阻燃纤维

阻燃纤维

轻化1101 0902110101 陈勇杰

摘要：本文讲述了阻燃纤维的现状与发展趋势，根据纤维的用途，并对其进行改性，新型阻燃纤维有更优良的性能，发展前景广阔。 关键词：阻燃；发展趋势；性能；

一、阻燃纤维的现状与发展趋势

阻燃纤维是在国家“863”计划研究成果基础上开发的一种具有阻燃抗熔滴性能的高技术纤维新材料。该产品采用新一代纤维阻燃技术——溶胶凝胶技术，使无机高分子阻燃剂在粘胶纤维有机大分子中以纳米状态或以互穿网络状态存在，既保证了纤维优良的物理性能，又实现了低烟、无毒、无异味、不熔融滴落等特性。该纤维及纺织品同时具有阻燃、隔热和抗熔滴的效果，其应用性能、安全性能和附加值大大提高，可广泛应用于民用、工业以及军事等领域。

现在国内外市场上阻燃纤维已有几十个品种，传统加工的阻燃纤维主要是阻燃涤纶，阻燃腈纶，阻燃维纶。随着科学技术的进步，各国新近开发生产了多种阻燃纤维，如聚间苯二甲酰间苯二胺纤维、聚酰胺一酰亚胺纤维、聚酰亚胺2080纤维、杂环聚合物聚苯并咪唑纤维(PIM2080)、酚醛纤维。这些特种阻燃纤维的阻燃效果都比较好，在工业及特殊领域有很大的用途。

1.阻燃纤维的发展现状

随着塑料、橡胶、合成纤维等聚合物材料及其制品的蓬勃发展，迅速代替了传统的钢材、金属、水泥、木材及棉麻等材料，广泛应用于工农业和军事等国民经济的各个部门，与人们日常生活息息相关。 但是这些聚合物大多数是易燃、可燃材料，在燃烧时热释放速率大，热值高，火焰传播速度快，不易熄灭，有时还产生浓和有毒气体，对环境造成危害，危及人们的生命安全。因此如何提高聚合物的阻燃性已经成为一个急需解决的问题，而对聚合物进行阻燃处理是减少火灾的重要措施之一。国外一些发达国家在上个世纪六十年代就纷纷制订了有关使用阻燃产品的法律和法规，各国对阻燃制品相继制定严格的实施标准。随着人民生活与环境条件的不断改善,人们对阻燃纺织 品性能要 求越来越 高,应投入力量和资金加大阻燃纤维的开发。日前,中国科大火灾科学 国家重点实验室科研人员,用分子设计方法研究成功新型清洁、高效阻燃材料,这项技术成果已被列入国家高技术产业发展计划。阻燃聚合物 改性粘土 纳米复合材料 用“层离纳米复合材料”和“嵌入纳米复合材料”方法,合理地将聚合物和无机物结合在一起,利用新的阻燃技术进行制备,可 有效地克服现有阻燃材料的不足。

2.阻燃纤维的发展趋势

2.1 混纺交织与功能复合化

阻燃织物的混纺交织与功能复合化正在成为一种新的发展趋势，现在世界各国正在通过阻燃纤维的混纺交织开发具有双功能和多功能的阻燃织物。目前多数阻燃纤维或织物仅具有阻燃功能，不能满足某些部门的特殊要求，如阻燃拒水、阻燃拒油、阻燃抗静电，发展阻燃多功能产品势在必行。如在生产方法上采用多种形式相结合，对阻燃纤维织物进行防水、拒油整理 ；采用阻燃纤维纱与导电纤维交织以生产抗静电的阻燃纤维；利用阻燃纤维与高性能纤维进行混纺交织生产耐高温织物；采用阻燃纤维与棉粘胶等纤维混纺以改善最终产品舒适性并降低成本等。 2.2 绿色纺织品

“绿色”纤维是当今合成纤维的最大热点和必然发展方向。所谓“绿色”纤维系指纤维生产消耗原材料不会破坏生态平衡，纤维的生产过程不会造成环境污染，纤维在穿用中对人体无毒害，纤维废弃后可再生。具体到阻燃纤维的绿色化是指，减少生产过程对环境和操作人员的毒害作用，防止纤维对穿用人产生不良影响，火灾发生时，会产生“二次毒害”（卤、磷，硫、氮等阻燃剂会产生有毒气体和浓重的烟雾，危害人体和环境）。世界各国尤其是欧美等发达国家相继制定了一系列环保法规和标准，对进口纺织品实施安全检测，限制非生态纺织品的市场流通和消费。欧盟生态纺织品标准Oko － Tex S tand a rd100）的产生，更在国际贸易中掀起了一股“绿色浪潮”，济南三太阻燃制品有限公司生产的阻燃涤纶织物已顺利通过欧洲生态纺织品认证，为保护生态环境作出了重要贡献。 2.3 新型阻燃材料

