阻燃纖維論文

阻燃纖維摘要：本文講述了阻燃纖維的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，根據(jù)纖維的用途，并對其進行改性，新型阻燃纖維有更優(yōu)良的性能，發(fā)展前景廣闊。關(guān)鍵詞：阻燃；發(fā)展趨勢；性能；聚酯纖維一、阻燃纖維的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢現(xiàn)在國內(nèi)外市場上阻燃纖維已有幾十個品種，傳統(tǒng)加工的阻燃纖維主要是阻燃滌綸，阻燃腈綸，阻燃維綸。隨著科學技術(shù)的進步，各國新近開發(fā)生產(chǎn)了多種阻燃纖維，如聚間苯二甲酰間苯二胺纖維、聚酰胺一酰亞胺纖維、聚酰亞胺2080纖維、雜環(huán)聚合物聚苯并咪唑纖維(PIM2080)、酚醛纖維。這些特種阻燃纖維的阻燃效果都比較好，在工業(yè)及特殊領(lǐng)域有很大的用途。阻燃纖維的發(fā)展現(xiàn)狀隨著塑料、橡膠、合成纖維等聚合物材料及其制品的蓬勃發(fā)展，迅速代替了傳統(tǒng)的鋼材、金屬、水泥、木材及棉麻等材料，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)和軍事等國民經(jīng)濟的各個部門，與人們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)。但是這些聚合物大多數(shù)是易燃、可燃材料，在燃燒時熱釋放速率大，熱值高，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，不易熄滅，有時還產(chǎn)生濃和有毒氣體，對環(huán)境造成危害，危及人們的生命安全。因此如何提高聚合物的阻燃性已經(jīng)成為一個急需解決的問題，而對聚合物進行阻燃處理是減少火災(zāi)的重要措施之一。國外一些發(fā)達國家在上個世紀六十年代就紛紛制訂了有關(guān)使用阻燃產(chǎn)品的法律和法規(guī)，各國對阻燃制品相繼制定嚴格的實施標準。隨著人民生活與環(huán)境條件的不斷改善,人們對阻燃紡織品性能要求越來越高,應(yīng)投入力量和資金加大阻燃纖維的開發(fā)。日前,中國科大火災(zāi)科學國家重點實驗室科研人員,用分子設(shè)計方法研究成功新型清潔、高效阻燃材料,這項技術(shù)成果已被列入國家高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展計劃。阻燃聚合物改性粘土納米復(fù)合材料用“層離納米復(fù)合材料”和“嵌入納米復(fù)合材料”方法,合理地將聚合物和無機物結(jié)合在一起,利用新的阻燃技術(shù)進行制備,可有效地克服現(xiàn)有阻燃材料的不足。2.阻燃纖維的發(fā)展趨勢2.1混紡交織與功能復(fù)合化阻燃織物的混紡交織與功能復(fù)合化正在成為一種新的發(fā)展趨勢，現(xiàn)在世界各國正在通過阻燃纖維的混紡交織開發(fā)具有雙功能和多功能的阻燃織物。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，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(dǎo)電纖維交織以生產(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)品舒適性并降低成本等。2.2綠色紡織品“綠色”纖維是當今合成纖維的最大熱點和必然發(fā)展方向。