紡織用品中阻燃纖維的阻燃性能闡述

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(guó)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]

現(xiàn)在，棉織物的阻燃技術(shù)已經(jīng)成熟，以合成纖維為基礎(chǔ)的阻燃劑的研制和應(yīng)用也取得了良好的市場(chǎng)反饋，但是它的缺點(diǎn)也很明顯，如染色效果、耐久度、阻燃處理后的觸感和強(qiáng)度等都會(huì)降低，合成阻燃單體的成本也會(huì)提高。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)外阻燃纖維的品種越來(lái)越多，性能越來(lái)越好，但是持久耐用的纖維還很缺乏，相關(guān)的研究還在進(jìn)行之中[1]。

1 天然纖維

以二硫代焦磷酸鹽（DDPS）為代表的磷系阻燃劑，通過(guò)混紡、紡絲工藝制備纖維素纖維。在DDPS 含量為18%時(shí)，纖維素纖維的氧指數(shù)（LOI）為26；當(dāng)阻燃劑含量增加時(shí)，泡沫物質(zhì)在表面上更加突出，燒結(jié)后的薄膜表面有較大的孔徑，泡沫塑料層能有效阻止火焰的擴(kuò)散和蔓延。以雙氰胺和甲醛在70～75℃的溫度下，反應(yīng)合成低毒性天然纖維阻燃劑。在阻燃劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26%時(shí)，給待測(cè)棉織物上噴灑0.5mol/L 的NaOH 溶液，LOI 值可達(dá)31，且不影響其彈性。在氫氧化鈉、硫脲、尿素和水溶液中加入一定量的纖維素阻燃劑納米SiO2，與纖維素膜混合，制成阻燃纖維素膜。在阻燃劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)12%的情況下，LOI 可達(dá)31。

2 合成纖維

高強(qiáng)度合成纖維具有良好的抗多重變形性能，可用于工業(yè)生產(chǎn)。但是，合成纖維是一種可燃纖維，在許多高溫條件下，其用途受到限制。所以阻燃劑有必要改進(jìn)。以環(huán)三磷腈烷氧基采用的混合方法制備一種新型纖維的分餾法，從一種高效、環(huán)保的無(wú)鹵粘膠中提取阻燃劑，制成一種新型合成纖維，其軟結(jié)構(gòu)均勻分布，阻燃劑用量大，阻燃效果顯著提高。經(jīng)30 次洗滌試驗(yàn)仍保持阻燃效果。對(duì)改性合成纖維進(jìn)行阻燃接枝后，隨著接枝速度的增加，纖維的碳?xì)埩袈拭黠@提高，接枝改性合成纖維的阻燃性能明顯提高，LOI 達(dá)到28。將阻燃納米無(wú)機(jī)技術(shù)與合成纖維高含水量模量相結(jié)合，通過(guò)優(yōu)化和改進(jìn)紡絲液的老化和磺化工藝，紡制出的合成纖維的LOI 大于27。

2.1 滌綸

聚酯纖維也通常被稱(chēng)作是“滌綸”，主要是由二元醇以及二元酸縮聚成聚酯，經(jīng)紡絲制得的合成纖維，工序簡(jiǎn)單，成本低，速度快。摻混阻燃劑以磷為主，例如有機(jī)磷酸酯、磷酸銨和磷酸三甲苯酯的磷化合物可以用來(lái)對(duì)聚酯纖維進(jìn)行阻燃改性。在這些物質(zhì)中，芳族磷酸酯具有很好的水解穩(wěn)定性，接觸角增大，阻燃性能得到改善。有機(jī)磷環(huán)保阻燃劑G-77 用于改性基質(zhì)聚酯，自制阻燃基質(zhì)聚酯和PTF 改性基質(zhì)聚酯。研究發(fā)現(xiàn)，用有機(jī)阻燃劑對(duì)G-77 進(jìn)行改性，制備的多功能阻燃滌綸纖維具有阻燃性能高、耐水性能好等特點(diǎn)，并具有良好的機(jī)械和紡絲性能[2]。

