纺织品的阻燃研究(一)

活性红 · 发表于 2006-2-21 15:15

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纺织品的阻燃研究(一) <a href="http://club.globaltexnet.com/postRead.php?topicid=31471" target="_blank">纺织品的阻燃研究(一)</a> <a href="http://club.globaltexnet.com/postRead.php?topicid=31473" target="_blank">纺织品的阻燃研究(二)</a> <a href="http://club.globaltexnet.com/postRead.php?topicid=31476" target="_blank">纺织品的阻燃研究(三)</a> <a href="http://club.globaltexnet.com/postRead.php?topicid=31478" target="_blank">纺织品的阻燃研究(四)</a> <a href="http://club.globaltexnet.com/postRead.php?topicid=31479" target="_blank">纺织品的阻燃研究(五)</a> <a href="http://club.globaltexnet.com/postRead.php?topicid=31480" target="_blank">纺织品的阻燃研究(六)</a> 1. 介绍     人类在早期文明阶段就已认识到纺织品(尤其是以天然纤维素纤维——棉花和亚麻，如亚麻布——为基础的纺织品)燃烧所造成的特殊危险，从那时起，盐(如明矾)就被用来降低纺织品的易燃性，这样就使纺织品有了阻燃性。时至今日，由于大多数纺织品(例如占据首位的衣服)都具有类似的性质，而且在我们周围的环境中，现有的纤维聚合物都具有较大的比表面积，从而可最大限度地接触大气中的氧，因此，上述危险依然伴随着我们。在1997年4月16日沙特阿拉伯发生的火灾悲剧中，这些因素成了人们关注的焦点。那次火灾发生在麦加朝圣期间，由于火焰蔓延到麦加附近买那的帐篷露营地，340多名朝圣者丧身火海。火焰的迅速蔓延殃及到70000多个帐篷，许多朝圣者被烧伤。所有帐篷很可能都是用棉织品制作的，火灾很可能是其易燃性质的一个结果，同时又被干热的环境、大风和密集的帐篷所加重。     全世界几乎没有几份全面性的火灾统计，尤其是试图把死伤人数与火灾原因(如纺织材料的引燃和燃烧传播性质)联系在一起的火灾统计。     英国的年度火灾统计是可以得到的最全面火灾统计中的少数几份，它试图提供的信息或许可反映一个约有5500万人口的欧洲国家的情况。这些统计表明，到1998年为止，约20％的住宅火灾是由纺织品引起的(即纺织品是首先被引燃的材料)，50％以上的死亡是由这些火灾造成的。表l所示为过去17年的典型数据(虽然从1993年开始，这种详细数据已无法自由获取)，这表明，一般来说，在1982年到1988年期间，英国住宅火灾的死亡人数每年为700左右。从那以后，死亡人数下降到500～600的水平上。纺织品关联火灾所造成的死亡人数也呈现出类似的特点，因此，可以下结论说，1989年以来通过法律强制实施在英国国内市场销售阻燃装潢型家具对上述死亡人数的减少起了重要的作用。图1中的数据图给出了不同纺织品所具有的相对风险及其在指定期间的变化。在该期间，不但装潢型家具条例得到了实施，而且英国住宅的烟雾报警发生率也在增加(尤其是在最近10年期间)。 表1 英国住宅火灾的总死亡人数及纺织品关联火灾的死亡人数（1982-1998年） 年份英国住宅火灾死亡住宅中纺织品关联死亡人数 衣服床上用品家具织物地毯总数 1998 497 62 71 69 11 213 1997 566 59 51 119 8 237 1996 556 60 79 108 11 219 1995 549 85 71 108 8 275 1994 477 65 58 86 5 224 1993 536 51 85 105 19 260 1992 594 71 82 134 22 309 1991 608 59 85 27 10 281 1990 627 61 89 157 20 377 1988 732 92 141 195 20 448 1986 753 69 150 219 17 455 1984 692 59 124 167 22 372 1982 728 86 140 152 23 424      衣服关联死亡人数通常在年死亡事故50~90范围内波动。