阻燃防護(hù)服及其阻燃技術(shù)進(jìn)展

董永昭，朱世杰，劉 娜，王 芳

(1.中國(guó)石油化工股份有限公司，北京 100020 2.中國(guó)石化儀征化纖有限責(zé)任公司，江蘇儀征 211900)

在當(dāng)今社會(huì)日常生活環(huán)境，特別是存在易燃易爆物質(zhì)的生產(chǎn)環(huán)境中，火災(zāi)成為威脅人類生命和財(cái)產(chǎn)安全的一個(gè)重大威脅。阻燃防護(hù)服(簡(jiǎn)稱阻燃服)因其阻燃防護(hù)特性，發(fā)生火災(zāi)、閃燃等事故時(shí)，能夠?yàn)槭鹿尸F(xiàn)場(chǎng)從業(yè)人員提供有效的安全防護(hù)，降低燒傷程度。2014年江蘇昆山爆炸事故當(dāng)天造成75人死亡，185人受傷，傷亡慘重的一個(gè)原因就是崗位職工未穿戴阻燃服。然而，阻燃服的研究往往伴隨著防護(hù)性能和舒適性能、成本和性能的矛盾，本文主要從織物纖維阻燃技術(shù)層面進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

1 阻燃服概述

1.1 阻燃服發(fā)展現(xiàn)狀

隨著人們安全觀念的不斷深入，阻燃紡織品的應(yīng)用越來越廣泛，根據(jù)阻燃織物應(yīng)用場(chǎng)合不同，可以分為通用阻燃防護(hù)服、消防滅火防護(hù)服、電焊防護(hù)服等[1]。其中，阻燃防護(hù)服應(yīng)用最為廣泛，也是阻燃織物最重要的應(yīng)用領(lǐng)域。阻燃防護(hù)服在石油化工、消防、鑄造業(yè)等高溫惡劣環(huán)境中可以有效保護(hù)人體免遭高溫傷害，其與普通服裝的區(qū)別在于在火場(chǎng)中燃燒速度低，離開火災(zāi)地可以迅速熄滅[2]。大眾對(duì)阻燃服可能有所誤解，認(rèn)為阻燃就是不燃，實(shí)則其作用是通過材料的炭化、吸熱等快速理化反應(yīng)，吸收或消滅燃燒因子，快速阻斷熱傳遞，最大程度減少灼傷[3]。

起初，消防員身著厚重的棉衣和皮靴進(jìn)行自我保護(hù)，直到19世紀(jì)末，各國(guó)開始致力于防火纖維的研究，許多國(guó)家開始建立防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)對(duì)于防火服的研究起步較晚，20世紀(jì)80年代以后，研究主要集中于對(duì)纖維或者織物的改性，90年代以后，我國(guó)開始進(jìn)行阻燃材料的研制，近年來，在阻燃服研發(fā)上取得了明顯的進(jìn)展[2，4]。

市場(chǎng)上現(xiàn)有阻燃服分為整理類阻燃服(織物整理類與改性纖維類)和本質(zhì)阻燃纖維類阻燃服。整理類阻燃服是指利用阻燃整理劑對(duì)織物進(jìn)行阻燃整理或者改性阻燃纖維進(jìn)行混紡或者純紡得到的阻燃面料服裝。此類阻燃服的缺點(diǎn)是：經(jīng)洗滌后阻燃性能顯著下降，使用壽命短、耐高溫性能差，阻燃劑的加入會(huì)影響織物的風(fēng)格，其強(qiáng)度也會(huì)降低，特別是撕破強(qiáng)度低；部分產(chǎn)品還存在熔融滴落等問題。本質(zhì)阻燃纖維類阻燃服則采用本質(zhì)阻燃纖維制造的面料，不經(jīng)過任何后整理，不添加任何阻燃劑，就能實(shí)現(xiàn)阻燃功能。其優(yōu)點(diǎn)是：阻燃性能是纖維的固有性能，不隨水洗次數(shù)變化，隔熱性能和阻燃性能優(yōu)異，綜合性能好。其缺點(diǎn)是：一是鑒于技術(shù)水平限制，保護(hù)性能與舒適性能存在矛盾；二是生產(chǎn)成本較高。

