紡織用品中阻燃纖維的阻燃機(jī)理及應(yīng)用

劉湖濱

（韓國(guó)世宗大學(xué)，韓國(guó)首爾 05006）

纖維紡織產(chǎn)品在日常生活、建筑、軍事、醫(yī)藥、生物等方面有廣泛的應(yīng)用，但未經(jīng)過阻燃整理的纖維織物具有易燃性，容易在使用過程中引發(fā)火災(zāi)，造成人員傷亡或財(cái)產(chǎn)損失。對(duì)纖維素類紡織物進(jìn)行阻燃整理已經(jīng)成為紡織物發(fā)展的趨勢(shì)之一，許多國(guó)家相繼提出了紡織產(chǎn)品阻燃性能的相關(guān)要求。阻燃纖維一般指在高溫燃燒環(huán)境中不能燃燒或者不能充分燃燒的纖維材料，與明火接觸后不會(huì)產(chǎn)生火焰或只能產(chǎn)生細(xì)微的火焰，與火源分離后火焰迅速熄滅［1］。因此，研究紡織品的阻燃性能和發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)紡織物的生產(chǎn)和發(fā)展具有重要意義。目前，棉質(zhì)紡織品的阻燃整理技術(shù)已經(jīng)基本成熟，合成纖維的阻燃整理研究也得到了一定的發(fā)展，但是還存在一定的缺陷（例如阻燃整理后，合成纖維染色織物的耐久性、手感、染色效果、強(qiáng)度等性能出現(xiàn)不同程度的降低；合成纖維阻燃單體合成費(fèi)用比較高等），因此，對(duì)各類紡織產(chǎn)品進(jìn)行阻燃整理仍然需要進(jìn)一步探究。

1 阻燃纖維的阻燃機(jī)理

隨著科學(xué)技術(shù)和紡織行業(yè)的發(fā)展，織物的種類逐漸增加，織物的阻燃性能成為衡量品質(zhì)的因素之一。對(duì)織物進(jìn)行阻燃整理并不是指整理后的織物與火源接觸不燃燒，而是指最大限度地降低紡織物的可燃性，減緩火勢(shì)的蔓延速度，與明火分離后，織物上的火焰能快速熄滅且不會(huì)復(fù)燃［2］。發(fā)生燃燒一般需要具備可燃物、熱源和氧氣3 個(gè)條件，要達(dá)到阻燃目的，必須切斷3 個(gè)燃燒條件之間的循環(huán)。目前被認(rèn)可的阻燃機(jī)理大致有以下6點(diǎn)：

1.1 覆蓋機(jī)理

在織物上添加一定量的阻燃劑，當(dāng)織物處于高溫環(huán)境時(shí)，阻燃劑在織物纖維表面形成熔融層狀薄膜或泡沫覆蓋層，發(fā)揮隔絕空氣、隔熱作用，降低可燃性氣體的釋放量，進(jìn)而阻止紡織物持續(xù)燃燒［3］。阻燃劑在紡織纖維表面形成隔離層的方式有兩種：（1）阻燃劑受熱產(chǎn)生的降解產(chǎn)物促進(jìn)織物纖維表面脫水炭化，形成穩(wěn)定性比較好的炭化層或交聯(lián)狀固體物質(zhì)，不僅可以阻止纖維中的聚合物進(jìn)一步裂解，還可以防止熱分解產(chǎn)物進(jìn)入空氣中繼續(xù)參與燃燒，磷系阻燃劑通過這一機(jī)理對(duì)含氧聚合物進(jìn)行阻燃；（2）阻燃劑（例如鹵化磷類和硼系阻燃劑）在高溫燃燒環(huán)境中分解成不易揮發(fā)的薄膜包覆在纖維表面，發(fā)揮隔離膜的作用，進(jìn)而阻止火勢(shì)蔓延。