所謂“綠色”纖維系指纖維生產(chǎn)消耗原材料不會破壞生態(tài)平衡，纖維的生產(chǎn)過程不會造成環(huán)境污染，纖維在穿用中對人體無毒害，纖維廢棄后可再生。具體到阻燃纖維的綠色化是指，減少生產(chǎn)過程對環(huán)境和操作人員的毒害作用，防止纖維對穿用人產(chǎn)生不良影響，火災(zāi)發(fā)生時，會產(chǎn)生“二次毒害”（鹵、磷，硫、氮等阻燃劑會產(chǎn)生有毒氣體和濃重的煙霧，危害人體和環(huán)境）。世界各國尤其是歐美等發(fā)達國家相繼制定了一系列環(huán)保法規(guī)和標準，對進口紡織品實施安全檢測，限制非生態(tài)紡織品的市場流通和消費。歐盟生態(tài)紡織品標準Oko－TexStandard100）的產(chǎn)生，更在國際貿(mào)易中掀起了一股“綠色浪潮”，濟南三太阻燃制品有限公司生產(chǎn)的阻燃滌綸織物已順利通過歐洲生態(tài)紡織品認證，為保護生態(tài)環(huán)境作出了重要貢獻。2.3新型阻燃材料新型阻燃纖維是隨著宇宙開發(fā)、航空、新能源、海洋及通訊技術(shù)等高新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要而開發(fā)出來的一系列具有高性能(高強、高模、耐高溫)、高功能(高感性、高吸濕、透濕防水、抗靜電)的纖維。高技術(shù)耐高溫阻燃纖維是其中的一個重要分支。高技術(shù)型阻燃纖維由于自身獨特的化學結(jié)構(gòu)，無須添加阻燃劑或進行改性，本身就具有耐高溫阻燃的特性。具有代表性的高技性阻燃纖維主要有聚丙烯睛氧化纖維(PANOF)、聚苯并米哩(PBI)纖維等，暫不做詳述。隨著我國阻燃法規(guī)的不斷健全,阻燃纖維紡織產(chǎn)品開發(fā)力度將不斷增大,永久阻燃性織物將成為我國紡織品市場的新熱點。阻燃纖維的應(yīng)用范圍也會越來越廣泛。新技術(shù)阻燃纖維無疑有著美好的市場前景,然而,新技術(shù)纖維生產(chǎn)往往意味著引進新的設(shè)備、生產(chǎn)線和新技術(shù),需要大量的投人,原有的纖維生產(chǎn)設(shè)備無法再利用,而傳統(tǒng)的阻燃劑型阻燃纖維可利用現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備,僅需做工藝參數(shù)上的調(diào)整,因此,阻燃劑型阻燃纖維仍然占據(jù)著阻燃纖維的統(tǒng)治地位,然而,隨著新技術(shù)和發(fā)展,人民活的提高,防火識增強,以及對阻燃纖維材料的安全性、環(huán)保型要求的不斷增加,新型阻燃纖維必將異軍突起,逐步取代傳統(tǒng)的阻燃纖維。二、對阻燃纖維的認識阻燃纖維的定義阻燃纖維的定義是當纖維在中、小型火源點燃下,會發(fā)生小火焰燃燒,一旦火源撤走,火焰又能較快地自行燃滅,是不會蔓延成災(zāi)的纖維。纖維的阻燃性一般用LOI來衡量。因為空氣中的含氧率為21%,纖維的LOI>21%,離開火焰后,在空中才能繼續(xù)燃燒,LOI=25~31%,可認為基本不燃,如果纖維的LOI<20%,該纖維就具阻燃性,對紡織纖維來說,在空氣中易燃,但若有足夠的空氣流和較高溫度時仍能引燃。LOI=35~40%,則認為完全不燃,考慮到氣流作用等附加條件,一般來說LOI>26%的，即認為是阻燃纖維。2、阻燃機理織物的燃燒過程需要經(jīng)過一系列復(fù)雜的物理和化學變化。首先，可燃物質(zhì)受到火（熱）源作用，溫度升高并伴隨著纖維分解，產(chǎn)生可燃性氣體、不燃性氣體和碳化殘渣；然后，可燃性氣體與空氣中的氧混合引起燃燒，并釋出大量燃燒熱；燃燒熱又對纖維進行作用，從而促使燃燒反應(yīng)連續(xù)進行。從燃燒的過程分析，要達到阻燃的目的就必須控制住固相分解，減少可燃氣體的產(chǎn)生；或抑制氣相燃燒，削弱可燃氣體的熱能。