阻燃剂FR-50在全棉斜纹面料上的应用工艺探讨
一、引言
随着社会对公共安全和个体防护意识的日益增强，阻燃纺织品的应用范围不断扩大，广泛应用于消防服、军用装备、工业防护服、交通运输内饰材料以及家用纺织品等领域。天然纤维如棉纤维因其良好的吸湿性、透气性和舒适性，在服装和家居领域占据重要地位。然而，棉纤维属于易燃材料，极限氧指数（LOI）仅为18%左右，遇火极易燃烧并产生大量烟雾，存在较大的火灾隐患。因此，对棉织物进行有效的阻燃处理已成为纺织功能整理的重要研究方向。
阻燃剂FR-50是一种新型环保型磷氮系协同阻燃剂，具有高效、低毒、耐洗性好等优点，特别适用于天然纤维尤其是棉织物的阻燃整理。本文系统探讨阻燃剂FR-50在全棉斜纹面料上的应用工艺，分析其作用机理、工艺参数优化、性能测试方法及实际应用效果，旨在为阻燃棉织物的工业化生产提供理论依据和技术支持。
二、阻燃剂FR-50概述
2.1 基本性质与化学结构
阻燃剂FR-50是一种以含磷、含氮有机化合物为主要成分的水溶性阻燃剂，通常由磷酸酯类化合物与三聚氰胺衍生物复合而成。其分子结构中同时含有P-O-C键和N-H键，能够在高温下发生脱水、成炭和释放不燃气体等多种阻燃机制，实现气相与凝聚相双重阻燃效应。
| 参数名称 | 数值/描述 |
|---|---|
| 外观 | 无色至淡黄色透明液体 |
| pH值（1%水溶液） | 5.5～6.5 |
| 固含量 | ≥30% |
| 密度（20℃） | 1.12～1.18 g/cm³ |
| 水溶性 | 完全可溶于水 |
| 离子性 | 非离子型 |
| 存储稳定性 | 室温避光保存，保质期12个月 |
| 环保性能 | 不含卤素、甲醛，符合OEKO-TEX®标准 |
资料来源：某知名化工企业技术手册（2023年版）
2.2 阻燃机理
根据Kandola等人（Kandola et al., Polymer Degradation and Stability, 2018）的研究，FR-50的作用机理主要包括以下几个方面：
- 凝聚相阻燃：在受热过程中，FR-50中的磷酸酯组分首先分解生成磷酸或多聚磷酸，催化纤维素脱水碳化，形成致密的炭层，隔绝热量和氧气向内部传递。
- 气相阻燃：氮组分（如三聚氰胺）在高温下释放NH₃、N₂等不可燃气体，稀释可燃性气体浓度，抑制火焰蔓延。
- 协同效应：磷与氮元素之间存在显著的协同作用（P-N Synergy），可显著提高阻燃效率，降低添加量，减少对织物物理性能的影响。
该机理已被Zhang等（Zhang et al., Carbohydrate Polymers, 2020）通过热重-红外联用（TG-FTIR）实验证实，在棉织物热解过程中检测到大量H₂O、CO₂和NH₃释放，表明其具备典型的磷氮协效特征。
三、全棉斜纹面料特性分析
3.1 织物基本参数
全棉斜纹面料是以100%棉纱为原料，采用二上一下或三上一下斜纹组织织造而成，具有明显的对角线纹理，手感柔软，耐磨性优于平纹织物。其典型参数如下表所示：
| 项目 | 参数值 |
|---|---|
| 纱支 | 21S×21S 或 32S×32S |
| 密度（经×纬） | 130×70 根/英寸 或 140×80 根/英寸 |
| 克重 | 180～220 g/m² |
| 幅宽 | 150 cm ± 2 cm |
| 组织结构 | 2/1 斜纹或 3/1 斜纹 |
| 吸湿性 | ≥95% |
| 断裂强力（经向） | ≥350 N/5cm |
| 断裂强力（纬向） | ≥280 N/5cm |
数据参考：GB/T 4146.1-2020《纺织品 纤维术语》及企业实测数据
3.2 可燃性特点
棉纤维主要由纤维素构成，其燃烧过程可分为三个阶段：
- 热解阶段：温度升至250～300℃时，纤维素发生脱水、断裂，生成左旋葡聚糖等可挥发性物质；
- 着火阶段：在300～400℃区间，可燃性气体与氧气反应，引发明火；
- 持续燃烧阶段：火焰沿织物表面快速传播，释放大量热量和烟雾。
未经处理的全棉斜纹布LOI值约为18.0%，垂直燃烧测试中损毁长度可达200mm以上，不符合GB/T 17591-2006《阻燃织物》B2级要求。
四、FR-50在全棉斜纹布上的应用工艺
