纺织纤维阻燃技术的研究进展

柴蕾

（中国人民武装警察部队工程大学，陕西 西安 710086）

2021 年5 月，以“聚焦纺织纤维科技，引领绿色创新发展”为主题的中国化纤科技大会在江苏南通落下了帷幕，纤维材料作为纺织服装产业的源头产品已进入全新的发展阶段。高新技术的不断发展使得纺织材料的基础材料性能快速提升，高性能的纺织纤维材料不断突破，纺织纤维领域呈生态化、智能化持续深化，成为国家经济发展、生态优化的有力抓手。纺织纤维作为人类生活中不可替代的物质之一，影响着人们的工作、生活。据统计，世界上发生的灾难中，因纺织制品燃烧引发的大型火灾占灾难总数的50%以上，造成了巨大的财产和人身损害。纺织纤维的阻燃技术成为各国争相研究开发的热点，并根据各种纺织制品的阻燃要求制定了相应的阻燃标准。阻燃服的国家标准至今已经修订了4 个版本，目前使用的是《防护服装 阻燃服（GB8965.1-2020）》，体现了以人为本的健康与安全理念。因此，纺织纤维阻燃技术的研究对于降低火灾损害，加速社会发展进程具有重要的意义。

1 纺织纤维的热学性能和阻燃原理

纺织纤维一直以来都是制造服装的重要要素和基本原材料，纤维的分类、形状、性质直接地影响着服装的成衣性能与品质。纺织纤维在其加工和利用过程中，会因为受到不同强度的热辐射而产生热作用，不同的纺织纤维具有不同的导热性、热收缩性、耐热性、燃烧性和熔孔性等热学性能。各种纺织纤维靠近火焰、接触火焰、远离火焰所产生的燃烧现象、气味及燃烧残留物各有不同。

1.1 纺织纤维可燃性的表征

国际上，使用LOI，即极限氧指数来表征纺织纤维的可燃性[1]，可通过氧指数测定仪进行量化测量。在N2和O2混合气体中，将纺织纤维的检测试样点燃，测定能够维持燃烧需要的最小极限O2百分比。空气中O2的浓度一般接近20%，只要超过20%就会有自熄的作用，所以LOI 以20%为界限。LOI 值低于20%为易燃性纤维，如棉纤维、粘胶纤维、腈纶等；LOI 值在20%～27%之间为可燃性纤维，如涤纶、锦纶、维纶等；LOI 值在27%～35%之间的为难燃性纤维，如芳纶、氯纶等；LOI 值在35%以上的为不燃性纤维，如多数金属纤维、碳纤维、石棉等。

1.2 阻燃原理

纺织纤维燃烧时一般需要具备三方面因素，分别为可燃物、氧气及燃烧源。因此，阻燃的基本原理就是阻碍燃烧过程所具备的三方面因素之一，即减少或者没有热分解气体的生成，中断燃烧的基本反应过程，减少可燃性气体及热量的产生，从而达到阻燃效果。常用的阻燃服就是通过使用阻燃纺织纤维从而抑制燃烧反应，使服装面料炭化形成隔离层，减缓火势的蔓延，把火灾对人体的伤害降到最低，实现服装的防护性能。

2 纺织纤维常用的阻燃整理剂

市面上纺织纤维的阻燃剂种类繁多，为含有N、P、Cl、Br、B、Sb 等元素的化合物，主要可以分为铝、镁的氢氧化物，卤系，磷系，含硼化合物四大类阻燃剂[2]。

2.1 铝、镁的氢氧化物阻燃剂

目前，普遍使用的阻燃剂为氢氧化铝、氢氧化镁，都具有安全无毒、原料便宜、发烟量小的特点，但氢氧化镁需要的热分解温度较高，制备工艺复杂，同时会影响高分子聚合物的力学性能，性能次于氢氧化铝。经过长期的试验，研究人员发现将铝、镁的氢氧化物复合后，镁铝复合阻燃剂具有较高的热分解温度，达到的阻燃效果更好，又能够避免两者的不足，多作为添加型阻燃剂作用于使用在纤维织物中。

