紡織鋪地物阻燃檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及阻燃方法研究進(jìn)展

李 想

(天津市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)技術(shù)研究院地毯研究中心,天津 300211)

紡織鋪地物是常見的室內(nèi)地面裝飾材料,大量應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)及民用場(chǎng)所。較之彈性鋪地物、層壓鋪地物等硬質(zhì)材料,紡織鋪地物具有表現(xiàn)力豐富、質(zhì)感舒適、式樣可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)具有隔離噪音、吸附塵土、凈化室內(nèi)空氣等作用。但近年來,紡織制品的易燃性已成為引發(fā)火災(zāi)的主要隱患,并且紡織鋪地物作為大面積鋪設(shè)地面材料,在燃燒過程中常伴有熔滴現(xiàn)象或釋放有毒有害氣體,給人民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成巨大威脅[1]。因此,迫切需要適用的紡織鋪地物阻燃相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范,其對(duì)優(yōu)化阻燃整理工藝、提高紡織鋪地物的阻燃性能具有重要導(dǎo)向作用,對(duì)于降低火災(zāi)損害、擴(kuò)大產(chǎn)品市場(chǎng)占有率具有重要的戰(zhàn)略意義。

1 紡織鋪地物阻燃檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

目前,紡織鋪地材料就阻燃性能已建立起一套較為完備的評(píng)估、檢測(cè)與分級(jí)體系。其中,檢測(cè)是評(píng)估結(jié)果的量化體現(xiàn),分級(jí)是在評(píng)估和檢測(cè)基礎(chǔ)上,根據(jù)量化指標(biāo)進(jìn)行的等級(jí)劃分。研究其中主要的方法和分級(jí)指標(biāo),分析不同檢測(cè)方法的測(cè)定原理、適用范圍與結(jié)果表征。

1.1 阻燃檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

1.1.1 輻射熱源法

輻射熱源法是按照GB/T 11785—2005[2](BS EN ISO 9239—1:2010)確定的試驗(yàn)方法和條件,點(diǎn)燃水平放置并暴露于傾斜的熱輻射場(chǎng)中的紡織鋪地材料,通過觀測(cè)火焰蔓延能力及產(chǎn)煙量,對(duì)其受控試驗(yàn)室狀態(tài)下的燃燒性能進(jìn)行評(píng)估。試驗(yàn)采用試件表面火焰停止蔓延并熄滅的位置所對(duì)應(yīng)的臨界輻射通量(CHF)、試驗(yàn)開始xmin內(nèi),試件上火焰蔓延最遠(yuǎn)距離處所對(duì)應(yīng)的輻射通量(HF-X)及確切的現(xiàn)象描述結(jié)果。

1.1.2 錐形量熱儀法

錐形量熱儀法是按照GB/T 16172—2007[3]標(biāo)準(zhǔn)要求,基于氧氣消耗量原理測(cè)量出材料的熱釋放速率,從而表征建筑材料的燃燒性能。錐形量熱儀(CONE)的試驗(yàn)條件更接近于實(shí)際環(huán)境,與此同時(shí),還可以對(duì)點(diǎn)燃時(shí)間、燃燒時(shí)間、煙及毒性參數(shù)和質(zhì)量變化參數(shù)等進(jìn)行測(cè)試。研究結(jié)果對(duì)全面分析鋪地材料的燃燒特性、客觀評(píng)價(jià)紡織鋪地材料在實(shí)際火災(zāi)條件下的燃燒行為及火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等都有重要的指導(dǎo)作用。

1.1.3 直接火焰沖擊法

直接火焰沖擊法是依據(jù)GB/T 8626—2007[4](ISO 11925—2:2020),該標(biāo)準(zhǔn)要求在無外部輻射的情況下,在一定的時(shí)間內(nèi),用小火焰直接對(duì)垂直放置的試樣進(jìn)行沖擊,根據(jù)紡織鋪地物在燃燒時(shí)的狀態(tài)與移去火源之后可以得到的續(xù)燃時(shí)間和陰燃時(shí)間,以及在火焰被完全撲滅之后可以用測(cè)得的損毀長(zhǎng)度來衡量其阻燃性能。

