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纺织品防阻燃整理的研究进展

作者:     添加时间:2018-7-26 14:08:23    浏览量:

前言:

摘要:随着近几年各种织物、纤维的耐久阻燃整理技术飞速发展,一些阻燃产品和整理工艺已被广泛应用于织物和纤维的阻燃耐久整理。但随着市场对环境、化学品毒性、成本及性能等方面的要求愈加严苛,制备环保、多功能性的纺织品已经成为现阶段研究的热点,本文主要是对纺织品阻燃整理的方法和机理做简要介绍以及展望阻燃技术发展趋势。

关键词:阻燃整理;纤维;进展

 

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引言

随着我国经济的快速发展,火灾发生的频率也日渐增加,据统计世界上约 20%以上的火灾事故都是由于纺织品燃烧而引起或扩大的,尤其是住宅失火因纺织品着火或者蔓延而酿成的火灾事故比例更大。而床上用品、装饰用布和衣着用品是起火的主要原因。火灾的发生给人们的生命、财产安全都造成了巨大的威胁[1]。为了阻止火灾的发生,除采取必要的防火措施外,研究和开发具有阻燃功能的纺织品具有非常重要的意义。纺织品经过阻燃整理后,能够不同程度地降低织物可燃性,在燃烧过程中能显著延缓其燃烧速率,并在离开火源后能够迅速自熄,从而达到阻止火焰继续蔓延的目的。织物阻燃整理是通过吸附沉积、化学键合以及非极性范德华力等作用,使阻燃剂固着在纤维或织物上,从而使织物获得阻燃性能的整理过程[2]

2007年上半年实施的强制性国家标准 GB 20286—2006《公共场所用阻燃制品燃烧性能要求和标识》以及《阻燃制品标识管理办法》 明确规定了公共场所使用的阻燃制品及其分类、燃烧性能要求和标识,并严格规定了公安消防部门对阻燃制品标识的监督管理职能以及燃烧性能检验和标识发放机构的职责。消防法的完善,标志着我国阻燃法规步入了一个新的阶段,同时也要求我们在纺织品的阻燃整理上有更高的要求[3]

我国织物阻燃研究的黄金阶段始于20世纪80 年代初,比欧美国家约晚了 30 欧美的阻燃纤维及织物在20个世纪5080代就已经商品化。随着我国经济的发展,技术的进步以及国家对阻燃纺织品的高度重视,我国纺织品的阻燃技术发展很快,到上世纪六、七十年代已达到相当高的水平,天然纤维织物的阻燃技术已投入使用,并考虑到阻燃效果的耐久性。八十年代以来,我国对纺织品阻燃整理的研究进入了一个比较全面、系统的研究阶段。并开发了很多适于纯棉和合成纤维的阻燃剂和阻燃整理技术,同时也相继出台一些阻燃标准和防火规范[4]。在赋予纺织品阻燃性的同时,要考虑纺织品的色泽、白度及物理机械性能的保持。随着人们对纺织品要求的提高,要考虑阻燃纺织品的公害问题[5]

 

 

2

阻燃机理

所谓阻燃”, 并不是阻燃整理后的纺织品在接触火源时不会燃烧,而是使织物在火中能尽可能降低其可燃性减缓蔓延的速度不形成大面积燃烧,而离开火焰后,能很快自熄不再燃烧或阴燃。从燃烧过程来看,要达到阻燃的目的[6]。必须切断可燃物、热和氧气这三个要素组成的燃烧循环。通常织物燃烧又可分为三个阶段,即热分解、热引燃、热点燃,对不同燃烧阶段的四要素采用相应的阻燃剂加以抵制就形成了各种各样的阻燃机理及中断阻燃机理[7]。阻燃作用有物理、化学及物理化学结合作用等多种形式。根据现有的研究结果,可以把阻燃机理大致分成以下几种:

