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阻燃紡織品的性能測試方法及發(fā)展動態(tài) 趙雪 朱平 展義臻 王炳 青島大學化工學院，山東青島 266071作者簡介：趙雪(1981-)，女，在讀研究生，研究方向為棉織物用阻燃劑的制備及應(yīng)用 【摘要】作為防護性功能紡織品的阻燃整理，存在著各種不同性能測試方法。文章主要詳細介紹了紡織品阻燃性能的各種測試方法；并論述了近幾年阻燃纖維、阻燃紡織品、阻燃劑及阻燃法規(guī)的發(fā)展動態(tài)。 【關(guān)鍵詞】阻燃紡織品;性能測試方法;發(fā)展動態(tài) 【中圖分類號】TS197 文獻標識碼：B 文章編號:1005-9350(2007)05-0038-04 評定阻燃后織物的可燃性是一個比較復雜的問題，影響因素很多，如織物吸濕率、重量等，但主要從兩方面加以考慮：一是點火性，即著火點的高低，表示織物起火的難易；另一是燃燒性能，即在特定條件下，沿著樣品燃燒的速率。縱觀各國阻燃測試方法，雖然各不相同，但又存在著內(nèi)在聯(lián)系。從被測試樣所處的環(huán)境來看，氧指數(shù)法有其獨特之處，而從被測試樣所處的位置看又大體上可分為垂直向、45方向和水平方向三大類。當然還有一些專用于某些材料的方法如鋪地織物試驗方法等。本文結(jié)合國內(nèi)外附燃測試方法和標準簡要介紹紡織品阻燃性能的一些測試知識。1 紡織品阻燃性能測試方法11 燃燒實驗法 燃燒實驗法，主要用來測定試樣的燃燒廣度(炭化面積和損毀長度)、續(xù)燃時間和陰燃時間。一定尺寸的試樣，在規(guī)定的燃燒箱里用規(guī)定的火源點燃12s，除去火源后測定試樣的續(xù)燃時間和陰燃時間。陰燃停止后，按規(guī)定的方法測出損毀長度。根據(jù)試樣與火焰的相對位置，可以分為垂直法、傾斜法和水平法。垂直法是目前最為普遍的測定方法。這類實驗比45方向、水平方向燃燒更為劇烈。垂直燃燒實驗又分垂直損毀長度法，垂直向火焰蔓延性能測定法、垂直向試樣易點燃性測定法和表面燃燒性能測定法。GB/T5456-1997規(guī)定了紡織品燃燒性能垂直方向試樣火焰蔓延性能的測定，該法用規(guī)定的點火器所產(chǎn)生的規(guī)定點火火焰，按規(guī)定點火時間對垂直向紡織試樣點火，測定火焰在試樣上蔓延至標記線(規(guī)定距離)所用的時間(以秒計)。亦可同時觀察、測定和記錄試樣的其他有關(guān)火焰蔓延的性能1。GB8746-88規(guī)定了紡織織物燃燒性能垂直向試樣易點燃性的測定，該法用規(guī)定點火器產(chǎn)生的規(guī)定火焰，對垂直向紡織試樣點火，測量織物點燃所需要的時間2。GB8745-88規(guī)定了紡織織物表面燃燒性能的測定，在規(guī)定的試驗條件下，在接近項部處點燃支承于垂直板上的干燥試樣的起毛表面，測定火焰在織物表面向下蔓延至標記線的時間3。垂直法可用于測定服裝織物、裝飾織物、帳篷織物等的阻燃性能；傾斜法適用于飛機內(nèi)裝飾用布；水平法適用于地毯之類的鋪墊織物。12 限氧指數(shù)法 限氧指數(shù)法是目前廣泛使用的紡織品燃燒性能測試方法，它是指在規(guī)定的實驗條件下，在氧、氮混合氣體中，材料剛好能保持燃燒狀態(tài)所需最低氧濃度，用LOI表示，LOI為氧所占混合氣體的體積百分數(shù)。GB/T5454-1997規(guī)定了紡織品燃燒性能試驗氧指數(shù)法，將試樣夾于試樣夾上垂直于燃燒筒內(nèi)，在向上流動的氧氮氣流中，點燃試樣上端，觀察其燃燒特性，并與規(guī)定的極限值比較其續(xù)燃時間或損毀長度。