浅谈阻燃纤维一 阻燃聚酯纤维吸音板

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浅谈阻燃纤维（一） 阻燃聚酯纤维吸音板

阻燃纤维

一、概述近日，上海胶州路教师公寓大火致49人遇难；清华学堂突发大火，过火面积800㎡；10月末有明星在片场拍摄爆炸戏时三级烧伤。火灾隐患无处不在，每年我国都发生数万起火灾，而纺织材料大量用于衣着和家庭生活，很多时候纺织品成为着火诱燃物，释放有毒气体，直接引火危害人体健康。近十年来国内纷纷建造了高层住宅和宾馆，对室内装饰用品的阻燃面料要求也越来越高。一些工业发达国家很早就制订了纺织品的阻燃法规，规定剧院、医院、旅馆等公共场所的窗帘、帷帐，老人、儿童、残疾人的服装织物都必须达到一定的阻燃标准。阻燃纤维及纺织品的开发和应用越发受到社会关注。中国的阻燃技术始于上世纪50年代，以研究棉织物暂时性阻燃整理起步，但发展缓慢；上世纪60年代才出现耐久性纯棉阻燃纺织品；上个世纪70年代开发了阻燃剂开始对合成纤维及混纺织物阻燃技术进行研究；上世纪80年代，阻燃织物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合成纤维。总体来说，阻燃纤维产品正处于快速发展研究阶段[1]。二、阻燃纤维的相关机理与火源接触后，纤维不能燃烧(如玻璃纤维)，或燃烧反应不充分，仅有较小火焰燃烧(如氯纶)，火源撤走后，火焰能较快地自行熄灭的纤维都可称作阻燃纤维[2]。根据纤维的极限氧指数(LOI)值，合成纤维可分为五个等级:LOI>30为阻燃一级(不燃)，LOI为27-30为阻燃二级(难燃)，LOI为24-27为阻燃三级(阻燃)，LOI为21-24为阻燃四级(可燃)，LOI<21为易燃[3]。常见合成纤维和阻燃纤维的LOI如表1和表2所示。表1不同纤维品种的极限氧指数（LOI）
纤维棉花人造纤维醋酸纤维PAN聚酯尼龙蚕丝羊毛
LOI18.019.017.018.523.522.023.024.0
表2常见阻燃纤维的极限氧指数（LOI）
纤维阻燃PAN阻燃PET维氯纶阻燃丙纶酚醛纤维氯纶
LOI272830253035
2.1纤维的燃烧机理一般认为，纤维的燃烧经历了如下三个阶段：第一阶段为热引发阶段，来自外部热源或火源的热量首先导致纤维材料发生相态变化和化学变化。第二阶段纤维热降解过程，这一过程为吸热反应，当外部热量足以克服纤维分子内原子间键合能时，纤维材料开始降解或热解。一般而言，纤维材料的热降解反应是按自由基链式反应方式进行的，氧的存在是不可缺少的条件，其结果得到气相或固相产物，气、固相产物的组成往往因纤维材料的聚合物类别不同而异，气相产物可能由聚合物单体、各种易燃烃类及不燃性气体组成，固相炭质残余物可能是交联反应的产物。第三阶段是引燃阶段，热降解阶段产生的可燃性气体与氧气充分混合，当达到着火极限或受外界因素的影响，如火焰、火花、炽热余烬刺激足以使可燃性气体自燃的环境温度，都能诱发纤维材料的燃烧。燃烧部分的纤维材料所释放的部分热量可通过传导、辐射和对流的方式被另外一部分纤维材料吸收，导致热降解过程发生并挥发可燃性气体[4]。显然纤维高聚物燃烧必需具备下列条件:1)高聚物分解产生可燃性气体;2)有氧气(氧化剂)存在;3)有热源。当已经燃烧的纤维高聚物材料离开火源若要继续燃烧，必须具备下列条件:l)由燃烧产生的热能足以加热高聚物，使之连续不断地产生可燃性气体;2)所产生的可燃性气体能与氧气混合，并扩散到己点燃部分;3)燃烧部分蔓延到可燃气体与氧气的混合区域中。在着火状态中，会有许多高活性的分子碎片存在，其中较重要的是自由基团。它们是燃烧自生链式反应的载体，所释放的能量传递给周围使液体挥发，使固体热解，使燃烧继续下去[5]。具体燃烧过程，见图1-1。图1-1 纤维燃烧过程示意图2.2纤维的阻燃机理纤维的阻燃由燃烧过程可以看出，就是设法阻碍纤维的热分解，抑制可燃性气体生成和稀释可燃性气体，改变热分解反应机理(化学机理)，阻断热反馈回路，以及隔离空气和热环境，来达到消除或减轻燃烧三要素(可燃物质、温度、氧气)的影响，而达到阻燃目的的。通常纤维阻燃的机理主要有以下几种，阻燃效果较理想的是这些作用机理的复合。阻燃作用的机理有物理的，也有化学的，根据现有的研究结果，可归纳为以下几种:(1)吸热作用。具有高热容量的阻燃剂，在高温下发生相变、脱水或脱卤化氢等吸热反应，降低纤维材料表面和火焰区的温度，减慢热裂解反应的速度，抑制可燃性气体的生成。(2)覆盖保护作用。