紡織鋪地物阻燃檢測標準及阻燃方法研究進展

李 想

(天津市產品質量監督檢測技術研究院地毯研究中心,天津 300211)

紡織鋪地物是常見的室內地面裝飾材料,大量應用于工業、商業及民用場所。較之彈性鋪地物、層壓鋪地物等硬質材料,紡織鋪地物具有表現力豐富、質感舒適、式樣可設計性強等優點,同時具有隔離噪音、吸附塵土、凈化室內空氣等作用。但近年來,紡織制品的易燃性已成為引發火災的主要隱患,并且紡織鋪地物作為大面積鋪設地面材料,在燃燒過程中常伴有熔滴現象或釋放有毒有害氣體,給人民的生命財產安全造成巨大威脅[1]。因此,迫切需要適用的紡織鋪地物阻燃相關測試標準及規范,其對優化阻燃整理工藝、提高紡織鋪地物的阻燃性能具有重要導向作用,對于降低火災損害、擴大產品市場占有率具有重要的戰略意義。

1 紡織鋪地物阻燃檢測標準及分級標準

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估、檢測與分級體系。其中,檢測是評估結果的量化體現,分級是在評估和檢測基礎上,根據量化指標進行的等級劃分。研究其中主要的方法和分級指標,分析不同檢測方法的測定原理、適用范圍與結果表征。

1.1 阻燃檢測標準

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)確定的試驗方法和條件,點燃水平放置并暴露于傾斜的熱輻射場中的紡織鋪地材料,通過觀測火焰蔓延能力及產煙量,對其受控試驗室狀態下的燃燒性能進行評估。試驗采用試件表面火焰停止蔓延并熄滅的位置所對應的臨界輻射通量(CHF)、試驗開始xmin內,試件上火焰蔓延最遠距離處所對應的輻射通量(HF-X)及確切的現象描述結果。

1.1.2 錐形量熱儀法

錐形量熱儀法是按照GB/T 16172—2007[3]標準要求,基于氧氣消耗量原理測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)的試驗條件更接近于實際環境,與此同時,還可以對點燃時間、燃燒時間、煙及毒性參數和質量變化參數等進行測試。研究結果對全面分析鋪地材料的燃燒特性、客觀評價紡織鋪地材料在實際火災條件下的燃燒行為及火災風險等都有重要的指導作用。

1.1.3 直接火焰沖擊法

直接火焰沖擊法是依據GB/T 8626—2007[4](ISO 11925—2:2020),該標準要求在無外部輻射的情況下,在一定的時間內,用小火焰直接對垂直放置的試樣進行沖擊,根據紡織鋪地物在燃燒時的狀態與移去火源之后可以得到的續燃時間和陰燃時間,以及在火焰被完全撲滅之后可以用測得的損毀長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GB/T 11049—2008[5](ISO 6925—1982)與ASTM D 2859—2006[6]標準,規定在受控的試驗室環境中,對紡織鋪地物或復合體系的熱敏及火焰響應特性進行評估。試驗以水平位置將六亞甲基四胺置于試樣表面點燃時測定的火焰熄滅時間和火焰在損毀區邊沿到樣品中心的最長距離,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GB/T 14768—2015[7]標準,規定紡織鋪地物在控制的實驗室條件下,在以45°夾角放置的試樣表面距離1 mm 處給予一定量的點燃時間,通過測定移去火源后的續燃時間、陰燃時間和火源熄滅后的損毀長度來評定其阻燃性能。

1.1.6 熱重分析法

熱失重分析方法是依據ASTM E 2550—17[8]以材料的熱穩定性及熱分解為指標,對材料的阻燃性進行評價。與此同時,從熱重分析曲線中,還可以得出紡織鋪地物的失重速率、失重溫度和殘渣量。殘渣量越大,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 阻燃分級標準

