纺织用品中阻燃纤维的阻燃机理及应用

刘湖滨

（韩国世宗大学，韩国首尔 05006）

纤维纺织产品在日常生活、建筑、军事、医药、生物等方面有广泛的应用，但未经过阻燃整理的纤维织物具有易燃性，容易在使用过程中引发火灾，造成人员伤亡或财产损失。对纤维素类纺织物进行阻燃整理已经成为纺织物发展的趋势之一，许多国家相继提出了纺织产品阻燃性能的相关要求。阻燃纤维一般指在高温燃烧环境中不能燃烧或者不能充分燃烧的纤维材料，与明火接触后不会产生火焰或只能产生细微的火焰，与火源分离后火焰迅速熄灭［1］。因此，研究纺织品的阻燃性能和发展现状，对纺织物的生产和发展具有重要意义。目前，棉质纺织品的阻燃整理技术已经基本成熟，合成纤维的阻燃整理研究也得到了一定的发展，但是还存在一定的缺陷（例如阻燃整理后，合成纤维染色织物的耐久性、手感、染色效果、强度等性能出现不同程度的降低；合成纤维阻燃单体合成费用比较高等），因此，对各类纺织产品进行阻燃整理仍然需要进一步探究。

1 阻燃纤维的阻燃机理

随着科学技术和纺织行业的发展，织物的种类逐渐增加，织物的阻燃性能成为衡量品质的因素之一。对织物进行阻燃整理并不是指整理后的织物与火源接触不燃烧，而是指最大限度地降低纺织物的可燃性，减缓火势的蔓延速度，与明火分离后，织物上的火焰能快速熄灭且不会复燃［2］。发生燃烧一般需要具备可燃物、热源和氧气3 个条件，要达到阻燃目的，必须切断3 个燃烧条件之间的循环。目前被认可的阻燃机理大致有以下6点：

1.1 覆盖机理

在织物上添加一定量的阻燃剂，当织物处于高温环境时，阻燃剂在织物纤维表面形成熔融层状薄膜或泡沫覆盖层，发挥隔绝空气、隔热作用，降低可燃性气体的释放量，进而阻止纺织物持续燃烧［3］。阻燃剂在纺织纤维表面形成隔离层的方式有两种：（1）阻燃剂受热产生的降解产物促进织物纤维表面脱水炭化，形成稳定性比较好的炭化层或交联状固体物质，不仅可以阻止纤维中的聚合物进一步裂解，还可以防止热分解产物进入空气中继续参与燃烧，磷系阻燃剂通过这一机理对含氧聚合物进行阻燃；（2）阻燃剂（例如卤化磷类和硼系阻燃剂）在高温燃烧环境中分解成不易挥发的薄膜包覆在纤维表面，发挥隔离膜的作用，进而阻止火势蔓延。

1.2 吸热机理

一般的燃烧反应可在短时间内产生很高的热量，如果在燃烧过程中迅速转移或吸收一部分热量，则可以降低火焰温度，在一定程度上抑制燃烧［4］。织物燃烧时温度较高，部分阻燃剂会在高温下发生吸热分解反应（如相变、脱水、脱卤化氢等），吸收燃烧过程中的部分热量，进而降低织物燃烧的温度，降低纤维表面温度，减少可燃性气体的释放，抑制聚合物发生热裂解。无机类阻燃剂一般为吸热阻燃方式，例如氢氧化镁、氢氧化铝等。

1.3 不燃性气体窒息机理

阻燃剂在高温下受热分解出不燃性气体，稀释纤维聚合物燃烧后释放的可燃性气体浓度，使可燃性气体浓度低于产生火焰的浓度，同时稀释织物燃烧范围内的氧浓度，生成的不燃性气体和热对流也会分散一部分热量，抑制或阻止燃烧的继续进行，发挥阻燃作用［5］。

1.4 熔滴机理［6］

织物纤维受热燃烧时，阻燃剂作用于纺织物纤维表面，使织物纤维的聚合物发生分解反应，逐渐扩大着火点和熔点之间的温度差，熔融的热塑性纤维会收缩形成熔滴滴落并带走一部分热量，抑制燃烧过程，使火焰熄灭。

1.5 提高织物纤维的热裂解温度

将芳环或者芳杂环引入织物纤维的聚合物大分子，使分子链间的作用力、交联程度和大分子链间的密集度增大，提高纤维材料的炭化程度以及耐热性，进而发挥阻燃作用［7］。

1.6 自由基控制机理

由燃烧链反应理论可知，自由基是维持燃烧的基础。气相燃烧区中，阻燃剂能够捕捉燃烧反应中的自由基，抑制火焰继续蔓延，进而降低燃烧反应的速度，直至火焰熄灭［8］。含卤阻燃剂的蒸发温度接近纤维聚合物的分解温度，当织物受热燃烧分解时，阻燃剂也会随之挥发，热分解产物与含卤阻燃剂均处于气相燃烧区，阻燃剂中的卤素可以捕捉维持燃烧反应的自由基，降低燃烧区域的火焰密度，最终抑制或者阻止织物继续燃烧。