新型阻燃纤维是随着宇宙开发、航空、新能源、海洋及通讯技术等高新产业的发展需要而开发出来的一系列具有高性能(高强、高模、耐高温)、高功能(高感性、高吸湿、透湿防水、抗静电)的纤维。高技术耐高温阻燃纤维是其中的一个重要分支。高技术型阻燃纤维由于自身独特的化学结构，无须添加阻燃剂或进行改性，本身就具有耐高温阻燃的特性。具有代表性的高技性阻燃纤维主要有聚丙烯睛氧化纤维(PANOF)、聚苯并米哩(PBI)纤维等，暂不做详述。随着我国阻燃法规的不断健全, 阻燃纤维纺织产品开发力度将不断增大,永久阻燃性织物将成为我国纺织品市场的新热点。阻燃纤维的应用范围也会越来越广泛。

新技术阻燃纤维无疑有着美好的市场前景,然而,新技术纤维生产往往意味着引进新的设备、生产线和新技术,需要大量的投人,原有的纤 维生产设备无法再利用,而传统的阻燃剂型阻燃纤维可利用现有 生产设备,仅需做工艺参数上的调整,因此,阻燃剂型阻燃纤维仍然占据着阻燃纤维的统治地位,然而,随着新技术和发展,人民活的提高,防火识增强,以及对阻燃纤维材料的安全性、环保型要求的不断增加,新型阻燃纤维必将异军突起,逐步取代传统的阻燃纤维。

二、对阻燃纤维的认识

1、阻燃纤维的定义

阻燃纤维的定义是当纤维在中、小型火源点燃下,会发生小火焰燃烧,一旦火源撤走,火焰又能较快地自行燃灭,是不会蔓延成灾的纤维。纤维的阻燃性一般用LOI来衡量。因为空气中的含氧率为21%,纤维的LOI>21%,离开火焰后,在空中才能继续燃烧,LOI=25~31%,可认为基本不燃,如果纤维的LOI<20%,该纤维就具阻燃性,对纺织纤维来说,在空气中易燃,但若有足够的空气流和较高温度时仍能引燃。LOI=35~40%,则认为完全不燃,考虑到气流作用等附加条件,一 般来说LOI>26%的，即认为是阻燃纤维。

2、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

3、阻燃纤维的制造方法

赋予纤维阻燃性能的方法主要有提高成纤高聚物的热稳定性和纤维改性两种方式。 1、提高成纤高聚物的热稳定性

纤维的裂解是纤维燃烧的最重要的环节，因为裂解将产生大量的裂解产物，其中可燃性气体或挥发性液体将作为有焰燃烧的燃料，燃烧后产生大量的热，又作用于纤维使其继续裂解，使裂解反应循环下去。提高成纤高聚物的热稳定性即提高热裂解温度，抑制可燃性气体的产生，增加炭化程度，从而使纤维不易燃烧。可有以下几种途径：

（1）在大分子链上引入芳环或芳杂环，增加分子链的刚性，提高大分子链的密集度和内聚力来增加纤维的热稳定性。

（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纤维。

（3）通过大分子中的氧、氮原子与金属离子螯合交联形成立体网状结构，提高热稳定性，促进纤维大分子受热后炭化，从而具有优异的阻燃性。

（4）将纤维在高温（200-300℃）空气氧化炉中处理一定时间，使纤维大分子发生氧化、环化、脱氧和炭化等反应，变成一种多共轭体系的梯形结构，从而具有耐高温性能。 2、纤维改性

纤维改性有共聚法、共混法和纤维后处理法等。

（1）共聚法：在成纤聚合物的合成过程中，把含有磷、硫、卤素等阻燃元素的化合物作为共聚单体引入到大分子链中，经纺丝制成阻燃纤维。

（2）共混法：将阻燃剂加入纺丝熔体或浆液中进行纺丝，即成为阻燃纤维。 （3）纤维后处理：在高聚物成纤后，用高能射线或引发剂使纤维与乙烯基形成的阻燃单体接枝共聚，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，使阻燃剂渗入到纤维内部，从而使纤维获得持久的阻燃性能。