1.1.4 水平片劑法

水平片劑法是依據(jù)GB/T 11049—2008[5](ISO 6925—1982)與ASTM D 2859—2006[6]標(biāo)準(zhǔn),規(guī)定在受控的試驗(yàn)室環(huán)境中,對(duì)紡織鋪地物或復(fù)合體系的熱敏及火焰響應(yīng)特性進(jìn)行評(píng)估。試驗(yàn)以水平位置將六亞甲基四胺置于試樣表面點(diǎn)燃時(shí)測(cè)定的火焰熄滅時(shí)間和火焰在損毀區(qū)邊沿到樣品中心的最長(zhǎng)距離,以此來表征其阻燃性能。

1.1.5 傾斜45°燃燒法

傾斜45°燃燒法是依據(jù)GB/T 14768—2015[7]標(biāo)準(zhǔn),規(guī)定紡織鋪地物在控制的實(shí)驗(yàn)室條件下,在以45°夾角放置的試樣表面距離1 mm 處給予一定量的點(diǎn)燃時(shí)間,通過測(cè)定移去火源后的續(xù)燃時(shí)間、陰燃時(shí)間和火源熄滅后的損毀長(zhǎng)度來評(píng)定其阻燃性能。

1.1.6 熱重分析法

熱失重分析方法是依據(jù)ASTM E 2550—17[8]以材料的熱穩(wěn)定性及熱分解為指標(biāo),對(duì)材料的阻燃性進(jìn)行評(píng)價(jià)。與此同時(shí),從熱重分析曲線中,還可以得出紡織鋪地物的失重速率、失重溫度和殘?jiān)俊堅(jiān)吭酱?吸收的熱量就越多,而釋放的熱量就越少,其阻燃性能就越好。

1.2 阻燃分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.2.1 GB 8624—2012[9]

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了建筑材料及制品的可燃性分級(jí)及其判定依據(jù)、可燃性分級(jí)標(biāo)志與檢測(cè)報(bào)告。其中紡織鋪地物可燃性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的詳解見表1與表2。

表1 紡織鋪地物燃燒性能等級(jí)與分級(jí)依據(jù)

表2 紡織鋪地物產(chǎn)煙特性等級(jí)與分級(jí)依據(jù)

1.2.2 GA 495—2004[10]

標(biāo)準(zhǔn)定義阻燃紡織鋪地材料為達(dá)到GB 8624—2012中B1、B2級(jí)并滿足該標(biāo)準(zhǔn)理化性能規(guī)定要求的鋪地材料。以紡織鋪地材料的燃燒性能為基礎(chǔ),將阻燃性能劃分為一級(jí)阻燃鋪地材料、二級(jí)阻燃鋪地材料,具體燃燒性能見表3。

表3 紡織鋪地物材料燃燒性能

綜上根據(jù)產(chǎn)品的使用狀態(tài)與使用環(huán)境可知,直接火焰沖擊法、水平片劑法和傾斜45°燃燒法多指模擬小火源引燃或掉落在鋪地物上引起的燃燒;輻射熱源法反映的是在火場(chǎng)上方的熱輻射源照射下,鋪地物水平燃燒的傳播擴(kuò)散范圍;而錐形量熱儀法和熱重分析法則主要側(cè)重于鋪地物發(fā)生燃燒后對(duì)于防止火勢(shì)蔓延能力的度量。

紡織鋪地物阻燃性能判定主要通過輻射熱源法與水平片劑法,其測(cè)試的重點(diǎn)是火焰在燃燒過程中的傳播速度與無熱源條件下的燃燒等級(jí)評(píng)估,同時(shí)也對(duì)紡織鋪地物燃燒過程中產(chǎn)煙量、煙氣密度和毒性進(jìn)行了規(guī)定。

2 阻燃機(jī)理及方法應(yīng)用

對(duì)紡織鋪地物進(jìn)行阻燃整理是指最大限度降低整理后紡織物的可燃性,減緩火勢(shì)的蔓延速度,與明火分離后火焰能快速熄滅且不會(huì)復(fù)燃[11]。其中常用的阻燃整理方法:(1)反應(yīng)型。將阻燃基團(tuán)通過接枝、共聚等化學(xué)方法結(jié)合到纖維內(nèi)部,使其自身具有阻燃性能;(2)添加型?？梢苑譃閮?nèi)部分散以及外部涂層阻燃劑以達(dá)到阻燃效果。

