绿色纺织品的阻燃整理研究进展

2018-04-03任元林

纺织科学与工程学报 2018年4期

田甜，任元林

(天津工业大学纺织学院，天津 300387)

0 引言

近年来，随着全球石油资源产量逐渐下滑，不可再生资源因为被人们不断采集而逐渐减少，生态环境遭到破坏的现象层出不穷。如何开发与利用可再生能源已成为科学家们首要解决的难题。在十八大代表团分组会议上，习近平总书记说：“南京虽然没有金山银山，但是秀丽的景色是金山银山”，这句话使“绿色”的理念深入人心。在现今社会如何利用生态中原始的生物质，让其替代后续加工生产的原材料，已成为一种开发创新的新趋势。

阻燃纺织品不仅应用于军警部队的服装，还广泛地应用于各种装潢、修饰、穿戴等日常生活和工业用品上[1]。近年来由于火灾事故的频繁发生，纺织品的阻燃性能受到人们的高度重视，阻燃整理成为纺织品应用领域中不可或缺的部分[1]。

1 概述

纺织品被广泛应用于化工领域、医卫材料、衣着打扮、日常装饰、建筑业等场所。换言之，从我们生活的日常用品到汽车用领域再到航天航空领域，纺织品无处不在。随着纺织品的需求不断增加，人们对于纺织品的阻燃程度也愈加重视[2]。

1.1 纺织品的燃烧机理

纺织品的燃烧可分为四个进程：(1)吸收热量；(2)纤维受热分解；(3)受热分解后产物扩散和对流；(4)受热分解的产物与氧气发生反应产生光和热[3]。燃烧过程中产生的热量再传输给纺织品，使纺织品能够保持继续燃烧，受热分解并释放出大量的热[4]。简言之，纺织品的燃烧过程实际上就是织物受热分解，并且分解产物和氧气接触并伴有发光、发热的化学反应。所以，火源、纤维或织物(高分子聚合物)、助燃气体是纺织品燃烧的三要素[2]。

1.2 阻燃机理

1.2.1 吸热作用

纺织品在燃烧过程中，短期内产生的热量相对有限。如果火源产生的少部分热量能够在短时间内被吸收，则可降低火焰的温度，使辐射到材料表面并作用于自由基的热量减少，一定程度上阻止材料的燃烧[5]。在高温环境中，阻燃剂不仅可以吸收由燃烧所释放出的热量，并且能够控制可燃物表面的温度，从而有效地抑制燃烧反应并抑制火焰向周围扩散及蔓延[6]。

1.2.2 覆盖作用

在高温的环境中，织物中的阻燃剂可以在聚合物的外表面构成玻璃状覆盖物或稳固的泡沫覆盖物，来隔离热量和空气，阻止热量传递，减少易燃气体的排放并隔绝易燃气体，从而达到阻燃效果[7]。阻燃剂形成隔离层的方法有两种：一种是阻燃剂的降解产物促进纤维脱水成炭，以产生稳固结构的交联固体材料或炭化层，防止聚合物的进一步受热分解，避免内部热分解产物进入气相并介入燃烧[8]。磷系阻燃剂就是利用这种机理达到了对含氧聚合物的阻燃效果[9]。另一种是阻燃剂在高温情况下受热分解为不挥发的玻璃状物质并在聚合物的表面形成涂层作为保护层[8]。硼系和卤化磷阻燃剂就是利用这种机理达到了阻燃效果[10]。

1.2.3 自由基控制作用

按照燃烧链反应理论，自由基起到维持材料燃烧的作用[11]。阻燃剂分解产生的自由基可淬灭材料燃烧反应产生的自由基，阻止火焰的进一步传播，并降低燃烧区内的火焰密度，最终降低了燃烧的反应速率直至燃烧反应终止[12]。当聚合物受热分解时，阻燃剂会因高温而分解，并与聚合物受热分解的产物同时存在于气相燃烧区[6]。因此，反应中自由基可以由卤素阻燃剂捕捉，阻止火焰的蔓延，从而起到阻燃作用[13]。

1.2.4 气体稀释作用

阻燃剂吸热会分解并释放出氮气、二氧化碳以及其它不燃性气体，这不仅稀释了因纤维燃烧而产生的可燃气体的浓度，使其难以燃烧，同时还降低了火焰中心区域氧气的浓度[14]。此外，气体的流动也会带走少部分热量，从而抑制燃烧。

