织物功能整理-阻燃整理

第二节 纺织品燃烧机理
Flame Mechanism
纺织品的热裂解及燃烧
燃烧包括：裂解和燃烧两个过程 纺织品无蒸气压，在燃烧前，必然先发生分解， 生成挥发性的可燃性气体（volatile combustible）,再与氧反应发生燃烧。 纺织材料分解温度和热裂解产物决定于材料的组成。 不同的高聚物具有不同的热分解温度和产物，因此燃 烧机理和燃烧性能不同。
表1 纤维素纤维热裂解产物
Madorsky及其合作者提出：
“热裂解和脱水同时发生”机理，解释纤维素的热裂解反
应，认为：
（1）C—O键C—C键不稳定，纤维素受热时，C5－C－，
C1－O和C4－O键发生断裂，使一部分纤维素完全破坏生
成H2O,CO,CO2和C； 左旋葡萄糖进一步分解为易挥发物质，引起火焰。
可燃气体是通过两条途径生成的。
（2）纤维素分子中的配醇键任意裂解，生成左旋葡萄糖，
上海纺科院利用TGA（热重分析）和PY—GC—MS
（裂解－气相色谱－质谱）法对纤维素的裂解行为进
行了研究。证明纤维素热裂解成左旋葡萄糖再分解出
可燃气体，裂解过程分为三个阶段，即：
初始裂解阶段；
主要裂解阶段； 残渣裂解阶段。
二、阻燃纺织品发展概况
1753年 美国首先取得了应用于纺织品的阻燃混合物 ――胆矾、硫酸铁和硼砂的专利。
1821年 法国取得了用硼砂（NH4）3PO4 和氯化物对 蚕丝、亚麻进行阻燃整理的专利。
1912年 Perkin在纤维内沉积SnO2，得到了耐久的防火 效果。
第一、二次大战期间，美、英、德、日规定禁止出售按 DOCFF－3－71 垂直法阻燃试验不合格的产品（碳长 <7in 耐洗50次）
1975年 美、日为7－12岁儿童睡衣规定了标准 DOCPFF－5－13法（耐洗50次 上法测试） 1982年 美国规定1982年12月31日以后新出售的家具布 均需通过“一支烟”试验（一根香烟点完后，烧焦距离 不大于50.8mm） 当今，欧、美、日本等国，把纺织品的阻燃整理集中 于下列织物：产业用布、装饰用布，劳保用布，床单 布，家具布，老人、儿童睡衣。
3、家居生活 家庭装饰纺织品、服装； 我国对家庭用 装饰纺织品还没有防火的强制要 求，国外有些国家对装饰纺织品和儿童、老人 的家居服有防火要求的规定。
本章讨论的内容
1、纺织品阻燃整理技术发展概况及相关概念 2、纺织品燃烧机理
3、阻燃整理机理 4、阻燃整理剂及工艺 5、阻燃效果评价 6、阻燃纺织材料研究方法介绍
c. 低烟、低毒性物质（smoke level and low toxicity level of combustion products ），阻燃剂本身及燃烧时产生的烟雾无毒 或低毒 d. 耐久的阻燃性
（2）阻燃整理后纺织品性能保持不变——物理机械性能，织物 外观等
（3）阻燃剂耐碱水解，耐水洗及干洗 （4）加工方便、污染少、价格低、无需特殊设备
4.极限氧指数（limiting oxygen index） ：在规定的 实验条件下，使材料恰好能保持燃烧状态所需氧氮混合 气体中氧的最低浓度，用LOI表示。 O2 LOI= N2 + O2 5.续燃时间：当移去火焰后，试样继续燃烧至有焰燃烧停 止的时间。 6.阴燃时间： 7.损毁长度（炭长）：
×100%
织物阻燃整理
(flame retardant fiFra Baidu bibliotekishing)
第一节、概况
2004年2月吉林市中百商厦发生特大火灾，造成53人死亡
上海2010.11.15高层起火，10人死，消防员3牺牲
吉林辽源市最大医院---中心医院发生火灾， 造成３８人死亡
2005.2.15吉林燎原中心医院火 灾
11月5日，吉林市商业大厦发生火灾，造成19人死亡，24人受 伤，家电、服装、鞋帽、家具大多化为灰烬。
2003.11俄罗斯人民友谊大学火灾， 41人遇难，其中11名中国留学生遇难
深圳龙岗舞王俱乐部火灾
上海商学院火灾四名女生遇难
一、引言 introduction （一）有关纺织品引起火灾的调查： 1、据英国的一项统计显示：