2.2 錦綸

錦綸纖維也被稱(chēng)作聚酰胺纖維，體現(xiàn)出十分理想的耐磨性和回彈性，工業(yè)產(chǎn)量在滌綸纖維之下，被廣泛地運(yùn)用至軍事及醫(yī)療等各種領(lǐng)域，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2%～3%之間。研究發(fā)現(xiàn)，體系中的粘土顆粒在熱降解過(guò)程中受到產(chǎn)生的氣體的推動(dòng)，在其表面形成了絮凝型海洋島狀保護(hù)層，減少了熱量釋放。尼西隆FA 是阻燃型聚酰胺纖維。FA 纖維具有傳統(tǒng)FA 纖維的特點(diǎn)。由于這種纖維含有磷阻燃劑，具有持久的防水阻燃作用，而且不含鹵素，生成煙氣較慢，無(wú)有毒成分，所以其LOI 值為28。

2.3 丙綸

丙烯酸纖維阻燃混合物中所含的阻燃劑不能過(guò)多，所以必須選擇有效的阻燃劑。阻燃劑在漿料中的溶解度較高，分散均勻，穩(wěn)定性較好。由于丙烯腈的相容性、旋轉(zhuǎn)時(shí)的保留性、耐洗性及毒性等原因，選擇阻燃劑比較困難。將丙烯酸纖維經(jīng)銅離子處理，與水合肼、氫氧化鈉和澄清劑等組成的水溶液反應(yīng)，制得阻燃型丙烯酸纖維，它具有良好的阻燃性能和力學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)，水合肼的用量為20mL，氫氧化鈉用量為5%，精制劑用量為9.4 mL，熱處理溫度為160℃，熱處理時(shí)間為180min，得到的丙綸纖維具有較好的阻燃性能，耐熱性能好，耐熱指數(shù)約33。

3 相關(guān)阻燃纖維的研究進(jìn)展

3.1 阻燃滌綸

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的科學(xué)家通過(guò)合成次磷酸改性殼聚糖（PCS）阻燃劑，成功地制備出阻燃滌綸。本發(fā)明是一種新型含磷殼聚糖衍生物，將環(huán)保型PCS 和支化聚乙烯亞胺薄膜沉積在滌綸/棉混紡紗上，利用分層粘合技術(shù)制備阻燃滌綸織物。經(jīng)過(guò)利用熱重分析、紅外傅里葉變換熱重分析、掃描電鏡和水平火焰測(cè)試（HFT）來(lái)研究涂層的質(zhì)量和耐火性能。涂布后PTCO共混物的熱穩(wěn)定性及高溫氧化后的熱穩(wěn)定性均有所提高。所有涂層混合物在HFT 過(guò)程中均消除了光斑。

3.2 阻燃錦綸

來(lái)自?shī)W斯汀德克薩斯大學(xué)的郝浩等人通過(guò)混合納米粘土和膨脹助劑，制備了阻燃尼龍纖維，提高了FR 納米復(fù)合材料配方的可塑性。研究人員對(duì)纖維表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究后發(fā)現(xiàn)，阻燃劑在纖維中均勻分散，納米粘土片的分散性也較好。熱分析結(jié)果表明，使用阻燃整理劑能有效地降低尼龍纖維的散熱能力，從而大大提高復(fù)合材料纖維的阻燃性能。

蘇州大學(xué)的科學(xué)家用TGA 和SC 對(duì)PA-FR 和成品織物的熱性能進(jìn)行了熱失重分析，經(jīng)X 射線衍射分析表明，PA-FR 與尼龍織物存在著熔融共晶作用。試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)10 次阻燃整理后，經(jīng)PA-FR 和PAFR 處理的織物，其LOI 值分別提高了28.8%和26.4%。這就是說(shuō)，PA-FR 具有優(yōu)良的耐久性，并賦予尼龍織物防火性能。阻燃合成纖維的吸濕性能好，透氣性能優(yōu)越。阻燃整理的方法主要有共混和整理兩種。在粘膠漿液中摻加阻燃劑時(shí)，要求阻燃劑對(duì)酸和堿有很強(qiáng)的抵抗力，且分散效果好。