1.2.5 催化脱水作用

在高温环境中，织物中加入的阻燃剂会产生羧酸、酸酐等具有脱水能力并能与纤维基体发生反应的物质，促进脱水炭化，减少可燃气体的生成，抑制织物的持续燃烧[15]。

2 阻燃整理技术

2.1 阻燃剂的要求[16]

(1)阻燃剂具有热稳定性。

(2)具有一定的相容性，不产生任何浸出和迁移的现象。

(3)阻燃剂在使用过程中应保持其阻燃性能。

(4)无毒，不得在燃烧时产生有毒和腐蚀性气体。

2.2 阻燃剂的分类

阻燃剂种类繁多，主要有以下分类方法[2]：

(1)根据所含元素可分为卤系阻燃剂、磷系阻燃剂、氮系阻燃剂、磷-卤系阻燃剂、磷-氮系阻燃剂等。

(2)根据组分的不同可分为无机盐类阻燃剂、有机阻燃剂、有机-无机混合阻燃剂。

(3)根据使用的方法可分为添加型阻燃剂和反应型阻燃剂。

(4)根据阻燃的效果可分为耐久性阻燃剂、半耐久性阻燃剂、烟雾抑制性阻燃剂和膨胀性阻燃剂。

2.2.1 无机阻燃剂

常用的无机阻燃剂包含三氧化二锑、氢氧化镁、氢氧化铝和硅系化合物等，其主要的阻燃机理是吸热作用，具备稳定性高、挥发性低、毒副作用小以及成本低等优势[17]。

但是，大多数无机阻燃剂由于具备较强的极性和亲水性，所以与非极性织物难以形成良好的结合，致使其耐洗性相对较差[18]。由此可见，超细颗粒将成为今后无机阻燃剂的发展趋势[19]。

2.2.2 有机阻燃剂

2.2.2.1 卤系阻燃剂

现在使用较多的是协同体系含卤阻燃剂，而与卤素原子相连的基团性质决定了碳-卤素比以及碳-卤键能，进而决定了燃烧过程中卤素的释放量[16]。含卤素的物质通常与一些含磷和含锑的阻燃剂结合在一起，通过火焰“中毒”在气相中起作用，即阻燃剂或气分解产物直接改变原火区和火焰前沿中的自由基氧化和链增长反应，由此淬灭火焰。但是，卤素类阻燃剂在燃烧时会伴有毒性烟雾和腐蚀性气体，这些有毒物质会腐蚀金属器件，对人体呼吸道等器官的损害更是不容忽视[20]。今后的卤系阻燃剂应以降低毒害效应为主。

2.2.2.2 有机磷阻燃剂

与无机阻燃剂相比，磷系阻燃剂对织物的力学性能和物理性能影响较小[21]。含磷物质通常与卤素或含氮化合物，尤其是能够产生膨胀焦炭特性的化合物相结合作为阻燃剂[22]。阻燃剂受热分解形成的泡沫残渣或焦炭，起到保护底层的作用，抑制物质进一步分解[22]。另外，磷-氮系的阻燃剂既含有氮元素又含有磷元素，很大程度上提高了阻燃效果[23]，并且具有挥发性低、颜色较浅、气味较弱、难被水解等优势。

2.3 纺织品的阻燃整理

目前，获得阻燃纺织品有两种途径：一种是将阻燃剂与织物的原材料进行混合、纺丝、纱线制备，进而加工成阻燃纺织品；另一种是对织物进行后整理，即采用浸渍或浸轧的方式把阻燃剂涂覆在织物的表面上[1]，包括以下四种:

(1)浸渍法。具体步骤为：浸渍→干燥→后处理，即把织物浸没在含有阻燃剂的溶液一段时间取出、干燥，该方法缺陷是不耐久。

(2)浸轧焙烘法。这种整理方法最为普遍，其具体步骤为：浸轧→预烘干→焙烘→后处理，是纤维素阻燃整理的最佳方法。

(3)涂层法。把阻燃剂和一些树脂类的物质充分混合后再对纺织品进行的涂层处理。目前有刮刀、浇铸和压延三种涂层方法，根据功能的不同需要采用相应的涂层方法。

(4)喷雾法。当用一般的机器不能对纺织品进行整理时，可以对其进行喷雾整理，使其具有阻燃的效果。

无论是阻燃纤维还是经过阻燃整理得到的纺织品都各有优缺点：阻燃纤维的阻燃效果好、阻燃时间长，但价格相对昂贵；而经过阻燃整理后得到的纺织品，虽然在价格上比较适中，但是耐久性差，若经过长期使用，其阻燃效果会因受到水、光等条件的影响而降低，直至消失。