1.2 吸熱機(jī)理

一般的燃燒反應(yīng)可在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生很高的熱量，如果在燃燒過程中迅速轉(zhuǎn)移或吸收一部分熱量，則可以降低火焰溫度，在一定程度上抑制燃燒［4］。織物燃燒時(shí)溫度較高，部分阻燃劑會(huì)在高溫下發(fā)生吸熱分解反應(yīng)（如相變、脫水、脫鹵化氫等），吸收燃燒過程中的部分熱量，進(jìn)而降低織物燃燒的溫度，降低纖維表面溫度，減少可燃性氣體的釋放，抑制聚合物發(fā)生熱裂解。無(wú)機(jī)類阻燃劑一般為吸熱阻燃方式，例如氫氧化鎂、氫氧化鋁等。

1.3 不燃性氣體窒息機(jī)理

阻燃劑在高溫下受熱分解出不燃性氣體，稀釋纖維聚合物燃燒后釋放的可燃性氣體濃度，使可燃性氣體濃度低于產(chǎn)生火焰的濃度，同時(shí)稀釋織物燃燒范圍內(nèi)的氧濃度，生成的不燃性氣體和熱對(duì)流也會(huì)分散一部分熱量，抑制或阻止燃燒的繼續(xù)進(jìn)行，發(fā)揮阻燃作用［5］。

1.4 熔滴機(jī)理［6］

織物纖維受熱燃燒時(shí)，阻燃劑作用于紡織物纖維表面，使織物纖維的聚合物發(fā)生分解反應(yīng)，逐漸擴(kuò)大著火點(diǎn)和熔點(diǎn)之間的溫度差，熔融的熱塑性纖維會(huì)收縮形成熔滴滴落并帶走一部分熱量，抑制燃燒過程，使火焰熄滅。

1.5 提高織物纖維的熱裂解溫度

將芳環(huán)或者芳雜環(huán)引入織物纖維的聚合物大分子，使分子鏈間的作用力、交聯(lián)程度和大分子鏈間的密集度增大，提高纖維材料的炭化程度以及耐熱性，進(jìn)而發(fā)揮阻燃作用［7］。

1.6 自由基控制機(jī)理

由燃燒鏈反應(yīng)理論可知，自由基是維持燃燒的基礎(chǔ)。氣相燃燒區(qū)中，阻燃劑能夠捕捉燃燒反應(yīng)中的自由基，抑制火焰繼續(xù)蔓延，進(jìn)而降低燃燒反應(yīng)的速度，直至火焰熄滅［8］。含鹵阻燃劑的蒸發(fā)溫度接近纖維聚合物的分解溫度，當(dāng)織物受熱燃燒分解時(shí)，阻燃劑也會(huì)隨之揮發(fā)，熱分解產(chǎn)物與含鹵阻燃劑均處于氣相燃燒區(qū)，阻燃劑中的鹵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，最終抑制或者阻止織物繼續(xù)燃燒。

2 紡織物阻燃纖維的種類

阻燃纖維紡織產(chǎn)品眾多，不同纖維聚合物大分子與阻燃劑通過物理或者化學(xué)方式結(jié)合，形成阻燃性能不同的纖維被用于不同行業(yè)，降低紡織品發(fā)生火災(zāi)的概率，最大限度地保障公眾的人身和財(cái)產(chǎn)安全，或者滿足部分行業(yè)的特殊要求。