通過在不同氧濃度中一系列試樣的試驗，可以測得維持燃燒時氧氣百分含量表示的最低氧濃度值，受試試樣中要有40%-60%超過規(guī)定的續(xù)燃和陰燃時間或損毀長度4。 13 表面燃燒實驗法5這種方法是測定試樣表面的燃燒蔓延程度的方法，適用于厚實紡織品。以鋪地紡織品燃燒性能測試 為例，國外對鋪地材料燃燒性能的測試開始均采用水 平法，如美國易燃織物法令要求用水平煙蒂法和烏洛 托品法考核；英國用熱金屬螺帽法。烏洛托品法是在 一定大小試樣的中心放一塊直徑為6-6.5mm的烏洛 托品片劑，用火源點燃片劑，試樣隨之燃燒，待火焰熄滅后，測量火焰熄滅處到片劑中心的最大距離，用來考核試樣的燃燒性能。熱金屬螺帽法是將不銹鋼螺母在爐子中加熱到灼熱，放在樣品室中的試樣表面，試樣燃燒熄滅后，測量火焰熄滅處到螺母中心的距離和著火時間，以此考核樣品的燃燒性能。由于這類水平方式的燃燒條件不夠劇烈，很多地毯不經(jīng)阻燃也能達到要求，所以燃燒性能評定改為接近實際燃燒條件的熱輻射法。如美國要求住宅使用的地毯用輻射板法測得的臨界輻射通量要0.25W/cm2；公共設(shè)施中使用的地毯，臨界輻射通量要0.5W/cm2。日本對地毯采用的是上接焰法，要求炭化距離最大值小于7Omm，平均值小于5Omm。熱輻射法的基本原理是：在規(guī)定溫度(180)和尺寸的箱體中，以燃氣為燃料的熱輻射板與水平放置的試樣傾斜成30并面向試樣，輻射板產(chǎn)生的規(guī)定輻射通量沿試樣分布。在規(guī)定的時間下用引火器點燃試樣，火焰熄滅后測定試樣的損毀長度，并計算臨界輻射通量。這種試驗方法的顯著特點是: 實驗在箱體內(nèi)進行且箱體溫度保持180；試樣始終受到規(guī)定的輻射熱作用；試樣夾上水平放置的試樣下可放與實際鋪設(shè)條件相同的底襯材料。這種試驗裝置模擬了室內(nèi)或鄰室發(fā)生大火時產(chǎn)生的火焰、熱氣或者兩者同時作用使建筑物上部受熱后輻射到地板的熱輻射強度。顯然這種裝置更接近鋪地材料的實際燃燒條件，其實驗結(jié)果更能反映鋪地材料系統(tǒng)真實的燃燒性能。臨界輻射通量為評價鋪地材料系統(tǒng)暴露于火焰時的燃燒性能提供了依據(jù)。測得的臨界輻射通量值越大，說明鋪地材料愈難燃燒。 14 發(fā)煙性試驗法 根據(jù)長期積累的各類火災(zāi)資料，分析燃燒物的煙霧和毒性，其危害性常比燃燒時產(chǎn)生的火焰和熱量更為嚴重，是導致人類死亡的主要原因。國內(nèi)外都有該類專用儀器設(shè)備進行測試，原理較多采用光透過法。通過煙密度測出透過率和時間曲線可以得出各種參數(shù)，包括光密度、最大煙密度、平均發(fā)煙速度以及透光率，從最大到75%(比光密度)所需要的時間，從而較全面地評價阻燃紡織材料的發(fā)煙性。建筑行業(yè)和交通運輸部門常應(yīng)用該類儀器及測試方法以研究和選用阻燃材料。 15 閃點和自燃點測定及點著溫度測定 閃點指材料受熱分解放出可燃氣體，并剛剛能被外界小的火焰點著時周圍空氣的最低初始溫度。自燃點指材料受熱達到一定溫度后不用外界點火源點燃，而自行爆炸或燃燒時周圍空氣的最低初始溫度。以上各種測定用于各類織物在熱或火焰作用下的燃燒性能，作為評價火災(zāi)危險性的一個因素。另外，對織物燃燒氣體毒性的分析研究(近年來也比較重視)可用紅外儀、氣相色譜儀和質(zhì)譜儀等進行分析，國外時有報道。 16 阻燃整理熱分析 當織物按一定溫度程序在受熱或冷卻時常發(fā)生一系列的物理或化學變化。