4.1 工艺流程设计
典型的浸轧-烘干-焙烘工艺适用于连续化生产，具体流程如下：
坯布 → 精练退浆 → 清洗 → 浸渍阻燃液 → 二浸二轧（轧余率70～80%）
→ 预烘（100℃ × 3min） → 焙烘（160～180℃ × 2～3min） → 水洗 → 干燥 → 成品检验其中，精练退浆步骤至关重要，需彻底去除棉纤维中的果胶、蜡质和淀粉浆料，以保证阻燃剂均匀渗透。
4.2 关键工艺参数优化
为获得最佳阻燃效果与织物性能平衡，需对以下参数进行系统优化：
| 工艺参数 | 推荐范围 | 影响说明 |
|---|---|---|
| FR-50用量（o.w.f） | 200～300 g/L | 用量过低阻燃效果不足；过高影响手感 |
| 轧余率 | 70%～80% | 影响带液量，决定阻燃剂沉积量 |
| 预烘温度 | 90～110℃ | 去除水分，防止焙烘时起泡 |
| 焙烘温度 | 160～180℃ | 温度过低交联不充分；过高损伤纤维 |
| 焙烘时间 | 2～4 min | 时间不足导致固化不完全 |
| pH值调节 | 使用柠檬酸或醋酸调至5.5～6.0 | 提高反应活性，促进交联 |
| 添加交联剂 | N-羟甲基丙烯酰胺（NMA），20～50g/L | 增强耐洗性 |
注：o.w.f —— on weight of fabric（按织物重量计）
根据Liu等（Liu et al., Textile Research Journal, 2021）的研究，当FR-50用量为250 g/L、焙烘温度170℃、时间3分钟时，棉织物LOI可达28.5%，且经20次标准洗涤后仍保持在26.0%以上，满足工业防护服长期使用需求。
4.3 配方体系建议
以下是推荐的阻燃整理液配方（以每升计）：
| 成分 | 用量（g或mL） | 功能说明 |
|---|---|---|
| 阻燃剂FR-50 | 250 g | 主阻燃成分 |
| 交联剂NMA | 30 g | 提高耐洗牢度 |
| 柔软剂（硅油类） | 15～20 g | 改善手感，减少刚硬感 |
| 渗透剂JFC | 2～3 g | 提高润湿性和均匀性 |
| 冰醋酸 | 调节pH至5.8 | 控制反应环境 |
| 去离子水 | 补足至1 L | 溶剂介质 |
该配方已在多家纺织印染企业试用，反馈表明处理后面料手感良好，无明显发硬现象，阻燃性能稳定。
五、性能测试与评价方法
5.1 阻燃性能测试
按照国家标准和国际标准进行多维度评估：
| 测试项目 | 标准依据 | 方法简述 | 合格指标（示例） |
|---|---|---|---|
| 极限氧指数（LOI） | GB/T 5454-1997 / ASTM D2863 | 测定维持燃烧所需最低氧浓度 | ≥26% |
| 垂直燃烧性能 | GB/T 5455-2014 / ISO 15025 | 观察损毁长度、续燃时间、阴燃时间 | 损毁长度≤150mm，续燃≤2s |
| 热释放速率（HRR） | ISO 5660-1 / Cone Calorimeter | 锥形量热仪测定 | 峰值HRR ≤80 kW/m² |
| 烟密度等级（SDR） | GB/T 8323.2-2018 | 测定最大烟密度 | SDR ≤75 |
| 耐洗性测试 | GB/T 12703.9-2021 | 按AATCC 135标准洗涤20次后复测 | 洗后LOI下降≤15% |
实验数据显示，经FR-50处理的全棉斜纹布典型性能如下：
| 性能指标 | 处理前 | 处理后（未洗） | 处理后（20次水洗） |
|---|---|---|---|
| LOI (%) | 18.0 | 28.6 | 26.3 |
| 损毁长度（mm） | >200 | 85 | 110 |
| 续燃时间（s） | >10 | 0 | 0.5 |
| 阴燃时间（s） | >15 | 1.2 | 2.0 |
| 白度变化（ΔE） | — | 3.1 | 4.5 |
| 断裂强力保留率（%） | — | 88.5（经向） | 85.2（经向） |
数据来源：某国家级纺织品检测中心2023年度报告
5.2 物理机械性能影响
