评价阻燃纤维及其性能表征方法研究

文/张新民 周祯德 李红杰 陆秀琴

随着国民经济的发展和消费者安全意识的增强，阻燃纺织品的应用领域不断扩大，需求量与日俱增。为此，国内很多化纤企业加速对阻燃纤维的开发和研究，特别是阻燃涤纶和阻燃粘胶纤维发展更快，已形成了一定的市场规模，部分产品还出口国外。但国内外对材料阻燃性能的检测仅有针对面料的测试方法和标准，尚无适合纤维形态的阻燃性能检测方法标准。纤维阻燃性能测检方法的空白已在很大程度上制约了阻燃纤维产品的开发和市场推广。因此，尽快建立纤维阻燃性能的检测和评判标准对于促进国内阻燃纤维的开发，规范行业内产品质量水平有重要的指导意义。

一、涤纶和粘胶纤维阻燃改性的技术现状

1.阻燃涤纶纤维

涤纶纤维用阻燃剂有添加型和反应型两大类，其中添加型阻燃剂比较多，添加阻燃剂也是聚酯纤维最初的阻燃改性方法，主要有卤素阻燃剂和磷系阻燃剂。反应型阻燃剂是指分子中含有阻燃元素(磷、氯、溴、氮)及活性基团(羧基、羟基以及酸酐等)的小分子阻燃剂。反应型阻燃剂将逐渐取代添加型阻燃剂。目前国际上最常用的是磷系共聚型阻燃剂，其对聚酯纤维具有良好的阻燃效果。

2.阻燃粘胶纤维

阻燃粘胶纤维根据阻燃剂类型的不同，主要分为两大类，一类是采用无机材料改性的阻燃纤维；另一类是采用有机阻燃剂（以磷氮系为主）改性的阻燃纤维。其中无机阻燃粘胶纤维由于具有阻燃性好、耐高温和低烟无毒性等特点，近年来发展很快，应用也十分广泛。

二、国内外阻燃性能试验方法介绍

如何表征和评价阻燃产品质量优劣？目前，国内外测量纺织品的阻燃性能方法，通常使用垂直法、45度法和氧指数法来表征。

1.垂直法检测方法介绍

将一定规格的试样垂直放置，在下端施加火焰点燃规定时间后撤离，测量试样的续燃时间、阴燃时间及损毁长度。续燃时间是指火焰撤离后试样持续有焰燃烧的时间；阴燃时间是指有焰燃烧终止后，或者火焰撤离后试样持续无焰燃烧的时间；损毁长度是指燃烧终止后，在规定方向上试样损毁面积的最大距离。国内标准有GB/T 5455-1997《纺织品燃烧性能试验垂直法》。

2.45 度法检测方法介绍

45度法的方法与垂直法基本相同，区别是试样是呈45°放置的，另外增加一项损毁面积。损毁面积是指燃烧终止后试样损毁的总面积。国内标准是GB/T 14645-1993《纺织织物燃烧性能 45°方向损毁面积和接焰次数测定》。

3.氧指数法检测方法介绍

将一定规格的试样垂直放置在氧、氮混合气流中，在上端施加火焰，测定试样刚好维持燃烧状态所需要的最低氧气浓度（称氧指数），以体积百分率（%）表示。国内标准有GB/T 5454-1997《纺织品燃烧性能试验氧指数法》，非等效采用国际标准ISO 4589：1984，其主要技术内容、试验方法程序与国际标准一致。

4.国外检测方法介绍

日本的JIS L1091-1999《织物燃烧性能测试》，其中就有垂直法、45度法和氧指数法。法国在1978年发布了《纺织品燃烧性能试验氧指数法》，国际标准化组织（ISO）1996年发布了ISO 4589：1996《塑料 燃烧性能测定氧指数法》。

三、纤维阻燃性能试验方法的确立

尽管国内外都已有了垂直法、45度法和氧指数法来测定纺织品的阻燃性能检测方法，但这些方法都要把样品做成面料才能检测，这对于化纤生产厂质量控制和贸易带来了很大的不便，尤其在贸易中一旦碰到质量纠纷，很难分清责任方，会造成巨大的经济损失。寻找适合表征纤维阻燃性能试验方法，关键要解决用什么试验方法的指标值来表示阻燃纤维性能的指标，试验中样品又如何制备等一系列工作。

1.试验方法的选择

目前国内外主要有三种方法即垂直法、45度法和氧指数法来，由于垂直法、45度法测量的续燃时间、阴燃时间和损毁长度较为抽象。用氧指数来表示试样的阻燃性能比较直观，因为燃烧是需要氧气的，空气中氧气平均浓度为21%，如果氧指数低于21%，说明能在空气中燃烧较长的时间；反之，只能燃烧较短的时间或不会燃烧。有关资料将极限氧指数在21%以下的称为易燃性材料，22%～27%的称为可燃性材料，27%以上的称为阻燃性材料。

同时用垂直法、45度法试验时，由于要求试样的尺寸较大，这对织物是很容易制备的，而要求纤维做成大尺寸的织物形态是比较困难，相比之下用氧指数法试验时，要求试样的尺寸可较小，用纤维来制作试验样品来满足试验要求相比之下还有可能，因此决定采用氧指数法来表征纤维阻燃性能方法。

