聚酰亚胺防护面料的阻燃性能研究

严成 刘佳明 唐闻涛

摘 要：为深入研究聚酰亚胺面料的阻燃特性，对聚酰亚胺、间位芳纶、阻燃粘胶3种原料纺制成的面料的阻燃性能进行对比分析。结果表明：聚酰亚胺具有更好的阻燃效果，聚酰亚胺面料极限氧指数高达38%，无阴燃、续燃时间，不融滴，损毁长度小于10 mm；在有焰燃烧条件下，产生毒性气体量及烟密度远小于其他阻燃面料；并且聚酰亚胺能以较低混纺比例大幅改善间位芳纶、阻燃粘胶的阻燃性能。

关键词：聚酰亚胺；极限氧指数；燃烧特性；毒性气体量；烟密度

中图分类号：TS157

文獻标志码：A

文章编号：1009-265X（2018）06-0091-04

Abstract：In order to study the flame retardant property of polyimide fabrics， flame retardant properties of three fabrics made of polyimide， meta-aramid and flame-retardant viscose respectively were contrasted and analyzed in this paper. The results showed that polyimide fabrics have better flame retardant effect than the other two materials. The limit oxygen index of polyimide fabrics is as high as 38%， and it doesnt show after-flame or smoldering time. The damaged length is less than 10 mm. In case of fire， the density of smoke and toxic gas produced by the combustion of polyimide fabrics is much lower than other flame-retardant viscose fabrics. Whats more， the flame retardation of mixed fabrics could be significantly improved with low blending proportion.

Key words：polyimide； limit oxygen index； combustion characteristic； toxic gas flow； smoke density

随着纺织新材料新技术的不断发展，纺织品种类日益增多，人们对功能性纺织品的需求也日趋旺盛，阻燃纺织品作为保障人身财产安全的保护伞，受到人们更加广泛的关注，并实现较快发展[1]。

现阶段赋予纺织品阻燃性能的方法一般有两种：一种是选用本质阻燃纤维；另一种是对常规纤维、织物进行阻燃整理。与本质阻燃材料相比，阻燃整理工艺简单、价格低廉，在应用上具有良好的灵活性，但是经过阻燃处理的织物存在两大主要问题：一是阻燃效果逐步衰退，二是遇火会产生有害气体，因此制约其进一步发展；而本质阻燃性纤维的化学结构就决定了其不燃性，如芳纶、聚苯硫醚纤维、聚酰亚胺纤维等[2-3]。

其中，聚酰亚胺作为本质阻燃纤维的代表，成为21世纪最具发展前途的高技术阻燃纤维。聚酰亚胺纤维是指分子链中含有芳酰亚胺的纤维，化学结构式如图1所示，其具有稳定的环状结构，被称为“解决问题的能手”[4]。

1 实 验

1.1 实验材料与仪器

1.1.1 实验材料

为深入研究聚酰亚胺面料的阻燃性能，将聚酰亚胺纤维与间位芳纶、阻燃粘胶纤维分别进行纺纱织造，制成同规格面料，并对不同材质的面料阻燃性能进行对比分析。实验采用的纤维、纱线、面料规格如表1所示。

1.1.2 实验仪器

纤维细度仪用于测量纤维线密度（型号XQ-1A，上海利浦应用科学技术研究院）；纤维强伸度仪用于测量纤维断裂强力、断裂伸长率等强伸性能（型号XD-1，上海利浦应用科学技术研究院）；缕纱测长仪用于测量纱线线密度（型号YG086）、纱线捻度仪用于测量纱线捻度（型号Y331A）、单纱强力仪用于测量纱线断裂强力、断裂伸长率等强伸性能（型号YG020）（常州市第一纺织设备有限公司）；极限氧指数仪用于测量面料的极限氧指数值（型号JF-3，南京市江宁分析仪器厂）；垂直燃烧试验仪用于测量面料续燃时间、阴燃时间、损毁长度、燃烧特性以及是否有滴熔物等（型号DJC-1，北京中航时代仪器设备有限公司）；烟密度箱用于测量CO，HCN，HF，HCl，SO2，NOx气体含量以及材料燃烧烟密度值，（型号SD-1-C-X，莫帝斯燃烧技术有限公司）。

