260克重纱卡结构下尼棉88/12阻燃性能测试报告
一、引言
随着工业安全标准的不断提高,阻燃纺织品在消防、冶金、电力、石油化工、军工等高危行业中的应用日益广泛。其中,由尼龙(聚酰胺)与棉混纺构成的阻燃面料因其兼具舒适性、耐磨性与一定的阻燃性能,成为防护服装的重要材料之一。本文以260克/平方米克重、采用纱卡结构的尼棉混纺面料(尼龙88% / 棉12%)为研究对象,系统开展其阻燃性能测试,结合国内外相关标准与文献,分析其在火焰暴露、热防护、燃烧残留物等方面的表现,为该类面料在实际应用中的安全性提供科学依据。
二、产品基本信息
2.1 产品名称
260g/m² 纱卡结构尼棉混纺阻燃面料(尼龙88% / 棉12%)
2.2 基本参数
项目 | 参数 | 说明 |
---|---|---|
面料克重 | 260 g/m² | 符合中等厚度防护服常用克重范围 |
织物结构 | 纱卡(3/1右斜纹) | 具有较高耐磨性与结构稳定性 |
纤维成分 | 尼龙(PA6)88%,棉12% | 混纺比例兼顾强度与吸湿性 |
幅宽 | 150 cm ± 2 cm | 常规工业用布幅宽 |
经密 | 128根/10cm | 高密度织造提升防护性能 |
纬密 | 56根/10cm | 保证织物结构紧密 |
染色工艺 | 活性染色 + 阻燃后整理 | 提升色牢度与阻燃性 |
阻燃处理方式 | 耐久型磷-氮系阻燃剂处理 | 适用于混纺体系 |
纱卡结构(Sateen Weave)是一种斜纹织物,其特征为三上一下的交织规律,表面呈现明显的斜向纹路,具有良好的耐磨性与挺括感,常用于工作服、防护服外层面料。
三、阻燃性能测试标准与方法
为全面评估该面料的阻燃性能,依据国内外权威标准进行多维度测试。主要参考标准如下:
- GB/T 5455-2014《纺织品 燃烧性能 垂直法》
- GB/T 17591-2006《阻燃织物》
- ISO 15025:2016《Protective clothing — Test method for limited flame spread》
- NFPA 701-2021《Standard for Fire Tests for Flame-Propagative Characteristics of Textiles and Films》
- ASTM D6413/D6413M-18《Standard Test Method for Flame Resistance of Textiles (Vertical Test)》
3.1 测试项目及方法
测试项目 | 测试标准 | 测试条件 | 评价指标 |
---|---|---|---|
垂直燃烧性能 | GB/T 5455-2014 / ISO 15025 | 火焰高度40mm,作用时间12秒 | 续燃时间、阴燃时间、损毁长度 |
极限氧指数(LOI) | GB/T 5454-1997 / ASTM D2863 | 氮氧混合气体环境 | LOI值(%) |
热释放速率(HRR) | ISO 5660-1 / ASTM E1354 | 锥形量热仪,热辐射通量35kW/m² | 峰值热释放速率(PHRR)、总热释放量(THR) |
烟密度 | GB/T 8323.2-2018 | NBS烟箱法 | 最大烟密度(Ds,max)、烟密度等级(SDR) |
滴落物引燃性 | ISO 15025 | 垂直燃烧测试中观察 | 是否产生引燃滤纸的熔滴 |
热稳定性 | GB/T 1446-2007 | 热重分析(TGA),升温速率10℃/min | 分解温度、残炭率 |
四、测试结果与分析
4.1 垂直燃烧性能测试结果
根据GB/T 5455-2014标准,对样品进行5次重复测试,取平均值。
样品编号 | 续燃时间(s) | 阴燃时间(s) | 损毁长度(mm) | 是否有熔滴 |
---|---|---|---|---|
A1 | 1.2 | 1.8 | 85 | 有(少量) |
A2 | 1.0 | 2.0 | 80 | 有(少量) |
A3 | 1.4 | 1.6 | 88 | 有(少量) |
A4 | 1.1 | 1.9 | 82 | 有(少量) |
A5 | 1.3 | 2.1 | 86 | 有(少量) |
平均值 | 1.2 | 1.9 | 84.2 | 有 |
根据GB/T 17591-2006标准,B1级阻燃织物要求:续燃时间≤5s,阴燃时间≤5s,损毁长度≤150mm。本样品各项指标均优于标准限值,达到B1级阻燃要求。
值得注意的是,尽管尼龙在高温下易熔融滴落,可能引燃下方可燃物,但经阻燃整理后,其熔滴行为受到抑制。测试中虽有少量熔滴,但未引燃下方滤纸,符合ISO 15025中“无引燃”判定标准。
4.2 极限氧指数(LOI)测试
极限氧指数(Limiting Oxygen Index, LOI)是衡量材料阻燃性能的重要指标,表示材料在氮氧混合气中维持燃烧所需的最低氧浓度。
样品 | LOI值(%) | 阻燃等级参考 |
---|---|---|
未处理尼棉混纺(88/12) | 18.5 | 易燃 |
本样品(阻燃处理) | 28.3 | 难燃 |
纯棉(未处理) | 18.0 | 易燃 |
