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阻燃纺织品的性能测试方法及发展动态

评定阻燃后织物的可燃性是一个比较复杂的问题,影响因素很多,如织物吸湿率、重量等,但主要从两方面加以考虑:一是点火性,即着火点的高低,表示织物起火的难易;另一是燃烧性能,即在特定条件下,沿着样品燃烧的速率。纵观各国阻燃测试方法,虽然各不相同,但又存在着内在联系。从被测试样所处的环境来看,氧指数法有其独特之处,而从被测试样所处的位置看又大体上可分为垂直向、45°方向和水平方向三大类。当然还有一些专用于某些材料的方法如铺地织物试验方法等。本文结合国内外附燃测试方法和标准简要介绍纺织品阻燃性能的一些测试知识。
 
一、纺织品阻燃性能测试方法
1、燃烧实验法
燃烧实验法,主要用来测定试样的燃烧广度(炭化面积和损毁长度)、续燃时间和阴燃时间。一定尺寸的试样,在规定的燃烧箱里用规定的火源点燃12s,除去火源后测定试样的续燃时间和阴燃时间。阴燃停止后,按规定的方法测出损毁长度。根据试样与火焰的相对位置,可以分为垂直法、倾斜法和水平法。垂直法是目前最为普遍的测定方法。这类实验比45°方向、水平方向燃烧更为剧烈。垂直燃烧实验又分垂直损毁长度法,垂直向火焰蔓延性能测定法、垂直向试样易点燃性测定法和表面燃烧性能测定法。GB/T5456-1997规定了纺织品燃烧性能垂直方向试样火焰蔓延性能的测定,该法用规定的点火器所产生的规定点火火焰,按规定点火时间对垂直向纺织试样点火,测定火焰在试样上蔓延至标记线(规定距离)所用的时间(以秒计)。亦可同时观察、测定和记录试样的其他有关火焰蔓延的性能[1]。GB8746-88规定了纺织织物燃烧性能垂直向试样易点燃性的测定,该法用规定点火器产生的规定火焰,对垂直向纺织试样点火,测量织物点燃所需要的时间[2]。GB8745-88规定了纺织织物表面燃烧性能的测定,在规定的试验条件下,在接近项部处点燃支承于垂直板上的干燥试样的起毛表面,测定火焰在织物表面向下蔓延至标记线的时间[3]。垂直法可用于测定服装织物、装饰织物、帐篷织物等的阻燃性能;倾斜法适用于飞机内装饰用布;水平法适用于地毯之类的铺垫织物。
2、限氧指数法
限氧指数法是目前广泛使用的纺织品燃烧性能测试方法,它是指在规定的实验条件下,在氧、氮混合气体中,材料刚好能保持燃烧状态所需最低氧浓度,用LOI表示,LOI为氧所占混合气体的体积百分数。GB/T5454-1997规定了纺织品燃烧性能试验氧指数法,将试样夹于试样夹上垂直于燃烧筒内,在向上流动的氧氮气流中,点燃试样上端,观察其燃烧特性,并与规定的极限值比较其续燃时间或损毁长度。通过在不同氧浓度中一系列试样的试验,可以测得维持燃烧时氧气百分含量表示的最低氧浓度值,受试试样中要有40%-60%超过规定的续燃和阴燃时间或损毁长度[4]。 
3、表面燃烧实验法[5]
这种方法是测定试样表面的燃烧蔓延程度的方法,适用于厚实纺织品。以铺地纺织品燃烧性能测试 为例,国外对铺地材料燃烧性能的测试开始均采用水 平法,如美国易燃织物法令要求用水平烟蒂法和乌洛 托品法考核;英国用热金属螺帽法。乌洛托品法是在 一定大小试样的中心放一块直径为6-6.5mm的乌洛 托品片剂,用火源点燃片剂,试样随之燃烧,待火焰熄灭后,测量火焰熄灭处到片剂中心的最大距离,用来考核试样的燃烧性能。热金属螺帽法是将不锈钢螺母在炉子中加热到灼热,放在样品室中的试样表面,试样燃烧熄灭后,测量火焰熄灭处到螺母中心的距离和着火时间,以此考核样品的燃烧性能。由于这类水平方式的燃烧条件不够剧烈,很多地毯不经阻燃也能达到要求,所以燃烧性能评定改为接近实际燃烧条件的热辐射法。如美国要求住宅使用的地毯用辐射板法测得的临界辐射通量要≥0.25W/cm2;公共设施中使用的地毯,临界辐射通量要≥0.5W/cm2。日本对地毯采用的是上接焰法,要求炭化距离最大值小于7Omm,平均值小于5Omm。