目前比較成熟的阻燃機理有以下四種：熔融覆蓋機理阻燃劑與火源接觸后產(chǎn)生玻璃狀隔離膜，把被燃物覆蓋起來使之與氧氣隔開，達到阻燃的目的。氣體機理根據(jù)燃燒的鏈反應(yīng)理論，維持燃燒所需的是自由基。用阻燃劑捕捉燃燒反應(yīng)中的自由基，可降低燃燒區(qū)的火焰密度，使燃燒反應(yīng)速度下降直至終止，從而達到阻燃的目的。吸熱反應(yīng)機理在高溫條件下，阻燃劑發(fā)生了強烈的吸熱反應(yīng)，吸收燃燒放出的部分熱量，降低可燃物表面的溫度，有效地抑制可燃性氣體的生成，阻止燃燒的蔓延。化學機理阻燃劑作為一個組分參加化學反應(yīng)，生成不燃或難燃物質(zhì)，達到阻燃目的。3、阻燃纖維的生產(chǎn)方法3.1提高成纖聚合物的熱穩(wěn)定性（1）在成纖高聚物的大分子鏈中引入芳環(huán)或芳雜環(huán)，增加分子鏈的剛性、大分子鏈的緊密度和內(nèi)聚力。如芳綸1313、芳綸1414、聚酰亞胺纖維、聚芳砜酰胺纖維等。（2）通過纖維中線型大分子鏈間交聯(lián)反應(yīng)生成三維交聯(lián)結(jié)構(gòu)，從而阻止碳鏈斷裂，成為不收縮、不熔融的阻燃纖維。酚醛纖維就是這種技術(shù)制造的阻燃纖維。（3）將纖維置于200℃～300℃高溫的空氣氧化爐中，使纖維大分子發(fā)生氧化、環(huán)化和碳化等反應(yīng)，直線型分子鏈轉(zhuǎn)化為耐熱的梯形結(jié)構(gòu)。聚丙烯腈預(yù)氧化纖維就屬此類。3.2對原絲進行阻燃改性（1）共聚法。在成纖高聚物的合成過程中，把含有磷、鹵、硫等阻燃元素的化合物，作為共聚單體引入大分子鏈中，然后再把這種阻燃性成纖高聚物用熔融紡或濕紡制成阻燃纖維。目前，生產(chǎn)的阻燃滌綸和阻燃腈綸大多采用這種方法。（2）共混法。將阻燃劑混煉入紡絲熔體或原液中紡制阻燃纖維。如在粘膠原液中混煉入磷化物，在醋酯原液中混煉入溴和磷。（3）后處理改性。將濕法紡絲過程中的初生纖維，用含有添加型阻燃劑的溶液處理，使阻燃劑滲入纖維內(nèi)部，而獲得阻燃性。這種方法工藝簡單，但阻燃纖維的阻燃持久性不如原絲改性法。4、阻燃纖維的種類4.1阻燃粘膠纖維。工業(yè)上制造耐久性阻燃粘膠纖維的方法,主要有共混阻燃改性和接枝共聚阻燃改性。4.2阻燃聚丙烯睛纖維。制造耐久性阻燃睛綸的方法,主要有共聚阻燃改性、共混阻燃改性、熱氧化法幾種。而熱氧化法是睛綸的特有方法。4.3阻燃聚乙烯醇纖維。即維綸。4.4阻燃聚醋纖維。即滌綸。4.5阻燃聚丙烯纖維。即丙綸,是成本最低廉的一種合成纖維。在土工布、防護服、裝飾行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景,其極限氧指數(shù)為。4.6阻燃聚酞胺纖維。即錦綸,是一種高強、耐磨、彈性好、易染色的纖維,產(chǎn)量僅次于滌綸,其極限氧指數(shù)為。由于其特殊的組成,該纖維的阻燃研究一直未有較大的進展。4.7阻燃聚芳酞胺纖維。即芳綸,具有高強、高模、耐高溫性。不同組成和結(jié)構(gòu)的芳綸,具有不同的耐熱、陽燃性能。4.8PBI纖維。即聚苯并咪哩纖維,是一種非熱塑性阻燃纖維,具有阻燃、耐高溫、耐磨、耐化學藥品、穿著舒適等優(yōu)良性能。4.9PPS纖維。即聚苯硫醚纖維,是一種優(yōu)良的耐熱、耐化學品紡織,并有良好的紡織性能,主要用于防護織物。4.10PTO纖維。即聚對苯二甲酞草酸雙瞇金屬贅合纖維,具有優(yōu)異的阻燃和絕熱性能,可作防火服和隔熱服。三、阻燃纖維的性能1、阻燃纖維的性能1.1阻燃、耐高溫纖維一般應(yīng)具備的條件在高溫下能保持常溫時的力學性能,長時間暴露在高溫環(huán)境下,不發(fā)生熱裂解反應(yīng)，具備一般纖維的材料加工性能,具體地說,具有難燃、防火耐熱的性能。