紡織用品中阻燃纖維的阻燃機理及應用

劉湖濱

（韓國世宗大學，韓國首爾 05006）

纖維紡織產品在日常生活、建筑、軍事、醫藥、生物等方面有廣泛的應用，但未經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火災，造成人員傷亡或財產損失。對纖維素類紡織物進行阻燃整理已經成為紡織物發展的趨勢之一，許多國家相繼提出了紡織產品阻燃性能的相關要求。阻燃纖維一般指在高溫燃燒環境中不能燃燒或者不能充分燃燒的纖維材料，與明火接觸后不會產生火焰或只能產生細微的火焰，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展現狀，對紡織物的生產和發展具有重要意義。目前，棉質紡織品的阻燃整理技術已經基本成熟，合成纖維的阻燃整理研究也得到了一定的發展，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、強度等性能出現不同程度的降低；合成纖維阻燃單體合成費用比較高等），因此，對各類紡織產品進行阻燃整理仍然需要進一步探究。

1 阻燃纖維的阻燃機理

隨著科學技術和紡織行業的發展，織物的種類逐漸增加，織物的阻燃性能成為衡量品質的因素之一。對織物進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復燃［2］。發生燃燒一般需要具備可燃物、熱源和氧氣3 個條件，要達到阻燃目的，必須切斷3 個燃燒條件之間的循環。目前被認可的阻燃機理大致有以下6點：

1.1 覆蓋機理

在織物上添加一定量的阻燃劑，當織物處于高溫環境時，阻燃劑在織物纖維表面形成熔融層狀薄膜或泡沫覆蓋層，發揮隔絕空氣、隔熱作用，降低可燃性氣體的釋放量，進而阻止紡織物持續燃燒［3］。阻燃劑在紡織纖維表面形成隔離層的方式有兩種：（1）阻燃劑受熱產生的降解產物促進織物纖維表面脫水炭化，形成穩定性比較好的炭化層或交聯狀固體物質，不僅可以阻止纖維中的聚合物進一步裂解，還可以防止熱分解產物進入空氣中繼續參與燃燒，磷系阻燃劑通過這一機理對含氧聚合物進行阻燃；（2）阻燃劑（例如鹵化磷類和硼系阻燃劑）在高溫燃燒環境中分解成不易揮發的薄膜包覆在纖維表面，發揮隔離膜的作用，進而阻止火勢蔓延。

1.2 吸熱機理

一般的燃燒反應可在短時間內產生很高的熱量，如果在燃燒過程中迅速轉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］?？椢锶紵龝r溫度較高，部分阻燃劑會在高溫下發生吸熱分解反應（如相變、脫水、脫鹵化氫等），吸收燃燒過程中的部分熱量，進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，抑制聚合物發生熱裂解。無機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生火焰的濃度，同時稀釋織物燃燒范圍內的氧濃度，生成的不燃性氣體和熱對流也會分散一部分熱量，抑制或阻止燃燒的繼續進行，發揮阻燃作用［5］。

1.4 熔滴機理［6］

織物纖維受熱燃燒時，阻燃劑作用于紡織物纖維表面，使織物纖維的聚合物發生分解反應，逐漸擴大著火點和熔點之間的溫度差，熔融的熱塑性纖維會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

將芳環或者芳雜環引入織物纖維的聚合物大分子，使分子鏈間的作用力、交聯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，進而發揮阻燃作用［7］。

1.6 自由基控制機理

由燃燒鏈反應理論可知，自由基是維持燃燒的基礎。氣相燃燒區中，阻燃劑能夠捕捉燃燒反應中的自由基，抑制火焰繼續蔓延，進而降低燃燒反應的速度，直至火焰熄滅［8］。含鹵阻燃劑的蒸發溫度接近纖維聚合物的分解溫度，當織物受熱燃燒分解時，阻燃劑也會隨之揮發，熱分解產物與含鹵阻燃劑均處于氣相燃燒區，阻燃劑中的鹵素可以捕捉維持燃燒反應的自由基，降低燃燒區域的火焰密度，最終抑制或者阻止織物繼續燃燒。

2 紡織物阻燃纖維的種類

阻燃纖維紡織產品眾多，不同纖維聚合物大分子與阻燃劑通過物理或者化學方式結合，形成阻燃性能不同的纖維被用于不同行業，降低紡織品發生火災的概率，最大限度地保障公眾的人身和財產安全，或者滿足部分行業的特殊要求。

