纺织铺地物阻燃检测标准及阻燃方法研究进展

李 想

(天津市产品质量监督检测技术研究院地毯研究中心,天津 300211)

纺织铺地物是常见的室内地面装饰材料,大量应用于工业、商业及民用场所。较之弹性铺地物、层压铺地物等硬质材料,纺织铺地物具有表现力丰富、质感舒适、式样可设计性强等优点,同时具有隔离噪音、吸附尘土、净化室内空气等作用。但近年来,纺织制品的易燃性已成为引发火灾的主要隐患,并且纺织铺地物作为大面积铺设地面材料,在燃烧过程中常伴有熔滴现象或释放有毒有害气体,给人民的生命财产安全造成巨大威胁[1]。因此,迫切需要适用的纺织铺地物阻燃相关测试标准及规范,其对优化阻燃整理工艺、提高纺织铺地物的阻燃性能具有重要导向作用,对于降低火灾损害、扩大产品市场占有率具有重要的战略意义。

1 纺织铺地物阻燃检测标准及分级标准

目前,纺织铺地材料就阻燃性能已建立起一套较为完备的评估、检测与分级体系。其中,检测是评估结果的量化体现,分级是在评估和检测基础上,根据量化指标进行的等级划分。研究其中主要的方法和分级指标,分析不同检测方法的测定原理、适用范围与结果表征。

1.1 阻燃检测标准

1.1.1 辐射热源法

辐射热源法是按照GB/T 11785—2005[2](BS EN ISO 9239—1:2010)确定的试验方法和条件,点燃水平放置并暴露于倾斜的热辐射场中的纺织铺地材料,通过观测火焰蔓延能力及产烟量,对其受控试验室状态下的燃烧性能进行评估。试验采用试件表面火焰停止蔓延并熄灭的位置所对应的临界辐射通量(CHF)、试验开始xmin内,试件上火焰蔓延最远距离处所对应的辐射通量(HF-X)及确切的现象描述结果。

1.1.2 锥形量热仪法

锥形量热仪法是按照GB/T 16172—2007[3]标准要求,基于氧气消耗量原理测量出材料的热释放速率,从而表征建筑材料的燃烧性能。锥形量热仪(CONE)的试验条件更接近于实际环境,与此同时,还可以对点燃时间、燃烧时间、烟及毒性参数和质量变化参数等进行测试。研究结果对全面分析铺地材料的燃烧特性、客观评价纺织铺地材料在实际火灾条件下的燃烧行为及火灾风险等都有重要的指导作用。

1.1.3 直接火焰冲击法

直接火焰冲击法是依据GB/T 8626—2007[4](ISO 11925—2:2020),该标准要求在无外部辐射的情况下,在一定的时间内,用小火焰直接对垂直放置的试样进行冲击,根据纺织铺地物在燃烧时的状态与移去火源之后可以得到的续燃时间和阴燃时间,以及在火焰被完全扑灭之后可以用测得的损毁长度来衡量其阻燃性能。

1.1.4 水平片剂法

水平片剂法是依据GB/T 11049—2008[5](ISO 6925—1982)与ASTM D 2859—2006[6]标准,规定在受控的试验室环境中,对纺织铺地物或复合体系的热敏及火焰响应特性进行评估。试验以水平位置将六亚甲基四胺置于试样表面点燃时测定的火焰熄灭时间和火焰在损毁区边沿到样品中心的最长距离,以此来表征其阻燃性能。

1.1.5 倾斜45°燃烧法

倾斜45°燃烧法是依据GB/T 14768—2015[7]标准,规定纺织铺地物在控制的实验室条件下,在以45°夹角放置的试样表面距离1 mm 处给予一定量的点燃时间,通过测定移去火源后的续燃时间、阴燃时间和火源熄灭后的损毁长度来评定其阻燃性能。

1.1.6 热重分析法

热失重分析方法是依据ASTM E 2550—17[8]以材料的热稳定性及热分解为指标,对材料的阻燃性进行评价。与此同时,从热重分析曲线中,还可以得出纺织铺地物的失重速率、失重温度和残渣量。残渣量越大,吸收的热量就越多,而释放的热量就越少,其阻燃性能就越好。