1.2工業(yè)上賦予纖維的阻燃性的方法主要有提高成纖高聚物的熱穩(wěn)定性和原絲阻燃改性兩種,目前已開發(fā)的阻燃纖維按性能可分為三大類：1.2.1具有較高的強度、可紡性,適宜于制造阻燃和耐熱織物的纖維,材料如芳香族聚酞胺,聚酞亞胺類纖維,這類纖維由于在成纖高聚物的大分子鏈中加人芳香環(huán)或芳雜環(huán),增加了分子鏈的剛性,大分子鏈的密集度和內(nèi)聚力,從而提高了其熱穩(wěn)定性。這類纖維中不含阻燃元素,耐熱阻燃性能優(yōu)良,可純紡,也可與其它纖維交織,獲得綜合性能優(yōu)良的阻燃耐高溫織物。1.2.2具有良好的阻燃及耐熱性能,但是機械強度較低,可紡性差,適宜于制氈和層壓類制品或與高強纖維進行混紡織造。1.2.3具有阻燃特性的常規(guī)合成纖維,如阻燃聚醋、阻燃粘膠、阻燃睛綸等。這類纖維一般通過原絲阻燃改性獲得,其特點是紡織品加工容易,價格低廉,可在只要求阻燃性能的織物中應(yīng)用,并可作為高價阻燃的混紡纖維。目前阻燃纖維的開發(fā)和研制在發(fā)達國家中十分活躍,各國競爭極為激烈,預(yù)計未來年,阻燃纖維的生產(chǎn)增長率每年為,其中美國和日本幾乎生產(chǎn)和研制了所有門類的阻燃纖維,并不斷完善各類產(chǎn)品的品質(zhì),以適應(yīng)實際消費的需要。在在西歐,以德國和法國在這方面的研究比較活躍,其次是英國和奧地利。我國阻燃纖維的生產(chǎn)情況已具中試規(guī)模,但沒有形成工業(yè)化生產(chǎn),性能與外國相比還有較大的差距,沒有獲得應(yīng)有的社會和經(jīng)濟效益。2、幾種常見的阻燃纖維2.1芳香族聚酞胺纖維芳香環(huán)聚酞胺纖維在國內(nèi)稱之謂芳綸,這類纖維的高分子結(jié)構(gòu)中都有芳香環(huán),其中主要品種有芳綸、芳綸、芳綸、芳綸,其中芳綸屬于阻燃耐高溫纖維,它由間苯二胺和間苯二酞氯縮聚后,經(jīng)干法和濕法紡絲所制得的一種全聚芳酞胺纖維。2.2聚丙烯睛氧化纖維是生產(chǎn)碳纖維的中間產(chǎn)品,居合成纖維和阻燃纖維的榜首,屬于永久性難燃纖維。其中可達,具有優(yōu)良的阻燃性,直接與火焰接觸不熔融粘著,有自熄性,燃燒后僅碳化,具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性,由于它的分子結(jié)構(gòu)本身所賦予的,而不象一般纖維靠添加阻燃化合物,因此,其產(chǎn)品具有永久性的耐燃性,所以值高和永久的耐燃性是它的兩大特點。2.3其它阻燃高溫纖維其它特殊纖維,還有芳族聚酞亞胺纖維、酚醛纖維、丙烯酸、丙烯酞胺共聚纖維,它們除了阻燃耐高溫這一特點外,各自還具有其它特殊性能,以上多數(shù)屬于芳香族高分子物質(zhì),具有優(yōu)良的耐高溫阻燃性能,可用于各種工業(yè)濾布、飛機部件、阻燃地氈、體育用品以及某些特殊用途等。四、阻燃纖維的應(yīng)用服用防護服：消防、焊工等工作服和軍服一般服裝：睡衣、嬰幼兒等服裝非服用家庭裝飾用：地毯、窗簾、墻布等床上用品：毛毯、被、床罩等家具用：椅套、臺布、家具包布交通運輸用：飛機、輪船、火車內(nèi)飾用布軍事用：炮衣、帳篷布等工業(yè)用：濾布等公共場所用：裝飾墻布（氈）、窗簾、帷幕、裝飾包布等其他：假發(fā)、人造毛皮、長毛絨玩具五、阻燃纖維的改性纖維大分子與阻燃劑的結(jié)合方式，既可以是化學結(jié)合，也可以是物理結(jié)合。與纖維的化學結(jié)構(gòu)、用途和需求量等因素有關(guān)。常用的主要方法有：1、共聚法。