2.1 改性纖維應(yīng)用于阻燃整理(反應(yīng)型)

通過改善和提高成纖纖維的導(dǎo)熱性和穩(wěn)定性,將具有阻燃功能的阻燃劑通過聚合、共混等途徑引入纖維聚合物的大分子中,優(yōu)化纖維內(nèi)部分子鏈,或者是通過復(fù)合紡絲等方式以提高纖維材料的炭化程度與耐熱性,采用改性纖維編織紡織鋪地物或作為紡織鋪地物的絨面材料,進(jìn)而發(fā)揮阻燃作用。王玉曉[12]對(duì)回收的聚酯纖維經(jīng)造粒、增黏、改性處理后,采用熔體紡絲方法制備阻燃聚酯纖維,并應(yīng)用于生產(chǎn)阻燃針刺地毯。研究發(fā)現(xiàn),用回收的阻燃聚酯短纖維制成的針刺地毯,其耐磨性能良好,與聚苯硫醚針刺非織造布摩擦1000次后,其質(zhì)量損失率在10%以下。阻燃性能優(yōu)良,可達(dá)到B1(B-s1,t1)級(jí),符合公共場(chǎng)所使用耐火建筑材料標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 阻燃劑應(yīng)用于阻燃整理(添加型)

在紡織鋪地物中添加一定量的阻燃劑,在燃燒過程中通過阻燃劑的吸熱、汽化來降低分子從外界吸熱的速率,并帶走部分熱量以抑制燃燒。

2.2.1 阻燃背襯改性整理工藝

紡織鋪地物背襯在制造過程中混入填充型阻燃劑[13],在燃燒時(shí)快速傳遞或吸收部分熱能,達(dá)到抑制高分子聚合物分解、冷卻易燃?xì)怏w以增加填充物的阻燃效果。王坤[14]以高壓低密度聚乙烯、無規(guī)立構(gòu)聚丙烯、碳酸鈣、三元乙烯-丙橡膠和氫氧化鎂為主要原料,采用混煉、硫化的方法制成方塊地毯背襯,其中當(dāng)氫氧化鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)在25%～50%范圍時(shí)續(xù)燃時(shí)間縮短較快,且燃燒時(shí)未生成明顯煙霧,阻燃性能達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2.2 阻燃后整理工藝

多數(shù)化學(xué)整理工藝都能賦予紡織材料阻燃性能,其中通過浸軋法,使用阻燃劑在紡織鋪地物表面材料進(jìn)行的阻燃整理,在燃燒時(shí),其纖維表面會(huì)形成一層熔融、分層或泡沫的包覆層,起到隔離空氣、隔絕熱能、減少易燃?xì)怏w釋放的作用,從而防止紡織物繼續(xù)燃燒[15]。E.J.Blanchard等[16]采用1,2,3,4-丁烷四羥酸(BTCA)、檸檬酸和馬來酸等多元羧酸與Na2CO3、Na HCO3磷酸酯等催化劑相結(jié)合,其原理是以多羧酸類為催化劑,使棉纖維在部分中和羧酸類物質(zhì)的作用下發(fā)生酯化反應(yīng),從而使整理后的含棉地毯具有較高的炭化率。用水平片劑法檢測(cè),阻燃性能良好;用成本更低的檸檬酸和馬來酸酐來代替BTCA,作用效果相同。張旭等[17]將硫酸銨與磷酸二氫銨按一定比例混合,制成一種水性阻燃劑,用TG-DTA 法及錐形量熱儀法測(cè)定,結(jié)果表明,以磷酸二氫銨與水基硫酸銨按9∶1比例混合而成的阻燃劑,其阻燃性能最佳。

