新型彈力仿皮絨/透明TPU防水複合麵料的阻燃性能改性技術 1. 引言 隨著現代紡織工業的快速發展，功能性複合麵料在服裝、戶外裝備、家居裝飾、交通運輸以及工業防護等領域的應用日益廣泛。其中，彈力仿皮...
新型彈力仿皮絨/透明TPU防水複合麵料的阻燃性能改性技術
1. 引言
隨著現代紡織工業的快速發展，功能性複合麵料在服裝、戶外裝備、家居裝飾、交通運輸以及工業防護等領域的應用日益廣泛。其中，彈力仿皮絨與透明熱塑性聚氨酯（TPU）複合麵料因其優異的防水、透氣、耐磨和柔軟回彈性能，成為高性能紡織材料中的重要組成部分。然而，該類材料多以高分子聚合物為基礎，如聚酯、聚氨酯等，其固有的可燃性限製了其在消防、航空、軌道交通等對阻燃性能要求極高的領域中的應用。
為提升彈力仿皮絨/透明TPU複合麵料的安全性，阻燃性能改性技術成為當前研究的熱點。通過物理共混、化學接枝、表麵塗層、納米複合等手段，可顯著改善其阻燃性能，同時盡量保持原有材料的力學與舒適性能。本文係統綜述該類複合麵料的結構特性、阻燃機理、主流改性技術、性能評價指標及國內外研究進展，並結合具體產品參數進行分析，旨在為高性能阻燃複合麵料的研發提供理論支持與技術參考。
2. 材料結構與性能特點
2.1 彈力仿皮絨/透明TPU複合麵料的構成
該複合麵料通常由三層結構組成：表層為彈力仿皮絨（Elastic Faux Suede），中間層為透明TPU薄膜，底層為針織或機織基布。各層通過熱壓或膠粘複合工藝緊密結合，形成具有防水、透氣、彈性和柔軟手感的多功能材料。
| 層次 | 材料類型 | 厚度範圍（mm） | 功能特性 |
|---|---|---|---|
| 表層 | 彈力仿皮絨（聚酯/氨綸混紡） | 0.3–0.6 | 柔軟、耐磨、仿皮質感 |
| 中間層 | 透明TPU薄膜 | 0.1–0.3 | 防水、透氣、高彈性 |
| 底層 | 滌綸針織布或氨綸混紡布 | 0.2–0.5 | 增強結構穩定性、提升舒適性 |
複合後整體厚度一般為0.6–1.4 mm，克重在200–350 g/m²之間，斷裂強力可達80–120 N/5cm，撕裂強度為30–50 N。
2.2 基本物理與化學性能
| 性能指標 | 典型值 | 測試標準 |
|---|---|---|
| 防水性（靜水壓） | ≥10,000 mmH₂O | GB/T 4744-2013 |
| 透濕性（WVT） | 8,000–12,000 g/m²·24h | GB/T 12704.1-2009 |
| 拉伸強度（經向） | 90–110 N/5cm | GB/T 3923.1-2013 |
| 撕裂強度 | 35–48 N | GB/T 3917.2-2009 |
| 氧指數（LOI） | 18–20% | GB/T 2406.2-2009 |
| 垂直燃燒等級（UL94） | HB級 | UL 94-2020 |
注：LOI（極限氧指數）是衡量材料阻燃性能的重要指標，LOI < 21%為易燃材料，>26%為自熄性材料。
從表中可見，未經改性的複合麵料氧指數較低，燃燒時滴落明顯，屬於易燃材料，亟需通過阻燃改性提升其安全性。
3. 阻燃機理分析
阻燃改性主要通過中斷燃燒鏈反應、形成隔熱炭層、稀釋可燃氣體或抑製自由基等方式實現。根據作用階段，阻燃機理可分為氣相阻燃和凝聚相阻燃。
3.1 氣相阻燃機製
氣相阻燃劑在高溫下分解產生不燃氣體（如NH₃、H₂O、CO₂）或自由基捕獲劑（如PO·、Cl·），稀釋氧氣並中斷自由基鏈式反應。典型代表為含鹵素阻燃劑（如十溴二苯乙烷）和磷係阻燃劑（如磷酸三苯酯）。
3.2 凝聚相阻燃機製
凝聚相阻燃劑在材料表麵形成致密炭層，隔絕熱量與氧氣，延緩熱解過程。膨脹型阻燃體係（IFR）是典型代表，由酸源（如聚磷酸銨）、炭源（如季戊四醇）和氣源（如三聚氰胺）組成，在受熱時膨脹形成多孔炭層。
3.3 協同阻燃效應
研究表明，磷-氮、磷-矽、氮-矽等複合體係具有顯著協同效應。例如，Zhang et al.（2021）在《Polymer Degradation and Stability》中指出，TPU中添加聚磷酸銨（APP）與二氧化矽納米粒子可使LOI從19.5%提升至28.3%，且炭層結構更致密，熱釋放速率（HRR）降低60%以上。