1.2 实验方法

1.2.1 极限氧指数

极限氧指数（LOI）是指材料在氮、氧混合气体中，维持其燃烧所需的最低的氧气体积比例，根据极限氧指数值，阻燃性能可分为5个等级：LOI值大于30为阻燃一级（不燃），LOI值27～30为阻燃二级（难燃），LOI值24～27为阻燃三级（阻燃），LOI值21～24为阻燃四级（可燃），LOI值小于21为易燃[5]。

实验对不同面料极限氧指数按照GB/T 5454—1997《纺织品 燃烧性能试验 氧指数法》[6]规定进行测试。首先将试样夹在试样夹上垂直于燃烧筒内，在向上流动的氧氮气流中观察其燃烧特性，通过在不同氧浓度中一系列试样的试验，测得维持燃烧时氧气百分含量表示的最低氧浓度值，确定面料极限氧指数。

1.2.2 燃烧性能

纺织品的燃烧性能主要包括：续燃时间、阴燃时间、损毁长度、燃烧特性以及是否有滴熔物等。

实验对不同面料燃烧性能按照GB/T 5455—2014《纺织品 燃烧性能 垂直方向损毁长度阴燃和续燃时间的测定》[7]规定进行测试。首先，将面料制成尺寸为300 mm×89 mm的样布并在标准大气条件下进行调湿，随后在温度为10～30 ℃，相对湿度30%～80%的环境中进行测试，采用规定点火器，点燃丁烷气体，调整火焰高度，使其稳定在（40±2）mm，产生的火焰，对垂直方向的试样底边中心点火，12 s后，移开火源，测量面料的续燃时间、阴燃时间及损毁长度，并记录燃烧特性及是否有滴熔物。

1.2.3 毒性气體

面料燃烧时产生毒性气体，毒性气体的产生会对人身安全造成更大伤害，常见的毒性气体包括CO，HCN，HF，HCl，SO2，NOx等，按照BSS7239《Test method for toxic gas generation by materials on combustion》（材料燃烧产生的毒气测试方法）的要求，将面料在温度为20～23 ℃，相对湿度45%～50%的环境下平衡24 h，放入SD-1-C-X烟密度箱中，进行4 min有焰燃烧，收集分析燃烧后释放的气体含量。

1.2.4 烟密度

按照BSS 7238《Test method for smoke generation by materials on combustion》（材料燃烧产生的烟雾测试方法）测试。将面料在温度为20～23 ℃，相对湿度45%～50%环境下平衡24 h，放入SD-1-C-X烟密度箱中，进行4 min有焰燃烧，烟密度值为最大的烟密度值。

2 结果与讨论

2.1 极限氧指数分析

表2为几种常见纤维的极限氧指数，通过表2可以看出，聚酰亚胺纤维的极限氧指数远高于其他纤维，这是因为聚酰亚胺具有稳定的环形结构，分子键能极高[8-9]。当在低氧气浓度下点燃时，纤维受热分解，但是此种状态下分解反应速率较慢，分解释放热量不足以维持聚酰亚胺纤维燃烧，因此聚酰亚胺表现出良好的阻燃效果；只有当氧气浓度增大到一定值后，聚酰亚胺热降解反应剧烈，随之释放大量热，并且纤维分解过程中产生一定量可燃性气体，可燃性气体和氧气混合燃烧，也释放大量热，两者结合刚好达到维持聚酰亚胺纤维持续燃烧所需热量，此时混合气体中氧气所占的体积分数，即聚酰亚胺纤维的极限氧指数。

将聚酰亚胺、间位芳纶、阻燃粘胶3种面料的极限氧指数进行测试，测试结果如表3所示。

通过表3可以看出：和纤维相比，面料结构更为紧密，和混合气体接触面积更小，其极限氧指数普遍高于纤维。3种面料中聚酰亚胺面料纵、横向极限氧指数均高于38%，远高于另外两种，属于不燃织物。较高的极限氧指数使聚酰亚胺面料能够应对更加复杂的火场环境，即使在较高氧气含量或者空气流动强的危险环境中，依然能够提供高效的阻燃防护[10]。

2.2 燃烧特性分析

表4为3种面料的燃烧特性对比，通过表4可以看出：聚酰亚胺面料具有无阴燃、续燃时间，损毁长度小，无融滴的燃烧特性。而间位芳纶和阻燃粘胶均存在阴燃时间，并且损毁长度较大；经过12 s的垂直燃烧，聚酰亚胺面料的损毁长度不到1 cm，远小于间位芳纶和阻燃粘胶面料，保证聚酰亚胺面料在有焰燃烧的情况下，破损小，能够更好的维持面料结构，提供更持久的防护效果。