2 纺织物阻燃纤维的种类

阻燃纤维纺织产品众多，不同纤维聚合物大分子与阻燃剂通过物理或者化学方式结合，形成阻燃性能不同的纤维被用于不同行业，降低纺织品发生火灾的概率，最大限度地保障公众的人身和财产安全，或者满足部分行业的特殊要求。

2.1 阻燃聚丙烯腈纤维

聚丙烯腈纤维是由丙烯腈和其他单体发生共聚反应产生的聚合物再经纺织得到，性能与羊毛极其相似，因此常被称为“人造羊毛”。聚丙烯腈纤维具有良好的耐候性、弹性、耐日晒性、蓬松性、保温性及耐化学试剂性能，对漂白粉、无机酸、过氧化氢和一般的有机试剂都有耐受性。但是聚丙烯腈纤维织物的阻燃性、耐磨性和强度较差，在农业、建筑业、工业等领域中的应用受到限制。近年来，纤维纺织产品引发的火灾众多，人们对阻燃纤维织物的关注与日俱增，但是聚丙烯腈纤维的极限氧指数约为17%，位居合成纤维的末位，需要进行阻燃整理（使其极限氧指数高于26%）。董雪等［9］以聚丙烯腈纤维、水合肼、氯化锌等为原料制得聚丙烯腈改性纤维，并研究了聚丙烯腈纤维和改性纤维的结构、力学性能、热稳定性、阻燃性能和结晶性能。结果表明，改性聚丙烯腈纤维的初始分解温度降低，残炭量和最高分解温度升高，且改性纤维的阻燃性能得到提升。但是由于纤维的表面结构和结晶性在改性过程中被破坏，改性聚丙烯腈纤维的力学性能下降。徐静等［10］通过聚丙烯腈与肼、碱试剂的交联-水解反应，再结合金属离子的螯合作用，利用Zn2+、Na+和Mg2+对聚丙烯腈纤维进行改性，研究了3 种金属离子改性聚丙烯腈纤维的各项性能。结果表明，与未改性的聚丙烯腈纤维相比，改性纤维燃烧后依旧具有纤维形态，纤维的炭层致密性提高，体积比电阻降低，极限氧指数升高，阻燃效果明显提升，Zn2+改性纤维的阻燃效果最佳。

2.2 阻燃耐高温纤维

阻燃耐高温纤维种类较多，例如Basofil 纤维、PBI 纤维、PPS 纤维等。Basofil 耐热防火纤维是一种由三聚氰胺合成的阻燃纤维，具有很好的热稳定性、阻燃性和防水解、防化学品腐蚀、防紫外线性能，被应用于多种隔热防火工作场所。Basofil 纤维呈象牙色，可用染料染成各种颜色，与其他阻燃纤维混合织造，可以得到优良的耐火阻燃纺织产品。PBI 纤维即聚苯并咪唑纤维，素有“阻燃之王”的美誉，是一种典型的杂环高分子耐高温材料。PBI 纤维具有良好的纺织加工性、吸收性、阻燃性、染色性、热稳定性和化学稳定性，但耐光性能较差，纤维分子在可见光区对光有吸收，纤维会随之发生光降解，在有氧环境中光吸收作用增强。PBI 纤维主要应用于低毒、无烟、阻燃、耐高温领域，可以制备飞行服、消防服、耐高温工作服或救生用品等。PPS 纤维也被称为聚苯硫醚纤维，是由聚苯硫醚树脂采用常规的熔融纺丝技术经高温、卷曲、拉伸和切断制得，具有优异的阻燃性、热稳定性和较好的纺织加工性能，可用于制造高级消防服装。胡宝继等［11］根据聚苯硫醚聚合物熔体黏度大、熔点高、流动性差的特点，选取4 种性能不同的聚苯硫醚原料，从中筛选出适合熔喷纺丝的原料，探索熔喷纺丝的各项工艺参数，再根据实验数据分析聚苯硫醚的熔喷可纺性。结果表明，熔融指数为258 g/10 min的聚苯硫醚熔喷可纺性比较好，在适当的熔喷工艺参数下可以纺造出纤维直径为2～5 μm、连续均匀的聚苯硫醚无纺布。朱超俊［12］测试了消防服外层常用的PI 面料、Nomex111A 面料、PBI/Kevlar 混纺面料和PI/Kevlar 混纺面料的热防护性能和阻燃性能，并且将不同面料的垂直燃烧性能、极限氧指数、热防护性能和高温燃烧测试值进行了比对，阐述了不同面料用于消防服外层的优缺点：PBI/Kevlar 混纺面料极限氧指数最高；PI 面料、PBI/Kevlar 混纺面料和PI/Kevlar混纺面料的阴燃时间、续燃时间和损坏长度相似，均具有良好的阻燃性能；达到一定温度时，4 种面料均可自燃，PBI/Kevlar 混纺面料的自燃温度最高。因此，消防救援时应尽可能避免长时间与火焰近距离接触；Nomex111A 面料的热防护性能最好。