2.1 阻燃聚丙烯腈纖維

聚丙烯腈纖維是由丙烯腈和其他單體發(fā)生共聚反應(yīng)產(chǎn)生的聚合物再經(jīng)紡織得到，性能與羊毛極其相似，因此常被稱為“人造羊毛”。聚丙烯腈纖維具有良好的耐候性、彈性、耐日曬性、蓬松性、保溫性及耐化學(xué)試劑性能，對(duì)漂白粉、無(wú)機(jī)酸、過氧化氫和一般的有機(jī)試劑都有耐受性。但是聚丙烯腈纖維織物的阻燃性、耐磨性和強(qiáng)度較差，在農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)、工業(yè)等領(lǐng)域中的應(yīng)用受到限制。近年來(lái)，纖維紡織產(chǎn)品引發(fā)的火災(zāi)眾多，人們對(duì)阻燃纖維織物的關(guān)注與日俱增，但是聚丙烯腈纖維的極限氧指數(shù)約為17%，位居合成纖維的末位，需要進(jìn)行阻燃整理（使其極限氧指數(shù)高于26%）。董雪等［9］以聚丙烯腈纖維、水合肼、氯化鋅等為原料制得聚丙烯腈改性纖維，并研究了聚丙烯腈纖維和改性纖維的結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性、阻燃性能和結(jié)晶性能。結(jié)果表明，改性聚丙烯腈纖維的初始分解溫度降低，殘?zhí)苛亢妥罡叻纸鉁囟壬撸腋男岳w維的阻燃性能得到提升。但是由于纖維的表面結(jié)構(gòu)和結(jié)晶性在改性過程中被破壞，改性聚丙烯腈纖維的力學(xué)性能下降。徐靜等［10］通過聚丙烯腈與肼、堿試劑的交聯(lián)-水解反應(yīng)，再結(jié)合金屬離子的螯合作用，利用Zn2+、Na+和Mg2+對(duì)聚丙烯腈纖維進(jìn)行改性，研究了3 種金屬離子改性聚丙烯腈纖維的各項(xiàng)性能。結(jié)果表明，與未改性的聚丙烯腈纖維相比，改性纖維燃燒后依舊具有纖維形態(tài)，纖維的炭層致密性提高，體積比電阻降低，極限氧指數(shù)升高，阻燃效果明顯提升，Zn2+改性纖維的阻燃效果最佳。

2.2 阻燃耐高溫纖維

阻燃耐高溫纖維種類較多，例如Basofil 纖維、PBI 纖維、PPS 纖維等。Basofil 耐熱防火纖維是一種由三聚氰胺合成的阻燃纖維，具有很好的熱穩(wěn)定性、阻燃性和防水解、防化學(xué)品腐蝕、防紫外線性能，被應(yīng)用于多種隔熱防火工作場(chǎng)所。Basofil 纖維呈象牙色，可用染料染成各種顏色，與其他阻燃纖維混合織造，可以得到優(yōu)良的耐火阻燃紡織產(chǎn)品。PBI 纖維即聚苯并咪唑纖維，素有“阻燃之王”的美譽(yù)，是一種典型的雜環(huán)高分子耐高溫材料。PBI 纖維具有良好的紡織加工性、吸收性、阻燃性、染色性、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，但耐光性能較差，纖維分子在可見光區(qū)對(duì)光有吸收，纖維會(huì)隨之發(fā)生光降解，在有氧環(huán)境中光吸收作用增強(qiáng)。PBI 纖維主要應(yīng)用于低毒、無(wú)煙、阻燃、耐高溫領(lǐng)域，可以制備飛行服、消防服、耐高溫工作服或救生用品等。PPS 纖維也被稱為聚苯硫醚纖維，是由聚苯硫醚樹脂采用常規(guī)的熔融紡絲技術(shù)經(jīng)高溫、卷曲、拉伸和切斷制得，具有優(yōu)異的阻燃性、熱穩(wěn)定性和較好的紡織加工性能，可用于制造高級(jí)消防服裝。胡寶繼等［11］根據(jù)聚苯硫醚聚合物熔體黏度大、熔點(diǎn)高、流動(dòng)性差的特點(diǎn)，選取4 種性能不同的聚苯硫醚原料，從中篩選出適合熔噴紡絲的原料，探索熔噴紡絲的各項(xiàng)工藝參數(shù)，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析聚苯硫醚的熔噴可紡性。結(jié)果表明，熔融指數(shù)為258 g/10 min的聚苯硫醚熔噴可紡性比較好，在適當(dāng)?shù)娜蹏姽に噮?shù)下可以紡造出纖維直徑為2～5 μm、連續(xù)均勻的聚苯硫醚無(wú)紡布。朱超俊［12］測(cè)試了消防服外層常用的PI 面料、Nomex111A 面料、PBI/Kevlar 混紡面料和PI/Kevlar 混紡面料的熱防護(hù)性能和阻燃性能，并且將不同面料的垂直燃燒性能、極限氧指數(shù)、熱防護(hù)性能和高溫燃燒測(cè)試值進(jìn)行了比對(duì)，闡述了不同面料用于消防服外層的優(yōu)缺點(diǎn)：PBI/Kevlar 混紡面料極限氧指數(shù)最高；PI 面料、PBI/Kevlar 混紡面料和PI/Kevlar混紡面料的陰燃時(shí)間、續(xù)燃時(shí)間和損壞長(zhǎng)度相似，均具有良好的阻燃性能；達(dá)到一定溫度時(shí)，4 種面料均可自燃，PBI/Kevlar 混紡面料的自燃溫度最高。因此，消防救援時(shí)應(yīng)盡可能避免長(zhǎng)時(shí)間與火焰近距離接觸；Nomex111A 面料的熱防護(hù)性能最好。