熱分析技術(shù)是研究或測定當發(fā)生這些變化時，物質(zhì)的質(zhì)量或能量隨溫度(或時間)變化的函數(shù)關(guān)系。熱分析技術(shù)內(nèi)容較多，阻燃測試中常用的是熱解重量分析法(TGA)和差示掃描量熱(DSC)。利用熱解重量分析法(TGA)可以測定纖維的熱失重變化情況，它對織物阻燃效果可相對比較，且有一個數(shù)量的概念。差示掃描量熱DSC可以分析纖維的分解溫度變化，表明阻燃前后裂解方式改變。在熱分析技術(shù)中還可以利用色譜-質(zhì)譜聯(lián)用，研究纖維的熱裂解產(chǎn)物等。 17 錐形量熱計 錐形量熱計是上世紀80年代初開始發(fā)展起來的一種新型燃燒測試裝置。它能模擬真實燃燒時的各種參數(shù)。它主要用來測量材料燃燒時的熱釋放速率。研究表明，材料燃燒時的熱釋放速率(Heat Release Rate)，即單位時間內(nèi)材料燃燒放出的熱量，是表征材料在火災(zāi)中的燃燒危險性的最重要的火情參數(shù)。因此，近年來各種用于測量材料熱釋放速率的儀器和方法不斷涌現(xiàn)。錐形量熱儀采用氧消耗原理測量材料燃燒時的釋熱速率，此法目前己取代傳統(tǒng)的建立在能量平衡基礎(chǔ)上的釋熱速率的測試方法，被廣泛應(yīng)用于各種放熱速率測試儀器及方法中。此外，它可以測量材料燃燒時的單位面積熱釋放速率，樣品點燃時間、質(zhì)量損失速率、煙密度、有效燃燒熱、有害氣體含量等參數(shù)。這些參數(shù)對于評價一個阻燃劑或阻燃體系的性能方面具有重要的意義，因為在實際的火情中，受害者不但受到火焰發(fā)出的熱量的灼燒，而且受到聚合物等材料燃燒分解生成大量煙氣的窒息等危害。錐形量熱計近年來已在歐美許多國家投入使用，我國也已引進該儀器并應(yīng)用于研究工作6。18 簡易測試方法7 為了操作方便，介紹兒種簡易測試方法。這些方法無需復雜設(shè)備或條件，成本低，適用于初步觀察阻燃效果或一般工廠選用工藝條件時作參考或?qū)Ρ龋荒茏鳛闃藴试囼灧?，更不能作為仲裁依?jù)。181 火柴測試法 火柴測試法可評定織物阻燃效果或相對比較阻燃性能。試驗時取約2.5cm3Ocm織物一條，用點燃的火柴，放在條狀試樣下面，燃燒至火柴燒完(或規(guī)定5-12s)，觀察燃燒情況或阻燃效果。有時可規(guī)定試樣燃燒不超過5s為合格，超過中線或陰燃超過15s為不合格(也可規(guī)定其他指標)?；鸩褚?guī)格可自行指定，也可參照標準法。該法接近垂直試驗法。182 打火機試驗法 試樣大小可根據(jù)試驗需要，熱源采用打火機，時間一般為5s,熱源放置部位可與應(yīng)用條件相似?；鹣绾?，觀察火焰蔓延狀態(tài)，蔓延不嚴重即為合格。183 乙醇燃燒試驗法 熱源為0.3mL無水乙醇，放入小燃燒杯內(nèi)(瓶蓋也可)，試驗可用垂直法 (5cm3Ocm)、水平法(20cm25cm)或45。傾斜法(5cml5cm)，乙醇和織物距離2.5cm，測定指標可根據(jù)要求決定，如炭長、燃燒面積、續(xù)燃時間、陰燃時間以及燃燒物渣滓情況等。19 其它測試方法 傳統(tǒng)的阻燃試驗法不能滿足需要，因此開發(fā)新型試驗法是大勢所趨。 日本的服裝燃燒試驗法采用了傘形法和人體模型法推用熱傳感器自動記錄接近火源時服裝各部位的熱傳導率和達最高熱傳導率所用的時間，以便了解服裝燃燒時對人體的灼傷情況，這樣測得的燃燒性能與火災(zāi)的實際情況更加接近。采用模擬銅人測試法評價在極端不利條件下內(nèi)衣及罩袍總體的防火保護效果。