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影响纤维燃烧性能因素与阻燃

关注:857     发表时间:2017-07-27 07:39:09

影响纤维燃烧性能因素与阻燃


影响纤维燃烧性能的因素


       影响纤维可燃性的主要因素包括纤维的化学组成、分子结构、炭化倾向、纤维集合体结构与特征,以及环境条件。


       主要涉及含氢、氮量及阻燃元素含量。纤维大分子中含氢量是影响其燃烧性能的一个重要因素,在很大程度上决定了纤维材料的可燃性。通常,纤维中含氢量越高,极限氧指数越低,就越容易燃烧。氢含量与气相燃烧反应中高能量的氢自由基和氢氧自由基的浓度有一定的相关性,氢含量减少,这两种自由基的浓度就会相应降低,不利于气相燃烧反应,而使纤维材料的极限氧指数提高。含氮纤维的可燃性一般低于纤维素纤维。含氮量较高的纤维,其极限氧指数也较高。天然纤维中的羊毛和蚕丝有一定的阻燃性,与其分子中含氮量高有一定关系。纤维组成中含有阻燃元素氯、溴、氟、磷、硫、锑等,将提高纤维材料的阻燃性。


      纤维大分子的化学及其聚集态结构与纤维的燃烧性能有重要关系,如果纤维大分子链是刚性链,形态规整,微观缺陷少,大分子链排列有序、结晶度高,其热稳定性好,热裂解反应速度慢,可燃性低。提高纤维的热稳定性,通常是在大分子链中引入共轭双键、芳环、芳杂环结构。


       纤维材料在高温作用下裂解出的可燃性气体越少,固体炭化残渣量越多,其阻燃性越好。纤维的炭化倾向与其化学组成、分子结构有密切关系。通常,含氢量低、芳香度高的纤维材料裂解时炭化率高。

       织物的组织结构、质量、厚度等都会影响其燃烧性,至少要影响其燃烧速率。纱线的捻度高,织物的组织结构紧密,透气性小,不易与周围空气充分接触,氧气的可及性低,燃烧就困难。同类组织结构的织物,克重越高,越不易引燃,这是因为织物越重,燃烧时所需要的氧气越多,但燃烧织物周围单位时间所能供应的氧气变化不大,所以氧气越不足,燃烧性相对较低。


      纤维制品最终使用时的环境因素,如空气、压强、湿度、温度等对燃烧性也有一定影响。在45℃和90℃的压缩空气中,测定各种织物的燃烧速率时发现,随着空气压强增加,随氮气和氧气的分压均同比例增加,但氮气的阻燃作用要比氧气的助燃作用小。空气中的湿度和织物中的含湿量的增加会明显地降低燃烧速度,抑制火焰地蔓延。湿度对亲水性纤维的影响比对疏水性纤维的影响更为显著,这是由于织物上水分吸热气化的结果。但粘胶纤维在湿空气中的燃烧却相反。纤维材料使用时的环境温度与燃烧性也有一定关系,通常随着环境温度的升高,燃烧性相应降低,特别时对棉织物的影响尤为显著。


纤维阻燃机理与方法

       纤维的阻燃由燃烧过程可以看出,就是设法阻碍纤维的热分解,抑制可燃性气体生成和稀释可燃性气体,改变热分解反应机理(化学机理),阻断热反馈回路,以及隔离空气和热环境,来达到消除或减轻燃烧三要素(可燃物质、温度和氧气)的影响,而达到阻燃目的的。通常纤维阻燃的机理主要有以下几种理论,但阻燃效果较理想的是这些作用机理的复合。


       阻燃机制在高温下能在纤维表面形成覆盖层,起隔绝作用,易方面组织氧气介入,另一方面阻止可燃气体的扩散,从而达到阻燃的目的。如磷系阻燃剂,可生成磷酸的非燃性液态膜和进一步脱水生成偏磷酸,偏磷酸进而聚合成聚偏磷酸。这一过程,不仅磷酸生成的液态膜起覆盖作用,而且偏磷酸是强酸和强脱水剂,可使高分子材料脱水而炭化。这种碳膜隔绝了空气,从而使磷化物发挥了更好的阻燃作用。

       阻燃机制受热分解产生的不燃性气体稀释了纤维受热分解产生的可燃性气体浓度,或者捕获活性游离基而产生阻燃作用。如卤化物阻燃剂,反应生成活性离子而捕获自由基,达到抑制燃烧连锁反应,形成自熄性。但卤素溴化物和这类阻燃剂会危害人身健康和污染环境。


     阻燃物质在高温下发生相变而大量吸热,以此降低温度,减少热裂解所需的能量,减缓材料热分解的速率,从而阻止燃烧。如无机阻燃剂,即金属氧化物和水合物,其一方面可大量吸热,另一方面可稀释可燃气体,还有可能形成炭化层。


     阻燃剂在高温下产生脱水剂,使纤维脱水炭化,改变高聚物的热分解模式,从而减少可燃性气体的产生并消耗热能。如磷系阻燃剂的作用,见上述覆盖层理论。


       上述阻燃机理从本质上说,是指材料将发生燃烧或已发生燃烧时的阻燃或抑制燃烧的机理。实用中,更多采用的是难燃纤维和阻燃涂层的方法。


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