作为一个群组，它在很大程度上被政府和纺织界所忽视(睡衣和防护服领域除外)。除非人们认识到这类普通危险(例如与睡衣、纱丽等衣服相关联的火灾死亡，这种火灾曾在印度和上埃及等地方发生，那里人们通常用明火做饭)，否则与衣服关联的火灾往往因为具有个人性质而很难为公众所注意，也不会出现立法的迫切要求。     图一  与纺织品相关的英国住宅火灾所导致的死亡 <img src="http://www.dongmei.net/images/image005.jpg" border="0" onload="if(this.width>screen.width*0.7) {this.resized=true; this.width=screen.width*0.7; this.alt='Click here to open new window\nCTRL+Mouse wheel to zoom in/out';}" onmouseover="if(this.width>screen.width*0.7) {this.resized=true; this.width=screen.width*0.7; this.style.cursor='hand'; this.alt='Click here to open new window\nCTRL+Mouse wheel to zoom in/out';}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open(this.src);}" onmousewheel="return imgzoom(this);" alt="" />     通常只有在大量生命和财产损失发生之时才会产生法规和条例。在过去的20年间，英国对多起火灾进行了大力宣传，从而推动了对现有火灾预防和防止条例及程序的评价和更新。表2所列是一些重要事故，所有这些事故都与纺织品相关——纺织品或者是首先被点燃的材料，或者是造成重大生命损失或损伤的原因。在这些事故中，较出名的是1979年的F·W·伍尔沃斯商店火灾，它导致了英国第一个装潢型家具用香烟点燃要求的问世。此后，1990年的一部更为全面的法规也随之诞生，它对火柴的点燃有要求，对泡沫填料有强制性燃烧限制。类似的情况是，曼彻斯特波音737飞机火灾也使英国民航和美国联邦航空当局推出了已列入计划的座椅耐火材料要求，该要求的对象是超过30名乘客的所有客机。     表2中的所有火灾都具有共同的特点，即各个火灾现场所存在的纺织品都是作为首先被相关火源点燃的材料发挥作用的。第二或其后，导致火焰成长并向毗邻材料蔓延的速度也具有重要的特点，即一旦蔓延达到了这种速度，不但遇难者无法逃生，而且消防队员也无法控制火势。所以，这些毁灭性的火灾足以较为清楚地证明，纺织品易首先被点燃，随后便出现致使火焰成长的速度。但这很少是火灾的直接原因。例如燃烧强度虽是死亡的主要原因，但烟雾和燃烧所产生的气体则可使人迷失方向，从而影响逃生，结果是失能、窒息和死亡。只有在衣服关联火灾中，尤其是在衣服较宽松且直接穿在身上(如睡衣和夏装)之时，伤亡才主要是由燃烧导致的。   表2  英国和爱尔兰发生的与纺织品相关的主要火灾  （ 1979 年至现在） 火灾    原因    后果 卧铺车火灾（ 1978 年 7 月 6 日陶顿市） 电暖气旁的数袋未洗的和已洗过的衣服。 12 人死亡， 15 人非致命伤    F·W·伍尔沃斯商店火灾（ 1979 年 5 月 8 日曼彻斯特市） 餐厅中若干内填聚氨酯，外罩聚丙烯织物的家具被发烟材料点燃。    10 人死亡， 53 人非致命伤 梦幻迪斯科舞厅火灾（ 1981 年 2 月 14 日都柏林）    外罩 PVC ，内填泡沫塑料的家具被点燃，导致多排就餐排挡轰然。 48 人死亡， 128 人非致命伤。    波音 737 飞机火灾（ 1985 年 8 月 22 日曼彻斯特机场） 点燃罐穿孔，导致外部油池起火，火焰沿着机身进入机舱，机舱被座椅材料燃烧产生的有毒烟气淹没。    55 人死亡， 15 人重伤。 温莎宫火灾（ 1992 年） 泛光灯点燃大型窗帘的上部，火焰沿着通风道进入木制顶棚和结构。    无人伤亡，文物遗产等损失达 4 千万英镑。 3  纺织品的燃烧行为 3．1  纤维     纤维的燃烧行为受多个热转变温度和热动力参数的影响，而且也经常取决于这些温度和参数。