在測試時，讓銅人穿上防護服，銅人身上許多溫度傳感器連接到計算機上，再點燃分布在銅人周圍的多個燃氣噴口，用計算機監(jiān)控溫度及預定的人體易受損部位的燒傷程度。試驗后可打印出有關(guān)該防護裝備的保護時間和保護程度的詳細報告8。 燃燒試驗是一個非常復雜的方法。迄今為止，人們所測的表觀阻燃性在很大程度上與所用的方法有關(guān)，現(xiàn)有的國內(nèi)試驗室的許多小型試驗方法所獲的阻燃數(shù)據(jù)有很大局限性，只能用于一定條件下比較纖維材料的相對阻燃性能，而不能評價材料在真實火災(zāi)中的行為。歐洲認為小型實驗室試驗法存在著任意性強、局限性大的自身不可克服的缺點，在某些特殊場合下不能由小型試驗法取得所需信息時，需直接采用標準大型試驗，如墻角試驗。一些阻燃技術(shù)發(fā)達的國家正在建立模擬火災(zāi)的大型試驗法，或者建立一些特殊的數(shù)學物理模型以從小型試驗結(jié)果推斷材料在火災(zāi)中的燃燒行為，但這耗資巨大，不是所有國家都能實現(xiàn)的，所以逐步采用一些比較大型試驗法或?qū)追N測試法結(jié)合使用來綜合評價材料的阻燃性能是非常必要的。2 阻燃紡織品的發(fā)展動態(tài)21 加強阻燃纖維的開發(fā)研究 國內(nèi)外提高紡織纖維的阻燃性主要有兩條途徑：一方面改進阻燃工藝提高原先的易燃纖維的阻燃性能，也保持其原有的性能，另一方面，大力開發(fā)新型阻燃纖維。為滿足市場的多元化需求，以日本為首的各國加強了耐久、高效、復合功能的阻燃纖維的開發(fā)。這些纖維根據(jù)不同的用途和要求，兼有阻燃、耐熱(高溫)、抗菌防臭、芳香、防蝕、抗靜電、抗紫外線、防水、防污的功能。 傳統(tǒng)的易燃纖維的阻燃加工已從單一的阻燃元素發(fā)展到兩種以上的阻燃元素。如腈綸雖然考慮到成本而保持鹵溴作為添加劑，但仍朝著引入含磷和多元協(xié)同體系的方向發(fā)展。從纖維改性的角度看，朝著雙重(阻燃導電)和多重改性的方向發(fā)展。國外市場上有一種芳族聚酰胺和陶瓷纖維的防火織物，制成的防火服質(zhì)輕、透氣好，防火能力比常規(guī)防火服提高了3倍。歐洲市場上近年出現(xiàn)了自身防燃的Visil纖維，這是一種高硅土含量的粘膠纖維，煙霧少、無毒、L0I為26%-33%，可與阻燃芳族聚酰胺以及毛棉混用，可用于工裝、防護服、防火墊、濾材、填料等。 從阻燃性、可加工性、環(huán)保降解性看，是較理想的阻 燃纖維。 由二氨基間(對)苯二酸和特別的化合物聚合的PBO纖維，具有極好的熱穩(wěn)定性、高強、高彈、高焦化性、不可燃性。日本旭化公司將特殊的丙烯腈纖維熔燒制成耐火纖維，有很高的耐火性，空氣中幾乎不燃燒，LOI 高達50%-60%，不熔融收縮，可以在特殊衣料和工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。 日本東洋紡絲公司開發(fā)了一種抗菌防臭的阻燃纖維，有良好的抗菌阻燃性。Carrington公司用80% Lyocell與20%高強滌綸 開發(fā)了阻燃織物，具有良好的耐久性，是良好的阻燃 基材，具有很高的撕破強力和最小的收縮率，比滌棉 織物有更好的吸濕舒適性9.22 加強阻燃紡織品多功能化的研究 目前，多數(shù)阻燃纖維或織物僅具有阻燃功能，不能滿足某些部門的特殊要求，如阻燃拒水、阻燃拒油、阻燃抗靜電，所以發(fā)展阻燃多功能產(chǎn)品勢在必行。