阻燃纤维

阻燃纤维

一、概述

近日，上海胶州路教师公寓大火致49人遇难；清华学堂突发大火，过火面积800㎡；10月末有明星在片场拍摄爆炸戏时三级烧伤。火灾隐患无处不在，每年我国都发生数万起火灾，而纺织材料大量用于衣着和家庭生活，很多时候纺织品成为着火诱燃物，释放有毒气体，直接引火危害人体健康。近十年来国内纷纷建造了高层住宅和宾馆，对室内装饰用品的阻燃要求也越来越高。一些工业发达国家很早就制订了纺织品的阻燃法规，规定剧院、医院、旅馆等公共场所的窗帘、帷帐，老人、儿童、残疾人的服装织物都必须达到一定的阻燃标准。阻燃纤维及纺织品的开发和应用越发受到社会关注。

中国的阻燃技术始于上世纪50年代，以研究棉织物暂时性阻燃整理起步，但发展缓慢；上世纪60年代才出现耐久性纯棉阻燃纺织品；上个世纪70年代开发了阻燃剂开始对合成纤维及混纺织物阻燃技术进行研究；上世纪80年代，阻燃织物进入了新的发展时期，许多单位开发了棉、涤及混纺织物的阻燃剂及整理技术和阻燃合成纤维。总体来说，阻燃纤维产品正处于快速发展研究阶段[1]。

二、阻燃纤维的相关机理

与火源接触后，纤维不能燃烧(如玻璃纤维)，或燃烧反应不充分，仅有较小火焰燃烧(如氯纶)，火源撤走后，火焰能较快地自行熄灭的纤维都可称作阻燃纤维[2]。根据纤维的极限氧指数(LOI)值，合成纤维可分为五个等级:LOI>30为阻燃一级(不燃)， LOI为27-30为阻燃二级(难燃)，LOI为24-27为阻燃三级(阻燃)，LOI为21-24为阻燃四级(可燃)，LOI<21为易燃[3]。常见合成纤维和阻燃纤维的LOI如表1和表2所示。

表1 不同纤维品种的极限氧指数（LOI）

表2 常见阻燃纤维的极限氧指数（LOI）

2.1纤维的燃烧机理

一般认为，纤维的燃烧经历了如下三个阶段：

第一阶段为热引发阶段，来自外部热源或火源的热量首先导致纤维材料发生相态变化和化学变化。

第二阶段纤维热降解过程，这一过程为吸热反应，当外部热量足以克服纤维分子内原子间键合能时，纤维材料开始降解或热解。一般而言，纤维材料的热降解反应是按自由基链式反应方式进行的，氧的存在是不可缺少的条件，其结果得到气相或固相产物，气、固相产物的组成往往因纤维材料的聚合物类别不同而异，气相产物可能由聚合物单体、各种易燃烃类及不燃性气体组成，固相炭质残余物可能是交联反应的产物。

第三阶段是引燃阶段，热降解阶段产生的可燃性气体与氧气充分混合，当达到着火极限或受外界因素的影响，如火焰、火花、炽热余烬刺激足以使可燃性气体自燃的环境温度，都能诱发纤维材料的燃烧。燃烧部分的纤维材料所释放的部分热量可通过传导、辐射和对流的方式被另外一部分纤维材料吸收，导致热降解过程发生并挥发可燃性气体[4]。

显然纤维高聚物燃烧必需具备下列条件:1)高聚物分解产生可燃性气体;2)有氧气(氧化剂)存在;3)有热源。当已经燃烧的纤维高聚物材料离开火源若要继续燃烧，必须具备下列条件:l)由燃烧产生的热能足以加热高聚物，使之连续不断地产生可燃性气体;2)所产生的可燃性气体能与氧气混合，并扩散到己点燃部分;3)燃烧部分蔓延到可燃气体与氧气的混合区域中。在着火状态中，会有许多高活性的分子碎片存在，其中较重要的是自由基团。它们是燃烧自生链式反应的载体，所释放的能量传递给周围使液体挥发，使固体热解，使燃烧继续下去[5]。具体燃烧过程，见图1-1。

图1-1 纤维燃烧过程示意图

2.2纤维的阻燃机理

纤维的阻燃由燃烧过程可以看出，就是设法阻碍纤维的热分解，抑制可燃性气体生成和稀释可燃性气体，改变热分解反应机理(化学机理)，阻断热反馈回路，以及隔离空气和热环境，来达到消除或减轻燃烧三要素(可燃物质、温度、氧气)的影响，而达到阻燃目的的。通常纤维阻燃的机理主要有以下几种，阻燃效果较理想的是这些作用机理的复合。阻燃作用的机理有物理的，也有化学的，根据现有的研究结果，可归纳为以下几种:

(1)吸热作用。具有高热容量的阻燃剂，在高温下发生相变、脱水或脱卤化氢等吸热反应，降低纤维材料表面和火焰区的温度，减慢热裂解反应的速度，抑制可燃性气体的生成。(2)覆盖保护作用。阻燃剂受热后，在纤维材料表面熔融形成玻璃状覆盖层，成为凝聚相和火焰之间的一个屏障。既隔绝氧气、阻止可燃性气体的扩散，又可阻挡热传导和热辐射，减少反馈给纤维材料的热量，从而抑制热裂解和燃烧反应。

(3)气体稀释作用。阻燃剂吸热分解释放出氮气、二氧化碳、二氧化硫和氨等不燃性气体，使纤维材料裂解处的可燃性气体浓度被稀释到燃烧极限以下。或使火焰中心处部分区域的氧气不足，阻止燃烧继续。此外，这种不燃性气体还有散热降温作用。它们的阻燃作用大

小顺序是:N

2>CO

2

>SO

2

>NH

3

。

(4)凝聚相阻燃。通过阻燃剂的作用，在凝聚相反应区改变纤维大分子链的热裂解反应历程，促使发生脱水、缩合、环化、交联等反应，直至炭化，以增加炭化残渣，减少可燃性气体的产生，使阻燃剂在凝聚相发挥阻燃作用。凝聚相阻燃作用的效果，与阻燃剂同纤维在化学结构上的匹配与否有密切关系。

(5)气相阻燃。添加少量抑制剂，在火焰区大量捕捉轻质自由基和氢自由基，降低自由基浓度，从而抑制或中断燃烧的连锁反应，在气相发挥阻燃作用。气相阻燃作用对纤维材料的化学结构并不敏感。

(6)微粒的表面效应。若在可燃气体中混有一定量的惰性微粒，它不仅能吸收燃烧热，降低火焰温度，而且，会如同容器的壁面那样，在微粒的表面上，将气相燃烧反应中大量的高能量氢自由基，转变成低能量的氢过氧基自由基，从而抑制气相燃烧。

（7）熔滴效应：某些热塑性合成纤维，如聚酰胺、聚酯，在加热时发生收缩熔滴，与空气的接触面积减少，甚至发生熔滴下落而离开火源，使燃烧受到一定的阻碍[4]。

目前，纤维用阻燃剂有:铝、镁氢氧化物、含硼化合物、卤系阻燃剂、磷系阻燃剂四大类。其阻燃机理和典型应用如表3所示。

表3 纤维用阻燃剂的阻燃机理及应用