2.2 卤系阻燃剂

卤系阻燃剂是世界上生产和使用的最大的有机阻燃剂，品种繁多，用途广泛。氯化脂环烃、溴化环氧树脂、溴化聚苯乙烯都属于卤系阻燃剂。该阻燃剂主要通过产生不燃气体和通过其分解的卤化氢消除聚合物材料的燃烧来产生生物活性自由基，从而减缓或终止燃烧反应，抑制燃烧进程。它具有阻燃效率高、成本低的优点，但在使用过程中易产生大量烟雾，使用量大，排放有毒气体，不符合目前环境友好的社会理念。因此，卤系阻燃剂逐渐被新型绿色无卤阻燃剂所取代。

2.3 磷系阻燃剂

磷系所有的阻燃剂大都在性能上具有低烟、无毒的特点，使用最广泛的阻燃剂包括微胶囊化红磷和有机磷酸酯。含磷的化合物因其分子结构、聚合物类型的不同，其阻燃机理也有所差异。聚合物燃烧时并不是立即自燃，而是接近明火时，受热分解产生出类似甲烷等的气体，经与空气接触继而进行燃烧反应。磷系阻燃剂加入到高聚物中，主要是从以下几方面实现阻燃的：一是大部分磷系阻燃剂在高温下易受热形成磷系的含氧酸，能够在空气中在高聚物表面生成结构较为稳定的碳层，碳层具有隔绝氧气、隔绝热源的作用，可以延缓高聚物的燃烧及被热解；二是含有羟基的高聚物的燃烧反应是吸热反应，生成物水蒸气通过降低其他可燃性气体的浓度，使燃烧的速率减慢，防止高聚物内部的热分解产物直接通过空气中参加燃烧；三是磷系阻燃剂受热产生的物质多为黏稠状，可在高聚物表面覆盖形成液膜，具有很好的阻隔作用，可以有效抑制燃烧反应。目前。以磷元素作为主要元素，设计开发的聚合型磷酸酯阻燃剂和膨胀型有机磷阻燃剂因其良好的耐久性，且具有增塑、抗氧、防止滴熔等功能具有很好的开发前景。

2.4 含硼化合物阻燃剂

含硼化合物阻燃剂以其良好的阻燃、低毒、无害和有效的抑烟等特性，逐渐被广泛使用，含硼化合物阻燃剂包括无机和有机两类。无机硼化物阻燃剂很早就作为纺织纤维的阻燃剂应用在纤维素纤维中，整理后很大程度提高了纺织制品的阻燃性。但是服装要经过多次洗涤，纺织纤维的阻燃效果会受到一定程度的损失，属于非永久性阻燃剂。虽然后期无机硼化物经与树脂混合，可以提高纺织制品的水洗牢度，但其工艺复杂、成本高昂，厂家使用的较少。常用的硼酸锌阻燃剂具有提高着火点、促进碳层生成的优点。有机硼化物在毒性、抑烟效果方面都大大优于无机含硼化物，特别是加入含有卤素、含氮化合物的协同剂能够大大促进阻燃效果，但因其价格及水解问题的限制，有机硼化物在纺织制品阻燃的研究还处于实验阶段，后期加以应用将带来丰富的经济、实用效应。

2.5 其他阻燃剂

石墨烯及其衍生产品具有优良的导热性、绿色环保性，并能够改善高分子材料的阻燃性，这使石墨烯在阻燃聚合物、高分子材料等产品应用中具有很大的开发前景[3]。当石墨烯添加的阻燃材料遇到明火时，它们可以充当屏障，防止氧气进入材料内部。另一方面，石墨烯具有良好的热传导性能，局部多余的热量可以迅速传递到材料的其他部位，从而抑制火势蔓延。近年来，环保友好型阻燃剂在纺织纤维中的研究越来越多。研究人员正在努力进行资源开发，研制新型的合成阻燃剂，拓展可持续发展的领域，并通过从植物或天然矿物中寻找实用价值的新材料，用于制备阻燃、消烟的阻燃剂。

