新型阻燃材料

新型阻燃材料在纺织领域的应用

易燃性纺织品一直以来是引起火灾的主要源头之一，每年都造成很多人员伤亡和财产损失，如何使纺织品燃烧时更环保，并减少有害气体的释放，提高安全性能，降低损失成为人类研究和探讨的问题。阻燃类纺织品作为安全防护类纺织品的重要品种之一，目前已广泛应用于服装、石油、化工、冶金、造船、消防、国防等领域…。因此，本文着重介绍安全防护类阻燃类纺织品的开发和应用，探讨和研究阻燃类纺织品的阻燃机理和各种新型阻燃材料的性能特征。

1 阻燃机理

1．1 阻燃机理

最近的研究表明纤维材料的燃烧需要具备四个因素：燃料、热源、氧气和链反应。通常织物的燃烧又包括热分解、热引燃(自燃)和热点燃(燃烧传播) 三个阶段，针对四要素在不同的燃烧阶段，分别采取与之相应的阻燃方式，由此采取的各种阻燃措施，就形成了中断相阻燃机理及其他各种阻燃机理。阻燃方法和阻燃材料的开发与使用有着密切的联系，不同类型的阻燃材料对应于不同的阻燃机理，阻燃纤维材料的阻燃机理的共性是使纤维制品经阻燃改性或处理之后，增加燃烧难度，提高其极限氧指数，使织物燃烧不容易达到临界条件从而实现阻燃的效果。

常见的合成纤维阻燃处理方法是把某种阻燃剂共混后加入合成纤维的纺丝原液中(如涤纶、锦纶、腈纶)，在燃烧期间，使其中的游离基团被抑制；或者使纤维热分解的过程被改变，促使其发生脱水炭化；另一种方法是使阻燃剂发生分解，产生一定量的不燃气体覆盖纤维表面，以此来达到隔绝空气实现阻燃。

1．2阻燃整理方式

1．2．1 成纤高聚物的热稳定性能的优化

(1)将芳环或芳杂环引入成纤高聚物的大分子链中，使大分子链的密集度提高，从而使分子链的内聚力和刚性得到提升，并采用湿法纺丝的方法将具有高热稳定性能的高聚物纺成纤维。

(2)纤维结构中的线形大分子链间发生交联反应会形成三维交联结构，通过这种交联反应阻止纤维结构中的碳链断裂，从而使制备的纤维具有不收缩，不熔融等阻燃的特性。

(3)纤维放置在200～300 oC的空气氧化炉内，经过一定的时间的高温炭化处理，从而得到具备阻燃性能的纤维-o 。

1．2．2 原丝的阻燃改性

(1)物理共混法：在纺丝熔体中添加阻燃剂或具有阻燃性能的成纤高聚物进行物理共混，是一种原丝改性的方法。

(2)化学共聚法：在制备成纤高聚物的过程中，将含有磷、卤素等阻燃元素的化合物作为共聚的单体添加到大分子链上，利用磷、卤等元素的阻燃特性使纤维的阻燃性能得到优化。

(3)接枝改性法：让乙烯基型的阻燃单体与放射热、化学引发剂或高能的电子束使纤维(或织物)发生接枝共聚反应，这种改善纤维阻燃性能的方法持久

且有效。经过接枝阻燃改性后的纤维，其阻燃性能与接枝单体所含阻燃元素的类别以及其接枝的部位密切相关，如不同接枝部位的阻燃改善效果依次为：表面接枝<均匀接枝<芯部接枝J。

2 阻燃剂整理应用

2．1棉类织物的阻燃整理国内棉织物阻燃整理的应用已经得到快速广泛的发展，并且此类技术目前也已较为成熟，阻燃剂的开发和使用不仅基本上能够自给，也早已达到工业化生产的水平。

表1原棉阻燃整理后的阻燃性能

纯棉的耐久性阻燃整理主要采用以下两种方法：

(1)Proban氨熏整理工艺。基本的工艺流程包括：浸轧阻燃处理、烘干、氨熏、氧化、水洗、烘干。该工艺整理后对织物手感影响小，织物强力损伤小，阻燃效果较好。但该工艺流程长，设备复杂，并且成本较高。