2.3.1 新型阻燃方法

2.3.1.1 溶胶-凝胶涂层

溶胶-凝胶技术是以金属或半金属醇盐、无机物为前驱体，在室温下将原料均匀混合，进行水解和缩合反应，形成透明的胶体，再经凝胶化，胶粒慢慢聚合在一起，形成无机、有机-无机杂化的三维空间网状涂层[24-25]。

杂化涂层可以形成氧气和热传递的物理屏障，作为绝缘体保护聚合物表面，阻碍挥发性物质的形成，从而推动了进一步的降解，同时有利于形成焦炭，改善材料的阻燃性能[26]。

2.3.1.2 纳米粒子吸附

纳米粒子吸附是将织物浸入含纳米颗粒的水悬浮液中，使纳米颗粒吸附在纤维表面，这是最简单的采用纳米粒子的表面改性方法[26]。纳米粒子粒径小，比表面积大，纳米粒子可以均匀地吸附在纤维表面，形成致密的纳米涂层，隔绝聚合物表面氧气和热量的传递，起到保护基体的作用，改善材料的阻燃性能[27]。

Liu等[28]应用纳米粒子吸附技术，将碳纳米管对棉纤维进行阻燃改性，在棉纤维表面形成致密的纳米涂层，提高了阻燃性。

2.3.1.3 层层自组装

层层自组装是纳米粒子吸附过程的演变[26]，它是一种可以将各种聚合物、胶体或分子结合到薄涂层中的简单且通用的方法[29]。这些薄膜通过可调节地交替沉积正负电荷的功能性聚电解质或纳米颗粒形成，最常见的是通过静电吸引[30]。层层自组装目的是在织物表面建立一个隔热体系，涂层可作为基体的热屏蔽，这种屏障可以作为周围衬底的隔热层起作用，有利于形成炭的现象并抑制可以进一步促进燃烧的挥发性物质的产生，从而提高阻燃性[26]。此外，层层自组装通常在水溶液中进行，是一种绿色环保的方法。

2.3.1.4 等离子体处理

等离子体技术可以在提高材料性能的同时保持基材固有的优点。等离子体是部分电离气体，含有离子、电子和带电中性粒子。等离子体中产生的活性物种携带高能量，可引起蚀刻效应，从而改变纤维表面的特性[31]。冷等离子体技术是用于表面改性最常用的技术之一[32]。它可以将小官能团和大分子化合物接枝到不同的底物上[26]。冷等离子体具有可以使用多种产生等离子的气体以及工艺对环境的影响很小等优点[32]。

Lam等[33]将有机磷化合物与三聚氰胺树脂、磷酸、氧化锌相结合，再通过等离子体刻蚀，对棉织物进行了特定的阻燃处理，提高了织物的阻燃性。

2.3.1.5 生物大分子沉积

绿色生物大分子的阻燃效果归因于它们的化学成分，以及它们与底层织物的相互作用。当织物加热或暴露于火焰时，大分子沉积有利于形成稳定和保护性的焦炭，隔绝氧气并抑制可燃挥发性产物的产生，从而提高纺织品的阻燃性[34]。生物大分子适合作为纤维素基阻燃剂体系[35]。

酪蛋白和疏水蛋白含有磷酸盐基团，因为磷酸盐基团可以生成磷酸，催化纤维素脱水，有利于纤维素的自交联，减少挥发性物的产生，提高阻燃性，能够促进纤维素热解形成焦炭，所以被认为是纤维素基材的有效阻燃体系[26,34]。

3 阻燃纺织品的发展趋势

3.1 研发新型阻燃纤维

为了避免火灾的发生，减少火灾危害，开发新型阻燃材料成为阻燃界急需解决的问题。新型阻燃纤维的研发不仅要考虑阻燃性，还要兼顾能否纺制成功和是否具有应用价值。为了响应我国绿色发展的号召，应该研究出无卤、无烟、无毒、无味的高效环保型阻燃纤维[6]。

3.2 研发多功能化阻燃纺织品

随着纺织品应用领域的不断扩大，仅具有阻燃功能的织物已不能满足特殊的需求。近年来，根据纺织品应用场所的不同，对纺织品提出了新的要求。如在医疗卫生方面，除阻燃要求外还需具备卫生保健等功效[15]。另外，在军事领域，作战服以及一些军事设备除了具备阻燃功能外，还必须具备防伪的功能[15]。在未来的发展中，兼具多功能是阻燃产品的主要发展趋势。