1.2 現(xiàn)有市場(chǎng)典型的阻燃面料

阻燃防護(hù)服系列的面料主要有：芳綸3A混紡面料(間位芳綸、對(duì)位芳綸和抗靜電纖維)、芳綸面料(間位芳綸)、芳綸混紡面料(間位芳綸和對(duì)位芳綸)、間位黏膠混紡面料(間位芳綸和阻燃黏膠)、氰氯綸黏膠混紡面料(氰氯綸和阻燃黏膠)、氰氯綸棉混紡面料(氰氯綸、阻燃棉和防靜電纖維)、阻燃棉尼龍混紡面料(阻燃棉)等[5]。

市場(chǎng)上流行的阻燃工裝面料主要有3種，即3A(93%間位芳綸+5%對(duì)位芳綸+2%抗靜電纖維)、腈氯綸+棉、間位芳綸+阻燃黏膠。具體見表1。

表1 現(xiàn)有市場(chǎng)流行的阻燃面料比較

2 阻燃纖維分類

極限氧指數(shù)(LOI)是評(píng)價(jià)阻燃產(chǎn)品性能的重要指標(biāo)，是指聚合物在氧和氮混合氣體中當(dāng)剛能支撐其燃燒時(shí)氧的濃度(體積分?jǐn)?shù))。通常以極限氧指數(shù)來區(qū)分阻燃性能的好壞，一般認(rèn)為極限氧指數(shù)小于22%屬于易燃材料，指數(shù)在22%～27%之間屬于可燃材料，指數(shù)大于27%屬于難燃材料，表2列舉了不同纖維的極限氧指數(shù)[6，7]。

表2 不同纖維的極限氧指數(shù)(LOI) %

2.1 本質(zhì)阻燃纖維

因自身特殊的化學(xué)結(jié)構(gòu)而具有耐高溫、不易燃等特性的一類纖維稱為本質(zhì)阻燃纖維，其阻燃性能來自于獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)，用該纖維生產(chǎn)的面料不會(huì)被點(diǎn)燃或是在極低概率下才能燃燒，如間位芳綸、對(duì)位芳綸、聚芳酯纖維、芳砜綸、聚酰亞胺纖維等。有技術(shù)資料將非阻燃纖維與通過配位、接枝及共聚等反應(yīng)獲得的改性阻燃纖維和通過添加阻燃劑或者通過阻燃劑整理工序獲得的纖維統(tǒng)一歸類到后整理纖維。但筆者認(rèn)為，接枝、共聚等聚合反應(yīng)后，通過化學(xué)反應(yīng)，在原非阻燃高分子鏈上增加了阻燃單體，形成了全新的具有阻燃性能的分子結(jié)構(gòu)，其阻燃機(jī)理與通過添加阻燃劑的機(jī)理明顯不同，而與本質(zhì)阻燃纖維機(jī)理相同，其阻燃性能與使用、洗滌次數(shù)等不相關(guān)，因此，通過化學(xué)反應(yīng)得到的新分子結(jié)構(gòu)的改性纖維也屬于本質(zhì)阻燃纖維。

2.1.1 芳環(huán)類本質(zhì)阻燃纖維

芳環(huán)類本質(zhì)阻燃纖維主要有間位芳綸(聚間苯二甲酰間苯二胺纖維)、對(duì)位芳綸(聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺纖維)、聚酰亞胺纖維等。間位芳綸以鋸齒型大分子排列規(guī)整，熱分解溫度為400～430 ℃，具有突出的耐溫性能，其極限氧指數(shù)約30%，具有良好的自熄性，與火焰接觸時(shí)燃燒毒性小。對(duì)位芳綸纖維大分子剛性和伸直鏈的結(jié)構(gòu)，使其具有良好的耐熱性，分解溫度在570 ℃左右，極限氧指數(shù)為30%，不收縮，具有自熄性[8]。

