及應(yīng)用分析

嚴(yán)立云

[1.吉林師范大學(xué) 物理學(xué)院，吉林 四平 136000；2.物理國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心（吉林師范大學(xué)），吉林 四平 136000]

人們在居家生活、建筑規(guī)劃、軍事籌備、醫(yī)療服務(wù)、生物研究等領(lǐng)域，對(duì)纖維紡織產(chǎn)品有較大的使用需求。然而，未經(jīng)阻燃加工的纖維織物表現(xiàn)出較強(qiáng)的易燃性，極易在日常穿著、辦公應(yīng)用中引發(fā)火災(zāi)事故，具有一定的危險(xiǎn)性。因此，對(duì)纖維織物進(jìn)行阻燃加工逐漸成為保障紡織物使用安全的有效策略。根據(jù)阻燃機(jī)理，需要維持纖維織物原本的質(zhì)量，減少質(zhì)感下降問題。

1 阻燃機(jī)理

1.1 泡沫隔離

在纖維織物表面使用阻燃劑后，織物所在環(huán)境具有高溫特點(diǎn)時(shí)，織物表面添加的阻燃劑會(huì)在高溫條件下轉(zhuǎn)化成泡沫覆層，隔絕纖維與空氣，達(dá)到隔熱效果，減少可燃?xì)怏w的產(chǎn)生量，有效控制織物燃燒的蔓延能力。控制燃燒主要表現(xiàn)為兩種類型：（1）在高溫條件下，阻燃劑轉(zhuǎn)化成降解產(chǎn)物，促進(jìn)纖維表層的水分解，有效防止纖維聚合物發(fā)生深層裂解，顯著隔離熱分解產(chǎn)物，形成燃燒抑制作用，在阻燃劑中融合的磷系成分能控制含氧聚合物在燃燒中的作用，實(shí)現(xiàn)有效阻燃。（2）在燃燒條件下，鹵化磷、硼系兩種阻燃成分會(huì)形成難揮發(fā)薄膜，附著于纖維表層，有效隔離熱分解物質(zhì)，合理控制火勢，達(dá)成阻燃目標(biāo)。

1.2 熱量分解

一般情況下，纖維織物燃燒時(shí)會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)溫度驟然升高、熱量釋放的現(xiàn)象。如果在織物燃燒時(shí)有效吸收、分解釋放的熱量，就能有效控制火焰溫度，達(dá)到阻燃效果?？椢锶紵陂g表現(xiàn)出高溫的特點(diǎn)，在高溫條件下，多數(shù)類型的阻燃劑能進(jìn)行熱量吸收、熱量分解等活動(dòng)，比如脫水、相變等。在各類熱量分解活動(dòng)中，有效分解燃燒釋放的熱量，控制織物燃燒時(shí)形成的表層溫度及增幅，能降低可燃?xì)怏w的生成量，防止發(fā)生聚合物熱裂解，達(dá)到抑制燃燒的效果。具有熱量分解、熱量吸收能力的阻燃劑一般為無機(jī)類，以氫氧化物產(chǎn)品為代表。

1.3 可燃成分稀釋

在較高溫度條件下，阻燃劑會(huì)在熱量的作用下分解出不具易燃性的氣體，對(duì)燃燒產(chǎn)生的易燃?xì)怏w形成稀釋作用，有效控制易燃?xì)怏w的釋放量，使其達(dá)不到火焰形成的濃度條件。同時(shí)，對(duì)燃燒織物周邊的氧氣成分進(jìn)行稀釋[1]。難燃燒的氣體與熱量形成對(duì)流后，對(duì)熱量發(fā)揮消耗作用，有效控制燃燒蔓延速度，具有阻燃性。

1.4 燃燒抑制

在燃燒時(shí)，織物纖維使用的阻燃劑主要分布在織物表層，能引起聚合物參與熱量分解活動(dòng)，拉開燃點(diǎn)、熔點(diǎn)的溫度差。熔融過程會(huì)發(fā)生熱塑，對(duì)纖維形成結(jié)構(gòu)收縮作用，有效消耗燃燒熱量，具有較強(qiáng)的阻燃效果，能熄滅火焰。

1.5 耐熱性

在織物纖維中，選定聚合物為目標(biāo)主體，引入芳環(huán)，優(yōu)化纖維內(nèi)部分子鏈。芳環(huán)的使用能提升纖維各類分子的作用力，交聯(lián)緊密性更強(qiáng)，增大分子密度，炭化處理纖維組織，使其具有優(yōu)異的耐熱性，表現(xiàn)出較強(qiáng)的阻燃性。