是將含阻燃元素（鹵素、磷、硅等）的化合物，作為共聚單體通過化學方法引入成纖高聚物的分子鏈中。然后再把這種阻燃成纖高聚物制成阻燃纖維。由于阻燃劑與大分子鏈緊密結(jié)合，因而阻燃效果持久。但工藝比較復(fù)雜，成本較高。2、共混法。共混法是將阻燃劑加入紡絲熔體中或漿液中紡制阻燃纖維的方法。此法工藝簡單，對纖維原有性能影響。阻燃效果的持久性與阻燃劑的性質(zhì)有關(guān)。由于共混法生產(chǎn)的纖維中，阻燃劑與大分子間沒有化學鍵連接，只是依靠分子間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。使用的添加型阻燃劑要求粒度細，與聚合物相容性好。3、皮芯復(fù)合紡絲法。是以阻燃高聚物為芯，普通聚合物為皮，通過復(fù)合紡絲制得纖維。其特點是纖維穩(wěn)定性好，強度高，均勻度高，但加工設(shè)備復(fù)雜，成本高。4、接枝共聚法。用放射線、高能電子束或化學方法使纖維和阻燃單體發(fā)生接枝共聚，是一種有效而持久的阻燃改性方法。接枝阻燃改性纖維的阻燃性與接枝單體的阻燃元素種類、化學結(jié)構(gòu)和接枝部位有關(guān)。當阻燃劑滲透到纖維內(nèi)部時，可獲得更好的阻燃效果。六、阻燃聚酯纖維聚酯(PET)纖維是各種合成纖維中發(fā)展最快、產(chǎn)量最高、應(yīng)用面最廣的一種合成纖維,被譽為是21世紀的纖維之王。它以其高強度、尺寸穩(wěn)定、耐化學腐蝕等優(yōu)異的性能,在服裝、地毯及裝飾織物方面具有非常廣泛的用途。但聚酯纖維屬于熔融性可燃纖維,對聚酯纖維進行阻燃化處理,降低聚酯織物在火災(zāi)中的危險性,已成為一個廣泛關(guān)注的研究方向。聚酯的阻燃研究始于20世紀60年代,經(jīng)過幾十年的發(fā)展,聚酯的阻燃技術(shù)已比較成熟,取得了不少成果,國外已經(jīng)有許多產(chǎn)品成功商業(yè)化。我國起步較晚,目前工業(yè)化產(chǎn)品不多,但也取得了很大研究進展。聚酯的阻燃通過原絲的阻燃改性或表面處理改性來實現(xiàn)。具體方法可歸納為如下五種途徑:1、阻燃單體共聚在合成聚酯的單體二元酸或二元醇分子中引入阻燃元素:鹵素、磷或硫,然后合成聚酯。該法的優(yōu)點是阻燃性能持久且耐洗滌,缺點是工藝稍復(fù)雜,共聚型阻燃劑開發(fā)成本高,對聚酯的性能影響比較大。2、共混阻燃改性此法是將普通聚酯與阻燃劑共混造粒后紡絲,由于不涉及聚合生產(chǎn)工藝的改變,所以簡單易行,操作費用低，但纖維的阻燃耐久性比共聚改性方法差。但是要求添加的阻燃劑必須與聚酯的相容性要好,熱穩(wěn)定性要高。目前國內(nèi)大多采用小分子有機物或無機物作為添加劑,添加量較多,對纖維的可紡性和力學性能影響較大。3、復(fù)合紡絲阻燃改性通過改變紡絲工藝實現(xiàn)聚酯的阻燃,一般是紡絲時采用以阻燃聚酯為芯,一般聚酯為外皮的皮芯結(jié)構(gòu)。這樣可以防止阻燃劑過早分解,降低對阻燃劑熱穩(wěn)定性的要求,又能保持纖維原有性能。但是此法需要復(fù)雜的紡絲設(shè)備,限制了它的應(yīng)用。4、聚酯纖維接枝改性此法是將反應(yīng)型阻燃接枝于聚酯纖維上(主要是表面接枝),阻燃效率取決于阻燃劑的化學結(jié)構(gòu)及其接枝部位,可通過化學及等離子體法實現(xiàn)。但是該法對技術(shù)條件要求比較高,工藝路線復(fù)雜,難以工業(yè)化。5、聚酯織物的阻燃整理聚酯織物浸漬或浸軋在含有阻燃劑的溶液里,然后進行交聯(lián)使織物外層形成一層薄膜以達到阻燃效果,但阻燃耐久性不高,織物手感較差;同時對纖維的物理性能有一定損害,且加工成本較高。前三種方法屬原絲的阻燃改性,后兩種方法屬表面處理改性。目前后整理法仍是滌綸阻燃的重要