1)吸热作用

某些高热容量的阻燃剂能在高温条件下发生相变、脱水、脱卤化氢等吸热分解反应,从而降低纤维材料表面和火焰区的温度,减缓热裂解反应的速度,抑制可燃性气体的产生[8]

2)覆盖层作用

阻燃剂受热后,能在纤维表面熔融形成玻璃状覆盖层,从而成为凝聚相和火焰之间的一个屏障。既可隔绝氧气,又可阻止可燃性气体的扩散,还可阻挡热传导和热辐射,减少反馈给纤维材料的热量,从而抑制热裂解和燃烧反应。

3)气体稀释作用

阻燃剂在高温作用下能够吸收热量分解产生二氧化碳、氮气、氨气等不燃性气体,从而稀释了纺织品,使纤维材料裂解处的可燃性气体浓度被稀释到燃烧极限以下,或者造成可燃物上方部分氧气不足,从而阻止织物继续燃烧。此外,这种不燃性气体还有散热降温作用,也对阻燃有一定的效果[9]

4)熔滴作用

纤维材料在阻燃剂作用下,发生解聚,熔融温度降低,增大熔滴和着火点之间的温差,使材料在裂解之前软化、收缩、熔融,成为熔滴而滴落,使热量被带走,中断热量反馈到纤维材料上的过程,从而中断燃烧,使火焰自熄。

5)提高热裂解温度

在纤维大分子的分子结构中引入像芳环和芳杂环这样的大分子,加大分子链间的密集度和内聚力,提高纤维的耐热性;或者通过大分子链交联环化、与金属离子螯合等方法,改变纤维大分子结构,提高炭化程度,抑制热裂解,减少可燃性气体的产生。

6)凝聚相阻燃

通过阻燃剂的作用在凝聚相反应区改变纤维大分子链的热裂解反应过程促使发生脱水、缩合、环化、交联等反应,直至炭化,以增加炭化残渣减少可燃性气体的产生使阻燃剂在凝聚相发挥阻燃作用[10]

7)气相阻燃

阻燃剂在一定条件下,发生反应产生热裂解产物,能够在火焰区捕捉大量的氢氧根离子和氢离子,降低可燃气体的浓度,中断或者抑制正在进行的连锁反应,达到阻燃的目的[11]

由于纤维的分子结构和阻燃剂种类的不同阻燃作用是十分复杂的,并不局限于上述的几方面。在一个阻燃体系中,可能是以某种机理为主,多种机理共同起作用的结果。为了获得较好的阻燃效果,也可以将各个阻燃机理协同应用[12]

 

 

3

阻燃剂的分类

阻燃剂种类繁多分类的方法也有多种。按所含阻燃元素分类,分为含卤阻燃剂、含磷阻燃剂、含氮阻燃剂等;按阻燃剂的使用方法和聚合物中的存在形态,分为添加型和反应型;按阻燃织物耐久程度分为非耐久性阻燃整理剂、半耐久性阻燃整理剂、耐久性阻燃整理剂三种按化合物类型又可分为无机阻燃剂和有机阻燃剂[13]。下面是主要通过两种方法对阻燃剂进行分类。

3.1按织物的耐久程度分类

1)非耐久性阻燃整理剂:又称为暂时性阻燃整理剂,大部分为水溶性的无机盐。处理时先将阻燃剂溶于水织物经浸渍烘干即可使用。这种整理剂价格便宜,但是整理后织物的手感较差,而且洗涤后阻燃效果会大幅度的下降。一般在一次性防护服上应用较多[14]

2)半耐久性阻燃整理剂:用这种工艺处理的阻燃纺织品能耐110次温和洗涤,但不耐温皂洗。该法有尿素磷酸法(通常称Banflam)、磷酸尿酯法、磷酸铵一羟甲基氰铵甲醋混合溶液法[15]

