柴蕾

（中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)工程大學(xué)，陜西 西安 710086）

2021 年5 月，以“聚焦紡織纖維科技，引領(lǐng)綠色創(chuàng)新發(fā)展”為主題的中國(guó)化纖科技大會(huì)在江蘇南通落下了帷幕，纖維材料作為紡織服裝產(chǎn)業(yè)的源頭產(chǎn)品已進(jìn)入全新的發(fā)展階段。高新技術(shù)的不斷發(fā)展使得紡織材料的基礎(chǔ)材料性能快速提升，高性能的紡織纖維材料不斷突破，紡織纖維領(lǐng)域呈生態(tài)化、智能化持續(xù)深化，成為國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)優(yōu)化的有力抓手。紡織纖維作為人類生活中不可替代的物質(zhì)之一，影響著人們的工作、生活。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上發(fā)生的災(zāi)難中，因紡織制品燃燒引發(fā)的大型火災(zāi)占災(zāi)難總數(shù)的50%以上，造成了巨大的財(cái)產(chǎn)和人身?yè)p害。紡織纖維的阻燃技術(shù)成為各國(guó)爭(zhēng)相研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)，并根據(jù)各種紡織制品的阻燃要求制定了相應(yīng)的阻燃標(biāo)準(zhǔn)。阻燃服的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)至今已經(jīng)修訂了4 個(gè)版本，目前使用的是《防護(hù)服裝 阻燃服（GB8965.1-2020）》，體現(xiàn)了以人為本的健康與安全理念。因此，紡織纖維阻燃技術(shù)的研究對(duì)于降低火災(zāi)損害，加速社會(huì)發(fā)展進(jìn)程具有重要的意義。

1 紡織纖維的熱學(xué)性能和阻燃原理

紡織纖維一直以來(lái)都是制造服裝的重要要素和基本原材料，纖維的分類、形狀、性質(zhì)直接地影響著服裝的成衣性能與品質(zhì)。紡織纖維在其加工和利用過(guò)程中，會(huì)因?yàn)槭艿讲煌瑥?qiáng)度的熱輻射而產(chǎn)生熱作用，不同的紡織纖維具有不同的導(dǎo)熱性、熱收縮性、耐熱性、燃燒性和熔孔性等熱學(xué)性能。各種紡織纖維靠近火焰、接觸火焰、遠(yuǎn)離火焰所產(chǎn)生的燃燒現(xiàn)象、氣味及燃燒殘留物各有不同。

1.1 紡織纖維可燃性的表征

國(guó)際上，使用LOI，即極限氧指數(shù)來(lái)表征紡織纖維的可燃性[1]，可通過(guò)氧指數(shù)測(cè)定儀進(jìn)行量化測(cè)量。在N2和O2混合氣體中，將紡織纖維的檢測(cè)試樣點(diǎn)燃，測(cè)定能夠維持燃燒需要的最小極限O2百分比。空氣中O2的濃度一般接近20%，只要超過(guò)20%就會(huì)有自熄的作用，所以LOI 以20%為界限。LOI 值低于20%為易燃性纖維，如棉纖維、粘膠纖維、腈綸等；LOI 值在20%～27%之間為可燃性纖維，如滌綸、錦綸、維綸等；LOI 值在27%～35%之間的為難燃性纖維，如芳綸、氯綸等；LOI 值在35%以上的為不燃性纖維，如多數(shù)金屬纖維、碳纖維、石棉等。

1.2 阻燃原理

紡織纖維燃燒時(shí)一般需要具備三方面因素，分別為可燃物、氧氣及燃燒源。因此，阻燃的基本原理就是阻礙燃燒過(guò)程所具備的三方面因素之一，即減少或者沒(méi)有熱分解氣體的生成，中斷燃燒的基本反應(yīng)過(guò)程，減少可燃性氣體及熱量的產(chǎn)生，從而達(dá)到阻燃效果。常用的阻燃服就是通過(guò)使用阻燃紡織纖維從而抑制燃燒反應(yīng)，使服裝面料炭化形成隔離層，減緩火勢(shì)的蔓延，把火災(zāi)對(duì)人體的傷害降到最低，實(shí)現(xiàn)服裝的防護(hù)性能。