2.3 阻燃黏膠纖維

黏膠纖維以天然纖維素為原料制成，具有綠色環(huán)保、可再生、生物相容性優(yōu)良等優(yōu)勢(shì)。黏膠纖維的極限氧指數(shù)僅有19%，與其他纖維紡織品有相似的易燃特性。經(jīng)過阻燃整理的黏膠纖維具有易染色、吸濕性好和抗靜電等性能，一般被用于特種防護(hù)紡織產(chǎn)品，在與火源短暫接觸時(shí)，能夠迅速起到保護(hù)作用。阻燃黏膠纖維與芳綸、羊毛等高性能纖維混紡可制得兼具多種纖維優(yōu)良性能的織物，這類織物手感柔軟、穿著舒適、吸濕性良好且阻燃性能較好，在家具裝飾、高檔內(nèi)衣紡織領(lǐng)域具有很好的發(fā)展前景。

阻燃黏膠纖維的整理工藝主要有兩種：（1）紡絲結(jié)束后使用物理或化學(xué)方式將阻燃劑附著在黏膠纖維上；（2）紡絲之前將阻燃劑混合或鍵合到黏膠中，然后再通過紡絲得到阻燃黏膠纖維。孫凱飛等［13］以阻燃黏膠纖維為主體，混入芳綸、腈氯綸、聚酰亞胺等多種纖維，制備成4 種舒適阻燃防電弧面料，并測(cè)試了4 種面料試樣的阻燃性能、斷裂強(qiáng)力、透氣率、撕破強(qiáng)力、熱收縮率等。結(jié)果表明，采用芳綸、導(dǎo)電纖維和阻燃黏膠纖維制得的混紡雙層結(jié)構(gòu)面料各項(xiàng)性能較為理想。張興娟等［14］為了解決高性能阻燃防火制服不易護(hù)理、透氣性較差等問題，將阻燃黏膠纖維引入錦綸纖維、防縮羊毛纖維中，織造出一組黏膠/羊毛/錦綸混紡阻燃工裝新型面料，并將其與同組織規(guī)格的羊毛/錦綸面料、羊毛/滌綸面料進(jìn)行耐磨性和阻燃性能對(duì)比。結(jié)果表明，新開發(fā)的混紡工裝面料具有更強(qiáng)的耐磨性、阻燃性，適當(dāng)提高面料中的阻燃黏膠纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)能夠有效提升工裝面料的阻燃效果。