阻燃整理可能对织物强力、透气性和手感造成一定影响。研究表明，FR-50由于其温和的反应条件和较低的酸性，对棉纤维损伤较小。在优化工艺下，经向强力保留率可达85%以上，纬向约82%。透气性测试（ASTM E96）显示，处理后面料透气量由原来的180 L/m²·s降至约130 L/m²·s，仍处于可接受范围。
5.3 耐久性与生态安全性
耐洗性是衡量阻燃织物实用性的关键指标。FR-50通过与棉纤维形成共价键结合，具有优异的耐水洗性能。据Wang等（Wang et al., Journal of Cleaner Production, 2022）报道，经过50次ISO 6330标准洗涤后，FR-50处理棉布的LOI仍保持在25%以上，远优于传统硼砂-硼酸体系。
此外，FR-50不含卤素、甲醛和APEO，经SGS检测符合欧盟REACH法规和美国EPA环保要求，对人体皮肤无刺激，通过OEKO-TEX® Standard 100 Class II认证，可用于婴幼儿纺织品（尽管目前主要用于工业用途）。
六、与其他阻燃剂的对比分析
为全面评估FR-50的优势，将其与常用棉用阻燃剂进行横向比较：
| 阻燃剂类型 | FR-50 | Pyrovatex CP | Proban | 硼砂-硼酸混合物 |
|---|---|---|---|---|
| 化学体系 | 磷-氮协同 | 磷酰胺类 | 四羟甲基氯化膦（THPC）衍生物 | 无机盐 |
| 是否环保 | 是（无卤、无甲醛） | 含甲醛（需后处理） | 含甲醛、氯 | 是 |
| 耐洗性 | 优（>50次） | 良（20～30次） | 优（>50次） | 差（<5次） |
| 手感影响 | 轻微变硬 | 明显变硬 | 较硬 | 轻微 |
| 工艺复杂度 | 中等 | 高（需氨熏） | 高（需氨熏） | 简单 |
| 成本（元/kg） | 约45～60 | 80～100 | 120～150 | 10～15 |
| 适用织物 | 棉、麻、粘胶 | 棉为主 | 棉、涤棉 | 棉 |
| 国内应用普及度 | 快速上升 | 传统主流 | 少量高端使用 | 实验室或临时用途 |
资料整合自：中国纺织工程学会《功能性纺织品发展蓝皮书》（2023）、杜邦公司技术白皮书、日本纤维学会论文集
可以看出，FR-50在环保性、耐洗性和成本之间取得了良好平衡，尤其适合中高端阻燃棉制品的大规模生产。
七、实际应用案例与市场前景
7.1 应用领域
目前，FR-50已成功应用于多个领域：
- 消防战斗服里料：作为舒适层材料，兼具阻燃与吸湿排汗功能；
- 铁路客车内饰：符合TB/T 3237-2010《动车组用内装材料阻燃技术条件》；
- 油田工作服：满足API RP 2X对防护服的阻燃要求；
- 帐篷与遮阳布：户外用品需长期暴露于日光与高温环境，FR-50耐候性表现优异。
7.2 市场推广现状
据《中国产业用纺织品行业发展报告（2023）》统计，2022年中国阻燃纺织品市场规模达480亿元，其中棉类阻燃布占比约35%。随着GB 8965-2020《防护服装 阻燃服》等新标的实施，对环保型阻燃剂的需求激增。FR-50凭借其综合性能优势，已在江苏、浙江、广东等地多家印染厂实现量产，年应用量超过8000吨，并出口至东南亚、中东及南美市场。
7.3 技术挑战与发展方向
尽管FR-50性能优越，但仍面临一些技术挑战：
- 在高湿度环境下可能出现轻微泛黄；
- 对深色织物染色后需注意色光变化；
- 长期储存中若密封不良可能发生分层。
未来发展方向包括：
- 开发纳米改性FR-50，提升渗透性和耐久性；
- 与壳聚糖、植酸等天然阻燃剂复配，进一步提升绿色属性；
- 结合数字印花技术，实现局部阻燃图案化加工。
八、结论与展望（非结语部分，仅陈述事实）
阻燃剂FR-50作为一种高效、环保的磷氮系阻燃整理剂，在全棉斜纹面料上的应用展现出广阔前景。通过优化浸轧-焙烘工艺参数，可在不影响织物基本性能的前提下，显著提升其阻燃等级，满足多种工业与民用场景的安全需求。其良好的耐洗性、较低的毒性及成熟的工业化应用经验，使其成为替代传统含甲醛阻燃剂的理想选择。随着我国对消防安全法规的不断完善和消费者环保意识的提升，FR-50及其相关技术将在功能性纺织品领域发挥愈加重要的作用。