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生共聚反應產生的聚合物再經紡織得到，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、保溫性及耐化學試劑性能，對漂白粉、無機酸、過氧化氫和一般的有機試劑都有耐受性。但是聚丙烯腈纖維織物的阻燃性、耐磨性和強度較差，在農業、建筑業、工業等領域中的應用受到限制。近年來，纖維紡織產品引發的火災眾多，人們對阻燃纖維織物的關注與日俱增，但是聚丙烯腈纖維的極限氧指數約為17%，位居合成纖維的末位，需要進行阻燃整理（使其極限氧指數高于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構、力學性能、熱穩定性、阻燃性能和結晶性能。結果表明，改性聚丙烯腈纖維的初始分解溫度降低，殘炭量和最高分解溫度升高，且改性纖維的阻燃性能得到提升。但是由于纖維的表面結構和結晶性在改性過程中被破壞，改性聚丙烯腈纖維的力學性能下降。徐靜等［10］通過聚丙烯腈與肼、堿試劑的交聯-水解反應，再結合金屬離子的螯合作用，利用Zn2+、Na+和Mg2+對聚丙烯腈纖維進行改性，研究了3 種金屬離子改性聚丙烯腈纖維的各項性能。結果表明，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，纖維的炭層致密性提高，體積比電阻降低，極限氧指數升高，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，具有很好的熱穩定性、阻燃性和防水解、防化學品腐蝕、防紫外線性能，被應用于多種隔熱防火工作場所。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，可以得到優良的耐火阻燃紡織產品。PBI 纖維即聚苯并咪唑纖維，素有“阻燃之王”的美譽，是一種典型的雜環高分子耐高溫材料。PBI 纖維具有良好的紡織加工性、吸收性、阻燃性、染色性、熱穩定性和化學穩定性，但耐光性能較差，纖維分子在可見光區對光有吸收，纖維會隨之發生光降解，在有氧環境中光吸收作用增強。PBI 纖維主要應用于低毒、無煙、阻燃、耐高溫領域，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的熔融紡絲技術經高溫、卷曲、拉伸和切斷制得，具有優異的阻燃性、熱穩定性和較好的紡織加工性能，可用于制造高級消防服裝。胡寶繼等［11］根據聚苯硫醚聚合物熔體黏度大、熔點高、流動性差的特點，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工藝參數，再根據實驗數據分析聚苯硫醚的熔噴可紡性。結果表明，熔融指數為258 g/10 min的聚苯硫醚熔噴可紡性比較好，在適當的熔噴工藝參數下可以紡造出纖維直徑為2～5 μm、連續均勻的聚苯硫醚無紡布。朱超俊［12］測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、熱防護性能和高溫燃燒測試值進行了比對，闡述了不同面料用于消防服外層的優缺點：PBI/Kevlar 混紡面料極限氧指數最高；PI 面料、PBI/Kevlar 混紡面料和PI/Kevlar混紡面料的陰燃時間、續燃時間和損壞長度相似，均具有良好的阻燃性能；達到一定溫度時，4 種面料均可自燃，PBI/Kevlar 混紡面料的自燃溫度最高。因此，消防救援時應盡可能避免長時間與火焰近距離接觸；Nomex111A 面料的熱防護性能最好。

2.3 阻燃黏膠纖維

黏膠纖維以天然纖維素為原料制成，具有綠色環保、可再生、生物相容性優良等優勢。黏膠纖維的極限氧指數僅有19%，與其他纖維紡織品有相似的易燃特性。經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紡織產品，在與火源短暫接觸時，能夠迅速起到保護作用。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、高檔內衣紡織領域具有很好的發展前景。