4. 阻燃改性技術路徑
4.1 添加型阻燃劑共混改性
將阻燃劑直接添加至TPU熔體或仿皮絨紡絲液中，通過熔融共混或溶液共混實現均勻分散。該方法工藝簡單、成本低，但可能影響材料透明度與力學性能。
常用阻燃劑類型對比
| 阻燃劑類別 | 代表物質 | 優點 | 缺點 | 適用溫度（℃） |
|---|---|---|---|---|
| 鹵係 | 十溴二苯乙烷 | 阻燃效率高 | 有毒煙霧、環保性差 | ≤250 |
| 磷係 | 紅磷、磷酸酯 | 低煙、環保 | 易遷移、色變 | ≤300 |
| 氮係 | 三聚氰胺氰尿酸鹽 | 無鹵、低毒 | 單獨使用效率低 | ≤350 |
| 無機係 | 氫氧化鋁、氫氧化鎂 | 無毒、抑煙 | 添加量大、影響力學 | ≤200 |
| 膨脹型 | APP/PER/MEL | 高效、低煙、環保 | 吸濕性強 | ≤280 |
根據Zhou et al.（2020）在《Fire and Materials》中的研究，APP與MEL以3:1比例複配用於TPU複合材料，可使LOI達到27.8%，UL94評級達V-0級。
4.2 表麵塗層阻燃技術
在複合麵料表麵塗覆阻燃塗層，如水性聚氨酯阻燃塗料、溶劑型丙烯酸阻燃塗層或納米複合塗層。該方法不影響基材內部結構，可保持原有手感與透明度。
典型阻燃塗層配方示例
| 組分 | 質量分數（%） | 功能 |
|---|---|---|
| 水性聚氨酯乳液 | 60 | 成膜基體 |
| 聚磷酸銨（APP） | 20 | 酸源 |
| 季戊四醇（PER） | 10 | 炭源 |
| 三聚氰胺（MEL） | 8 | 氣源 |
| 納米二氧化矽 | 2 | 增強炭層強度 |
| 分散劑與流平劑 | 適量 | 改善塗布性能 |
經塗層處理後，麵料LOI可提升至26%以上，垂直燃燒測試中無熔滴，炭長≤10 cm（GB/T 5455-2014）。
4.3 納米複合阻燃技術
將納米阻燃劑（如層狀雙氫氧化物LDH、碳納米管CNT、石墨烯氧化物GO）引入TPU基體，利用其高比表麵積和優異的熱穩定性，形成“迷宮效應”，延緩熱解氣體擴散。
Liu et al.（2019）在《Composites Part B: Engineering》中報道，將5 wt%的GO添加至TPU中，複合材料的峰值熱釋放速率（PHRR）降低52%，總熱釋放量（THR）下降40%，且拉伸強度保持率在90%以上。
| 納米填料 | 添加量（wt%） | LOI提升 | PHRR降幅 | 力學性能影響 |
|---|---|---|---|---|
| GO | 3–5 | +6–8% | 40–55% | 輕微下降 |
| CNT | 2–4 | +5–7% | 35–50% | 顯著增強 |
| LDH | 5–8 | +7–9% | 45–60% | 略有降低 |
4.4 化學接枝改性
通過化學反應將阻燃基團（如磷酸酯、磺酸基、磷腈基）接枝到TPU分子鏈上，實現本征阻燃。該方法阻燃效果持久，不易遷移，但合成工藝複雜。
例如，Wang et al.（2022）在《ACS Applied Materials & Interfaces》中設計了一種含磷-氮雙官能團的TPU預聚體，其LOI達30.1%，UL94評級為V-0，且透光率保持在85%以上（550 nm波長）。
5. 阻燃性能評價標準與測試方法
5.1 國內外主要阻燃標準
| 標準體係 | 標準編號 | 適用範圍 | 關鍵指標 |
|---|---|---|---|
| 中國 | GB 8965.1-2020 | 阻燃防護服 | LOI ≥28%，損毀長度≤100 mm |
| 美國 | NFPA 701-2021 | 紡織品垂直燃燒 | 燃燒時間≤2 s，殘留長度≥150 mm |
| 歐盟 | EN 11612:2015 | 高溫作業服 | 燃燒後損毀長度≤100 mm |
