聚酰亞胺防護面料的阻燃性能研究

嚴成 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行對比分析。結果表明：聚酰亞胺具有更好的阻燃效果，聚酰亞胺面料極限氧指數高達38%，無陰燃、續燃時間，不融滴，損毀長度小于10 mm；在有焰燃燒條件下，產生毒性氣體量及煙密度遠小于其他阻燃面料；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。

關鍵詞：聚酰亞胺；極限氧指數；燃燒特性；毒性氣體量；煙密度

中圖分類號：TS157

文獻標志碼：A

文章編號：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的不斷發展，紡織品種類日益增多，人們對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產安全的保護傘，受到人們更加廣泛的關注，并實現較快發展[1]。

現階段賦予紡織品阻燃性能的方法一般有兩種：一種是選用本質阻燃纖維；另一種是對常規纖維、織物進行阻燃整理。與本質阻燃材料相比，阻燃整理工藝簡單、價格低廉，在應用上具有良好的靈活性，但是經過阻燃處理的織物存在兩大主要問題：一是阻燃效果逐步衰退，二是遇火會產生有害氣體，因此制約其進一步發展；而本質阻燃性纖維的化學結構就決定了其不燃性，如芳綸、聚苯硫醚纖維、聚酰亞胺纖維等[2-3]。

其中，聚酰亞胺作為本質阻燃纖維的代表，成為21世紀最具發展前途的高技術阻燃纖維。聚酰亞胺纖維是指分子鏈中含有芳酰亞胺的纖維，化學結構式如圖1所示，其具有穩定的環狀結構，被稱為“解決問題的能手”[4]。

1 實 驗

1.1 實驗材料與儀器

1.1.1 實驗材料

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行紡紗織造，制成同規格面料，并對不同材質的面料阻燃性能進行對比分析。實驗采用的纖維、紗線、面料規格如表1所示。

1.1.2 實驗儀器

纖維細度儀用于測量纖維線密度（型號XQ-1A，上海利浦應用科學技術研究院）；纖維強伸度儀用于測量纖維斷裂強力、斷裂伸長率等強伸性能（型號XD-1，上海利浦應用科學技術研究院）；縷紗測長儀用于測量紗線線密度（型號YG086）、紗線捻度儀用于測量紗線捻度（型號Y331A）、單紗強力儀用于測量紗線斷裂強力、斷裂伸長率等強伸性能（型號YG020）（常州市第一紡織設備有限公司）；極限氧指數儀用于測量面料的極限氧指數值（型號JF-3，南京市江寧分析儀器廠）；垂直燃燒試驗儀用于測量面料續燃時間、陰燃時間、損毀長度、燃燒特性以及是否有滴熔物等（型號DJC-1，北京中航時代儀器設備有限公司）；煙密度箱用于測量CO，HCN，HF，HCl，SO2，NOx氣體含量以及材料燃燒煙密度值，（型號SD-1-C-X，莫帝斯燃燒技術有限公司）。

1.2 實驗方法

1.2.1 極限氧指數

極限氧指數（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，根據極限氧指數值，阻燃性能可分為5個等級：LOI值大于30為阻燃一級（不燃），LOI值27～30為阻燃二級（難燃），LOI值24～27為阻燃三級（阻燃），LOI值21～24為阻燃四級（可燃），LOI值小于21為易燃[5]。

實驗對不同面料極限氧指數按照GB/T 5454—1997《紡織品 燃燒性能試驗 氧指數法》[6]規定進行測試。首先將試樣夾在試樣夾上垂直于燃燒筒內，在向上流動的氧氮氣流中觀察其燃燒特性，通過在不同氧濃度中一系列試樣的試驗，測得維持燃燒時氧氣百分含量表示的最低氧濃度值，確定面料極限氧指數。

1.2.2 燃燒性能

紡織品的燃燒性能主要包括：續燃時間、陰燃時間、損毀長度、燃燒特性以及是否有滴熔物等。

實驗對不同面料燃燒性能按照GB/T 5455—2014《紡織品 燃燒性能 垂直方向損毀長度陰燃和續燃時間的測定》[7]規定進行測試。首先，將面料制成尺寸為300 mm×89 mm的樣布并在標準大氣條件下進行調濕，隨后在溫度為10～30 ℃，相對濕度30%～80%的環境中進行測試，采用規定點火器，點燃丁烷氣體，調整火焰高度，使其穩定在（40±2）mm，產生的火焰，對垂直方向的試樣底邊中心點火，12 s后，移開火源，測量面料的續燃時間、陰燃時間及損毀長度，并記錄燃燒特性及是否有滴熔物。

1.2.3 毒性氣體

面料燃燒時產生毒性氣體，毒性氣體的產生會對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》（材料燃燒產生的毒氣測試方法）的要求，將面料在溫度為20～23 ℃，相對濕度45%～50%的環境下平衡24 h，放入SD-1-C-X煙密度箱中，進行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》（材料燃燒產生的煙霧測試方法）測試。將面料在溫度為20～23 ℃，相對濕度45%～50%環境下平衡24 h，放入SD-1-C-X煙密度箱中，進行4 min有焰燃燒，煙密度值為最大的煙密度值。