2.3 阻燃黏胶纤维

黏胶纤维以天然纤维素为原料制成，具有绿色环保、可再生、生物相容性优良等优势。黏胶纤维的极限氧指数仅有19%，与其他纤维纺织品有相似的易燃特性。经过阻燃整理的黏胶纤维具有易染色、吸湿性好和抗静电等性能，一般被用于特种防护纺织产品，在与火源短暂接触时，能够迅速起到保护作用。阻燃黏胶纤维与芳纶、羊毛等高性能纤维混纺可制得兼具多种纤维优良性能的织物，这类织物手感柔软、穿着舒适、吸湿性良好且阻燃性能较好，在家具装饰、高档内衣纺织领域具有很好的发展前景。

阻燃黏胶纤维的整理工艺主要有两种：（1）纺丝结束后使用物理或化学方式将阻燃剂附着在黏胶纤维上；（2）纺丝之前将阻燃剂混合或键合到黏胶中，然后再通过纺丝得到阻燃黏胶纤维。孙凯飞等［13］以阻燃黏胶纤维为主体，混入芳纶、腈氯纶、聚酰亚胺等多种纤维，制备成4 种舒适阻燃防电弧面料，并测试了4 种面料试样的阻燃性能、断裂强力、透气率、撕破强力、热收缩率等。结果表明，采用芳纶、导电纤维和阻燃黏胶纤维制得的混纺双层结构面料各项性能较为理想。张兴娟等［14］为了解决高性能阻燃防火制服不易护理、透气性较差等问题，将阻燃黏胶纤维引入锦纶纤维、防缩羊毛纤维中，织造出一组黏胶/羊毛/锦纶混纺阻燃工装新型面料，并将其与同组织规格的羊毛/锦纶面料、羊毛/涤纶面料进行耐磨性和阻燃性能对比。结果表明，新开发的混纺工装面料具有更强的耐磨性、阻燃性，适当提高面料中的阻燃黏胶纤维质量分数能够有效提升工装面料的阻燃效果。

2.4 阻燃涤纶纤维

聚酯纤维也被称为“涤纶”，是由二元醇和二元酸缩聚成聚酯再经纺丝制得的合成纤维，是一种高分子化合物。涤纶纤维具有良好的保形性和抗皱性，较高的弹性恢复性能和强度，且涤纶织物抗皱免烫、坚固耐用、不粘毛。涤纶经共聚阻燃改性、共混阻燃改性或阻燃整理可以得到阻燃性能优良的阻燃涤纶。阻燃涤纶纤维遇火时只会产生熔滴，不会燃烧，即使经过35～50 次洗涤，阻燃性能也不会改变。阻燃涤纶纤维广泛应用于室内装饰织物、帐篷、飞行服、降落伞等。丁放等［15］以甲基丙烯酰胺、氯磷酸二乙酯为原料，制备磷氮阻燃剂二乙基甲基丙烯酰胺磷酸酯，利用浸渍法整理到涤纶织物上，以实现对涤纶织物的低毒性阻燃整理，并研究了浸渍时间和硫酸钾用量对阻燃涤纶织物各项性能的影响。结果表明，经过浸渍后，阻燃剂被成功整理到涤纶织物上，燃烧后织物的炭长大幅下降，极限氧指数提高到28.7%，对阻燃涤纶织物进行10 次水洗后，其极限氧指数仍为27.4%，阻燃性能良好。刘梅城等［16］利用聚酰亚胺纤维优良的阻燃特性，将其与阻燃涤纶按照一定比例进行混纺，并优化了混纺工艺参数，不仅在很大程度上解决了聚酰亚胺纤维的适纺性问题，而且实现了控制纱线质量的目的，制得的新型混纺纱符合预期开发目标，各项性能均符合标准，且阻燃性能良好。