表3所列为常见的纤维及其物理玻璃转化(Tg)和熔融转化(Tm)。在适当条件下。可以和其化学上相关的热解转化(Tp)、点燃及初始有焰燃烧(Tc)相比较。此外，该表还列出了火焰温度和燃烧热的典型数值。一般来说，相应的了，(通常和Tp)温度越低，火焰温度越高，则纤维越易燃烧。这一普遍性的典型代表是天然纤维素纤维(棉、粘胶丝、亚麻)以及某些合成纤维(如丙烯酸)。    表3列出了各种纤维的极限氧指数(LOI)值，这是材料固有燃烧性能的量度，可用百分比或小数表示。LOI值为21％(或0.21)或21％以下的纤维易于点燃并可在空气(含氧20.8％)中迅速燃烧。LOI值高于21的纤维可以点燃，但燃烧较慢。一般来说，LOI值约高于26～28的纤维和纺织品可视为阻燃物并可通过织物横、竖向小火点燃试验。几乎所有的纺织品易燃性试验，不管是基于简单的织物条片试验、复合材料试验(如BS5852:1997、ISO  8191/2、ENl021—1/2和EN597—l/2)还是基于更多的产品危险相关试验(如地毯BS6307、帐篷BS6341和熔融金属喷溅BS6357)，本质上都是抗点燃试验。 表3 常用纤维的热转化温度 纤维 Tg ℃ 软化  Tm ℃验室熔化 Tp ℃验室热裂解 Tc ℃散点燃 LOI%极限氧指数 △Hc kjg-1燃烧热   羊毛     254 600 25 27 棉     350 350 18.4 19 粘胶丝     350 420 18.9 19 尼龙6 50 215 431 450 20-21.5 39 尼龙6.6 50 265 403 530 20-21.5 32 聚酯 80-90 255 420-447 480 20-21 24 丙烯酸 100 >220 290 分解  >250 18.2 32 聚丙烯 -20 165 470 550 18.6 44 改性聚丙烯腈 <80 >240 273 690 29-30 - 聚氯乙烯（PVC） <80 >180 >180 450 37-39 21 氧化丙烯酸 - - ≥640 - - 45 间芳族聚酰胺（例如Nomex） 270 375 410 >500 29-30 30 对芳族聚酰胺（例如Kevlar） 340 560 >590 >550 29 -     在材料防火学界，人们普遍认为，在真实火灾条件下，决定燃烧危险性的是放热速率。表3表明，燃烧热(△Hc)在各种纤维之间几乎没有什么差别。当然，与不太易燃的纤维(如芳族聚酰胺纤维和氧化丙烯酸纤维)相比，某些纤维(如棉花)似乎具有较低的燃烧热，但是，决定火焰蔓延速率和燃烧强度的是放热速度。     目前，只有用于建筑材料、飞机和船舶内部以及座椅的纺织品被要求具有最低级别的放热速率。放热速率可用锥形量热器和俄亥俄州立大学量热器等仪器来测量(评估飞机内部纺织品的性能可在35 kWm -2入射热通量下进行)。现在，已发表的有关纺织品放热的数据非常稀少，表4是目前所能得到的一些精选数据。 表4 若干纤维和混合物的峰值放热速率 纤维/混合物 OSU 35 kWm-2 锥形量热器 25 kWm-2 锥形量热器 25 kWm-2 棉 - 310 115（1.5mm多层） 棉/羊毛     102（同上， 另外4.5mm羊毛夹层） 棉/聚酯阻燃棉 167 -    Proban 103      铵盐   125    63% 氧化丙烯酸 /17% 芳族聚酰胺 / 20% PVC  34 -    80% 氧化丙烯酸 / 20% 芳族聚酰胺 38 -    33% 变性丙烯酸 / 35% 阻燃粘胶丝 / 32% 芳族聚酰胺  47 -    61.5% 马海毛 / 38.5% 聚酯（作为经纱）  58      3．2  织物和纱的结构     由特定型纤维或混合纤维构成的织物所具有的燃烧行为受多种因素的影响，这包括火源的性质、影响的时间、织物的方向和点燃位置(例如，在织物的边缘还是正面，顶部还是底部)、环境温度和相对湿度、空气的速率，以及(最后但并非最不重要的)织物的结构变量。在任何标准实验中，织物方向、点燃位置和时间以及大气变量都是可以控制的。但是尽管如此，如巴克人所述，与较厚重的多层结构相比，较低的织物面积密度和稀松的结构仍会提高燃烧速率，从而增大燃烧强度所构成的危险。     亨德利克斯等人在极限氧指数LOI与面积密度之间建立了线性关系，在极限氧指数LOI与一系列棉织物的透气性之间建立了对数关系，不过其相关性较差。这样，织物的易燃性不仅取决于纤维的行为，而且还取决于织物内纤维排列的物理几何结构。