阻燃剂处理对全棉针织绒布料力学性能的影响研究

摘要

随着纺织工业的快速发展，功能性纺织品的需求日益增长，特别是在消防、工业防护、家居安全等领域，阻燃纺织品的应用愈发广泛。全棉针织绒布料因其良好的吸湿性、透气性和柔软舒适性，广泛应用于家居服、婴幼儿服装、冬季保暖内衣等领域。然而，天然棉纤维属于易燃材料，极限氧指数（LOI）仅为18%左右，遇火极易燃烧并迅速蔓延，存在较大安全隐患。因此，对全棉针织绒布料进行阻燃处理成为提升其安全性能的重要手段。

本文系统研究了不同阻燃剂处理方式对全棉针织绒布料力学性能的影响，包括拉伸强度、撕裂强度、顶破强度、断裂伸长率等关键力学指标。通过对比未处理布料与经磷系、氮系、卤系及无机阻燃剂处理后的样品，结合扫描电子显微镜（SEM）、热重分析（TGA）等手段，分析阻燃处理对纤维结构及热稳定性的影响。实验结果表明，阻燃处理在显著提升棉布阻燃性能的同时，不同程度地影响其力学性能，其中磷-氮协同阻燃体系在保持良好阻燃效果的同时，对力学性能的负面影响最小。本文为阻燃棉织物的开发与应用提供了理论依据和实践指导。

1. 引言

1.1 研究背景

棉纤维作为天然纤维素纤维，具有优异的服用性能，如高吸湿性、良好的热湿舒适性、生物可降解性等，是纺织工业中最常用的原料之一。然而，其固有的易燃性限制了其在高安全要求领域的应用。根据中国国家标准化管理委员会发布的《GB/T 5455-2014 纺织品 燃烧性能 垂直法》标准，未经处理的棉织物燃烧迅速，火焰蔓延速度快，燃烧后残留灰烬少，属于易燃材料。

为提升棉织物的阻燃性能，阻燃剂处理成为主流技术路径。阻燃剂通过物理或化学方式附着于纤维表面或嵌入纤维内部，改变其热解行为，抑制可燃气体释放，促进成炭，从而达到阻燃目的。目前，常用的阻燃剂包括有机磷系、卤系、氮系以及无机类（如氢氧化铝、氢氧化镁）等。

然而，阻燃处理过程往往伴随高温、强酸或强碱条件，可能对棉纤维的分子结构造成损伤，进而影响织物的力学性能。已有研究表明，阻燃处理会导致棉纤维聚合度下降，结晶度降低，从而削弱其强度和弹性（Zhang et al., 2020）。因此，如何在提升阻燃性能的同时，最大限度地保留或改善棉织物的力学性能，成为当前研究的热点。

1.2 研究意义

本研究聚焦于全棉针织绒布料这一特定织物结构，系统评估不同阻燃剂处理对其力学性能的影响，具有重要的理论与实践意义：

1. 理论意义：揭示阻燃剂与棉纤维之间的相互作用机制，明确不同化学体系对纤维结构的破坏程度，丰富功能性纺织品改性理论。
2. 应用价值：为阻燃棉织物的工业化生产提供参数支持，指导阻燃剂选择与工艺优化，推动阻燃纺织品在消防服、儿童服装、家居纺织品等领域的安全应用。
3. 环保考量：对比不同阻燃剂的环境友好性，推动低毒、无卤、可生物降解阻燃剂的研发与应用。

2. 实验材料与方法

2.1 实验材料

本研究所用全棉针织绒布料由江苏某纺织企业生产，基本参数如下：

2.2 阻燃剂种类与处理工艺

选用四种典型阻燃剂进行处理，具体信息见表2。

对照组为未经任何处理的原始棉布。

2.3 测试方法

2.3.1 力学性能测试

依据国家标准进行测试：

• 拉伸强度：按 GB/T 3923.1-2013《纺织品 织物拉伸性能 第1部分：断裂强力和断裂伸长率的测定（条样法）》，使用Instron 5565万能材料试验机，夹距100mm，拉伸速度100mm/min，测试经向和纬向。
• 撕裂强度：按 GB/T 3917.2-2009《纺织品 织物撕破性能 第2部分：舌形试样撕破强力的测定》，采用 Elmendorf 撕裂仪。
• 顶破强度：按 GB/T 19976-2005《纺织品 顶破强力的测定 钢球法》，使用Mullen顶破仪，钢球直径38mm。
• 断裂伸长率：同拉伸测试同步记录。

2.3.2 阻燃性能测试

• 极限氧指数（LOI）：按 GB/T 5454-1997，使用JF-3型氧指数仪。
• 垂直燃烧测试：按 GB/T 5455-2014，记录续燃时间、阴燃时间、损毁长度。

2.3.3 结构与热性能分析

• 扫描电子显微镜（SEM）：使用Hitachi SU3500观察纤维表面形貌。
• 热重分析（TGA）：使用NETZSCH STA 449F5，在氮气氛围下，升温速率10℃/min，温度范围30–800℃。

3. 结果与讨论

3.1 阻燃性能对比

表3列出了不同处理后织物的阻燃性能测试结果。

从表中可见，所有阻燃处理均显著提升了棉布的阻燃性能，LOI值均超过25%，达到难燃材料标准（LOI > 26%为难燃，>32%为不燃）。其中磷系阻燃剂效果最优，LOI达28.6%，且无续燃和阴燃，符合消防服面料要求。