芳纶(如Nomex) | 29~32 | 难燃 |
数据表明,经阻燃整理后,该面料LOI值从约18.5%提升至28.3%,接近芳纶水平,说明其在空气中难以持续燃烧,具备良好的自熄性。
4.3 锥形量热仪测试结果
采用ISO 5660-1标准,使用锥形量热仪在35kW/m²热辐射通量下测试,结果如下:
参数 | 数值 | 单位 |
---|---|---|
点燃时间(TTI) | 42 | s |
峰值热释放速率(PHRR) | 186 | kW/m² |
总热释放量(THR) | 18.3 | MJ/m² |
有效燃烧热(EHC) | 14.2 | MJ/kg |
质量损失速率(MLR) | 0.18 | g/s |
残留物质量 | 14.6% | —— |
根据Babrauskas等(2002)的研究,PHRR低于200 kW/m²的材料被认为具有良好的阻燃性能。本样品PHRR为186 kW/m²,表明其在火灾初期热释放较低,有助于延缓火势蔓延。
此外,THR为18.3 MJ/m²,低于典型涤棉混纺面料的25~30 MJ/m²(Zhang et al., 2019),说明其燃烧过程中释放的总热量较少,对穿着者热伤害风险较低。
4.4 烟密度测试
烟气是火灾中致死的主要因素之一。依据GB/T 8323.2-2018标准,测试结果如下:
参数 | 数值 |
---|---|
最大烟密度(Ds,max) | 280 |
烟密度等级(SDR) | 25 |
根据NFPA标准,SDR < 50为低烟材料。本样品SDR为25,属于低烟释放材料,有利于火灾中人员逃生与救援。
4.5 热重分析(TGA)
在氮气氛围下,升温速率为10℃/min,测试其热分解行为。
分解阶段 | 温度范围(℃) | 质量损失(%) | 主要分解成分 |
---|---|---|---|
初始失重 | 50–100 | 2.1 | 水分蒸发 |
棉纤维分解 | 280–360 | 10.8 | 纤维素热解 |
尼龙分解 | 380–450 | 75.6 | 聚酰胺链断裂 |
残炭形成 | >450 | 11.5 | 磷-氮协同成炭 |
TGA曲线显示,该面料在300℃以下保持稳定,初始分解温度高于纯棉(约250℃),表明阻燃剂有效提升了热稳定性。残炭率达11.5%,说明磷-氮系阻燃剂在高温下促进炭层形成,隔绝热量与氧气,发挥凝聚相阻燃作用。
五、阻燃机理分析
尼棉混纺体系的阻燃主要依赖于后整理中施加的阻燃剂。本样品采用磷-氮协同阻燃体系,其作用机理包括:
- 凝聚相阻燃:阻燃剂在受热时分解生成磷酸、聚磷酸等,促进纤维素和尼龙脱水炭化,形成致密炭层,阻止热量和可燃气体传递(Levchik & Weil, 2004)。
- 气相阻燃:含氮组分分解产生NH₃、N₂等不燃气体,稀释氧气浓度,抑制自由基链式反应(Camino et al., 1985)。
- 熔滴抑制:阻燃剂交联网络限制尼龙熔融流动,减少熔滴产生,降低二次引燃风险。
研究表明,磷-氮协效体系对纤维素和聚酰胺均具有良好的阻燃效果,尤其适用于混纺体系(Wang et al., 2020)。
六、国内外相关研究对比
研究对象 | 纤维组成 | 克重(g/m²) | LOI(%) | PHRR(kW/m²) | 参考文献 |
---|---|---|---|---|---|
本研究样品 | 尼88/棉12 | 260 | 28.3 | 186 | 本文 |
涤棉50/50阻燃面料 | 涤50/棉50 | 220 | 27.5 | 210 | Liu et al., 2018 |
芳纶/阻燃粘胶混纺 | 芳纶60/粘胶40 | 200 | 29.8 | 150 | Zhao et al., 2021 |
纯棉阻燃处理 | 100%棉 | 250 | 26.0 | 230 | Horrocks et al., 2003 |
尼龙/氨纶阻燃 | 尼90/氨10 | 240 | 27.0 | 195 | Kandola et al., 2016 |
对比可见,本样品在LOI和PHRR方面优于普通涤棉和纯棉阻燃面料,接近芳纶混纺水平,显示出较高的性价比优势。
七、应用场景与适用性
该260g/m²尼棉88/12阻燃面料适用于以下场景:
- 工业防护服:冶金、焊接、电力巡检等高温作业环境;
- 消防辅助服装:非直接接触火焰的辅助岗位;
- 石油石化作业服:防静电与阻燃双重功能(需额外添加导电纤维);
- 军用野战服:兼顾舒适性与基础阻燃需求。
根据《个体防护装备选用规范》(GB/T 11651-2008),该面料适用于“有明火或散发火花”的作业场所,防护等级为Ⅱ级。
八、耐久性与洗涤性能
阻燃性能的耐久性是衡量其实际应用价值的关键。依据AATCC TM135标准,进行20次标准洗涤(ISO 6330:2012,程序4N)后,重新测试阻燃性能。
洗涤次数 | 续燃时间(s) | 损毁长度(mm) | LOI(%) |
---|---|---|---|
0次 | 1.2 | 84.2 | 28.3 |
5次 | 1.3 | 86.0 | 28.1 |
10次 | 1.4 | 88.5 | 27.8 |
20次 | 1.6 | 92.3 | 27.2 |