1.6 火焰密度控制

在燃燒鏈中，自由基是保持燃燒持續(xù)性的關(guān)鍵因素。在發(fā)生氣相燃燒時(shí)，形成的自由基會(huì)被阻燃劑消耗，以控制火焰大小，防止火災(zāi)蔓延，在區(qū)域內(nèi)完成燃燒后熄滅火焰。阻燃劑可選擇含鹵類型，使用時(shí)蒸發(fā)溫度等于織物熱量分解的溫度。在織物發(fā)生熱量分解時(shí)，會(huì)產(chǎn)生燃燒火焰，使用阻燃劑能積極消耗自由基，控制火勢的蔓延速度，形成燃燒抑制作用。

2 應(yīng)用表現(xiàn)

2.1 聚丙烯腈

聚丙烯腈結(jié)構(gòu)類型的纖維織物是以丙烯腈成分為主，共聚其他類型單體成分后，組成的聚合結(jié)構(gòu)經(jīng)過紡織加工形成的纖維織物。此種織物在性能方面與羊毛具有高度相似性，人稱“人造羊毛”，表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐拉性、保溫性等優(yōu)勢，具有彈性較大、耐受性好等特點(diǎn)[2]。由紡織產(chǎn)品引發(fā)的火災(zāi)事故較多，引起了人們對(duì)阻燃劑使用的重視。然而，聚丙烯腈成分中的極限氧參數(shù)為17%，阻燃標(biāo)準(zhǔn)最小值為26%，需要對(duì)其進(jìn)行阻燃處理。

在整改聚丙烯腈纖維時(shí)，添加了水合肼相關(guān)用料，積極研究纖維特點(diǎn)、力學(xué)屬性、熱量燃燒平穩(wěn)性、阻燃方案等發(fā)現(xiàn)，此種纖維初期分解熱量時(shí)溫度不高，能有效增強(qiáng)纖維的阻燃性。然而，在添加其他用料時(shí)，會(huì)導(dǎo)致纖維表層結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，造成纖維整體力學(xué)性能欠佳的問題。

借助水解反應(yīng)，增強(qiáng)聚丙烯腈整體結(jié)構(gòu)的阻燃性能。水解反應(yīng)中添加了肼、堿兩種試劑，結(jié)合金屬離子特性，至少使用3種金屬離子進(jìn)行纖維性能優(yōu)化。研究發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的纖維織物能顯著增大纖維層密度，合理控制電阻，使極限氧達(dá)標(biāo)，有優(yōu)異的阻燃性。其中，使用鋅離子優(yōu)化織物性能后，阻燃性最強(qiáng)。

2.2 耐高溫

在纖維織物中，表現(xiàn)出較強(qiáng)阻燃性、較高溫度耐受性的織物用料有多種類型，比如聚苯硫醚（PPS）、聚苯并咪唑（PBI）等。（1）Basofil織物，具有較強(qiáng)的防火性，主要成分為三聚氰胺，在高溫條件下表現(xiàn)出平穩(wěn)的耐熱性，能有效阻隔燃燒、減少水滲透、規(guī)避化學(xué)品的影響、弱化紫外線的作用，在眾多防火場區(qū)得到了廣泛應(yīng)用。此種織物通常為象牙色，能在染料的作用下形成其他多種顏色，便于與各類纖維材料混合，形成全新的混合織物。（2）PBI織物，表現(xiàn)出較強(qiáng)的阻燃性，獲得了“阻燃王”的美稱，以雜環(huán)分子為主要纖維結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的高溫耐受性。此種纖維織物表現(xiàn)出較強(qiáng)的紡織彈性，能有效吸收火災(zāi)熱量，合理控制燃燒，還能進(jìn)行多色加工。（3）PPS織物，主要成分為聚苯硫醚，在一般的熔融紡絲工藝中，采取高溫、卷曲等多步加工方法，制備的纖維織物表現(xiàn)出較強(qiáng)的阻燃能力，主要用于消防服飾的加工與制作。

依據(jù)聚苯硫醚成分溶體黏性強(qiáng)、熔點(diǎn)參數(shù)高、成分流動(dòng)性不強(qiáng)等特點(diǎn)，從成分中選擇4種差異性原材料，進(jìn)行熔噴紡絲生產(chǎn)，研究熔噴紡絲生產(chǎn)的各類加工方案，由此推斷織物的紡織屬性。研究發(fā)現(xiàn)，熔融指數(shù)為每10 min熔融用料258 g，證實(shí)聚苯硫醚具有優(yōu)異的紡織屬性，能在熔噴工藝生產(chǎn)體系中產(chǎn)出纖維直徑為3 μm左右、密度均勻的織布。