2.5 阻燃锦纶纤维

锦纶纤维也被称为聚酰胺纤维，具有良好的耐磨性、回弹性和强度，其工业产量仅次于涤纶纤维，广泛应用于工业、医疗、军事等领域。但锦纶纤维中含有化学性质较为活泼的酰胺键，在高温环境中，酰胺键极易与阻燃剂发生反应，使锦纶纤维发生降解。锦纶纤维织物的阻燃方法：（1）对锦纶纤维原料进行阻燃整理；（2）对锦纶织物进行阻燃后整理；（3）前两者结合进行阻燃整理。阻燃锦纶纤维的生产主要以共聚混合法为主，常用的阻燃剂有含增效剂的卤化物阻燃剂和磷系阻燃剂。与锦纶纤维进行共聚的阻燃剂要求：（1）与纤维相容性好；（2）耐高温、粒径小；（3）纺丝温度为250～300 ℃时，能够有效防止锦纶纤维燃烧形成熔滴滴落。在实际生产阻燃锦纶纤维时，首先将阻燃剂与聚合体及其他助剂混合均匀制成纺丝母粒，再按照一定比例纺丝，最后织造成阻燃锦纶纤维。汤甜甜等［17］将CESALON 阻燃锦纶纤维与芳纶、阻燃黏胶纤维按照不同比例进行混纺，得到两类混纺纱，并测试不同混纺纱的阻燃性能、拉伸性能和外观质量。结果表明，随着CESALON 阻燃锦纶纤维用量的增加，CESALON 阻燃锦纶纤维/阻燃黏胶纤维混纺纱的断裂伸长率逐渐增加，断裂强度先减小后增大；当CESALON 阻燃锦纶纤维用量为70%时，混纺纱断裂强度最小；当CESALON 阻燃锦纶纤维用量小于20%时，混纺纱拥有较好的阻燃性能，且抗熔滴性能增大。随着CESALON 阻燃锦纶纤维用量的增加，CESALON 阻燃锦纶纤维/芳纶混纺纱的断裂伸长率先减小后增大，断裂强度逐渐减小；当CESALON阻燃锦纶纤维用量高于20%时，混纺纱出现熔融现象。李峰［18］研究和开发了降落伞使用的锦纶织物的防灼和阻燃整理工艺，并制备了新型锦纶防灼剂，有效地解决了飞机机载锦纶降落伞的灼伤问题，将锦纶降落伞的灼伤率降低了70%以上。此外研制出一种新型的阻燃单体，利用光引发接枝技术将阻燃单体整理到锦纶织物上，有效地改善了锦纶降落伞的阻燃性能，且力学性能变化较小。

2.6 维纶阻燃纤维

维纶也叫维尼纶，是聚乙烯醇缩醛纤维的商品名，性能与棉花相似，因此有“合成棉花”之称，是合成纤维中吸湿性最好的纤维。维纶化学稳定性好，耐气候性和耐日光性较好，不耐强酸、耐碱，强度弱于锦纶和涤纶，维纶染色性较差，易起皱，且染色织物颜色暗沉。采用溶胶-凝胶技术，首先将高分子阻燃剂转化为纳米级粒子，再通过特殊工艺整理到维纶纤维有机大分子中制得阻燃维纶纤维。阻燃维纶纤维不仅具备纤维本身的物理性能，还增加了无毒、阻燃、不熔融、不滴落等特点。以阻燃维纶纤维为原料制得的纺织产品，安全性能与使用性能均得到大幅提高，已被广泛应用于工业、军事、纺织、建筑等领域。赵虹等［19］以六苯氧基环磷腈无卤阻燃剂、聚乙烯醇为原料，制备混纺丝质阻燃维纶纤维，并研究了纤维的阻燃机理和阻燃性能。结果表明，随着纤维中阻燃剂质量分数的增加，阻燃维纶纤维的阻燃性能增强，当阻燃剂质量分数为30%时，阻燃维纶纤维热稳定性大幅提升，对阻燃维纶纤维进行缩甲醛化处理后，极限氧指数有所下降，但仍达到阻燃要求。张晓云等［20］以Pyrovatex CP 作为阻燃剂，将其添加在维纶水溶液中，制备了阻燃维纶纤维，并研究了有机磷系阻燃剂Pyrovatex CP 用量对阻燃维纶纤维阻燃性能和力学性能的影响。结果表明，当维纶纤维与阻燃剂质量比为10∶4 时，制备的阻燃维纶纤维综合性能较好，具有良好的阻燃性能与力学性能。

3 结论

由于多数纺织产品易于引发火灾，对人们的生命和财产造成极大威胁，开发具备阻燃性能的纺织产品成为减少火灾隐患的途径之一。而使用阻燃纤维织造纺织物是生产阻燃纺织物的途径之一，因此，阻燃纤维在纺织市场具有很大的发展潜力。研究人员要不断总结经验，加大对阻燃纤维、阻燃织物的研发力度，推进性能综合化、生产环保化、工艺科技化的阻燃工艺和织物的生产进程，加强阻燃纺织产品的宣传，从源头上降低纺织产品的火灾威胁。