热辐射法的基本原理是:在规定温度(180℃)和尺寸的箱体中,以燃气为燃料的热辐射板与水平放置的试样倾斜成30°并面向试样,辐射板产生的规定辐射通量沿试样分布。在规定的时间下用引火器点燃试样,火焰熄灭后测定试样的损毁长度,并计算临界辐射通量。这种试验方法的显著特点是: 实验在箱体内进行且箱体温度保持180℃;试样始终受到规定的辐射热作用;试样夹上水平放置的试样下可放与实际铺设条件相同的底衬材料。这种试验装置模拟了室内或邻室发生大火时产生的火焰、热气或者两者同时作用使建筑物上部受热后辐射到地板的热辐射强度。显然这种装置更接近铺地材料的实际燃烧条件,其实验结果更能反映铺地材料系统真实的燃烧性能。临界辐射通量为评价铺地材料系统暴露于火焰时的燃烧性能提供了依据。测得的临界辐射通量值越大,说明铺地材料愈难燃烧。 
4、发烟性试验法 
根据长期积累的各类火灾资料,分析燃烧物的烟雾和毒性,其危害性常比燃烧时产生的火焰和热量更为严重,是导致人类死亡的主要原因。国内外都有该类专用仪器设备进行测试,原理较多采用光透过法。通过烟密度测出透过率和时间曲线可以得出各种参数,包括光密度、最大烟密度、平均发烟速度以及透光率,从最大到75%(比光密度)所需要的时间,从而较全面地评价阻燃纺织材料的发烟性。建筑行业和交通运输部门常应用该类仪器及测试方法以研究和选用阻燃材料。 
5、闪点和自燃点测定及点着温度测定 
闪点指材料受热分解放出可燃气体,并刚刚能被外界小的火焰点着时周围空气的最低初始温度。自燃点指材料受热达到一定温度后不用外界点火源点燃,而自行爆炸或燃烧时周围空气的最低初始温度。以上各种测定用于各类织物在热或火焰作用下的燃烧性能,作为评价火灾危险性的一个因素。另外,对织物燃烧气体毒性的分析研究(近年来也比较重视)可用红外仪、气相色谱仪和质谱仪等进行分析,国外时有报道。 
6、阻燃整理热分析 
当织物按一定温度程序在受热或冷却时常发生一系列的物理或化学变化。热分析技术是研究或测定当发生这些变化时,物质的质量或能量随温度(或时间)变化的函数关系。热分析技术内容较多,阻燃测试中常用的是热解重量分析法(TGA)和差示扫描量热(DSC)。利用热解重量分析法(TGA)可以测定纤维的热失重变化情况,它对织物阻燃效果可相对比较,且有一个数量的概念。差示扫描量热DSC可以分析纤维的分解温度变化,表明阻燃前后裂解方式改变。在热分析技术中还可以利用色谱-质谱联用,研究纤维的热裂解产物等。 
7、锥形量热计 
锥形量热计是上世纪80年代初开始发展起来的一种新型燃烧测试装置。它能模拟真实燃烧时的各种参数。它主要用来测量材料燃烧时的热释放速率。研究表明,材料燃烧时的热释放速率(Heat Release Rate),即单位时间内材料燃烧放出的热量,是表征材料在火灾中的燃烧危险性的最重要的火情参数。因此,近年来各种用于测量材料热释放速率的仪器和方法不断涌现。锥形量热仪采用氧消耗原理测量材料燃烧时的释热速率,此法目前己取代传统的建立在能量平衡基础上的释热速率的测试方法,被广泛应用于各种放热速率测试仪器及方法中。此外,它可以测量材料燃烧时的单位面积热释放速率,样品点燃时间、质量损失速率、烟密度、有效燃烧热、有害气体含量等参数。这些参数对于评价一个阻燃剂或阻燃体系的性能方面具有重要的意义,因为在实际的火情中,受害者不但受到火焰发出的热量的灼烧,而且受到聚合物等材料燃烧分解生成大量烟气的窒息等危害。锥形量热计近年来已在欧美许多国家投入使用,我国也已引进该仪器并应用于研究工作[6]。
8、简易测试方法[7]
为了操作方便,介绍儿种简易测试方法。这些方法无需复杂设备或条件,成本低,适用于初步观察阻燃效果或一般工厂选用工艺条件时作参考或对比,但不能作为标准试验法,更不能作为仲裁依据。
①、火柴测试法