3)耐久性阻燃整理剂:采用化学法在纤维表面进行聚合和缩合反应,在纤维表面形成不溶于水的聚合物,一般要求耐水洗牢度达到30次以上[16]。这种方法主要包括CP法和Proban.CP法加工容易实施,阻燃效果也非常显著;但是显著的缺点是织物强力损失会较大,对服饰性能影响较大。Proban法整理过的织物,阻燃效果好,特别是整理好的织物手感和强力都是其他方法不能比的,但这种方法危险性较大,环境污染也比较严重,因此受到了很大的限制[17]

3.2按阻燃剂的化合物类型分类

1)无机阻燃剂

无机阻燃剂的主要作用机理是通过吸热作用,主要是氢氧化物,氧化物以及硼酸盐,其中以氢氧化镁,氢氧化铝、红磷、氧化锑应用最为广泛,尤其是氢氧化铝、氢氧化镁不仅可以起到阻燃作用,而且可以起到填充作用。它们具有热稳定好、高效、抑烟、阻滴、填充安全、对环境基本无污染且价格便宜等特点[18]。但是无机阻燃剂的耐水洗牢度差,主要是因为无机阻燃剂具有亲水性,而同织物的亲和力较差,为了获得较好的阻燃效果,阻燃剂加入量较大,导致织物的手感和机械性能很差。另外,为降低同一阻燃效果的阻燃剂用量,将阻燃剂复配,研究阻燃剂的协同效应,也是近年来阻燃剂的研究方向[19]

2)有机阻燃剂

有机阻燃剂分为磷类和卤类两大类,磷类阻燃剂发烟量大,有毒性,要求阻燃结构含有大量的H,O元素,元素脱水形成碳层,因此该阻燃剂也受到了很大的限制。卤系阻燃剂主要包括氯和溴两大类。但氯系阻燃剂的效果比溴系阻燃剂要差的多,这是由于不易产生游离氯基的缘故。卤系阻燃剂在使用过程中会产生卤酸,烟雾大,对人体有害等缺点,逐渐被其他无机阻燃剂所代替[20]

4

阻燃整理的方法及其应用

4.1、阻燃整理方法

1)浸轧焙烘法

浸轧焙烘法是阻燃整理工艺中应用最为广泛的整理工艺,工艺流程一般为浸轧预烘焙烘后处理。阻燃整理液一般由阻燃剂、交联剂、柔软剂、渗透剂、催化剂等组分组成。

2)浸渍烘燥法

浸渍烘燥法又称为吸尽法。它是将织物放在阻燃液中浸渍一定时间后,再干燥焙烘。阻燃剂的化学结构对吸尽率和水洗牢度有显著影响,有时这种阻燃整理方法可与染色工序同浴进行。工艺流程为浸渍干燥后处理。

3)涂布法

此方法是将阻燃剂混入树脂内,依靠树脂的粘合作用将阻燃剂固着在织物上的一种整理方法。根据所用机械设备的不同可分为刮刀涂布法、 浇铸涂布法和压延涂布法。

4)喷雾法

喷雾法分为手工喷雾和机械连续喷雾两种,凡不能用普通设备加工的厚重织物如幕布、大型地毯等商品,都可在最后一道工序用手工喷雾法进行阻燃整理。对于一些表面膨松、花纹、 簇绒、绒头起毛织物,用浸轧法会使表面绒毛花纹受到损伤,一般都采用连续喷雾法[21]

4.2纺织品阻燃整理技术的应用

4.2.1棉织物的阻燃

在各种纺织材料中棉是具有燃烧危险性的一种它的极限氧指数只有18,不仅燃烧速度快,而且具有很大的助燃性。传统棉织物的阻燃性主要是通过织物浸轧阻燃剂使阻燃剂均匀地渗透到纤维内部并且与纤维发生化学反应而牢牢地附着在纤维上。棉织物的阻燃主要包括proban工艺法和“Pyrovatex CP”整理工艺[22]“proban”工艺得到的阻燃织物阻燃性能及耐久性能均比较好,且还能保持较好的手感。但需要特殊的氨熏设备,成本较高,从而限制了应用。“Pyrovatex CP”整理工艺具有优良的阻燃性能,可耐家用洗涤50次以上。但强力损失较大,且整理后织物有强烈的异味,织物甲醛含量大,强力损失率高。