(2)PyrovatexCP后整理工艺。整理后产品的阻燃性能较好，耐久性能好，可耐家庭洗涤50次甚至达到200次以上。缺点是整理工艺损伤纤维的强力。2．2毛类织物的阻燃整理

羊毛的回潮率和含氨量比较高，其自身就具备较好的天然阻燃性能，但对于特殊用途的纺织品，如要符合应用要求仍需进行相应的阻燃整理。澳人利亚国际羊毛局采用羟基酸、钛和锆的络合物的方法对羊毛织物整理，在不影响羊毛的手感的前提下，获得了较好的阻燃效果，故此方法被普遍采用。纯毛阻燃织物的应用主要在如地毯、墙纸、窗帘等室内高档纺织品，军队校官及以上官员的军服，以及飞机舱内纺织品。

2．3锦纶类织物的阻燃整理

含卤、磷元素的阻燃剂可用作尼龙类织物的阻燃，但是其阻燃效果并不十分显著。青岛大学用含锑、溴等元素的化合物对尼龙塔夫绸进行了阻燃涂层整理，发现其作用效果较好。河北大学用羟甲基脲树脂处理尼龙布(运输带用)，也得到了较好的阻燃效果。

2．4腈纶类织物的阻燃整理腈纶比锦纶、涤纶更易燃烧，是一种易燃纤维，

极限氧指数仅18～18．5。青岛大学研制出腈纶剪绒装饰材料用的系列阻燃剂，对绒面织物反面进行涂层阻燃，使产品的极限氧指数达到29以，炭长在8 cm以下时，基本不发生阴燃和续燃现象。其研制开发的腈纶剪绒装饰布一般用作宾馆、飞机、火车及家庭的内装饰材料。

2．5涤纶类织物的阻燃整理

涤纶类织物的阻燃整理仍在性能优化探索阶段，国内由常州化工研究所制造的FRC．1阻燃剂，适用于100％涤纶织物，效果较好且毒性不大一海针织厂、常州针织总厂用这种阻燃剂生产纯涤纶针织品。虽然其整理后涤纶织物的阻燃性能尚町，但整理液的稳定性较低，且整理后织物于感比较硬，易出现白霜、色变等不良现象。

3 几种典型的高性能阻燃纤维

(t)Nomex~系列纤维是芳纶1313纤维中具有代表性的阻燃纤维(图1)。

图1是在相同条件下，把铜管内有Nomex纤维包覆的空气温度和无Nomex

纤维包覆的的空气温度随外界温度的升高而绘制出的对比图。由

图l可知，被Nomex纤维包覆内的空气温度，随着外界温度的升高也升高，但是纤维的内外存在一定的温度差。当外界温度超过100℃时，内外温差逐渐增大，最大温差为45℃。但是当外界温度超过220 c(=后，内外温差逐渐减小，400℃左右时，几乎为零。由此可知，在一定温度下，Nomex纤维有一定的隔热性能，但其隔热性能随着温度的升高逐渐下降直至没有隔热效果。

(2)由日本钟渊化学工业株式会社成功研发的阻燃纤维Kanekalon Protex

具有很高的难燃性，其遇热即收缩成碳化层，故安全性比熔融型的腈纶和涤纶强。新开发的Kanekalon Protex将羊毛、棉等纤维混合达到阻燃的目的，并可解决传统的阻燃纺织品手感差、透气性及吸湿性不好的问题。

(3)Basofil~纤维是德国BASF(巴斯夫)公司成功研制并且投入生产的三聚

氰胺纤维，具有较高的抗溶剂性和良好的阻燃性能，极限氧指数可高达32。此外，热稳定性优良，热传导性低，暴露在火焰中不熔、不缩、不熔滴，是一种可应用于阻燃防护领域的纤维。但其纤维比较脆、硬，初始模量较大，断裂强度较低，加工张力条件是对此纤维进行生产后加工时应该注意的。若加工产品需要在抗高强条件下使用，应该考虑与其它高性能纤维进行混纺。