2.4 阻燃滌綸纖維

聚酯纖維也被稱為“滌綸”，是由二元醇和二元酸縮聚成聚酯再經(jīng)紡絲制得的合成纖維，是一種高分子化合物。滌綸纖維具有良好的保形性和抗皺性，較高的彈性恢復(fù)性能和強(qiáng)度，且滌綸織物抗皺免燙、堅(jiān)固耐用、不粘毛。滌綸經(jīng)共聚阻燃改性、共混阻燃改性或阻燃整理可以得到阻燃性能優(yōu)良的阻燃滌綸。阻燃滌綸纖維遇火時(shí)只會(huì)產(chǎn)生熔滴，不會(huì)燃燒，即使經(jīng)過35～50 次洗滌，阻燃性能也不會(huì)改變。阻燃滌綸纖維廣泛應(yīng)用于室內(nèi)裝飾織物、帳篷、飛行服、降落傘等。丁放等［15］以甲基丙烯酰胺、氯磷酸二乙酯為原料，制備磷氮阻燃劑二乙基甲基丙烯酰胺磷酸酯，利用浸漬法整理到滌綸織物上，以實(shí)現(xiàn)對(duì)滌綸織物的低毒性阻燃整理，并研究了浸漬時(shí)間和硫酸鉀用量對(duì)阻燃滌綸織物各項(xiàng)性能的影響。結(jié)果表明，經(jīng)過浸漬后，阻燃劑被成功整理到滌綸織物上，燃燒后織物的炭長(zhǎng)大幅下降，極限氧指數(shù)提高到28.7%，對(duì)阻燃滌綸織物進(jìn)行10 次水洗后，其極限氧指數(shù)仍為27.4%，阻燃性能良好。劉梅城等［16］利用聚酰亞胺纖維優(yōu)良的阻燃特性，將其與阻燃滌綸按照一定比例進(jìn)行混紡，并優(yōu)化了混紡工藝參數(shù)，不僅在很大程度上解決了聚酰亞胺纖維的適紡性問題，而且實(shí)現(xiàn)了控制紗線質(zhì)量的目的，制得的新型混紡紗符合預(yù)期開發(fā)目標(biāo)，各項(xiàng)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)，且阻燃性能良好。

2.5 阻燃錦綸纖維

錦綸纖維也被稱為聚酰胺纖維，具有良好的耐磨性、回彈性和強(qiáng)度，其工業(yè)產(chǎn)量?jī)H次于滌綸纖維，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域。但錦綸纖維中含有化學(xué)性質(zhì)較為活潑的酰胺鍵，在高溫環(huán)境中，酰胺鍵極易與阻燃劑發(fā)生反應(yīng)，使錦綸纖維發(fā)生降解。錦綸纖維織物的阻燃方法：（1）對(duì)錦綸纖維原料進(jìn)行阻燃整理；（2）對(duì)錦綸織物進(jìn)行阻燃后整理；（3）前兩者結(jié)合進(jìn)行阻燃整理。阻燃錦綸纖維的生產(chǎn)主要以共聚混合法為主，常用的阻燃劑有含增效劑的鹵化物阻燃劑和磷系阻燃劑。與錦綸纖維進(jìn)行共聚的阻燃劑要求：（1）與纖維相容性好；（2）耐高溫、粒徑小；（3）紡絲溫度為250～300 ℃時(shí)，能夠有效防止錦綸纖維燃燒形成熔滴滴落。在實(shí)際生產(chǎn)阻燃錦綸纖維時(shí)，首先將阻燃劑與聚合體及其他助劑混合均勻制成紡絲母粒，再按照一定比例紡絲，最后織造成阻燃錦綸纖維。湯甜甜等［17］將CESALON 阻燃錦綸纖維與芳綸、阻燃黏膠纖維按照不同比例進(jìn)行混紡，得到兩類混紡紗，并測(cè)試不同混紡紗的阻燃性能、拉伸性能和外觀質(zhì)量。結(jié)果表明，隨著CESALON 阻燃錦綸纖維用量的增加，CESALON 阻燃錦綸纖維/阻燃黏膠纖維混紡紗的斷裂伸長(zhǎng)率逐漸增加，斷裂強(qiáng)度先減小后增大；當(dāng)CESALON 阻燃錦綸纖維用量為70%時(shí)，混紡紗斷裂強(qiáng)度最小；當(dāng)CESALON 阻燃錦綸纖維用量小于20%時(shí)，混紡紗擁有較好的阻燃性能，且抗熔滴性能增大。隨著CESALON 阻燃錦綸纖維用量的增加，CESALON 阻燃錦綸纖維/芳綸混紡紗的斷裂伸長(zhǎng)率先減小后增大，斷裂強(qiáng)度逐漸減小；當(dāng)CESALON阻燃錦綸纖維用量高于20%時(shí)，混紡紗出現(xiàn)熔融現(xiàn)象。李峰［18］研究和開發(fā)了降落傘使用的錦綸織物的防灼和阻燃整理工藝，并制備了新型錦綸防灼劑，有效地解決了飛機(jī)機(jī)載錦綸降落傘的灼傷問題，將錦綸降落傘的灼傷率降低了70%以上。此外研制出一種新型的阻燃單體，利用光引發(fā)接枝技術(shù)將阻燃單體整理到錦綸織物上，有效地改善了錦綸降落傘的阻燃性能，且力學(xué)性能變化較小。