2.2.3 阻燃背涂整理工藝

阻燃背涂整理是在紡織鋪地物背面涂覆含阻燃劑涂層以提高產(chǎn)品阻燃性能的方法。尤士華等[18]在地毯涂層尾料中,阻燃劑在與可膨脹石墨、硅改性聚氨酯水散劑、發(fā)泡劑、增稠劑配方的直接協(xié)同作用下,合成出4種不同配方的阻燃地毯背面涂料膠,對(duì)地毯進(jìn)行阻燃處理并測(cè)試得到最佳配方制備的地毯的極限氧指數(shù)為33.1%,損毀長(zhǎng)度為9.0 mm,阻燃性能良好。孔美光等[19]采用聚磷酸銨和氫氧化鋁進(jìn)行復(fù)配,對(duì)丙綸針刺地毯作背涂阻燃處理,在聚磷酸銨與氫氧化鋁比例為7∶3 的條件下,背涂后針刺地毯的氧指數(shù)接近30.0%,可以使阻燃協(xié)同效果最大化,有效提升阻燃效果。潘健[20]將硅-磷阻燃劑DDPSi按照5%～25%的比例與聚氨酯均勻攪拌混合,制備成阻燃聚氨酯泡沫。將羊毛地毯平整鋪放在發(fā)泡的聚氨酯泡沫上復(fù)合,制備成阻燃聚氨酯羊毛復(fù)合地毯,并對(duì)其進(jìn)行垂直燃燒性能測(cè)試,得到阻燃聚氨酯復(fù)合羊毛地毯續(xù)燃時(shí)間36.80 s,火焰高度21 cm,試樣殘留94.58%,較普通羊毛地毯試樣殘留高出4.14%,阻燃性能更好。

3 結(jié)束語(yǔ)

紡織鋪地物作為一種高性價(jià)比室內(nèi)地面裝飾材料,廣泛應(yīng)用于工商業(yè)及民用場(chǎng)所中,但是易燃性及燃燒過程中釋放有毒氣體限制了其廣泛應(yīng)用。近年來,紡織鋪地物的阻燃性能研究以及阻燃標(biāo)準(zhǔn)的制定都取得了實(shí)質(zhì)性的成果,為該類材料的廣泛應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)作用。在實(shí)踐中,應(yīng)根據(jù)紡織鋪地物的使用情況,選用適當(dāng)?shù)臏y(cè)試方法。同時(shí)在對(duì)其燃燒性能分級(jí)評(píng)定時(shí),也應(yīng)對(duì)力學(xué)性能、有害物質(zhì)的釋放量等特性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),進(jìn)而對(duì)火災(zāi)危險(xiǎn)性進(jìn)行預(yù)測(cè)。

從紡織鋪地物的阻燃性、抑煙性和環(huán)保性角度來考慮,使用改性阻燃纖維作為絨面材料進(jìn)行織造是改善紡織鋪地物阻燃性能最為根本的方式,同時(shí)也減少了阻燃劑的使用,對(duì)生命安全和環(huán)境保護(hù)具有重要意義,因而加大阻燃纖維的研發(fā)深度,研究阻燃纖維混紡技術(shù),提高纖維中阻燃劑的相容性,以尋求新的阻燃改性纖維應(yīng)用。但是,在考慮到生產(chǎn)成本和其他因素后,就目前國(guó)內(nèi)外紡織鋪地物產(chǎn)品中,大多數(shù)都是通過添加無機(jī)鹽類阻燃劑和無毒有機(jī)阻燃劑以達(dá)到阻燃效果。其中,阻燃后整理工藝對(duì)燃燒性能進(jìn)行了改進(jìn),主要應(yīng)用在含有天然纖維的紡織鋪地物產(chǎn)品中,阻燃背襯改性整理工藝和阻燃背涂整理工藝多被應(yīng)用在單層織物地毯、針刺地毯和方塊地毯中。近年來,將高能物理技術(shù)、生物酶技術(shù)、聚合物高分子/水滑石納米復(fù)合材料等高科技與阻燃技術(shù)相結(jié)合,構(gòu)建新型高效、低煙、低毒性的新型復(fù)合阻燃體系,從而達(dá)到綠色阻燃,提升阻燃織物鋪地材料的綜合性能,是今后阻燃研究的發(fā)展趨勢(shì)。