2 紡織纖維常用的阻燃整理劑

市面上紡織纖維的阻燃劑種類繁多，為含有N、P、Cl、Br、B、Sb 等元素的化合物，主要可以分為鋁、鎂的氫氧化物，鹵系，磷系，含硼化合物四大類阻燃劑[2]。

2.1 鋁、鎂的氫氧化物阻燃劑

目前，普遍使用的阻燃劑為氫氧化鋁、氫氧化鎂，都具有安全無(wú)毒、原料便宜、發(fā)煙量小的特點(diǎn)，但氫氧化鎂需要的熱分解溫度較高，制備工藝復(fù)雜，同時(shí)會(huì)影響高分子聚合物的力學(xué)性能，性能次于氫氧化鋁。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的試驗(yàn)，研究人員發(fā)現(xiàn)將鋁、鎂的氫氧化物復(fù)合后，鎂鋁復(fù)合阻燃劑具有較高的熱分解溫度，達(dá)到的阻燃效果更好，又能夠避免兩者的不足，多作為添加型阻燃劑作用于使用在纖維織物中。

2.2 鹵系阻燃劑

鹵系阻燃劑是世界上生產(chǎn)和使用的最大的有機(jī)阻燃劑，品種繁多，用途廣泛。氯化脂環(huán)烴、溴化環(huán)氧樹(shù)脂、溴化聚苯乙烯都屬于鹵系阻燃劑。該阻燃劑主要通過(guò)產(chǎn)生不燃?xì)怏w和通過(guò)其分解的鹵化氫消除聚合物材料的燃燒來(lái)產(chǎn)生生物活性自由基，從而減緩或終止燃燒反應(yīng)，抑制燃燒進(jìn)程。它具有阻燃效率高、成本低的優(yōu)點(diǎn)，但在使用過(guò)程中易產(chǎn)生大量煙霧，使用量大，排放有毒氣體，不符合目前環(huán)境友好的社會(huì)理念。因此，鹵系阻燃劑逐漸被新型綠色無(wú)鹵阻燃劑所取代。

2.3 磷系阻燃劑

磷系所有的阻燃劑大都在性能上具有低煙、無(wú)毒的特點(diǎn)，使用最廣泛的阻燃劑包括微膠囊化紅磷和有機(jī)磷酸酯。含磷的化合物因其分子結(jié)構(gòu)、聚合物類型的不同，其阻燃機(jī)理也有所差異。聚合物燃燒時(shí)并不是立即自燃，而是接近明火時(shí)，受熱分解產(chǎn)生出類似甲烷等的氣體，經(jīng)與空氣接觸繼而進(jìn)行燃燒反應(yīng)。磷系阻燃劑加入到高聚物中，主要是從以下幾方面實(shí)現(xiàn)阻燃的：一是大部分磷系阻燃劑在高溫下易受熱形成磷系的含氧酸，能夠在空氣中在高聚物表面生成結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定的碳層，碳層具有隔絕氧氣、隔絕熱源的作用，可以延緩高聚物的燃燒及被熱解；二是含有羥基的高聚物的燃燒反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，生成物水蒸氣通過(guò)降低其他可燃性氣體的濃度，使燃燒的速率減慢，防止高聚物內(nèi)部的熱分解產(chǎn)物直接通過(guò)空氣中參加燃燒；三是磷系阻燃劑受熱產(chǎn)生的物質(zhì)多為黏稠狀，可在高聚物表面覆蓋形成液膜，具有很好的阻隔作用，可以有效抑制燃燒反應(yīng)。目前。以磷元素作為主要元素，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的聚合型磷酸酯阻燃劑和膨脹型有機(jī)磷阻燃劑因其良好的耐久性，且具有增塑、抗氧、防止滴熔等功能具有很好的開(kāi)發(fā)前景。