2.试样制备方法的研究

在确定试验方法和试验仪器后，关键是要解决试样如何制作的难题。试样既要制作方便，能适应现有的仪器，虽然织物是非自撑材料（即不能自已直立），但是要有形的，能用U形框架的夹子夹住。而纤维不但是非自撑材料，还是无固定形状的，较难用U形框架的夹子夹住。另外，试样的大小、形状应保证试验结果既要能区分有阻燃和无阻燃，又要符合现有的氧指数评定指标。化纤行业各有关单位经过三年的不断试验摸索，终于制定出了一套能适用于纤维的表征阻燃性能试验方法的制样方法。

①短纤维试样制作方法

a)棉卷法制样

取约20 g纤维，用原棉分析机或梳棉机将纤维开松除杂。将开松样品平铺均匀，剪成50 mm×100 mm的长方形棉块，质量为（0.20±0.02）g。开启熨烫升华色牢度仪，上下板温度170℃，压烫时间20 s。将棉块移至压烫板下，按设定好的参数进行压烫。将压烫好的试样对折成25 mm×100 mm的棉条再次进行压烫。取出压烫好的棉条冷却到室温，用棉卷制备工具（由一根直径为2 mm，一端带有一个狭缝的细长不锈钢构成）的狭缝以45°夹住棉条毛面的一角，旋转工具使棉条螺旋状地缠绕在工具上，待末端卷入后继续旋转工具，转数为10～15，卷成直径约3 mm～4 mm高度约90 mm～100 mm直挺、紧密的试样棉卷。抽离棉卷制备工具，把棉卷顶端的散纱或毛羽剪去20 mm，即为测试样品。

b)股线法制样

取20 g左右作为纺纱试样。利用小型纺纱设备将纺纱试样制成纱线（线密度不大于60 tex）。在缕纱测长机上绕取一定长度（整数圈）的纱线，质量为（0.60±0.03）g。取下绕好的缕纱沿接头和中间部位剪成两段，每段长度为500 mm，质量约为0.30 g。将缕纱的一端打结置于纱线捻度机的夹持头中，用手捏持另一端，将纱线加捻（与单纱同捻向），捻数一般在110～150之间。然后沿中间对折成合股线，末端打结。该股线即为测试样品。

由纤维纺制的纱线并合成为一定重量的缕纱，可有效消除自制单纱条干不匀而影响缕纱粗细的均一性。缕纱加捻成股线，挺直性好，表面光滑。样品燃烧均匀稳定，氧指数测定结果精密度好，完全满足材料的阻燃测试要求。

②长丝试样制备方法

在缕纱测长仪上绕取一定长度的纱线，其质量应为（0.30±0.03）g。取下绕好的纱线一端置于纱线捻度机的夹持头中，用手捏持另一端，将纱线加捻（与单纱同捻向），捻数一般在60～80捻之间。然后沿中间对折成股线，在股线中间位置用单纱扎紧，防止股线散开，该股线即为测试样品。对于含油率较高的长丝产品，试验前需对制好的股线进行清洗：将样品在中性皂液（4%）中浸泡4 h，轻轻揉捏，洗净残留的皂液后放入烘箱内烘干。

3.氧指数测定仪原理介绍

氧指数测定仪其结构如图1所示。

氧气、氮气分别通过各自的流量计形成混和气流，调节氧气流量计、氮气流量计的流量大小可控制混和气流中氧气的比例（即：氧气的浓度）。用下面的式子表示：

式中：Z——氧气的浓度，%；

X——氧气的流量，单位为L/min；

Y——氮气的流量，单位为L/min。

混和气流经过燃烧筒下部的玻璃珠填充区段，使混和气流均匀地、从下而上地流经燃烧筒。

图1 氧指数测定仪装置示意图

试样夹是二片U形框架构成，它的内框尺寸为140 mm×38 mm，外框尺寸为150 mm×58 mm。在GB/T 5454《纺织品燃烧性能试验 氧指数法》中规定试样（织物）的尺寸为150 mm×58 mm，放在试样夹中随试样夹一起垂直立起来。在阻燃纤维试验时，在试样夹的中部加一根横档，将测试样品放在中间，让二片试样夹的横档夹住。试样夹固定在燃烧筒中，当氧氮混合气流由下向上流过一段时间后,用火焰点燃试样顶端，同时记时和观察试样燃烧长度，与所规定的依据相比较。在不同的氧浓度中试验一组试样，测定试验刚好维持平稳燃烧时的最低氧浓度，用混合气中氧含量的体积百分数表示。

4.各种制样方法的氧指数检测情况

从山东海龙股份有限公司、中国石化上海石油化工有限公司、太仓金辉化纤实业有限公司、桐昆集团股份有限公司等等企业取得有机、无机阻燃产品和常规产品进行大量氧指数测试，测试结果如下。

①棉卷法制样测定

棉卷法制样测定结果见表1：

表1 涤纶短纤维氧指数测试情况表

②股线法制样测定结果

股线法制样测定结果见表2：

表2 不同品种纤维的氧指数测定情况表

③长丝股线法试样制备方法测定结果

长丝股线法试样制备方法测定结果见表3：

表3 涤纶长丝氧指数测试结果表

由上述三个表可以看出，不管用棉卷法还是股线法制样，用氧指数法进行测试，都能明显区分常规产品和阻燃产品的阻燃性能，且此方法可行性强，生产企业能在短时间投入较少的成本，快速、简便、及时了解本企业生产的产品阻燃性能情况。

涤纶和粘胶短纤维及涤纶长丝阻燃性能试验方法——氧指数法的建立，打破了制约阻燃纤维产品开发和市场推广的现状，为纤维阻燃性能的表征提供了有力的支撑，为化纤行业阻燃纤维的生产和发展带来了福音，同时对促进贸易双方公平交易，保障供销利益提供了技术依据。