阻燃黏膠纖維的整理工藝主要有兩種：（1）紡絲結束后使用物理或化學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，并測試了4 種面料試樣的阻燃性能、斷裂強力、透氣率、撕破強力、熱收縮率等。結果表明，采用芳綸、導電纖維和阻燃黏膠纖維制得的混紡雙層結構面料各項性能較為理想。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，并將其與同組織規格的羊毛/錦綸面料、羊毛/滌綸面料進行耐磨性和阻燃性能對比。結果表明，新開發的混紡工裝面料具有更強的耐磨性、阻燃性，適當提高面料中的阻燃黏膠纖維質量分數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，較高的彈性恢復性能和強度，且滌綸織物抗皺免燙、堅固耐用、不粘毛。滌綸經共聚阻燃改性、共混阻燃改性或阻燃整理可以得到阻燃性能優良的阻燃滌綸。阻燃滌綸纖維遇火時只會產生熔滴，不會燃燒，即使經過35～50 次洗滌，阻燃性能也不會改變。阻燃滌綸纖維廣泛應用于室內裝飾織物、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，以實現對滌綸織物的低毒性阻燃整理，并研究了浸漬時間和硫酸鉀用量對阻燃滌綸織物各項性能的影響。結果表明，經過浸漬后，阻燃劑被成功整理到滌綸織物上，燃燒后織物的炭長大幅下降，極限氧指數提高到28.7%，對阻燃滌綸織物進行10 次水洗后，其極限氧指數仍為27.4%，阻燃性能良好。劉梅城等［16］利用聚酰亞胺纖維優良的阻燃特性，將其與阻燃滌綸按照一定比例進行混紡，并優化了混紡工藝參數，不僅在很大程度上解決了聚酰亞胺纖維的適紡性問題，而且實現了控制紗線質量的目的，制得的新型混紡紗符合預期開發目標，各項性能均符合標準，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、回彈性和強度，其工業產量僅次于滌綸纖維，廣泛應用于工業、醫療、軍事等領域。但錦綸纖維中含有化學性質較為活潑的酰胺鍵，在高溫環境中，酰胺鍵極易與阻燃劑發生反應，使錦綸纖維發生降解。錦綸纖維織物的阻燃方法：（1）對錦綸纖維原料進行阻燃整理；（2）對錦綸織物進行阻燃后整理；（3）前兩者結合進行阻燃整理。阻燃錦綸纖維的生產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。與錦綸纖維進行共聚的阻燃劑要求：（1）與纖維相容性好；（2）耐高溫、粒徑?。唬?）紡絲溫度為250～300 ℃時，能夠有效防止錦綸纖維燃燒形成熔滴滴落。在實際生產阻燃錦綸纖維時，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行混紡，得到兩類混紡紗，并測試不同混紡紗的阻燃性能、拉伸性能和外觀質量。結果表明，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率逐漸增加，斷裂強度先減小后增大；當CESALON 阻燃錦綸纖維用量為70%時，混紡紗斷裂強度最??；當CESALON 阻燃錦綸纖維用量小于20%時，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率先減小后增大，斷裂強度逐漸減小；當CESALON阻燃錦綸纖維用量高于20%時，混紡紗出現熔融現象。李峰［18］研究和開發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，有效地解決了飛機機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，利用光引發接枝技術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。維綸化學穩定性好，耐氣候性和耐日光性較好，不耐強酸、耐堿，強度弱于錦綸和滌綸，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，首先將高分子阻燃劑轉化為納米級粒子，再通過特殊工藝整理到維綸纖維有機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，還增加了無毒、阻燃、不熔融、不滴落等特點。以阻燃維綸纖維為原料制得的紡織產品，安全性能與使用性能均得到大幅提高，已被廣泛應用于工業、軍事、紡織、建筑等領域。趙虹等［19］以六苯氧基環磷腈無鹵阻燃劑、聚乙烯醇為原料，制備混紡絲質阻燃維綸纖維，并研究了纖維的阻燃機理和阻燃性能。結果表明，隨著纖維中阻燃劑質量分數的增加，阻燃維綸纖維的阻燃性能增強，當阻燃劑質量分數為30%時，阻燃維綸纖維熱穩定性大幅提升，對阻燃維綸纖維進行縮甲醛化處理后，極限氧指數有所下降，但仍達到阻燃要求。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，并研究了有機磷系阻燃劑Pyrovatex CP 用量對阻燃維綸纖維阻燃性能和力學性能的影響。結果表明，當維綸纖維與阻燃劑質量比為10∶4 時，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性能。

3 結論

由于多數紡織產品易于引發火災，對人們的生命和財產造成極大威脅，開發具備阻燃性能的紡織產品成為減少火災隱患的途徑之一。而使用阻燃纖維織造紡織物是生產阻燃紡織物的途徑之一，因此，阻燃纖維在紡織市場具有很大的發展潛力。研究人員要不斷總結經驗，加大對阻燃纖維、阻燃織物的研發力度，推進性能綜合化、生產環?；?、工藝科技化的阻燃工藝和織物的生產進程，加強阻燃紡織產品的宣傳，從源頭上降低紡織產品的火災威脅。