进一步探究聚酰亚胺纤维对间位芳纶、阻燃粘胶面料燃烧特性的改善，将不同比例聚酰亚胺分别和芳纶以及阻燃粘胶纤维进行混纺，织造210 g/m2的2上1下斜纹机织面料，并对混纺面料的燃烧特性进行测试，结果如表5所示。

通过表5可以看出，聚酰亚胺能够有效提高面料的燃烧特性，能以较低比例大幅减小面料的损毁长度，使面料具有更优异的阻燃性能。通过试验发现：聚酰亚胺和芳纶进行混纺，当聚酰亚胺含量为5%时，面料损毁长度小于20 mm，远小于纯间位芳纶50 mm左右的损毁长度；当聚酰亚胺含量达到30%时，混纺面料阴燃时间消失。同样，将聚酰亚胺和阻燃粘胶进行混纺，当聚酰亚胺比例大于等于20%时，面料损毁长度可控制在20 mm以内，远小于纯阻燃粘胶90 mm以上的损毁长度。

2.3 毒性分析

表6显示了3种面料均是环保型阻燃面料。在有焰燃烧的条件下，毒性气体释放量均远小于空客装饰面料标准要求限值，能够保证面料遇明火燃烧时，产生较少毒性气体，减小对人体造成的伤害。和间位芳纶、阻燃粘胶面料相比，聚酰亚胺面料的毒性气体释放量更小，CO释放量仅为间位芳纶的1/5，更加安全环保，可应用于飞机座椅装饰面料、飞行员服装面料、机务人员服装面料、窗帘、地毯等众多领域。

2.4 烟密度分析

表7显示了3种面料的烟密度对比，可以看出，聚酰亚胺在2.5 W/cm2的热源下，4 min内几乎不发烟，最大烟密度仅为1，透光率依旧高达98.3%，能够最大限度减少浓烟对人身造成的伤害。

3 结 论

聚酰亚胺面料是极佳的阻燃防护材料，和间位芳纶、阻燃粘胶等应用广泛的阻燃防护面料相比，其阻燃效果优势明显。

a） 聚酰亚胺面料极限氧指数高达38%，属于不燃织物，高效阻燃；

b） 聚酰亚胺面料垂直燃烧无阴燃、续燃时间，损毁长度小；聚酰亚胺和芳纶或阻燃粘胶混纺，能够高效改善面料的燃烧性能；

c） 聚酰亚胺面料有焰燃烧毒性气体排放量极低，安全环保；

d） 聚酰亚胺面料有焰燃烧烟密度值小，4 min中产烟密度极小仅为1。

参考文献：

[1] 吴增元，吴兆莹.含氮磷酸酯高聚物阻燃剂对织物阻燃整理工艺的研究[J].合成纤维，1992，21（4）：14-16.

[2] 张清华，陈大俊，张春华，等.聚酰亚胺高性能纤维研究进展[J].高科技纤维与应用，2002，27（5）：11-14.

[3] 张清华，陈大俊，丁孟贤.聚酰亚胺纤维[J].高分子通报，2001（5）：66-73.

[4] 尹朝清，徐园，张清华.聚酰亚胺纤维及其阻燃特性[J].纺织学报，2012，33（6）：116-120.

[5] CHUNG G S， LEE D H.A study on comfort of protective clothing forfirefighters[J].Elsevier Ergonomics Book， 2005（3）：375-378.

[6] 全国消防标准化技术委员会第七分委员会.纺织品燃烧性能试验氧指数法：GB/T5454—1997[S].北京：中国标准出版社，1997.

[7] 于伟东.纺织材料学[M].北京：中国纺织出版社，2010.

[8] 金星，王俊胜，王国辉.消防战斗服用耐高温纤维[J].消防科学与技术，2015（2）：237-241.

[9] 戚敏.Nomex纤维及其在个人防护领域的应用[J].中国个体防护装备，2006（3）：16-20.

[10] 全国消防标准化技术委员会第七分委员会.纺织品燃烧性能垂直方向损毁长度阴燃和续燃时间的测定：GB/T 5455—2014[S].北京：中国标准出版社，2014.