3 纺织纤维的阻燃制造方法

阻燃纤维制造技术主要有多种途径和方法，一种就是通过改善和提高成纤纤维对于高聚物的导热性、稳定性来直接实现阻燃，制造技术是将具有阻燃功能的阻燃剂经由高分子聚合物通过聚合、共混等途径对纤维大分子链的热稳定性进行改变，或者是通过复合纺丝、接枝改性等方式将阻燃剂被添加到纺织纤维中。促使高聚物发生脱水、缩合、环化、交联等反应，直至炭化，发挥阻燃剂的阻燃作用。阻燃剂的分解产物与大量的羟基和氢基结合，稀释反应生成物可燃性气体的浓度，从而影响燃烧的反应过程[4]。第二种方法是使用后整理，将具有阻燃特性的阻火剂在纤维上与其他材料发生化学反应或者把阻燃覆盖于纤维的表面、渗透到纤维内部，从而得到对其他材料进行阻火的功能整理。近年来，在传统后整理方法中融入了高能物理技术、生物酶技术以及聚合物/层状双氢氧化物纳米复合材料等高新技术，不仅能够发达到良好的阻燃和抑烟目的，同时可以获得低消耗、高质量的阻燃整理效果。

4 纺织织物阻燃耐久程度分类

具有阻燃功能的纺织制品并不是经过阻燃整理后织物就不能燃烧了，只是使纺织织物具有不易燃烧或者远离火源后可以自熄的功能。纺织织物经过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、耐久性织物三类[5]。

4.1 非耐久性织物

非耐久性的织物在进行阻燃处理时，采用将阻燃剂先溶于水，后将纺织织物浸渍，最后进行烘干整理的方法。例如羊毛织物经过硼酸浸渍烘干后可暂时阻燃。这种方法操作简单，成本低，阻燃剂只是直接附着在纺织服装或者织物表面，织物经过水洗后其阻燃效果随之降低，通常使用在一次性防护服、少数地毯、剧院帷布上，其余很少进行应用。

4.2 半耐久性织物

纺织纤维经过半耐久性阻燃剂整理后的纺织织物能够经受10 次左右的低温水洗，仍保持阻燃效果。例如使用1∶1 比例的尿素和磷酸对麻织物进行阻燃整理可以使麻织物具有半耐久性，可耐多次60℃以下的水洗；使用氨基磺酸和浓度20%的尿素经过浸轧焙烘工艺处理产生交联，使羊毛织物具有半耐久阻燃性。但这种织物应使用洗衣液清洗，不能使用肥皂及高温水洗，否则将破坏纺织织物中的阻燃成分。

4.3 耐久性织物

纺织纤维经过耐久性阻燃剂整理后，经过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纺织纤维内部、表面进行聚合或缩合反应，从而形成改性聚合物，纺丝得到自阻燃纤维。

5 结语

大多数纺织制品具有易燃性，已经成为引发火灾的主要隐患因素。随着经济和社会的进步，人们对阻燃纺织制品的要求和市场规模也与日俱增，也进一步为新型阻燃剂提供了广阔的应用市场。设计生产儿童、残废人士等特殊人群的服装，室内装饰的窗帘用布、地毯，剧场的幕布以及交通运输行业和宾馆、酒店室内使用的纺织制品，消防员、冶金化工行业及特战队员的制服等均需要达到国家规定的阻燃要求。人们生活质量的不断提高，对纺织制品的阻燃安全性要求也不断增加。目前，市场上的阻燃剂处理的纺织纤维会影响纤维的性能和手感，有的在生产过程中会释放出甲醛。今后在改进阻燃工艺提高纺织纤维的阻燃性方面需要保持其原 有的性能同时对织物的阻燃耐久性进一步优化。因此，开发毒性小、抑烟的阻燃剂，实现绿色阻燃，提高阻燃纺织材料及纺织制品的高效、耐久、复合性能，是纺织纤维阻燃技术的发展方向。