米勒等人认为，易燃性的一个可选量度是确定燃烧速率为零时的氧指数。由此引出的棉花的固有氧指数值(OI) 0 为0.13，远远小于所引用的LOI值0.18～0.19(见表3)。随后，斯杜兹利用改进的氧指数技术为一系列从顶部(COC—T)或底部(COC—B)点燃的聚合物样品的持续燃烧确定了所谓的临界氧浓度(COC)。前者类似于相应的LOI值，可视为受非固有因素(如聚合物几何结构、炭量以及熔融滴淌)的影响。但后者不依赖于这些因素，因而代表着聚合物的固有属性。纤维素的COC—B值(0.135)相当于上述的(OI) 0 值。可以认为，(在空气中)非易燃的聚合物可能具有高于0.21的COC—B值。     根据这些研究，豪洛克斯等人把熄灭氧指数EOI定义为：当织物样品的顶部受一个LOI火源作用一段规定的点燃时间后，样品在限定的观察时间内恰好不再保持任何火焰时的氧浓度。对于简单的易燃织物(如棉花、尼龙和聚酯)，其相应的EOI值随点火器作用时间的减少而减小。利用外推法可以界定零时间的EOI值[EOI]0 。对于单层典型棉织物，所导出的数值是0.14。可以认为，该数值不依赖于点火器变量。在没有收缩和熔融滴淌所导致的点燃问题时，可以确定出热塑性纤维的类似的[EOI]0值。与LOI值一样，[EOI]0值也随单个多层织物的面积密度而增加(见图2)。重复各种经阻燃处理的棉纤维的试验町以产生类似的结果，但例外的情况是，随着点燃时间的减少，E0I值反而增加。其原因在于，延长时间会促使成炭面积增大，这便缩短了点火器火焰移开后的燃烧时间。 <img src="http://www.dongmei.net/images/image011.jpg" border="0" onload="if(this.width>screen.width*0.7) {this.resized=true; this.width=screen.width*0.7; this.alt='Click here to open new window\nCTRL+Mouse wheel to zoom in/out';}" onmouseover="if(this.width>screen.width*0.7) {this.resized=true; this.width=screen.width*0.7; this.style.cursor='hand'; this.alt='Click here to open new window\nCTRL+Mouse wheel to zoom in/out';}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open(this.src);}" onmousewheel="return imgzoom(this);" alt="" /> 表4 [EOI]0与面积密度M(gm-2) 和相关LIO值之间的线性依赖关系分析 织物 E0 E1/10-5 LOI 棉 0.135 3.28 0.19 Proban 棉  0.199 9.60 0.31-0.33 Pyrovatex 棉  0.187 10.70 0.29-0.30 聚酯 0.226 3.18 0.20-0.215 尼龙6.6 0.221 2.89 0.20-0.215     根据由公式 [EOI]0 ＝ E0 十 E1M 界定的线性趋势外推，可以确定纤维固有熄灭氧指数 ( 见表 5) 及相应的织物面积密度灵敏度 E1 的值。     这些结果表明，棉花的 E0 值 0.135 与 COC—B 值一样．因而是纤维的固有属性。 LOI 值约为 0.30 的阻燃棉都具有小于且接近 0.21 的 E0 值，因此可视为本质上具有阻燃性。聚酯和尼龙 6.6 都具有接近其各自 LOI 值的 E0 ，这或许是熔融和滴淌效应的结果。对非阻燃织物而言，织物的灵敏度值 E1大致相同，这表明面积密度的效应不依赖于纤维的类型。然而，对阻燃棉而言，面积密度的依赖性则大得多，这可能是成炭的结果。这意味着，存在阻燃剂时，成品棉织物的行为可能是由阻燃剂浓度与面积密度的平衡决定的，因此，与重织物相比，轻织物需要较高的阻燃浓度。在 [E0I]0 ，值、织物厚度与透气性的对数之间也能看到类似的关系。     虽然前面引用的有关织物结构的资料断言，较粗的纱具有较强的抗点燃性，但纱的几何条件和结构对燃烧行为的影响并未得到深入的研究。这里假定，纤维类型和面积密度保持不变 ( 对较粗的纱，覆盖系数将减小，具有反向作用的透气性将增加 ) 。