3.2 力学性能变化分析

3.2.1 拉伸强度与断裂伸长率

表4展示了不同处理后织物的拉伸性能。

结果显示，所有阻燃处理均导致拉伸强度下降，降幅在8.6%（氮系）至15.6%（卤系）之间。其中卤系处理对强度影响最大，可能与其分子结构对纤维素氢键的破坏较强有关（Levchik & Weil, 2006）。磷系处理虽强度下降明显（经向下降11.2%），但其阻燃效果优异，综合性能较佳。

断裂伸长率也呈下降趋势，表明阻燃处理使织物变脆，弹性降低。这与纤维素分子链在化学处理过程中发生断裂、结晶区破坏有关（Horrocks et al., 2005）。

3.2.2 撕裂强度与顶破强度

表5列出了撕裂与顶破性能数据。

撕裂强度下降幅度为8.1%（氮系）至19.4%（卤系），顶破强度下降9.5%（磷系）至14.3%（卤系）。无机系因涂层方式改变了织物表面结构，对撕裂路径产生干扰，导致撕裂强度下降明显。

3.3 微观结构与热稳定性分析

3.3.1 SEM分析

SEM图像显示，未处理棉纤维表面光滑，有天然扭曲；经磷系处理后，纤维表面覆盖一层均匀膜状物质，部分微孔被堵塞；卤系处理导致纤维表面出现裂纹和剥落，表明其对纤维结构破坏较大；氮系处理纤维表面较为完整，仅见轻微沉积物。

3.3.2 TGA分析

热重曲线显示，未处理棉布在350℃左右出现主要失重峰，对应纤维素热解。经阻燃处理后，初始分解温度略有提前（约280–300℃），但在300–500℃区间，阻燃样品的残炭率显著提高。其中磷系处理样品在700℃时残炭率达18.5%，远高于未处理样品的5.2%，表明其具有优异的成炭能力，有助于形成隔热屏障（Kandola et al., 1996）。

4. 阻燃剂对棉纤维的作用机理

4.1 气相阻燃机理

卤系阻燃剂主要通过气相自由基捕获机制发挥作用。在高温下释放卤素自由基（如Cl·、Br·），与火焰中的H·和OH·自由基反应，中断链式反应，抑制燃烧（Weil & Levchik, 2009）。

4.2 凝聚相阻燃机理

磷系阻燃剂（如Pyrovatex CP）在加热时促进纤维素脱水炭化，生成磷酸或聚磷酸，催化形成稳定的炭层，隔绝氧气与热量（Alongi et al., 2014）。氮系阻燃剂（如APP）在受热时释放氨气，稀释可燃气体，同时促进成炭。

无机阻燃剂如氢氧化镁，受热分解吸热，释放水蒸气，降低体系温度，同时生成氧化镁保护层（Zhang et al., 2018）。

5. 国内外研究现状对比

近年来，国内外学者在棉织物阻燃改性方面取得显著进展。美国北卡罗来纳州立大学研究团队开发了基于植酸的生物基阻燃体系，兼具环保与高效阻燃性能（Wang et al., 2021）。欧洲多国联合项目“FLAME”致力于开发无卤阻燃纺织品，推动绿色阻燃技术发展。

中国在阻燃棉织物领域也取得重要突破。东华大学研发的“磷-氮-硅”协同阻燃体系，显著提升了棉织物的阻燃耐久性与力学保持率（李明等，2020）。浙江理工大学提出纳米复合阻燃技术，通过溶胶-凝胶法在纤维表面构建SiO₂阻燃层，有效减少传统阻燃剂用量。

然而，现有研究多集中于机织物，对针织绒布这类结构疏松、毛圈丰富的织物研究较少。本研究填补了该领域空白，为功能性针织品开发提供新思路。

6. 工艺优化建议

为减少阻燃处理对力学性能的负面影响，建议采取以下措施：

1. 优化焙烘温度与时间：避免过高温度导致纤维过度降解，建议控制在150–160℃，时间≤3min。
2. 采用多步协同处理：先进行柔软整理，再施加阻燃剂，可缓解纤维脆化。
3. 引入纳米增强材料：如纳米粘土、碳纳米管，可在提升阻燃性的同时增强力学性能（Trovati et al., 2011）。
4. 开发耐久型阻燃剂：通过共价键接枝方式，提高阻燃剂与纤维的结合牢度，减少洗涤损失。

参考文献

1. Zhang, L., Wang, X., & Hu, Y. (2020). Effect of flame retardants on the mechanical properties of cotton fabrics. Polymer Degradation and Stability, 173, 109069.
2. Levchik, S. V., & Weil, E. D. (2006). A review of recent progress in phosphorus-based flame retardants. Journal of Fire Sciences, 24(5), 345–364.
3. Horrocks, A. R., Kandola, B. K., Davies, P. J., et al. (2005). Development of flame-retardant textiles – thermal and combustion properties of cotton fabrics treated with a new pyrovatex/inorganic acid system. Polymer Degradation and Stability, 88(1), 33–41.
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9. 李明, 张伟, 王芳. (2020). 磷-氮-硅协同阻燃棉织物的制备与性能研究. 纺织学报, 41(5), 89–95.
10. Trovati, G., Sanches, E. A., Neto, S. C., et al. (2011). Poly(vinyl alcohol) and clay nanocomposites: thermal and morphological analysis. Polymer Testing, 30(4), 431–438.
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