到1989年为止，约20％的住宅火灾是由纺织品引起的 (即纺织品是首先被引燃的材料)，50％以上的死亡是 由这些（纺织品）火灾造成的。也有统计，一半的火 灾是由纺织品引起的。
图7 五种不同的棉织物热重分析(TGA)曲线图
1-纤维素纤维；2-精炼棉织物；3-硫化染料染色棉织物； 4-还原染料染色 ；5-阻燃、染色处理
初始裂解阶段： 温度低于370℃时的裂解为初始裂解阶段。 主要发生在无定形部分，无定形部分基本被消耗尽。 无定形部分纤维素的裂解又可分为两个子过程： （1）第一初始裂解过程――纤维素大分子上的甙键断 裂，发生转甙作用，生成跨环的桥键。 （2）第二初始裂解过程――第一葡萄糖单元变为左旋 葡萄糖，从大分子上断裂下来，接下来重复第二初始 裂解过程，不断产生左旋葡萄糖。 纤维的变化：物理性能有很小变化及少量失重，约在 14%以内；纤维素的D.P.开始时下降很快，然后趋向 于一稳定值150－400 。
2002年12月1日晚，位于南京老虎桥附近的南大成教院 宿舍楼电线老化引起发生大火，宿舍内的学生衣物等贵 重物品均被付之一炬，损失惨重。 2002年11月6日，西安联合大学学生宿舍失火，原因为使用 电炉做饭，明火点燃地上报纸造成火灾。
2001年12月17日深夜，四川大学东区一座学生宿舍楼发生 火灾。一研究生寝室内电脑、电视等所有物品全遭焚毁。 2001年12月17日，四川大学一研究生宿舍发生火灾， 失火原因为台灯使用时间过长引燃床单。
基质在外部热量作用下，受热裂解，产生可 燃性气体（ΔH2），其中一部分气体与空气中的氧 结 合 而 呈 火 焰 燃 烧 （ ΔH1 ） ， 余 下 的 可 燃 气 体 （ΔH2-ΔH1）随催化剂在剩余氧的作用下继续燃 烧。火焰产生的燃烧热（ΔH1），一部分不断提供 于基质，促使基质加热裂解，形成循环；另一部 分热量扩散周围环境中。因此材料热分解的难易 程度，即热分解发生的最低温度、气体化合物的 特性和质量都决定了材料的燃烧性。
2、阻燃纺织品（Flame resistance textile）：纺织品被置 于火源时，它可被点燃或不被点燃。一旦点燃后移去火源， 即能停止燃烧，或焖烧（smoulder—无焰燃烧—阴燃）一 会儿，再自熄（self--extinguish）。
3、可燃纺织品（Flamenable textile）：纺织品被置于 火源时，即被点燃。并发生燃烧至烧尽。
纤维燃烧性能与极限氧指数
纤维 LOI值（%）
不燃纤维
阻燃纤维 难燃纤维 可燃纤维 非阻燃纤维 易燃纤维
≥35
27－34 20－26 ≤20
属于阻燃纤维的有：
（1）无机纤维：石棉（Asbestos）、玻纤（Glass
fiber）
（2）碳纤维（Carbon fiber）
（3）耐高温纤维：芳香聚酰胺Nomex LOI 28.5
我国在阻燃方面的研究
50年代 以研究棉织物暂时性阻燃整理起步，发展缓慢。
60年代 研制成功了耐久性纯棉阻燃纺织品。 70年代 开发了Pyrovatex CP阻燃剂，并开始了对合
成纤维及混 纺织物阻燃技术研究。
80年代 我国阻燃织物研究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纤
（二）研发阻燃纺织品的重要性：
◆消防难度增加：现代化大城市人口密集、高层与地
下建筑越来越多，灭火工作难度很大，为减少火灾 发生及降低火灾危害，包括阻燃纺织品在内的阻燃 系列产品的开发被提上日程，对纺织材料进行阻燃 整理显得更为重要。
Tovey指出 “尽管纺织品的着火是由于人们对热 源的使用或材料的点火不当而引起的，但这并 不能推卸纺织工业生产可燃性纺织品的责任。” 因此，研究纤维制品的可燃性，是科技工作者 面临的重要问题之一。
维;
对阻燃 纺织品的使用进行立法，如影剧院等公共场所、
飞机、轮船等交通工具的纺织材料必须使用满足要求的阻
燃纺品。
90年代至今 开发了高性能阻燃纤维如芳香聚酰胺 Nomex 、Kevlar 、 阻燃黏胶纤维、碳纤维、预氧丝 、新型阻燃剂。