(4)由我国特安纶纤维有限公司研发的芳砜纶(商品名为Tanlon~)，其极限氧指数高达33，而且具有较好的化学稳定性、电绝缘性能、抗辐射性能及染色性。芳砜纶没有熔点，其可在高温400oC以上分解，但不熔融、收缩或仅呈微小收缩，离焰之后自动熄灭，无续燃或阴燃现象，适用于耐高温的隔热材料及防火外层织物，也可制成消防员防护用品，如内衣、手套、鞋靴头盔等。PSA纤维属于芳香族聚酰胺纤维类。纤维分子中引入了c H 一C H 一(对苯结构)和一S0 一(砜基)，使酰胺基和砜基相互连接对位苯基(占75％)和间位苯基(占25％)，构成线型大分子结构。这种结构很牢固，而且在高温的条件下亦不容易被破坏。因此，PSA纤维具有优良的阻燃和耐热性、高温尺寸稳定性、电绝缘性和防辐射性能，以及良好的机械性能、化学稳定性

和染色性能 (图2)

图2是在相同条件下，把铜管内有芳砜纶纤维包覆的空气温度和无芳砜纶纤维包覆的的空气温度随外界温度的升高而绘制出的对比图。由图2可知，被芳砜纶纤维包覆内的空气温度，随着外界温度的升高也升高，但是纤维的内外存在一定的温度差。当外界温度超过100 oC时，内外温差逐渐增大，最大温差为l10℃。而此时外界温度继续升高，纤维内温度可以维持在100 cI=左右一段时间不增加。但是当外界温度超过200℃后，内外温差逐渐减小，不过400℃后其纤维内外依然具有一定的温度差。由此可知，芳砜纶纤维在一定温度下具有一定的隔热效果，且较高温度下，其依然具有一定

的隔热性能。

图3是在外界温度保持在270 c《=时，同时测试Nomex纤维和芳砜纶纤维包覆下的空气温度的变化情况。由图3可知，在纤维内温度上升的过程中，同一时刻，芳砜纶纤维内的空气温度要比Nomex纤维内的空气温度低，最大温度差为5O℃。

由此可知，一定温度下，芳砜纶纤维比Nomex纤维的隔热性能要更加的优越。

4 阻燃纤维的合成与功能改性

聚砜酰胺作为一种新型的阻燃材料，是我国具有自主知识产权的耐高温纤维产品，对于打破国外公司同类产品的垄断地位，具有重要意义。本文重

点介绍聚砜酰胺纤维材料的合成与功能改性方面的研究现状。

聚砜酰胺树脂一般用界面或低温溶液缩聚法：

界面缩聚的单体活性高，反应快，大部分反应是在有机溶剂一侧进行，对单体纯度和当量比要求不严格，反应主要与单体浓度有关，因溶剂回收麻烦，应用受限；低温溶液缩聚法是均相聚合，所得到的聚合物分子量分散性较小，且可以直接制备纺丝浆液，工艺路线较短，操作方便，溶剂单耗低 ]。反应方程式如图4所示。

聚砜酰胺，其大分子链上含有砜基，是以4，

4’．二氨基二苯砜、3，3’．二氨基二苯砜以及对苯二甲酰氯为主要合成原料，经缩聚反应后再进行干纺或湿纺工艺加工而制得的纤维¨，属于对

位芳纶系列化合物。

其制造工艺如下：向二甲基乙酰胺溶液中添加4，4’一二氨基二苯砜及3，3’．二氨基二苯砜后，加入对苯二甲酰氯进行低温缩聚反应，经过该缩聚反应可得到相对粘度>1．5，溶液体积浓度约为12％一14％的聚砜酰胺纺丝溶液。然后利用该纺丝液进行纺丝操作，先用氯化钙对纺丝液进行中和，经过过滤、脱泡等操作后进行湿纺，二甲基乙酰胺氯化钙的水溶液作为凝固浴，经水洗、干燥后进行热拉伸即可得到长丝¨。若要制备短纤维，则将所得的长丝束卷曲后切断、打包；若制备沉析纤维，则向上述纺丝溶液中加入适量的沉析剂，经高速剪切力的作用，可得到纤维状的沉析纤维，对其水洗后干燥即可得到所需制品，其工艺流程参