阻燃剂受热后，在纤维材料表面熔融形成玻璃状覆盖层，成为凝聚相和火焰之间的一个屏障。既隔绝氧气、阻止可燃性气体的扩散，又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。阻燃剂吸热分解释放出氮气、二氧化碳、二氧化硫和氨等不燃性气体，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。或使火焰中心处部分区域的氧气不足，阻止燃烧继续。此外，这种不燃性气体还有散热降温作用。它们的阻燃作用大小顺序是:N2>CO2>SO2>NH3。(4)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历程，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。凝聚相阻燃作用的效果，与阻燃剂同纤维在化学结构上的匹配与否有密切关系。(5)气相阻燃。添加少量抑制剂，在火焰区大量捕捉轻质自由基和氢自由基，降低自由基浓度，从而抑制或中断燃烧的连锁反应，在气相发挥阻燃作用。气相阻燃作用对纤维材料的化学结构并不敏感。(6)微粒的表面效应。若在可燃气体中混有一定量的惰性微粒，它不仅能吸收燃烧热，降低火焰温度，而且，会如同容器的壁面那样，在微粒的表面上，将气相燃烧反应中大量的高能量氢自由基，转变成低能量的氢过氧基自由基，从而抑制气相燃烧。（7）熔滴效应：某些热塑性合成纤维，如聚酰胺、聚酯，在加热时发生收缩熔滴，与空气的接触面积减少，甚至发生熔滴下落而离开火源，使燃烧受到一定的阻碍[4]。目前，纤维用阻燃剂有:铝、镁氢氧化物、含硼化合物、卤系阻燃剂、磷系阻燃剂四大类。其阻燃机理和典型应用如表3所示。表3纤维用阻燃剂的阻燃机理及应用
类别典型代表阻燃原理相关化学反应典型应用
铝、镁氢氧化物三水合氢氧化铝吸热脱去结晶水，发生相变，更高温度下吸热分解成氧化物，减缓纤维热解Al(OH)3+3H2O HeatAl(OH)3+3H2OAl(OH)4 Heat Al(OH)3+3H2O极少单独使用，多作为协同增效剂
卤系阻燃剂六溴环十二烷捕捉火焰中高活性的HO·和H·，降低活性游离基浓度，减少燃烧热HO·+HBr-----H2O +Br·Br·+RH-----HBr+R·H·+HBr----H:+Br·2R·------R22Br·-----Br2丙纶尼龙
磷系阻燃剂THPC固相阻燃，促进纤维熔滴或脱水分解碳化，减少可燃气体的生成脱水反应分解碳化PET纤维素纤维
硼系阻燃剂硼砂热致熔融，形成玻璃状膜被覆纤维表面，阻隔氧气扩散可作为复合阻剂组分
2.3.纤维的阻燃方法工业上赋予纤维阻燃性能的方法主要有提高成纤高聚物热稳定性和原丝阻燃改性两种。2.3.1提高成纤高聚物热稳定性提高成纤高聚物的热稳定性，也就是提高热裂解温度，抑制可燃气体的产生，增加炭化程度，使纤维不易着火燃烧。提高热稳定性有以下几种途径：（1）在成纤高聚物的大分子链中引入芳环或芳杂环,增加分子链的刚性、大分子链的密集程度和内聚力, 然后将这种高热稳定性的高聚物用湿法纺丝制成纤维。（2）通过纤维中线型大分子链间交联反应变成三维交联结构，从而阻止碳链断裂，成为不收缩不熔融的阻燃纤维。（3）纤维在200-300℃高温的空气氧化炉中停留几十分钟或数小时，使纤维大分子发生氧化、环化、脱氢和炭化等反应，变成一种多共扼体系的梯形结构，从而具有优异的耐高温阻燃性能。（4）通过纤维大分子中氧、氮原子与金属离子螯合交联形成立体网状结构，提高热稳定以致使纤维大分子受热后发生炭化，而具有优异的阻燃性。金属的整合度越高，极限氧指数越高[6]。2.3.2原丝阻燃改性（1）共聚法：在成纤高聚物的合成过程中，把含有磷、卤、硫等阻燃元素的化合物作为共聚单体(反应型阻燃剂)引入到大分子链中，然后再把这种阻燃性成纤高聚物用熔融纺或湿纺制成阻燃纤维，阻燃性能持久。（2）共混法：将阻燃剂加入纺丝熔体或浆液纺制阻燃纤维，适合没有极性基团的聚合物。（3）接枝改性：用高能射线或引发剂使纤维（或织物）与单体接枝共聚，或是用含有添加型阻燃剂的溶液处理湿法纺丝过程中的初生纤维，使阻燃纤维渗入到纤维内部，从而使纤维（或织物）获得持久的阻燃性能。接枝阻燃改性纤维的阻燃性与接枝单体中阻燃元素的种类及接枝部位有关．接枝部位对阻燃效果的影响次序为：芯部接枝>均匀接枝>表面接枝[6，7]。

  
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