2.1.2 無機(jī)本質(zhì)阻燃纖維

高性能的無機(jī)纖維品種豐富，由于自身化學(xué)特性決定了無機(jī)纖維耐高溫的特質(zhì)，如碳纖維，超細(xì)金屬纖維等，具有良好阻燃隔熱性能。閆學(xué)軍，等[9]利用阻燃棉、阻燃黏膠和玄武巖纖維設(shè)計(jì)了一款阻燃混紡面料，具有良好的阻燃、隔熱功能，且具有優(yōu)異的舒適性。

2.1.3 生物可降解本質(zhì)阻燃纖維

甲殼素纖維和海藻纖維屬于生物可降解本質(zhì)阻燃纖維[10]?？山到獠牧蠟楫?dāng)前研發(fā)新方向，但離大范圍工業(yè)應(yīng)用還有距離。

2.2 改性阻燃纖維

改性阻燃纖維則是指將阻燃劑通過共混方法加入由此獲得阻燃性能的一類纖維。

2.2.1 阻燃黏膠纖維

黏膠纖維具有良好的吸濕性、穿著舒適性、染色性[11]，在紡織品中應(yīng)用廣泛，為了擴(kuò)展應(yīng)用，需要對(duì)它進(jìn)行改性，獲得阻燃性能。目前阻燃黏膠纖維制備主要通過共混阻燃改性、接枝共聚阻燃改性、后整理3種技術(shù)[12]。如蘭精公司生產(chǎn)的lenzing FR阻燃黏膠纖維，比其它品牌阻燃黏膠在阻燃性能及物理機(jī)械性能得到大幅提升，其極限氧指數(shù)大約為28%[6，13]。

2.2.2 阻燃聚酯纖維

聚酯纖維是世界上產(chǎn)量最大的纖維，應(yīng)用廣泛。在擴(kuò)展應(yīng)用中，最初進(jìn)行共混方法進(jìn)行改性，后因阻燃耐久性差，現(xiàn)在多數(shù)阻燃聚酯產(chǎn)品主要通過共聚阻燃改性獲得。如上海石化利用連續(xù)聚合主鏈共聚、連續(xù)聚合側(cè)鏈共聚制備阻燃切片、阻燃工業(yè)絲，應(yīng)用于織物、繩索等領(lǐng)域[14]。

3 阻燃技術(shù)機(jī)理

紡織品遇到外部熱源后溫度升高，當(dāng)達(dá)到著火點(diǎn)，其物理、化學(xué)、熱性能發(fā)生變化，化學(xué)鍵開始斷裂，裂解成可燃?xì)怏w揮發(fā)物、不可燃?xì)怏w、固體含炭殘?jiān)腿廴诘温湮?，可燃?xì)怏w在氧氣作用下進(jìn)一步燃燒，形成一個(gè)循環(huán)燃燒體系[15]。由此可見紡織材料的燃燒需要3要素：可燃物、氧氣、熱源[16]，因此可以通過阻止或者減少3個(gè)要素的發(fā)生來達(dá)到阻燃的目的[17-19]。

3.1 覆蓋阻燃

添加了阻燃劑的織物或本質(zhì)阻燃織物(兩者簡(jiǎn)稱阻燃織物)，其阻燃機(jī)理是在高溫環(huán)境下，阻燃劑或阻燃織物熔融分解成薄膜覆蓋在纖維表面，從而達(dá)到阻燃目的，如磷系阻燃劑；同時(shí)阻燃劑的分解產(chǎn)物可以促進(jìn)阻燃劑的脫水碳化，形成碳化層，阻止氧氣進(jìn)入，達(dá)到阻燃目的。