火柴测试法可评定织物阻燃效果或相对比较阻燃性能。试验时取约2.5cm×3Ocm织物一条,用点燃的火柴,放在条状试样下面,燃烧至火柴烧完(或规定5-12s),观察燃烧情况或阻燃效果。有时可规定试样燃烧不超过5s为合格,超过中线或阴燃超过15s为不合格(也可规定其他指标)。火柴规格可自行指定,也可参照标准法。该法接近垂直试验法。
②、打火机试验法
试样大小可根据试验需要,热源采用打火机,时间一般为5s,热源放置部位可与应用条件相似。火熄灭后,观察火焰蔓延状态,蔓延不严重即为合格。
③、乙醇燃烧试验法
热源为0.3mL无水乙醇,放入小燃烧杯内(瓶盖也可),试验可用垂直法 (5cm×3Ocm)、水平法(20cm×25cm)或45。倾斜法(5cm×l5cm),乙醇和织物距离2.5cm,测定指标可根据要求决定,如炭长、燃烧面积、续燃时间、阴燃时间以及燃烧物渣滓情况等。
9、其它测试方法
传统的阻燃试验法不能满足需要,因此开发新型试验法是大势所趋。
日本的服装燃烧试验法采用了伞形法和人体模型法推用热传感器自动记录接近火源时服装各部位的热传导率和达最高热传导率所用的时间,以便了解服装燃烧时对人体的灼伤情况,这样测得的燃烧性能与火灾的实际情况更加接近。采用模拟铜人测试法评价在极端不利条件下内衣及罩袍总体的防火保护效果。在测试时,让铜人穿上防护服,铜人身上许多温度传感器连接到计算机上,再点燃分布在铜人周围的多个燃气喷口,用计算机监控温度及预定的人体易受损部位的烧伤程度。试验后可打印出有关该防护装备的保护时间和保护程度的详细报告[8]。
燃烧试验是一个非常复杂的方法。迄今为止,人们所测的表观阻燃性在很大程度上与所用的方法有关,现有的国内试验室的许多小型试验方法所获的阻燃数据有很大局限性,只能用于一定条件下比较纤维材料的相对阻燃性能,而不能评价材料在真实火灾中的行为。欧洲认为小型实验室试验法存在着任意性强、局限性大的自身不可克服的缺点,在某些特殊场合下不能由小型试验法取得所需信息时,需直接采用标准大型试验,如墙角试验。一些阻燃技术发达的国家正在建立模拟火灾的大型试验法,或者建立一些特殊的数学物理模型以从小型试验结果推断材料在火灾中的燃烧行为,但这耗资巨大,不是所有国家都能实现的,所以逐步采用一些比较大型试验法或将几种测试法结合使用来综合评价材料的阻燃性能是非常必要的。
 
二、阻燃纺织品的发展动态
1、加强阻燃纤维的开发研究
国内外提高纺织纤维的阻燃性主要有两条途径:一方面改进阻燃工艺提高原先的易燃纤维的阻燃性能,也保持其原有的性能,另一方面,大力开发新型阻燃纤维。为满足市场的多元化需求,以日本为首的各国加强了耐久、高效、复合功能的阻燃纤维的开发。这些纤维根据不同的用途和要求,兼有阻燃、耐热(高温)、抗菌防臭、芳香、防蚀、抗静电、抗紫外线、防水、防污的功能。
传统的易燃纤维的阻燃加工已从单一的阻燃元素发展到两种以上的阻燃元素。如腈纶虽然考虑到成本而保持卤溴作为添加剂,但仍朝着引入含磷和多元协同体系的方向发展。从纤维改性的角度看,朝着双重(阻燃导电)和多重改性的方向发展。
国外市场上有一种芳族聚酰胺和陶瓷纤维的防火织物,制成的防火服质轻、透气好,防火能力比常规防火服提高了3倍。
欧洲市场上近年出现了自身防燃的Visil纤维,这是一种高硅土含量的粘胶纤维,烟雾少、无毒、L0I为26%-33%,可与阻燃芳族聚酰胺以及毛棉混用,可用于工装、防护服、防火垫、滤材、填料等。 从阻燃性、可加工性、环保降解性看,是较理想的阻 燃纤维。 由二氨基间(对)苯二酸和特别的化合物聚合的PBO纤维,具有极好的热稳定性、高强、高弹、高焦化性、不可燃性。
日本旭化公司将特殊的丙烯腈纤维熔烧制成耐火纤维,有很高的耐火性,空气中几乎不燃烧,LOI 高达50%-60%,不熔融收缩,可以在特殊衣料和工业领域广泛应用。 日本东洋纺丝公司开发了一种抗菌防臭的阻燃纤维,有良好的抗菌阻燃性。
Carrington公司用80% Lyocell与20%高强涤纶 开发了阻燃织物,具有良好的耐久性,是良好的阻燃 基材,具有很高的撕破强力和最小的收缩率,比涤棉 织物有更好的吸湿舒适性[9].