2.3 黏膠

黏膠纖維是以天然纖維素為主要原材，表現(xiàn)出較強(qiáng)的綠色性、清潔性、資源再生性等紡織優(yōu)勢。此種織物的極限氧參數(shù)為19%，表現(xiàn)出較強(qiáng)的易燃性，需要對(duì)其進(jìn)行阻燃處理[3]。經(jīng)阻燃加工獲得的黏膠纖維，具有染色性能強(qiáng)、防靜電等優(yōu)勢，可在特種防護(hù)織物中得到有效使用。黏膠織物產(chǎn)品與火源進(jìn)行短時(shí)間接觸時(shí)，能給予防火保護(hù)響應(yīng)。阻燃黏膠產(chǎn)品具有質(zhì)感舒適、吸濕性較強(qiáng)、阻燃性優(yōu)異等優(yōu)勢，在家居裝飾、優(yōu)質(zhì)內(nèi)衣等產(chǎn)業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。

2.4 滌綸

滌綸織物的主要成分包括二元醇、二元酸，在聚合作用下形成紡織品，是一類高分子織物產(chǎn)品。滌綸纖維表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗形變、防褶皺、免燙傷、不沾毛等特點(diǎn)。對(duì)該纖維織物進(jìn)行阻燃加工后，能獲取性能優(yōu)異的阻燃滌綸產(chǎn)品。此種阻燃織物與明火相遇時(shí)，會(huì)形成熔滴，不會(huì)出現(xiàn)織布燃燒現(xiàn)象。對(duì)阻燃滌綸產(chǎn)品進(jìn)行50次清洗攪拌后，仍然具有較強(qiáng)的阻燃性。此種織物在室內(nèi)帳篷、飛行服飾、降落用具中得到了廣泛應(yīng)用。

2.5 錦綸

錦綸織物表現(xiàn)出較高的耐用性、用料彈性、織布抗拉強(qiáng)度。此種織物在工業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)量位于滌綸之后，在工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療服務(wù)、軍事等行業(yè)得到了有效推廣與應(yīng)用。然而，錦綸纖維結(jié)構(gòu)中的酰胺鍵具有較為活躍的化學(xué)屬性，在高溫條件下會(huì)與阻燃劑發(fā)生反應(yīng)。此種纖維的阻燃處理途徑：（1）原材料阻燃處理；（2）成品阻燃加工；（3）原材料、成品均作阻燃處理。阻燃錦綸的加工過程側(cè)重使用共聚混合工藝，阻燃劑以鹵化物、磷系兩種為主。在進(jìn)行阻燃處理時(shí)，阻燃劑的選用要求：（1）能與纖維相容；（2）具有高溫耐受性，要求粒徑不大；在溫度達(dá)到300 ℃時(shí)，能發(fā)揮阻燃作用。

2.6 維綸

維綸織物的主要成分是聚乙烯醇縮醛，性能類似于棉花，具有較強(qiáng)的吸濕性。維綸織物表現(xiàn)出較強(qiáng)的性能平穩(wěn)性，在極端氣候、較強(qiáng)光照條件下，表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐受性?？墒褂萌苣z與凝膠的聯(lián)合工法，轉(zhuǎn)化阻燃劑，對(duì)其成分納米級(jí)分子進(jìn)行特殊加工獲得阻燃維綸。此種阻燃織物能有效維持自身的物理特性，兼具環(huán)保、阻燃等性能優(yōu)勢，相關(guān)產(chǎn)品具有較強(qiáng)的消防安全性，在工業(yè)、建筑、軍事等多個(gè)行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

3 結(jié)語

較多類型的纖維織物極易發(fā)生火災(zāi)事故，對(duì)人們的安全造成了一定威脅。生產(chǎn)、研究紡織產(chǎn)品時(shí)，要重視阻燃性能，為火災(zāi)防護(hù)、安全生產(chǎn)、舒適生活奠定基礎(chǔ)。要想提高纖維織物的阻燃性，就要重點(diǎn)研究阻燃纖維加工方法與工藝流程。加大阻燃纖維的研發(fā)深度，從織物技術(shù)、清潔生產(chǎn)、智能工藝等視角，全面構(gòu)建阻燃纖維的生產(chǎn)體系。同時(shí)，擴(kuò)大阻燃紡織產(chǎn)品的推廣范圍，發(fā)揮阻燃織物的防火作用。