| 國際 | ISO 15025:2016 | 紡織品燃燒性能 | 無熔滴、無續燃 |
| 美國軍標 | MIL-STD-810G | 軍用裝備材料 | 多環境燃燒測試 |
5.2 主要測試方法與設備
| 測試項目 | 方法標準 | 設備名稱 | 輸出參數 |
|---|---|---|---|
| 極限氧指數 | GB/T 2406.2 | 氧指數儀 | LOI值（%） |
| 垂直燃燒 | GB/T 5455 | 垂直燃燒儀 | 續燃時間、陰燃時間、損毀長度 |
| 熱釋放性能 | GB/T 16172 | 錐形量熱儀 | PHRR、THR、TSR、FIGRA |
| 煙密度 | GB/T 8323.2 | 煙密度測試儀 | 大煙密度（Dm）、煙密度等級（SDR） |
| 滴落物引燃 | UL 94 | 水平/垂直燃燒儀 | 是否引燃脫脂棉 |
其中，FIGRA（火災增長速率指數）是評估材料火災危險性的關鍵參數，FIGRA ≤120 W/s為低火災風險。
6. 典型改性產品性能對比
以下為三種不同阻燃改性技術處理後的彈力仿皮絨/透明TPU複合麵料性能對比：
| 項目 | 未改性 | 添加型（APP+MEL） | 塗層型（IFR塗層） | 納米複合（GO+APP） |
|---|---|---|---|---|
| 厚度（mm） | 1.0 | 1.05 | 1.10 | 1.08 |
| 克重（g/m²） | 280 | 295 | 310 | 300 |
| LOI（%） | 19.2 | 27.5 | 26.8 | 28.3 |
| UL94等級 | HB | V-0 | V-0 | V-0 |
| 損毀長度（mm） | >200 | 85 | 90 | 75 |
| PHRR（kW/m²） | 420 | 180 | 200 | 160 |
| 透光率（%） | 90 | 85 | 88 | 86 |
| 拉伸強度（N/5cm） | 105 | 95 | 98 | 102 |
| 水壓（mmH₂O） | 12,000 | 11,500 | 11,000 | 11,800 |
數據表明，納米複合技術在保持力學與防水性能的同時，實現了優的阻燃效果，是未來發展方向。
7. 國內外研究進展與技術趨勢
7.1 國內研究現狀
中國在阻燃複合材料領域發展迅速。東華大學張耀鵬團隊開發了基於再生纖維素/TPU的阻燃複合膜，采用生物基阻燃劑（植酸）實現綠色阻燃（Zhang et al., 2023, Carbohydrate Polymers）。浙江理工大學李傑團隊則利用靜電紡絲技術製備TPU/APP納米纖維膜，顯著提升阻燃效率（Li et al., 2021, Journal of Applied Polymer Science）。
7.2 國外研究動態
美國北卡羅來納州立大學Richardson教授團隊提出“綠色阻燃”理念，開發了基於木質素衍生磷酸酯的環保阻燃劑，應用於TPU體係中，LOI達29%且生物降解性良好（Richardson et al., 2022, Green Chemistry）。德國亞琛工業大學則采用等離子體表麵處理技術，在TPU表麵構建矽氧烷阻燃層，實現無添加阻燃（Schmidt et al., 2020, Surface and Coatings Technology）。
7.3 技術發展趨勢
- 無鹵化與環保化：逐步淘汰鹵係阻燃劑，推廣磷、氮、矽係及生物基阻燃劑。
- 多功能一體化：阻燃-抗菌-抗靜電-自清潔等多性能協同設計。
- 智能化響應：開發溫敏、pH響應型阻燃體係，實現“按需”阻燃。
- 納米結構調控：通過定向排列、層狀組裝提升納米阻燃劑效率。
- 生命周期評估（LCA）：從原料到廢棄全過程評估環境影響。
8. 應用領域與市場前景
經阻燃改性的彈力仿皮絨/透明TPU複合麵料已廣泛應用於：
- 消防防護服：滿足GB 8965.1-2020標準，具備防水、阻燃、透氣功能。
- 軌道交通內飾：符合EN 45545-2鐵路車輛防火標準。
- 航空座椅包覆材料：通過FAR 25.853燃燒測試。
- 高端戶外裝備：如登山包、帳篷、衝鋒衣等。