3.2 吸熱阻燃

阻燃織物在溫度較高時(shí)會(huì)發(fā)生吸熱分解反應(yīng)，吸收部分熱量，纖維表面溫度得到降低，從而抑制聚合物的熱裂解，如氫氧化鋁阻燃劑。

3.3 稀釋阻燃

阻燃織物高溫受熱分解釋放不燃?xì)怏w，將可燃?xì)怏w濃度降低，稀釋氧氣濃度，同時(shí)帶走一些熱量，從而達(dá)到阻燃目的。

3.4 自由基阻燃

阻燃織物燃燒釋放能夠捕捉燃燒反應(yīng)中自由基的元素，降低燃燒反應(yīng)的速度，致使火焰熄滅。如含鹵阻燃劑或具有鹵元素結(jié)構(gòu)的高聚物中的鹵元素可以捕捉維持燃燒反應(yīng)的自由基，降低燃燒區(qū)域的火焰密度，起到抑制或者阻止織物繼續(xù)燃燒的作用。

4 阻燃技術(shù)發(fā)展

阻燃性能的獲得在纖維、紗線及紡織品3個(gè)階段均可實(shí)現(xiàn)。其中，織物阻燃整理工藝簡(jiǎn)單、操作便捷、普適性強(qiáng)。但是傳統(tǒng)紡織品阻燃工藝環(huán)境問題突出，且難以滿足環(huán)保要求和人們對(duì)舒適性的要求，已逐漸被淘汰。近年來出現(xiàn)了一系列新型的阻燃技術(shù)[17，20]。

4.1 纖維阻燃改性技術(shù)

a) 提高聚合物本身熱穩(wěn)定性[15]：使用熱穩(wěn)定性較好的單體為原料反應(yīng)生成聚合物，增加聚合物的剛性和大分子鏈的密集度，再經(jīng)過紡絲制備出纖維；線形大分子鏈交聯(lián)反應(yīng)形成三維交聯(lián)結(jié)構(gòu)，阻止碳鏈斷裂，減少收縮。

b) 共聚法：將含有鹵、磷、氮等反應(yīng)型阻燃劑作為共聚單體參與聚合過程，賦予纖維阻燃性能。優(yōu)點(diǎn)是毒性小、對(duì)材料使用性能影響小，其實(shí)質(zhì)是高分子纖維分子結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。

c) 共混法：在纖維紡絲成型階段加入添加型阻燃劑，經(jīng)過物理共混實(shí)現(xiàn)纖維的阻燃。

d) 接枝法：利用放射法、化學(xué)劑引發(fā)、電子束使纖維與阻燃單體接枝，其核心也是高分子纖維結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。

4.2 紗線阻燃改性技術(shù)

紗線的阻燃改性可以通過兩個(gè)方式實(shí)現(xiàn)：一是將阻燃纖維和普通纖維進(jìn)行混紡，使紗線整體具有阻燃性能；二是將阻燃劑包覆或者沉積在紗線表面，提升紗線的阻燃性能。

4.3 紡織品常規(guī)阻燃整理技術(shù)

a) 浸軋烘焙法與浸漬烘燥法[21]：浸軋烘焙法與浸漬烘燥是兩種應(yīng)用較多且相似的整理方法。前期都要將阻燃劑配置成溶液，浸軋烘焙法將織物浸漬在阻燃劑混合液中，然后經(jīng)過軋輥加速阻燃劑進(jìn)入織物內(nèi)部，最后經(jīng)過高溫干燥將阻燃劑固著在織物表面；浸漬烘燥則是將織物長(zhǎng)時(shí)間浸漬在混合液中，讓阻燃劑緩慢進(jìn)入織物內(nèi)部，最后直接進(jìn)入干燥系統(tǒng)進(jìn)行干燥。這2種方法的缺點(diǎn)是耐久性差、織物手感也不好。