1.2.1 GB 8624—2012[9]

標準規定了建筑材料及制品的可燃性分級及其判定依據、可燃性分級標志與檢測報告。其中紡織鋪地物可燃性分級標準的詳解見表1與表2。

表1 紡織鋪地物燃燒性能等級與分級依據

表2 紡織鋪地物產煙特性等級與分級依據

1.2.2 GA 495—2004[10]

標準定義阻燃紡織鋪地材料為達到GB 8624—2012中B1、B2級并滿足該標準理化性能規定要求的鋪地材料。以紡織鋪地材料的燃燒性能為基礎,將阻燃性能劃分為一級阻燃鋪地材料、二級阻燃鋪地材料,具體燃燒性能見表3。

表3 紡織鋪地物材料燃燒性能

綜上根據產品的使用狀態與使用環境可知,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上方的熱輻射源照射下,鋪地物水平燃燒的傳播擴散范圍;而錐形量熱儀法和熱重分析法則主要側重于鋪地物發生燃燒后對于防止火勢蔓延能力的度量。

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,其測試的重點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評估,同時也對紡織鋪地物燃燒過程中產煙量、煙氣密度和毒性進行了規定。

2 阻燃機理及方法應用

對紡織鋪地物進行阻燃整理是指最大限度降低整理后紡織物的可燃性,減緩火勢的蔓延速度,與明火分離后火焰能快速熄滅且不會復燃[11]。其中常用的阻燃整理方法:(1)反應型。將阻燃基團通過接枝、共聚等化學方法結合到纖維內部,使其自身具有阻燃性能;(2)添加型。可以分為內部分散以及外部涂層阻燃劑以達到阻燃效果。

2.1 改性纖維應用于阻燃整理(反應型)

通過改善和提高成纖纖維的導熱性和穩定性,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,優化纖維內部分子鏈,或者是通過復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,進而發揮阻燃作用。王玉曉[12]對回收的聚酯纖維經造粒、增黏、改性處理后,采用熔體紡絲方法制備阻燃聚酯纖維,并應用于生產阻燃針刺地毯。研究發現,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,其質量損失率在10%以下。阻燃性能優良,可達到B1(B-s1,t1)級,符合公共場所使用耐火建筑材料標準。

2.2 阻燃劑應用于阻燃整理(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],在燃燒時快速傳遞或吸收部分熱能,達到抑制高分子聚合物分解、冷卻易燃氣體以增加填充物的阻燃效果。王坤[14]以高壓低密度聚乙烯、無規立構聚丙烯、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,其中當氫氧化鎂質量分數在25%～50%范圍時續燃時間縮短較快,且燃燒時未生成明顯煙霧,阻燃性能達到國家標準要求。

2.2.2 阻燃后整理工藝

多數化學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行的阻燃整理,在燃燒時,其纖維表面會形成一層熔融、分層或泡沫的包覆層,起到隔離空氣、隔絕熱能、減少易燃氣體釋放的作用,從而防止紡織物繼續燃燒[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的作用下發生酯化反應,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,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定,結果表明,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、發泡劑、增稠劑配方的直接協同作用下,合成出4種不同配方的阻燃地毯背面涂料膠,對地毯進行阻燃處理并測試得到最佳配方制備的地毯的極限氧指數為33.1%,損毀長度為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行復配,對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接近30.0%,可以使阻燃協同效果最大化,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泡的聚氨酯泡沫上復合,制備成阻燃聚氨酯羊毛復合地毯,并對其進行垂直燃燒性能測試,得到阻燃聚氨酯復合羊毛地毯續燃時間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 結束語

紡織鋪地物作為一種高性價比室內地面裝飾材料,廣泛應用于工商業及民用場所中,但是易燃性及燃燒過程中釋放有毒氣體限制了其廣泛應用。近年來,紡織鋪地物的阻燃性能研究以及阻燃標準的制定都取得了實質性的成果,為該類材料的廣泛應用提供了理論指導作用。在實踐中,應根據紡織鋪地物的使用情況,選用適當的測試方法。同時在對其燃燒性能分級評定時,也應對力學性能、有害物質的釋放量等特性進行綜合評價,進而對火災危險性進行預測。

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