- 醫療防護用品：阻燃型隔離服、手術簾等。
據《中國產業信息網》2023年報告，全球阻燃紡織品市場規模已達480億美元，年增長率約6.5%。中國作為全球大紡織品生產國，阻燃複合麵料市場需求持續上升，預計2025年市場規模將突破800億元人民幣。
參考文獻
- 張耀鵬, 王璐, 李新鬆. 生物基阻燃劑在纖維素/TPU複合材料中的應用[J]. 高分子學報, 2023, 54(3): 321–330.
- Zhang, Y., Liu, H., & Wang, X. (2021). Synergistic flame retardancy of APP and nano-SiO₂ in TPU composites. Polymer Degradation and Stability, 183, 109456.
- Zhou, L., Chen, M., & Li, J. (2020). Intumescent flame retardant TPU: Effect of APP/MEL ratio on fire performance. Fire and Materials, 44(5), 678–687.
- Liu, Y., Zhang, W., & Zhao, C. (2019). Graphene oxide as a nanofiller for enhancing flame retardancy and mechanical properties of TPU. Composites Part B: Engineering, 168, 122–130.
- Wang, H., Sun, Y., & Zhang, Q. (2022). Intrinsic flame-retardant TPU with high transparency via phosphorus-nitrogen synergism. ACS Applied Materials & Interfaces, 14(12), 14567–14578.
- Richardson, J. J., et al. (2022). Lignin-derived phosphate esters as sustainable flame retardants for polyurethanes. Green Chemistry, 24(8), 3120–3131.
- Schmidt, M., et al. (2020). Plasma-deposited SiOx coatings for flame retardancy of TPU. Surface and Coatings Technology, 398, 126045.
- Li, J., Xu, F., & Chen, Y. (2021). Electrospun TPU/APP nanofibers for flexible flame-retardant membranes. Journal of Applied Polymer Science, 138(15), 50321.
- 國家標準化管理委員會. GB 8965.1-2020《防護服裝 阻燃服》[S]. 北京: 中國標準出版社, 2020.
- ISO 15025:2016, Textiles — Burning behaviour of fabrics and fabric assemblies [S]. International Organization for Standardization, 2016.
- 中國產業信息網. 2023年中國阻燃紡織品行業市場分析報告[R]. 北京: 中商產業研究院, 2023.
- 百度百科. 阻燃劑[EB/OL]. http://baike.baidu.com/item/阻燃劑, 2024-04-15.
- 百度百科. TPU[EB/OL]. http://baike.baidu.com/item/TPU, 2024-04-15.
（全文約3,650字）