4、阻燃纤维的种类

4.1阻燃粘胶纤维。工业上制造耐久性阻燃粘胶纤维的方法,主要有共混阻燃改性和接枝共聚阻燃改性。

4.2阻燃聚丙烯睛纤维。制造耐久性阻燃睛纶的方法,主要有共聚阻燃改性、共混阻燃改性、热氧化法几种。而热氧化法是睛纶的特有方法。 4.3阻燃聚乙烯醇纤维。即维纶。

4.4阻燃聚醋纤维。即涤纶。

4.5阻燃聚丙烯纤维。即丙纶,是成本最低廉的一种合成纤维。在土工布、防护服、装饰行业具有广泛的应用前景,其极限氧指数为。

4.6阻燃聚酞胺纤维。即锦纶,是一种高强、耐磨、弹性好、易染色的纤维,产量仅次于涤纶,其极限氧指数为。由于其特殊的组成,该纤维的阻燃研究一直未有较大的进展。

4.7阻燃聚芳酞胺纤维。即芳纶,具有高强、高模、耐高温性。不同组成和结构的芳纶,具有不同的耐热、阳燃性能。

4.8 PBI纤维。即聚苯并咪哩纤维,是一种非热塑性阻燃纤维,具有阻燃、耐高温、耐磨、耐化学药品、穿着舒适等优良性能。

4.9 PPS纤维。即聚苯硫醚纤维,是一种优良的耐热、耐化学品纺织,并有 良好的纺织性能,主要 用于防护织物。

4.10 PTO纤维。即聚对苯二甲酞草酸双眯金属赘合纤维,具有优异的阻燃和绝热性能,可作防火服和 隔热服。

三、阻燃纤维的性能

产品特性

1、安全性好。纤维遇火时不熔融，低烟不释放毒气。 2、永久性的阻燃作用。洗涤和摩擦等不会影响阻燃性能。

3、环保性。以天然纤维素纤维为载体，废弃物可自然降解，符合环保要求。

4、优良的永久性阻燃防火性能。在防止火焰蔓延、烟雾释放，抗熔融，耐用性上有良好表现。

5、良好的隔热性及防静电性能。提供全方位的热保护。

6、具有天然纤维特性。织物具有天然纤维所具有的吸放湿性能，织物具有手感柔软、舒适、透气、染色鲜艳等特点。[1]

织物特性

1、优良的永久性阻燃防火性能。在防止火焰蔓延、烟雾释放，抗熔融，耐用性上有良好表现。

2、良好的隔热性及防静电性能。提供全方位的热保护。

3、具有天然纤维特性。织物具有天然纤维的吸放湿性能，织物具有手感柔软、舒适、透气、染色鲜艳等特点。

四、阻燃纤维的应用

服用

防护服：消防、焊工等工作服和军服 一般服装：睡衣、婴幼儿等服装 非服用

家庭装饰用：地毯、窗帘、墙布等 床上用品：毛毯、被、床罩等 家具用：椅套、台布、家具包布

交通运输用：飞机、轮船、火车内饰用布 军事用：炮衣、帐篷布等 工业用：滤布等

公共场所用：装饰墙布（毡）、窗帘、帷幕、装饰包布等 其他：假发、人造毛皮、长毛绒玩具

五、阻燃纤维的改性

纤维大分子与阻燃剂的结合方式，既可以是化学结合，也可以是物理结合。与纤维的化学结构、用途和需求量等因素有关。常用的主要方法有：

1、共聚法。是将含阻燃元素（卤素、磷、硅等）的化合物，作为共聚单体通过化学方法引入成纤高聚物的分子链中。然后再把这种阻燃成纤高聚物制成阻燃纤维。由于阻燃剂与大分子链紧密结合，因而阻燃效果持久。但工艺比较复杂，成本较高。

2、共混法。共混法是将阻燃剂加入纺丝熔体中或浆液中纺制阻燃纤维的方法。此法工艺简单，对纤维原有性能影响。阻燃效果的持久性与阻燃剂的性质有关。由于共混法生产的纤维中，阻燃剂与大分子间没有化学键连接，只是依靠分子间的相互作用聚集在一起，故耐久性不如共聚法，但比后整理法好。使用的添加型阻燃剂要求粒度细，与聚合物相容性好。 3、皮芯复合纺丝法。是以阻燃高聚物为芯，普通聚合物为皮，通过复合纺丝制得纤维。其特点是纤维稳定性好，强度高，均匀度高，但加工设备复杂，成本高。

4、接枝共聚法。用放射线、高能电子束或化学方法使纤维和阻燃单体发生接枝共聚，是一种有效而持久的阻燃改性方法。接枝阻燃改性纤维的阻燃性与接枝单体的阻燃元素种类、化学结构和接枝部位有关。当阻燃剂渗透到纤维内部时，可获得更好的阻燃效果。

参考文献：

[1]赵博.浅述阻燃纤维的性能及其发展趋势.济南纺织化纤科技.2004年第一期 [2]刘美华.阻燃聚酯纤维生产技术.中国知网.2008,(23) [3]怡静.阻燃纤维的现状.中国知网.2012,(101)

[4]杨丽,杨俊玲.阻燃纤维及应用[J].印染助剂，2006(9)：5-7 [5]朱庆松,王利生.阻燃聚酯纤维的现状和发展.2000

[6]兰红艳.阻燃纤维的分类与应用[J].上海麻毛科技，2011（4） [7]张树钧.改性纤维与特种纤维.中国石化出版社.1995

[8]肖为维.阻燃聚酯纤维的研制[J].合成纤维, 1986 ,( 3): 44-47.

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