纺织用品中阻燃纤维的阻燃机理及应用分析

严立云

[1.吉林师范大学 物理学院，吉林 四平 136000；2.物理国家级实验教学示范中心（吉林师范大学），吉林 四平 136000]

人们在居家生活、建筑规划、军事筹备、医疗服务、生物研究等领域，对纤维纺织产品有较大的使用需求。然而，未经阻燃加工的纤维织物表现出较强的易燃性，极易在日常穿着、办公应用中引发火灾事故，具有一定的危险性。因此，对纤维织物进行阻燃加工逐渐成为保障纺织物使用安全的有效策略。根据阻燃机理，需要维持纤维织物原本的质量，减少质感下降问题。

1 阻燃机理

1.1 泡沫隔离

在纤维织物表面使用阻燃剂后，织物所在环境具有高温特点时，织物表面添加的阻燃剂会在高温条件下转化成泡沫覆层，隔绝纤维与空气，达到隔热效果，减少可燃气体的产生量，有效控制织物燃烧的蔓延能力。控制燃烧主要表现为两种类型：（1）在高温条件下，阻燃剂转化成降解产物，促进纤维表层的水分解，有效防止纤维聚合物发生深层裂解，显著隔离热分解产物，形成燃烧抑制作用，在阻燃剂中融合的磷系成分能控制含氧聚合物在燃烧中的作用，实现有效阻燃。（2）在燃烧条件下，卤化磷、硼系两种阻燃成分会形成难挥发薄膜，附着于纤维表层，有效隔离热分解物质，合理控制火势，达成阻燃目标。

1.2 热量分解

一般情况下，纤维织物燃烧时会在较短时间内出现温度骤然升高、热量释放的现象。如果在织物燃烧时有效吸收、分解释放的热量，就能有效控制火焰温度，达到阻燃效果。织物燃烧期间表现出高温的特点，在高温条件下，多数类型的阻燃剂能进行热量吸收、热量分解等活动，比如脱水、相变等。在各类热量分解活动中，有效分解燃烧释放的热量，控制织物燃烧时形成的表层温度及增幅，能降低可燃气体的生成量，防止发生聚合物热裂解，达到抑制燃烧的效果。具有热量分解、热量吸收能力的阻燃剂一般为无机类，以氢氧化物产品为代表。

1.3 可燃成分稀释

在较高温度条件下，阻燃剂会在热量的作用下分解出不具易燃性的气体，对燃烧产生的易燃气体形成稀释作用，有效控制易燃气体的释放量，使其达不到火焰形成的浓度条件。同时，对燃烧织物周边的氧气成分进行稀释[1]。难燃烧的气体与热量形成对流后，对热量发挥消耗作用，有效控制燃烧蔓延速度，具有阻燃性。

1.4 燃烧抑制

在燃烧时，织物纤维使用的阻燃剂主要分布在织物表层，能引起聚合物参与热量分解活动，拉开燃点、熔点的温度差。熔融过程会发生热塑，对纤维形成结构收缩作用，有效消耗燃烧热量，具有较强的阻燃效果，能熄灭火焰。

1.5 耐热性

在织物纤维中，选定聚合物为目标主体，引入芳环，优化纤维内部分子链。芳环的使用能提升纤维各类分子的作用力，交联紧密性更强，增大分子密度，炭化处理纤维组织，使其具有优异的耐热性，表现出较强的阻燃性。

1.6 火焰密度控制

在燃烧链中，自由基是保持燃烧持续性的关键因素。在发生气相燃烧时，形成的自由基会被阻燃剂消耗，以控制火焰大小，防止火灾蔓延，在区域内完成燃烧后熄灭火焰。阻燃剂可选择含卤类型，使用时蒸发温度等于织物热量分解的温度。在织物发生热量分解时，会产生燃烧火焰，使用阻燃剂能积极消耗自由基，控制火势的蔓延速度，形成燃烧抑制作用。

2 应用表现

2.1 聚丙烯腈

聚丙烯腈结构类型的纤维织物是以丙烯腈成分为主，共聚其他类型单体成分后，组成的聚合结构经过纺织加工形成的纤维织物。此种织物在性能方面与羊毛具有高度相似性，人称“人造羊毛”，表现出较强的耐拉性、保温性等优势，具有弹性较大、耐受性好等特点[2]。由纺织产品引发的火灾事故较多，引起了人们对阻燃剂使用的重视。然而，聚丙烯腈成分中的极限氧参数为17%，阻燃标准最小值为26%，需要对其进行阻燃处理。

在整改聚丙烯腈纤维时，添加了水合肼相关用料，积极研究纤维特点、力学属性、热量燃烧平稳性、阻燃方案等发现，此种纤维初期分解热量时温度不高，能有效增强纤维的阻燃性。然而，在添加其他用料时，会导致纤维表层结构发生改变，造成纤维整体力学性能欠佳的问题。