近些年,围绕阻燃纺织品的游离甲醛问题,研究者们做了很多工作。开发无甲醛耐久性阻燃整理剂及其整理工艺、低甲醛耐久性阻燃整理工艺是棉织物耐久阻燃整理的方向[23]

4.2.2涤纶织物的阻燃

涤纶(聚酯纤维)是合成纤维中应用范围最广,产量最高的一种纤维。其纤维纺织品大量用于衣料、窗帘、幕布、床上用品、室内装饰及各种特殊材料。涤纶的极限氧指数在21左右,随着涤纶纤维织物的广泛应用其火灾的潜在危险也日益突出[24]

我国对涤纶阻燃工作的研究大致可以分为三个阶段,第一阶段主要是利用含溴的共聚单体与聚酯单体进行三元共聚;第二阶段是80年代初期,由美国大湖公司提供的十溴联苯醚为主的阻燃剂生产共混型阻燃切片[25]。但由于阻燃效果和成本原因,最终没有实现工业化生产。第三阶段是在80年代后期,我国对阻燃涤纶的研究有了进一步的进展,按生产过程和阻燃剂的引入方式,将涤纶阻燃改性方法归纳为以下五种:(1)在酯交换或缩聚阶段加入反应型阻燃剂进行共缩聚;(2)在熔融纺丝前向熔体中加入添加型阻燃剂;3)以普通聚酯与含有阻燃成分的聚酯进行复合纺丝; ( 4) 反应型阻燃剂在涤纶或织物上进行接枝共聚;涤纶织物进行阻燃后处理。(5)涤纶织物进行阻燃后处理,用于生产阻燃涤纶织物的有机阻燃剂多为卤系和磷系阻燃剂目前卤系阻燃剂的使用占大多数[26]

4.2.3羊毛织物的阻燃整理

羊毛是一种物理、化学结构均较为复杂的天然蛋白质纤维。手感柔软,蓬松,有良好的弹性和保暖性,光泽自然柔和[26]。羊毛的极限氧指数大约为25左右,闪点为570~600,最高燃烧温度为680,羊毛纤维的阻燃整理最初是利用无机硼酸、 磷酸及其盐[27]。这种整理方法为非耐久性整理不耐水洗,后来用氨基磺酸盐对羊毛进行阻燃整理能达到一般水平,随着技术进步利用钛、锆的氟络合物、羧酸络合物处理羊毛此法可达永久水平。此外,将耐燃纤维和羊毛织物混纺,提高羊毛织物的阻燃性能[28]

5

纺织品阻燃整理技术的前景与展望

虽然我国现阶段研制了多种阻燃材料,纺织品的阻燃性能也达到了一个新的高度但品种的数量及燃烧性能与国外的技术还有一定的差距[29]。随着经济的发展和国家法制的健全阻燃纺织品的推广应用必将引起全社会的重视。阻燃纺织品在我国具有很大潜力,我国阻燃纺织品发展的主要趋势主要有以下几个方面[30]

1)开发环保,无毒,无污染的阻燃剂。以减少火灾发生时对生命及自然环境的威胁。

2)加强对阻燃机理的探究, 阻燃理论是研究阻燃技术的基础,提高创新性,为寻找新型阻燃剂、确定阻燃方法、提高阻燃水平提供了强大的理论依据,阻燃机理研究具有十分重要的现实意义

3)开发协同的阻燃剂,提高阻燃效果,减少对原生产工艺和产品质量的干扰。

加强纺织品的功能化研究,在赋予纺织品较好阻燃效果的同时,是否可以提高织物的透气性,防水,拒污,抗菌,抗静电等功能。

 

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