格尔维等人最近的研究检查了含有改性腈纶／阻燃粘胶丝和羊毛／阻燃粘胶丝的混纺纱的燃烧行为，这里的阻燃粘胶丝是用环锭纺织法和气流纺织法制造的 Visil( 芬兰 Sateri 纤维公司生产 ) 。它们具有同样的公称线性密度并被织成不同的布块。图3所示为所有混纺纱的 LOI 结果。羊毛／Visil 混合织物都未通过所采用的试验 (BS5438 : 1989 ，试验 2( 正面点火 )) ，图 4 所示只是改性腈纶／ Visil 混合织物的炭长度。     假定每种混合织物都含有阻燃纤维成分，则图 3 可以表明，纱的结构差别会严重影响织物的燃烧行为。据认为，较易燃的气流纱是对纤维成分随机进行化改进的结果 ( 使用气流人所述，与较厚重的多层结构相比，较低的织物面积密度和稀松的结构仍会提高燃烧速率，从而增大燃烧强度所构成的危险。     亨德利克斯等人在极限氧指数 LOI 与面积密度之间建立了线性关系，在极限氧指数 LOI 与一系列棉织物的透气性之间建立了对数关系，不过其相关性较差。这样，织物的易燃性不仅取决于纤维的行为，而且还取决于织物内纤维排列的物理几何结构。米勒等人认为，易燃性的一个可选量度是确定燃烧速率为零时的氧指数。由此引出的棉花的固有氧指数值 (OI)0 为 0.13 ，远远小于所引用的 LOI 值 0.18 ～ 0.19( 见表 3) 。随后，斯杜兹利用改进的氧指数技术为一系列从顶部 (COC—T) 或底部 (COC—B) 点燃的聚合物样品的持续燃烧确定了所谓的临界氧浓度 (COC) 。前者类似于相应的 LOI 值，可视为受非固有因素 ( 如聚合物几何结构、炭量以及熔融滴淌 ) 的影响。但后者不依赖于这些因素，因而代表着聚合物的固有属性。纤维素的 COC—B 值 (0.135) 相当于上述的 (OI)0 值。可以认为， ( 在空气中 ) 非易燃的聚合物可能具有高于 0.21 的 COC—B 值。     根据这些研究，豪洛克斯等人把熄灭氧指数 EOI 定义为：当织物样品的顶部受一个 LOI 火源作用一段规定的点燃时间后，样品在限定的观察时间内恰好不再保持任何火焰时的氧浓度。对于简单的易燃织物 ( 如棉花、尼龙和聚酯 ) ，其相应的 EOI 值随点火器作用时间的减少而减小。利用外推法可以界定零时间的 EOI 值 [EOI]0 。对于单层典型棉织物，所导出的数值是 0.14 。可以认为，该数值不依赖于点火器变量。在没有收缩和熔融滴淌所导致的点燃问题时，可以确定出热塑性纤维的类似的 [EOI]0 值。与 LOI 值一样， [EOI]0 值也随单个多层织物的面积密度而增加 ( 见图 2) 。重复各种经阻燃处理的棉纤维的试验町以产生类似的结果，但例外的情况是，随着点燃时间的减少， E0I 值反而增加。其原因在于，延长时间会促使成炭面积增大，这便缩短了点火器火焰移开后的燃烧时间。     根据由公式 [EOI]0 ＝ E0 十 E1M 界定的线性趋势外推，可以确定纤维固有熄灭氧指数 ( 见表 5) 及相应的织物面积密度灵敏度 E1 的值。     这些结果表明，棉花的 E0 值 0.135 与 COC—B 值一样．因而是纤维的固有属性。 LOI 值约为 0.30 的阻燃棉都具有小于且接近 0.21 的 E0 值，因此可视为本质上具有阻燃性。聚酯和尼龙 6.6 都具有接近其各自 LOI 值的 E0 ，这或许是熔融和滴淌效应的结果。对非阻燃织物而言，织物的灵敏度值 E1 大致相同，这表明面积密度的效应不依赖于纤维的类型。然而，对阻燃棉而言，面积密度的依赖性则大得多，这可能是成炭的结果。这意味着，存在阻燃剂时，成品棉织物的行为可能是由阻燃剂浓度与面积密度的平衡决定的，因此，与重织物相比，轻织物需要较高的阻燃浓度。在 [E0I]0 ，值、织物厚度与透气性的对数之间也能看到类似的关系。

风云助剂 · 发表于 2006-2-21 15:18

你是搞什么的啊。活性红

活性红 · 发表于 2006-2-21 15:24

助剂的啊

染整硕士 · 发表于 2006-2-28 19:26

染整硕士 · 发表于 2006-2-28 19:26

受用!谢了!!

汉磷阻燃 · 发表于 2007-10-22 10:01

顶! 好东西啊! 值得好好学习的

mayingjie · 发表于 2007-11-10 21:21

不错的文章，总结的够全的呀

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