借助水解反应，增强聚丙烯腈整体结构的阻燃性能。水解反应中添加了肼、碱两种试剂，结合金属离子特性，至少使用3种金属离子进行纤维性能优化。研究发现，优化后的纤维织物能显著增大纤维层密度，合理控制电阻，使极限氧达标，有优异的阻燃性。其中，使用锌离子优化织物性能后，阻燃性最强。

2.2 耐高温

在纤维织物中，表现出较强阻燃性、较高温度耐受性的织物用料有多种类型，比如聚苯硫醚（PPS）、聚苯并咪唑（PBI）等。（1）Basofil织物，具有较强的防火性，主要成分为三聚氰胺，在高温条件下表现出平稳的耐热性，能有效阻隔燃烧、减少水渗透、规避化学品的影响、弱化紫外线的作用，在众多防火场区得到了广泛应用。此种织物通常为象牙色，能在染料的作用下形成其他多种颜色，便于与各类纤维材料混合，形成全新的混合织物。（2）PBI织物，表现出较强的阻燃性，获得了“阻燃王”的美称，以杂环分子为主要纤维结构，具有较强的高温耐受性。此种纤维织物表现出较强的纺织弹性，能有效吸收火灾热量，合理控制燃烧，还能进行多色加工。（3）PPS织物，主要成分为聚苯硫醚，在一般的熔融纺丝工艺中，采取高温、卷曲等多步加工方法，制备的纤维织物表现出较强的阻燃能力，主要用于消防服饰的加工与制作。

依据聚苯硫醚成分溶体黏性强、熔点参数高、成分流动性不强等特点，从成分中选择4种差异性原材料，进行熔喷纺丝生产，研究熔喷纺丝生产的各类加工方案，由此推断织物的纺织属性。研究发现，熔融指数为每10 min熔融用料258 g，证实聚苯硫醚具有优异的纺织属性，能在熔喷工艺生产体系中产出纤维直径为3 μm左右、密度均匀的织布。

2.3 黏胶

黏胶纤维是以天然纤维素为主要原材，表现出较强的绿色性、清洁性、资源再生性等纺织优势。此种织物的极限氧参数为19%，表现出较强的易燃性，需要对其进行阻燃处理[3]。经阻燃加工获得的黏胶纤维，具有染色性能强、防静电等优势，可在特种防护织物中得到有效使用。黏胶织物产品与火源进行短时间接触时，能给予防火保护响应。阻燃黏胶产品具有质感舒适、吸湿性较强、阻燃性优异等优势，在家居装饰、优质内衣等产业中得到了广泛应用。

2.4 涤纶

涤纶织物的主要成分包括二元醇、二元酸，在聚合作用下形成纺织品，是一类高分子织物产品。涤纶纤维表现出较强的抗形变、防褶皱、免烫伤、不沾毛等特点。对该纤维织物进行阻燃加工后，能获取性能优异的阻燃涤纶产品。此种阻燃织物与明火相遇时，会形成熔滴，不会出现织布燃烧现象。对阻燃涤纶产品进行50次清洗搅拌后，仍然具有较强的阻燃性。此种织物在室内帐篷、飞行服饰、降落用具中得到了广泛应用。

2.5 锦纶

锦纶织物表现出较高的耐用性、用料弹性、织布抗拉强度。此种织物在工业领域的生产量位于涤纶之后，在工业生产、医疗服务、军事等行业得到了有效推广与应用。然而，锦纶纤维结构中的酰胺键具有较为活跃的化学属性，在高温条件下会与阻燃剂发生反应。此种纤维的阻燃处理途径：（1）原材料阻燃处理；（2）成品阻燃加工；（3）原材料、成品均作阻燃处理。阻燃锦纶的加工过程侧重使用共聚混合工艺，阻燃剂以卤化物、磷系两种为主。在进行阻燃处理时，阻燃剂的选用要求：（1）能与纤维相容；（2）具有高温耐受性，要求粒径不大；在温度达到300 ℃时，能发挥阻燃作用。

2.6 维纶

维纶织物的主要成分是聚乙烯醇缩醛，性能类似于棉花，具有较强的吸湿性。维纶织物表现出较强的性能平稳性，在极端气候、较强光照条件下，表现出较强的耐受性。可使用溶胶与凝胶的联合工法，转化阻燃剂，对其成分纳米级分子进行特殊加工获得阻燃维纶。此种阻燃织物能有效维持自身的物理特性，兼具环保、阻燃等性能优势，相关产品具有较强的消防安全性，在工业、建筑、军事等多个行业得到广泛应用。

3 结语

较多类型的纤维织物极易发生火灾事故，对人们的安全造成了一定威胁。生产、研究纺织产品时，要重视阻燃性能，为火灾防护、安全生产、舒适生活奠定基础。要想提高纤维织物的阻燃性，就要重点研究阻燃纤维加工方法与工艺流程。加大阻燃纤维的研发深度，从织物技术、清洁生产、智能工艺等视角，全面构建阻燃纤维的生产体系。同时，扩大阻燃纺织产品的推广范围，发挥阻燃织物的防火作用。