1.2 阻燃分级标准

1.2.1 GB 8624—2012[9]

标准规定了建筑材料及制品的可燃性分级及其判定依据、可燃性分级标志与检测报告。其中纺织铺地物可燃性分级标准的详解见表1与表2。

表1 纺织铺地物燃烧性能等级与分级依据

表2 纺织铺地物产烟特性等级与分级依据

1.2.2 GA 495—2004[10]

标准定义阻燃纺织铺地材料为达到GB 8624—2012中B1、B2级并满足该标准理化性能规定要求的铺地材料。以纺织铺地材料的燃烧性能为基础,将阻燃性能划分为一级阻燃铺地材料、二级阻燃铺地材料,具体燃烧性能见表3。

表3 纺织铺地物材料燃烧性能

综上根据产品的使用状态与使用环境可知,直接火焰冲击法、水平片剂法和倾斜45°燃烧法多指模拟小火源引燃或掉落在铺地物上引起的燃烧;辐射热源法反映的是在火场上方的热辐射源照射下,铺地物水平燃烧的传播扩散范围;而锥形量热仪法和热重分析法则主要侧重于铺地物发生燃烧后对于防止火势蔓延能力的度量。

纺织铺地物阻燃性能判定主要通过辐射热源法与水平片剂法,其测试的重点是火焰在燃烧过程中的传播速度与无热源条件下的燃烧等级评估,同时也对纺织铺地物燃烧过程中产烟量、烟气密度和毒性进行了规定。

2 阻燃机理及方法应用

对纺织铺地物进行阻燃整理是指最大限度降低整理后纺织物的可燃性,减缓火势的蔓延速度,与明火分离后火焰能快速熄灭且不会复燃[11]。其中常用的阻燃整理方法:(1)反应型。将阻燃基团通过接枝、共聚等化学方法结合到纤维内部,使其自身具有阻燃性能;(2)添加型。可以分为内部分散以及外部涂层阻燃剂以达到阻燃效果。

2.1 改性纤维应用于阻燃整理(反应型)

通过改善和提高成纤纤维的导热性和稳定性,将具有阻燃功能的阻燃剂通过聚合、共混等途径引入纤维聚合物的大分子中,优化纤维内部分子链,或者是通过复合纺丝等方式以提高纤维材料的炭化程度与耐热性,采用改性纤维编织纺织铺地物或作为纺织铺地物的绒面材料,进而发挥阻燃作用。王玉晓[12]对回收的聚酯纤维经造粒、增黏、改性处理后,采用熔体纺丝方法制备阻燃聚酯纤维,并应用于生产阻燃针刺地毯。研究发现,用回收的阻燃聚酯短纤维制成的针刺地毯,其耐磨性能良好,与聚苯硫醚针刺非织造布摩擦1000次后,其质量损失率在10%以下。阻燃性能优良,可达到B1(B-s1,t1)级,符合公共场所使用耐火建筑材料标准。

2.2 阻燃剂应用于阻燃整理(添加型)

在纺织铺地物中添加一定量的阻燃剂,在燃烧过程中通过阻燃剂的吸热、汽化来降低分子从外界吸热的速率,并带走部分热量以抑制燃烧。

2.2.1 阻燃背衬改性整理工艺

纺织铺地物背衬在制造过程中混入填充型阻燃剂[13],在燃烧时快速传递或吸收部分热能,达到抑制高分子聚合物分解、冷却易燃气体以增加填充物的阻燃效果。王坤[14]以高压低密度聚乙烯、无规立构聚丙烯、碳酸钙、三元乙烯-丙橡胶和氢氧化镁为主要原料,采用混炼、硫化的方法制成方块地毯背衬,其中当氢氧化镁质量分数在25%～50%范围时续燃时间缩短较快,且燃烧时未生成明显烟雾,阻燃性能达到国家标准要求。