如在生產(chǎn)方法上采用多種形式相結(jié)合，對阻燃纖維織物進行防水、拒油整理；采用阻燃纖維紗與導電纖維交織，生產(chǎn)抗靜電的阻燃纖維；利用阻燃纖維與高性能纖維進行混紡交織，生產(chǎn)耐高溫織物；采用阻燃纖維與棉粘膠等纖維混紡，以改善最終產(chǎn)品的舒適性并降低成本等。 23開發(fā)環(huán)保、無煙、低腐蝕的阻燃劑 近年來各國阻燃劑開發(fā)明顯加快，且呈現(xiàn)出相當一致的發(fā)展態(tài)勢，即尋求開發(fā)無鹵、低毒、無煙、低污染、低腐蝕的阻燃劑。高效多功能復合阻燃劑 (熱穩(wěn)定性好、耐久性好)和無機環(huán)保阻燃劑(ATH)倍受重視。鹵溴族阻燃劑一統(tǒng)阻燃領(lǐng)域的傳統(tǒng)局面被打破，逐步興起的是磷系、氮系、有機硅型、膨脹型阻燃劑，無機阻燃劑由于它們具有低煙毒，不含鹵銻，是阻燃劑無鹵化的途徑之一，因而成為主要的研究方向。此外消煙型阻燃劑也在開發(fā)中。協(xié)效阻燃劑的阻燃效果大于單獨使用某種阻燃劑的效果，可以減少用量，降低成本，所以也是近年的研究方向之一，近年磷-氮協(xié)效阻燃劑異軍突起由于磷-氮之間較好的增效和協(xié)同作用，顯示出良好的阻燃性能，L0I達29%以上，發(fā)煙及有毒氣體均少。非鹵阻燃劑中無機阻燃劑是重要的一部分，特點是無毒或低毒、低廉、燃燒時防流滴、不產(chǎn)生煙霧或有抑煙作用，缺點是阻燃效果差，單獨使用量大。除水合金屬氧化鋁少數(shù)幾類外，大多作輔助阻燃目前國外的研究集中在提高無機阻燃劑的效能、減少用量、降低成本上。 英國的Albright公司開發(fā)了一種橋式磷酸酯阻 燃劑，具有良好的阻燃性、可加工性和低揮發(fā)性，在 PET、尼綸中應(yīng)用日益增加。滌綸、腈綸現(xiàn)采用新型 無鹵阻燃劑。聚丙烯纖維使用效果良好的是氮-磷和IFR膨脹型阻燃劑，后者是美國開發(fā)的新型阻燃劑，它包括碳源、成核劑、酸源、發(fā)泡源等，具有無煙、 無毒、無腐蝕、無滴落的優(yōu)點，對于長時間或重復暴 露于火焰中有較好的抵抗力，阻燃性能好。除了加強紡織用新型阻燃劑的開發(fā)，也使用涂層、塑料等其他領(lǐng)域用的阻燃劑。日本一化學公司推出了一種發(fā)泡性絕熱阻燃涂料(含磷和陶瓷)，可在水中分散。置于高熱下膨脹發(fā)泡，形成絕熱碳化層，產(chǎn)生阻燃化而保護內(nèi)部。因含粘合劑，可在纖維 表面涂層，遇熱成為發(fā)泡材料10。24完善阻燃法規(guī)，作好宣傳工作法律、法規(guī)的健全和完善，對推動阻燃紡織品的開發(fā)和推廣應(yīng)用，對因紡織品易燃引起的火災(zāi)事故的預防有著重要作用。正確評價紡織品的阻燃性能，應(yīng)以其使用場合的要求為準，按用途制定標準。試驗方法的制定應(yīng)以實際著火情況代替實驗室小型實驗為基準，這是紡織品阻燃標準的發(fā)展方向。此外，還應(yīng)作好阻燃紡織品的宣傳工作，使人們正確認識它，將制定的紡織品阻燃防火法規(guī)標準運用到實際工作中11。25 其他方面 傳統(tǒng)的阻燃技術(shù)雖然賦予了紡織品一定的阻燃性能，卻不能得到滿意的手感和強力等機械性能。如滌棉織物經(jīng)阻燃整理后強力下降、手感不佳，一般通過混紡技術(shù)、復合阻燃劑及其他改進阻燃工藝的方法提高阻燃紡織品的綜合性能。毛織物使用的單一的鋯鈦阻燃劑往往影響毛的白度和光澤，而復合阻燃劑可以克服這種缺陷。Protex是一種新型防火碳鏈纖維，雖有好的自熄性和阻燃性，但強度低、服用性能差，通過與其他纖維混紡，可以獲得服用性好的阻燃