2 結果與討論

2.1 極限氧指數分析

表2為幾種常見纖維的極限氧指數，通過表2可以看出，聚酰亞胺纖維的極限氧指數遠高于其他纖維，這是因為聚酰亞胺具有穩定的環形結構，分子鍵能極高[8-9]。當在低氧氣濃度下點燃時，纖維受熱分解，但是此種狀態下分解反應速率較慢，分解釋放熱量不足以維持聚酰亞胺纖維燃燒，因此聚酰亞胺表現出良好的阻燃效果；只有當氧氣濃度增大到一定值后，聚酰亞胺熱降解反應劇烈，隨之釋放大量熱，并且纖維分解過程中產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，兩者結合剛好達到維持聚酰亞胺纖維持續燃燒所需熱量，此時混合氣體中氧氣所占的體積分數，即聚酰亞胺纖維的極限氧指數。

將聚酰亞胺、間位芳綸、阻燃粘膠3種面料的極限氧指數進行測試，測試結果如表3所示。

通過表3可以看出：和纖維相比，面料結構更為緊密，和混合氣體接觸面積更小，其極限氧指數普遍高于纖維。3種面料中聚酰亞胺面料縱、橫向極限氧指數均高于38%，遠高于另外兩種，屬于不燃織物。較高的極限氧指數使聚酰亞胺面料能夠應對更加復雜的火場環境，即使在較高氧氣含量或者空氣流動強的危險環境中，依然能夠提供高效的阻燃防護[10]。

2.2 燃燒特性分析

表4為3種面料的燃燒特性對比，通過表4可以看出：聚酰亞胺面料具有無陰燃、續燃時間，損毀長度小，無融滴的燃燒特性。而間位芳綸和阻燃粘膠均存在陰燃時間，并且損毀長度較大；經過12 s的垂直燃燒，聚酰亞胺面料的損毀長度不到1 cm，遠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構，提供更持久的防護效果。

進一步探究聚酰亞胺纖維對間位芳綸、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行混紡，織造210 g/m2的2上1下斜紋機織面料，并對混紡面料的燃燒特性進行測試，結果如表5所示。

通過表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度，使面料具有更優異的阻燃性能。通過試驗發現：聚酰亞胺和芳綸進行混紡，當聚酰亞胺含量為5%時，面料損毀長度小于20 mm，遠小于純間位芳綸50 mm左右的損毀長度；當聚酰亞胺含量達到30%時，混紡面料陰燃時間消失。同樣，將聚酰亞胺和阻燃粘膠進行混紡，當聚酰亞胺比例大于等于20%時，面料損毀長度可控制在20 mm以內，遠小于純阻燃粘膠90 mm以上的損毀長度。

2.3 毒性分析

表6顯示了3種面料均是環保型阻燃面料。在有焰燃燒的條件下，毒性氣體釋放量均遠小于空客裝飾面料標準要求限值，能夠保證面料遇明火燃燒時，產生較少毒性氣體，減小對人體造成的傷害。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釋放量僅為間位芳綸的1/5，更加安全環保，可應用于飛機座椅裝飾面料、飛行員服裝面料、機務人員服裝面料、窗簾、地毯等眾多領域。

2.4 煙密度分析

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

3 結 論

聚酰亞胺面料是極佳的阻燃防護材料，和間位芳綸、阻燃粘膠等應用廣泛的阻燃防護面料相比，其阻燃效果優勢明顯。

a） 聚酰亞胺面料極限氧指數高達38%，屬于不燃織物，高效阻燃；

b） 聚酰亞胺面料垂直燃燒無陰燃、續燃時間，損毀長度小；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，安全環保；

d） 聚酰亞胺面料有焰燃燒煙密度值小，4 min中產煙密度極小僅為1。

參考文獻：

[1] 吳增元，吳兆瑩.含氮磷酸酯高聚物阻燃劑對織物阻燃整理工藝的研究[J].合成纖維，1992，21（4）：14-16.

[2] 張清華，陳大俊，張春華，等.聚酰亞胺高性能纖維研究進展[J].高科技纖維與應用，2002，27（5）：11-14.

[3] 張清華，陳大俊，丁孟賢.聚酰亞胺纖維[J].高分子通報，2001（5）：66-73.

[4] 尹朝清，徐園，張清華.聚酰亞胺纖維及其阻燃特性[J].紡織學報，2012，33（6）：116-120.

[5] CHUNG G S， LEE D H.A study on comfort of protective clothing forfirefighters[J].Elsevier Ergonomics Book， 2005（3）：375-378.

[6] 全國消防標準化技術委員會第七分委員會.紡織品燃燒性能試驗氧指數法：GB/T5454—1997[S].北京：中國標準出版社，1997.

[7] 于偉東.紡織材料學[M].北京：中國紡織出版社，2010.

[8] 金星，王俊勝，王國輝.消防戰斗服用耐高溫纖維[J].消防科學與技術，2015（2）：237-241.

[9] 戚敏.Nomex纖維及其在個人防護領域的應用[J].中國個體防護裝備，2006（3）：16-20.

[10] 全國消防標準化技術委員會第七分委員會.紡織品燃燒性能垂直方向損毀長度陰燃和續燃時間的測定：GB/T 5455—2014[S].北京：中國標準出版社，2014.