2.2.2 阻燃后整理工艺

多数化学整理工艺都能赋予纺织材料阻燃性能,其中通过浸轧法,使用阻燃剂在纺织铺地物表面材料进行的阻燃整理,在燃烧时,其纤维表面会形成一层熔融、分层或泡沫的包覆层,起到隔离空气、隔绝热能、减少易燃气体释放的作用,从而防止纺织物继续燃烧[15]。E.J.Blanchard等[16]采用1,2,3,4-丁烷四羟酸(BTCA)、柠檬酸和马来酸等多元羧酸与Na2CO3、Na HCO3磷酸酯等催化剂相结合,其原理是以多羧酸类为催化剂,使棉纤维在部分中和羧酸类物质的作用下发生酯化反应,从而使整理后的含棉地毯具有较高的炭化率。用水平片剂法检测,阻燃性能良好;用成本更低的柠檬酸和马来酸酐来代替BTCA,作用效果相同。张旭等[17]将硫酸铵与磷酸二氢铵按一定比例混合,制成一种水性阻燃剂,用TG-DTA 法及锥形量热仪法测定,结果表明,以磷酸二氢铵与水基硫酸铵按9∶1比例混合而成的阻燃剂,其阻燃性能最佳。

2.2.3 阻燃背涂整理工艺

阻燃背涂整理是在纺织铺地物背面涂覆含阻燃剂涂层以提高产品阻燃性能的方法。尤士华等[18]在地毯涂层尾料中,阻燃剂在与可膨胀石墨、硅改性聚氨酯水散剂、发泡剂、增稠剂配方的直接协同作用下,合成出4种不同配方的阻燃地毯背面涂料胶,对地毯进行阻燃处理并测试得到最佳配方制备的地毯的极限氧指数为33.1%,损毁长度为9.0 mm,阻燃性能良好。孔美光等[19]采用聚磷酸铵和氢氧化铝进行复配,对丙纶针刺地毯作背涂阻燃处理,在聚磷酸铵与氢氧化铝比例为7∶3 的条件下,背涂后针刺地毯的氧指数接近30.0%,可以使阻燃协同效果最大化,有效提升阻燃效果。潘健[20]将硅-磷阻燃剂DDPSi按照5%～25%的比例与聚氨酯均匀搅拌混合,制备成阻燃聚氨酯泡沫。将羊毛地毯平整铺放在发泡的聚氨酯泡沫上复合,制备成阻燃聚氨酯羊毛复合地毯,并对其进行垂直燃烧性能测试,得到阻燃聚氨酯复合羊毛地毯续燃时间36.80 s,火焰高度21 cm,试样残留94.58%,较普通羊毛地毯试样残留高出4.14%,阻燃性能更好。

3 结束语

纺织铺地物作为一种高性价比室内地面装饰材料,广泛应用于工商业及民用场所中,但是易燃性及燃烧过程中释放有毒气体限制了其广泛应用。近年来,纺织铺地物的阻燃性能研究以及阻燃标准的制定都取得了实质性的成果,为该类材料的广泛应用提供了理论指导作用。在实践中,应根据纺织铺地物的使用情况,选用适当的测试方法。同时在对其燃烧性能分级评定时,也应对力学性能、有害物质的释放量等特性进行综合评价,进而对火灾危险性进行预测。

从纺织铺地物的阻燃性、抑烟性和环保性角度来考虑,使用改性阻燃纤维作为绒面材料进行织造是改善纺织铺地物阻燃性能最为根本的方式,同时也减少了阻燃剂的使用,对生命安全和环境保护具有重要意义,因而加大阻燃纤维的研发深度,研究阻燃纤维混纺技术,提高纤维中阻燃剂的相容性,以寻求新的阻燃改性纤维应用。但是,在考虑到生产成本和其他因素后,就目前国内外纺织铺地物产品中,大多数都是通过添加无机盐类阻燃剂和无毒有机阻燃剂以达到阻燃效果。其中,阻燃后整理工艺对燃烧性能进行了改进,主要应用在含有天然纤维的纺织铺地物产品中,阻燃背衬改性整理工艺和阻燃背涂整理工艺多被应用在单层织物地毯、针刺地毯和方块地毯中。近年来,将高能物理技术、生物酶技术、聚合物高分子/水滑石纳米复合材料等高科技与阻燃技术相结合,构建新型高效、低烟、低毒性的新型复合阻燃体系,从而达到绿色阻燃,提升阻燃织物铺地材料的综合性能,是今后阻燃研究的发展趋势。