见图5。

聚砜酰胺具有耐高温、电绝缘、耐燃烧、耐腐蚀、耐辐射和尺寸稳定性好等特点，经过纺织加工和染色后，可供电力、冶金、化工、环境保护和宇航工程等产业应用，具体用途简述如下：

(1)PSA纤维具有耐高温、电绝缘性和尺寸稳定性好等特点，因此可用以制作EH级耐高温电绝缘纸，利用该纤维制作EH级电机的衬垫材料和适形材料，可达到电机体积小、重量轻、功率大、效率高的要求 14]。PSA纤维纸与聚酰亚胺薄膜复合制成的H级电机绝缘纸可用于起重、冶金、矿用直流电机，产品寿命显著延长、性能提高。

(2)PSA纤维具有耐高温、高强度、高模量等优异特性，常用作除尘器净化高温烟气的滤料。PSA短纤维作为200—250℃高温烟气过滤材料，在较高温度下净化烟气，不仅可以减少污染，改善环境，同时可以节约大量能源，并且可以回收大量的稀有金属，获得显著的经济效益和社会效益。

(3)PSA纤维没有明显的熔点，在高温400℃以上开始分解，但不熔融、不收缩或仅呈微小收缩，离焰即自熄，无续燃或阴燃现象，极限氧指数为33_，适用于森林防火服、带电作业均压服、航空工业的防风服、熨烫机台布、军用防热防燃工作服等产品的开发。由于PSA织物具有轻柔、耐久、美观等特点，是其它无机阻燃织物所不能比拟的。随着PSA及其织物的生产技术和

产品质量性能的提高，应用范围将越来越广¨。臭氧层的破坏，导致紫外线辐射量剧增。由于过度的紫外线照射而引起的皮肤病正以每年5％的速度增长，因此，有效阻隔紫外线照射，对健康防护非常重要 J。此外，纺织品在生产加工和使用过程中，因相互摩擦或与其他材料摩擦时会产生静电。静电不仅导致纺织加工困难，而且在纺织品的使用过程中容易吸尘沾污，静电严重者还可能引起火灾、爆炸等灾害。

聚砜酰胺作为我国自主研发的芳香族聚酰胺纤维，其阻燃性能优越。但是正如上文所说，随着社会的发展，单纯的阻燃纺织材料已经不能满足社会的需求，抗紫外性和抗静电性在纺织品的开发过程中也得到越来越多的重视，新型的抗紫外线抗静电阻燃聚砜酰胺材料也是目前研发的一个重要方向。

对于纤维的改性，可采用共混的方法使其获得新的性能复合_2 。纤维改性的共混工艺一般有如下几种：

(1)简单物理机械混合，直接将两种聚合物进行混合，聚合物均是完全相容体系，物料的混合过程通常依靠扩散、对流和剪切三种作用完成，通常只有物理变化，包括干粉共混发、熔体共混法、溶液共混法和乳液共混法等。

(2)反应性共混技术：混炼过程中同时伴随一种或多种聚合物的化学反应，最终导致聚合物之间产生化学键接，包括反应性密炼和反应性挤出¨。(3)共聚一共混法：首先制备一种聚合物，然后将其溶于另一种聚合物的单体中，形成均匀溶液后引发单体与原先的聚合物发生接枝共聚，同时单体还会发生均聚作用[161。

(4)IPN技术：每种聚合物必须在另一种聚合物直接存在下进行聚合或交或者既聚合又交联。通过共混，具有阻燃特性的纤维获得良好的性能优化和复合，其功能更加全面，性能更加优良，更加符合社会的发展和人们的需要。

5 结论

目前阻燃类纺织品的开发具有良好的发展前景，而采用阻燃纤维以及抗静电抗紫外线改性处理技术开发阻燃类纺织品是今后产业用纤维材料领域内的一个重要发展方向。加强新型阻燃纤维的研制及阻燃纺织品功能化的研究，特别是聚砜酰胺类阻燃制品的开发和性能优化对推动阻燃纺织

品发展具有重要的科研和实用价值。

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