b) 涂布法與噴霧法[21]：這兩種方法操作簡(jiǎn)單，都是在織物單面增加阻燃層，再通過烘干或者晾干方式固化。

4.4 紡織品新型阻燃整理技術(shù)

a) 溶膠-凝膠法[22]：以金屬醇鹽作前驅(qū)體經(jīng)水解后形成溶膠體系，并經(jīng)縮合反應(yīng)在織物表面形成納米級(jí)有機(jī)或無機(jī)涂層。

b) 層層自組裝法[22]：將紡織品在 2 種或多種具有相互吸引力的阻燃體系中交替、反復(fù)浸泡或噴涂后，使阻燃劑在基體表面逐層沉積的工藝。

c) 微膠囊法[21]：將阻燃劑包覆在壁囊中再以一定工藝施用于紡織品中，并非獨(dú)立的阻燃工藝。

4.5 阻燃協(xié)同技術(shù)

阻燃過程伴隨著許多復(fù)雜多變的物理和化學(xué)反應(yīng)，實(shí)際上，纖維的阻燃往往是多個(gè)阻燃機(jī)理同時(shí)發(fā)揮作用的結(jié)果。

研究發(fā)現(xiàn)，芳綸與棉、芳綸與滌綸、聚氯乙烯纖維與滌綸之間存在阻燃協(xié)同減弱效應(yīng)，棉纖維的存在加快了芳綸的降解；而芳綸與腈氯綸、芳綸與阻燃黏膠纖維、阻燃黏膠纖維與羊毛之間存在協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)，這主要是由于羊毛裂解所產(chǎn)生的炭層附著在對(duì)位芳綸表面，延緩了對(duì)位芳綸的降解速度，使混合織物的阻燃性能提高[6]。

近幾年，許多學(xué)者不僅關(guān)注面料的阻燃性能，還聚焦于面料的舒適性和安全性平衡點(diǎn)研究，采用基材多元化組合協(xié)同阻燃效應(yīng)技術(shù)。如多組分配方：對(duì)位芳綸/腈氯綸/萊賽爾纖維，萊賽爾纖維具有棉的“舒適性”、滌綸的“強(qiáng)度”、毛織物的“豪華美感”和真絲的“獨(dú)特觸感”及“柔軟垂墜”，無論在干或濕的狀態(tài)下，均極具韌性，改善了面料的吸濕排汗性能，提高了織物貼身穿著的舒適性；對(duì)位芳綸具有力學(xué)性能優(yōu)異、耐高溫等特性，以其作為織物的骨架材料，添加很少的使用量，即可降低織物熱收縮率，改善面料尺寸穩(wěn)定性，提高織物耐磨性與強(qiáng)力，且因本質(zhì)阻燃特性，面料具有永久阻燃效果；同時(shí)利用腈氯綸與萊賽爾纖維協(xié)同阻燃效應(yīng)改善了面料的續(xù)燃、陰燃現(xiàn)象。

5 結(jié)語

阻燃防護(hù)產(chǎn)品越來越受歡迎，不同阻燃機(jī)理產(chǎn)品應(yīng)用范圍和領(lǐng)域不同，成本價(jià)格差距巨大。在阻燃性能上本質(zhì)阻燃織物產(chǎn)品具有先天優(yōu)勢(shì)，在舒適、成本性能上后整理織物具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。通過共聚、接枝等反應(yīng)形成阻燃分子結(jié)構(gòu)而得到的纖維產(chǎn)品，歸類于本質(zhì)阻燃產(chǎn)品更加科學(xué)和符合實(shí)際。通過不同阻燃、舒適等性能的纖維混紡來達(dá)到綜合性能最優(yōu)的做法是業(yè)內(nèi)共識(shí)。伴隨著新材料、紡織專業(yè)高新科技突飛猛進(jìn)，阻燃高性能產(chǎn)品的應(yīng)用會(huì)更加普遍，市場(chǎng)前景廣闊。