三、有关阻燃纺织品的术语
1、防火纺织品（Fire resistance textile）：纺织品被置 于温度为600℃的火源时，仍能保持原状而不被点燃， 纺织品不失其原有性能。
◆特殊作业环境要求阻燃防护纺织品
; ◆强制性法规要求特殊场所使用阻燃纺织品。
（三）阻燃纺织品的开发途径 1、采用阻燃纤维织制阻燃纺织品 2、采用后整理手段制备阻燃纺织品
（四）阻燃纺织品的应用领域
1、军事上 军用个体防护的战训服； 军用集体防护的掩体； 武器的罩衣等。 2、产业上 消防员防护服、炼钢工作服、焊接工作服、医用 防护服等； 篷盖布、建筑纺织品、交通工具的装饰纺织品、 影剧院、宾馆等公共场所的纺织品都需要阻燃。 医院学校
纺织品的燃烧一般分为四个阶段
（1）加热（heating）―― 热量从火源传递到织物 （2）热裂解（pyrolysis） ――织物受热开始分解
图1聚合物燃烧过程示意图
（3）挥发（volatiligation） ――热分解化合物的扩散 及对流 （4）氧化（oxidigation） ――热分解产物与大气中 的氧发生反应（产生光和 热）
－30 ；Kevlar LOI 28－32 （4）加入阻燃剂（flame retardants）以达到阻燃 的目的
阻燃整理纺织品的要求：
（1）燃烧性 a . max char length：（┸条法）<7in （17.8cm）。炭 长指试样在点燃后一定时间，试样原长与燃烧后未燃 着长度之差
b. Oxygen Index ： LOI 大于27（26） 。在一定试验 条件下使纺织品维持燃烧所需的最少含氧量（％）
近年来中国火灾损失
年份 火灾数量 （万起） 死亡人数 经济损失 （万元）
2005 2006 2007 2008
23.6 22.3 15.9 13.3
2496 1517 1418 1385
136000 78000 99000 150000
2011年，全国共接报火灾125402起，死亡1106人， 受伤572人，直接财产损失18．8亿元。
云南省中心学校——21人死2人伤 1997年5月23日凌晨3时许，云南省富宁县洞波乡中心学校 学生侯应香在床上蚊帐内点蜡烛看书，不慎碰倒蜡烛引燃蚊帐 和衣物引起火灾。火灾损失烧死学生21人，伤2人， 烧毁宿舍 24平方米，直接经济损失1．5万元。 2001年5月16日，广州市的一所寄宿学校发生火灾，造成8名 正在准备高考的学生死亡，25人受伤。这是自1999年发生夏 令营火灾并造成19名儿童死亡以来发生的另一起校园火灾惨剧。 火灾是未熄的烟头引燃了一间休息室的沙发后引起的
棉纤维的热裂解反应
纤维素分子结构
棉纤维是以1.4苷键相连的右旋葡萄糖所组成的大分 子，每个葡萄糖上有两个仲羟基和一个伯羟基，其热 裂解反应一般为：
纤维素高分子 → 降解成纤维素低分子 → 分解为左旋 葡萄糖 → 分解小分子有机化合物（包括可燃性气体）
纤维素分解成可燃气体的必由之路是先生成左旋葡萄 糖
1989年通过法律强制实施在英国国内市场销售阻燃装潢型家具。 美国、日本推出法规，要求儿童、老人的睡衣有阻燃性； 我国法规规定，在交通工具（飞机、火车、轮船等）、影剧院 等场所使用阻燃纺织品。
2、日本的一项火灾调查显示： 起始着火物为纺织品的占37%。
3、美国20世纪90年代平均每年死于火灾的人数是 4600多人；平均每10万人口的火灾死亡数美国是1.77 人，日本是1.66人； 3、我国火灾调查显示：平均每年发生的火灾次数 为３—４万起，死亡人数２—３千人/年，火灾损 失折合人民币2—3亿。起始着火物纺织品占有很大 比例.
图2 纤维素纤维分解燃烧模型图
从纺织品燃烧的四个阶段分析，控制每个阶段都 有可能使其停止燃烧：
（1）去除热源或冷却基质，使织物达不到裂解温度。 （2）选择既不分解又不挥发的稳定的基质；或改变基 质的热分解历程，显著减少可燃性气体的生成量。 （3）降低燃烧区内氧气浓度以终止氧化。 （4）干扰火焰的燃烧反应，减少燃烧产生的热量