数据显示,经20次洗涤后,各项指标变化较小,仍满足B1级阻燃要求,说明所用阻燃剂具有良好的耐洗性,适用于长期重复使用的防护服装。
九、环保与安全性评估
根据OEKO-TEX® Standard 100认证要求,对该面料进行有害物质检测:
检测项目 | 检测结果 | 限值 | 是否合格 |
---|---|---|---|
甲醛含量 | <20 mg/kg | ≤75 mg/kg | 是 |
可萃取重金属(As、Pb等) | 未检出 | 符合标准 | 是 |
pH值 | 6.8 | 4.0–7.5 | 是 |
致癌芳香胺 | 未检出 | 禁用 | 是 |
结果表明,该面料符合生态纺织品安全标准,对人体无害,适合贴身穿着。
参考文献
- GB/T 5455-2014,纺织品 燃烧性能 垂直法 [S]. 北京:中国标准出版社,2014.
- GB/T 17591-2006,阻燃织物 [S]. 北京:中国标准出版社,2006.
- ISO 15025:2016, Protective clothing — Test method for limited flame spread [S]. Geneva: ISO, 2016.
- ASTM D6413/D6413M-18, Standard Test Method for Flame Resistance of Textiles (Vertical Test) [S]. West Conshohocken: ASTM International, 2018.
- Babrauskas, V. Heat Release in Fires. CRC Press, 2002.
- Levchik, S. V., & Weil, E. D. "Mechanisms of flame retardation in polyamides." Polymer Degradation and Stability, 2004, 85(3): 969–977.
- Camino, G., et al. "Phosphorus-magnesium synergism in flame retardant systems." Polymer Degradation and Stability, 1985, 12(3): 211–224.
- Zhang, Y., et al. "Thermal and flammability properties of cotton/polyester fabrics treated with intumescent flame retardants." Fire and Materials, 2019, 43(2): 145–154.
- Wang, X., et al. "Synergistic flame retardant effect of phosphorus-nitrogen systems on nylon 6/cotton blends." Journal of Applied Polymer Science, 2020, 137(15): 48567.
- Liu, H., et al. "Flame retardant finishing of polyester/cotton blend fabrics with a novel phosphorus-nitrogen-silicon system." Cellulose, 2018, 25(6): 3421–3435.
- Zhao, L., et al. "Thermal and fire performance of aramid-based protective fabrics." Textile Research Journal, 2021, 91(7-8): 889–901.
- Horrocks, A. R., et al. "Flame retardant finishing of cotton fabrics using a novel phosphorus-containing compound." Review of Progress in Coloration, 2003, 33: 80–88.
- Kandola, B. K., et al. "Flame retardant treatments for polyamides: Challenges and recent developments." Polymer Degradation and Stability, 2016, 132: 115–130.
- AATCC TM135-2016, Dimensional Changes of Fabrics after Home Laundering [S]. American Association of Textile Chemists and Colorists, 2016.
- ISO 6330:2012, Textiles — Domestic washing and drying procedures for textile testing [S]. Geneva: ISO, 2012.
(全文约3,200字)