由瑞士克萊因推出的Exolit5060 系列有機(jī)焦磷酸鹽是一種很好的合成纖維阻燃劑，奧地利蘭辛公司采用阻燃劑Exolit5060 生產(chǎn)阻燃合成纖維。在燃燒時(shí)，首先降解阻燃劑，在火焰中生成磷酸，然后催化纖維素的碳化，分裂產(chǎn)生不可燃物，如二氧化碳（CO2）和水，并使可燃物減少。該公司還采用阻燃合成纖維聚硅酸鹽纖維，可形成混合的碳硅殘?jiān)?，阻燃性好。這個(gè)過(guò)程中不使用含磷阻燃劑，減少了對(duì)環(huán)境的污染。

國(guó)內(nèi)的山東海龍公司，采用無(wú)機(jī)和有機(jī)聚合物阻燃劑的混合物生產(chǎn)阻燃纖維，將非極性阻燃劑以納米聚合物或網(wǎng)絡(luò)的形式加入到阻燃纖維中。洗滌過(guò)程中由于纖維損耗較大，主要用來(lái)處理非織造布和填充材料。通過(guò)對(duì)氯磷腈共混精制合成纖維的研究，四川大學(xué)光斗研究組在阻燃劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時(shí)，獲得LOI值大于28 的阻燃合成纖維。

3.3 阻燃維綸

阻燃維綸主要成分是PVA 纖維，其主要成分是聚乙烯醇縮甲醛。在沒(méi)有特殊熔點(diǎn)的情況下，阻燃維綸軟化至210～220℃可燃，燃燒后產(chǎn)生不均勻的深褐色硬質(zhì)物質(zhì)，這是可燃燒的纖維。四川大學(xué)的陳等人利用聚乙烯亞胺和FGO 交替作用，在聚乙烯醇（PVA）薄膜表面逐層沉積組分，從而獲得優(yōu)良的PVA 阻燃涂層，總熱量釋放量降低近60%。由來(lái)自青島大學(xué)的張等人研制出一種由阻燃維綸（FRV）與聚間苯二甲酰胺（PMIA）混合物（PMIA）制成的復(fù)合纖維體系，其點(diǎn)火時(shí)間長(zhǎng)，放熱率峰值較低，說(shuō)明這些組分具有協(xié)同阻燃作用[3]。武裝警察后勤裝備研究所的史美武等人生產(chǎn)出高強(qiáng)、少煙和無(wú)熔滴的阻燃維綸，他們用一種特殊的高強(qiáng)度維綸阻燃劑通過(guò)紡絲制成，所用的無(wú)鹵阻燃劑與PVA 有很好的相容性，熔化后與PVA 形成致密的結(jié)構(gòu)，而纖維的強(qiáng)度卻沒(méi)有明顯降低，在7 cN/dtex 以上，纖維的LOI 值為29，而且纖維價(jià)格便宜，具有無(wú)鹵、低煙、無(wú)毒、防滴落和環(huán)保等特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著阻燃織物在我國(guó)的廣泛應(yīng)用和阻燃纖維的不斷發(fā)展，阻燃纖維技術(shù)有可能逐漸向多功能方向發(fā)展。不過(guò)還需要提高阻燃效率，在其他方面改進(jìn)纖維性能。比如，研究阻燃纖維混紡技術(shù)，以減少阻燃劑的使用，降低對(duì)人類(lèi)安全和環(huán)境的危害；研究超細(xì)納米技術(shù)和超細(xì)顆粒技術(shù)，以改善纖維中阻燃劑的相容性；尋求新的阻燃改性應(yīng)用。研制新型高效、低煙和低毒阻燃體系，實(shí)現(xiàn)綠色阻燃，提高阻燃織物的整體性能，這些都是阻燃技術(shù)今后的發(fā)展方向。