2.6 維綸阻燃纖維

維綸也叫維尼綸，是聚乙烯醇縮醛纖維的商品名，性能與棉花相似，因此有“合成棉花”之稱，是合成纖維中吸濕性最好的纖維。維綸化學(xué)穩(wěn)定性好，耐氣候性和耐日光性較好，不耐強(qiáng)酸、耐堿，強(qiáng)度弱于錦綸和滌綸，維綸染色性較差，易起皺，且染色織物顏色暗沉。采用溶膠-凝膠技術(shù)，首先將高分子阻燃劑轉(zhuǎn)化為納米級(jí)粒子，再通過特殊工藝整理到維綸纖維有機(jī)大分子中制得阻燃維綸纖維。阻燃維綸纖維不僅具備纖維本身的物理性能，還增加了無(wú)毒、阻燃、不熔融、不滴落等特點(diǎn)。以阻燃維綸纖維為原料制得的紡織產(chǎn)品，安全性能與使用性能均得到大幅提高，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事、紡織、建筑等領(lǐng)域。趙虹等［19］以六苯氧基環(huán)磷腈無(wú)鹵阻燃劑、聚乙烯醇為原料，制備混紡絲質(zhì)阻燃維綸纖維，并研究了纖維的阻燃機(jī)理和阻燃性能。結(jié)果表明，隨著纖維中阻燃劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，阻燃維綸纖維的阻燃性能增強(qiáng)，當(dāng)阻燃劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，阻燃維綸纖維熱穩(wěn)定性大幅提升，對(duì)阻燃維綸纖維進(jìn)行縮甲醛化處理后，極限氧指數(shù)有所下降，但仍達(dá)到阻燃要求。張曉云等［20］以Pyrovatex CP 作為阻燃劑，將其添加在維綸水溶液中，制備了阻燃維綸纖維，并研究了有機(jī)磷系阻燃劑Pyrovatex CP 用量對(duì)阻燃維綸纖維阻燃性能和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)維綸纖維與阻燃劑質(zhì)量比為10∶4 時(shí)，制備的阻燃維綸纖維綜合性能較好，具有良好的阻燃性能與力學(xué)性能。

3 結(jié)論

由于多數(shù)紡織產(chǎn)品易于引發(fā)火災(zāi)，對(duì)人們的生命和財(cái)產(chǎn)造成極大威脅，開發(fā)具備阻燃性能的紡織產(chǎn)品成為減少火災(zāi)隱患的途徑之一。而使用阻燃纖維織造紡織物是生產(chǎn)阻燃紡織物的途徑之一，因此，阻燃纖維在紡織市場(chǎng)具有很大的發(fā)展?jié)摿ΑＱ芯咳藛T要不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，加大對(duì)阻燃纖維、阻燃織物的研發(fā)力度，推進(jìn)性能綜合化、生產(chǎn)環(huán)保化、工藝科技化的阻燃工藝和織物的生產(chǎn)進(jìn)程，加強(qiáng)阻燃紡織產(chǎn)品的宣傳，從源頭上降低紡織產(chǎn)品的火災(zāi)威脅。