2.4 含硼化合物阻燃劑

含硼化合物阻燃劑以其良好的阻燃、低毒、無(wú)害和有效的抑煙等特性，逐漸被廣泛使用，含硼化合物阻燃劑包括無(wú)機(jī)和有機(jī)兩類。無(wú)機(jī)硼化物阻燃劑很早就作為紡織纖維的阻燃劑應(yīng)用在纖維素纖維中，整理后很大程度提高了紡織制品的阻燃性。但是服裝要經(jīng)過(guò)多次洗滌，紡織纖維的阻燃效果會(huì)受到一定程度的損失，屬于非永久性阻燃劑。雖然后期無(wú)機(jī)硼化物經(jīng)與樹(shù)脂混合，可以提高紡織制品的水洗牢度，但其工藝復(fù)雜、成本高昂，廠家使用的較少。常用的硼酸鋅阻燃劑具有提高著火點(diǎn)、促進(jìn)碳層生成的優(yōu)點(diǎn)。有機(jī)硼化物在毒性、抑煙效果方面都大大優(yōu)于無(wú)機(jī)含硼化物，特別是加入含有鹵素、含氮化合物的協(xié)同劑能夠大大促進(jìn)阻燃效果，但因其價(jià)格及水解問(wèn)題的限制，有機(jī)硼化物在紡織制品阻燃的研究還處于實(shí)驗(yàn)階段，后期加以應(yīng)用將帶來(lái)豐富的經(jīng)濟(jì)、實(shí)用效應(yīng)。

2.5 其他阻燃劑

石墨烯及其衍生產(chǎn)品具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性、綠色環(huán)保性，并能夠改善高分子材料的阻燃性，這使石墨烯在阻燃聚合物、高分子材料等產(chǎn)品應(yīng)用中具有很大的開(kāi)發(fā)前景[3]。當(dāng)石墨烯添加的阻燃材料遇到明火時(shí)，它們可以充當(dāng)屏障，防止氧氣進(jìn)入材料內(nèi)部。另一方面，石墨烯具有良好的熱傳導(dǎo)性能，局部多余的熱量可以迅速傳遞到材料的其他部位，從而抑制火勢(shì)蔓延。近年來(lái)，環(huán)保友好型阻燃劑在紡織纖維中的研究越來(lái)越多。研究人員正在努力進(jìn)行資源開(kāi)發(fā)，研制新型的合成阻燃劑，拓展可持續(xù)發(fā)展的領(lǐng)域，并通過(guò)從植物或天然礦物中尋找實(shí)用價(jià)值的新材料，用于制備阻燃、消煙的阻燃劑。

3 紡織纖維的阻燃制造方法

阻燃纖維制造技術(shù)主要有多種途徑和方法，一種就是通過(guò)改善和提高成纖纖維對(duì)于高聚物的導(dǎo)熱性、穩(wěn)定性來(lái)直接實(shí)現(xiàn)阻燃，制造技術(shù)是將具有阻燃功能的阻燃劑經(jīng)由高分子聚合物通過(guò)聚合、共混等途徑對(duì)纖維大分子鏈的熱穩(wěn)定性進(jìn)行改變，或者是通過(guò)復(fù)合紡絲、接枝改性等方式將阻燃劑被添加到紡織纖維中。促使高聚物發(fā)生脫水、縮合、環(huán)化、交聯(lián)等反應(yīng)，直至炭化，發(fā)揮阻燃劑的阻燃作用。阻燃劑的分解產(chǎn)物與大量的羥基和氫基結(jié)合，稀釋反應(yīng)生成物可燃性氣體的濃度，從而影響燃燒的反應(yīng)過(guò)程[4]。第二種方法是使用后整理，將具有阻燃特性的阻火劑在纖維上與其他材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或者把阻燃覆蓋于纖維的表面、滲透到纖維內(nèi)部，從而得到對(duì)其他材料進(jìn)行阻火的功能整理。近年來(lái)，在傳統(tǒng)后整理方法中融入了高能物理技術(shù)、生物酶技術(shù)以及聚合物/層狀雙氫氧化物納米復(fù)合材料等高新技術(shù)，不僅能夠發(fā)達(dá)到良好的阻燃和抑煙目的，同時(shí)可以獲得低消耗、高質(zhì)量的阻燃整理效果。