2、加强阻燃纺织品多功能化的研究 
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,所以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,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,以改善最终产品的舒适性并降低成本等。 
3、开发环保、无烟、低腐蚀的阻燃剂 
近年来各国阻燃剂开发明显加快,且呈现出相当一致的发展态势,即寻求开发无卤、低毒、无烟、低污染、低腐蚀的阻燃剂。高效多功能复合阻燃剂 (热稳定性好、耐久性好)和无机环保阻燃剂(ATH)倍受重视。卤溴族阻燃剂一统阻燃领域的传统局面被打破,逐步兴起的是磷系、氮系、有机硅型、膨胀型阻燃剂,无机阻燃剂由于它们具有低烟毒,不含卤锑,是阻燃剂无卤化的途径之一,因而成为主要的研究方向。此外消烟型阻燃剂也在开发中。
协效阻燃剂的阻燃效果大于单独使用某种阻燃剂的效果,可以减少用量,降低成本,所以也是近年的研究方向之一,近年磷-氮协效阻燃剂异军突起由于磷-氮之间较好的增效和协同作用,显示出良好的阻燃性能,L0I达29%以上,发烟及有毒气体均少。
非卤阻燃剂中无机阻燃剂是重要的一部分,特点是无毒或低毒、低廉、燃烧时防流滴、不产生烟雾或有抑烟作用,缺点是阻燃效果差,单独使用量大。除水合金属氧化铝少数几类外,大多作辅助阻燃目前国外的研究集中在提高无机阻燃剂的效能、减少用量、降低成本上。 
英国的Albright公司开发了一种桥式磷酸酯阻 燃剂,具有良好的阻燃性、可加工性和低挥发性,在 PET、尼纶中应用日益增加。涤纶、腈纶现采用新型 无卤阻燃剂。聚丙烯纤维使用效果良好的是氮-磷和IFR膨胀型阻燃剂,后者是美国开发的新型阻燃剂,它包括碳源、成核剂、酸源、发泡源等,具有无烟、 无毒、无腐蚀、无滴落的优点,对于长时间或重复暴 露于火焰中有较好的抵抗力,阻燃性能好。
除了加强纺织用新型阻燃剂的开发,也使用涂层、塑料等其他领域用的阻燃剂。日本一化学公司推出了一种发泡性绝热阻燃涂料(含磷和陶瓷),可在水中分散。置于高热下膨胀发泡,形成绝热碳化层,产生阻燃化而保护内部。因含粘合剂,可在纤维 表面涂层,遇热成为发泡材料[10]。
4、完善阻燃法规,作好宣传工作
法律、法规的健全和完善,对推动阻燃纺织品的开发和推广应用,对因纺织品易燃引起的火灾事故的预防有着重要作用。正确评价纺织品的阻燃性能,应以其使用场合的要求为准,按用途制定标准。试验方法的制定应以实际着火情况代替实验室小型实验为基准,这是纺织品阻燃标准的发展方向。此外,还应作好阻燃纺织品的宣传工作,使人们正确认识它,将制定的纺织品阻燃防火法规标准运用到实际工作中[11]。
5、其他方面
传统的阻燃技术虽然赋予了纺织品一定的阻燃性能,却不能得到满意的手感和强力等机械性能。如涤棉织物经阻燃整理后强力下降、手感不佳,一般通过混纺技术、复合阻燃剂及其他改进阻燃工艺的方法提高阻燃纺织品的综合性能。毛织物使用的单一的锆钛阻燃剂往往影响毛的白度和光泽,而复合阻燃剂可以克服这种缺陷。Protex是一种新型防火碳链纤维,虽有好的自熄性和阻燃性,但强度低、服用性能差,通过与其他纤维混纺,可以获得服用性好的阻燃织物。此外,涂层整理和非织布技术在阻燃加工中的应用也逐渐增多。
 
三、结语
面对阻燃防护需求迫切的现实,我们科研人员要广泛积极地宣传"研制、生产和应用阻燃纺织品"的重要性和紧迫性,引起全社会对这项工作的重视。同时应适时完善有关使用阻燃纺织品的法规法令;加快完善纺织品燃烧性能试验方法标准,同时开展阻燃纺织品中型和模拟火灾试验;制定阻燃纺织品的产品标准,特别是根据纺织品的使用场合制定标准,并采取切实有效的措施保证贯彻执行。单一的阻燃测试方法往往不能全面反映材料的燃烧性能,应尽量将几种测试方法结合起来使用。随着阻燃技术的深入研究,阻燃测试方法的完善及阻燃法规的建立,推广应用阻燃纺织品的高潮很快就会到来。

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