4 紡織織物阻燃耐久程度分類

具有阻燃功能的紡織制品并不是經(jīng)過(guò)阻燃整理后織物就不能燃燒了，只是使紡織織物具有不易燃燒或者遠(yuǎn)離火源后可以自熄的功能。紡織織物經(jīng)過(guò)阻燃整理后的效果按照耐水洗性可以分成非耐久性、半耐久性、耐久性織物三類[5]。

4.1 非耐久性織物

非耐久性的織物在進(jìn)行阻燃處理時(shí)，采用將阻燃劑先溶于水，后將紡織織物浸漬，最后進(jìn)行烘干整理的方法。例如羊毛織物經(jīng)過(guò)硼酸浸漬烘干后可暫時(shí)阻燃。這種方法操作簡(jiǎn)單，成本低，阻燃劑只是直接附著在紡織服裝或者織物表面，織物經(jīng)過(guò)水洗后其阻燃效果隨之降低，通常使用在一次性防護(hù)服、少數(shù)地毯、劇院帷布上，其余很少進(jìn)行應(yīng)用。

4.2 半耐久性織物

紡織纖維經(jīng)過(guò)半耐久性阻燃劑整理后的紡織織物能夠經(jīng)受10 次左右的低溫水洗，仍保持阻燃效果。例如使用1∶1 比例的尿素和磷酸對(duì)麻織物進(jìn)行阻燃整理可以使麻織物具有半耐久性，可耐多次60℃以下的水洗；使用氨基磺酸和濃度20%的尿素經(jīng)過(guò)浸軋焙烘工藝處理產(chǎn)生交聯(lián)，使羊毛織物具有半耐久阻燃性。但這種織物應(yīng)使用洗衣液清洗，不能使用肥皂及高溫水洗，否則將破壞紡織織物中的阻燃成分。

4.3 耐久性織物

紡織纖維經(jīng)過(guò)耐久性阻燃劑整理后，經(jīng)過(guò)30 次以上的水洗，仍具有良好的阻燃功能，一般使用共混、共聚或接枝改性的方法在紡織纖維內(nèi)部、表面進(jìn)行聚合或縮合反應(yīng)，從而形成改性聚合物，紡絲得到自阻燃纖維。

5 結(jié)語(yǔ)

大多數(shù)紡織制品具有易燃性，已經(jīng)成為引發(fā)火災(zāi)的主要隱患因素。隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)阻燃紡織制品的要求和市場(chǎng)規(guī)模也與日俱增，也進(jìn)一步為新型阻燃劑提供了廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。設(shè)計(jì)生產(chǎn)兒童、殘廢人士等特殊人群的服裝，室內(nèi)裝飾的窗簾用布、地毯，劇場(chǎng)的幕布以及交通運(yùn)輸行業(yè)和賓館、酒店室內(nèi)使用的紡織制品，消防員、冶金化工行業(yè)及特戰(zhàn)隊(duì)員的制服等均需要達(dá)到國(guó)家規(guī)定的阻燃要求。人們生活質(zhì)量的不斷提高，對(duì)紡織制品的阻燃安全性要求也不斷增加。目前，市場(chǎng)上的阻燃劑處理的紡織纖維會(huì)影響纖維的性能和手感，有的在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)釋放出甲醛。今后在改進(jìn)阻燃工藝提高紡織纖維的阻燃性方面需要保持其原 有的性能同時(shí)對(duì)織物的阻燃耐久性進(jìn)一步優(yōu)化。因此，開(kāi)發(fā)毒性小、抑煙的阻燃劑，實(shí)現(xiàn)綠色阻燃，提高阻燃紡織材料及紡織制品的高效、耐久、復(fù)合性能，是紡織纖維阻燃技術(shù)的發(fā)展方向。