阻燃劑FR-50在全棉斜紋麵料上的應用工藝探討 一、引言 隨著社會對公共安全和個體防護意識的日益增強，阻燃紡織品的應用範圍不斷擴大，廣泛應用於消防服、軍用裝備、工業防護服、交通運輸內飾材料以及家...
阻燃劑FR-50在全棉斜紋麵料上的應用工藝探討
一、引言
隨著社會對公共安全和個體防護意識的日益增強，阻燃紡織品的應用範圍不斷擴大，廣泛應用於消防服、軍用裝備、工業防護服、交通運輸內飾材料以及家用紡織品等領域。天然纖維如棉纖維因其良好的吸濕性、透氣性和舒適性，在服裝和家居領域占據重要地位。然而，棉纖維屬於易燃材料，極限氧指數（LOI）僅為18%左右，遇火極易燃燒並產生大量煙霧，存在較大的火災隱患。因此，對棉織物進行有效的阻燃處理已成為紡織功能整理的重要研究方向。
阻燃劑FR-50是一種新型環保型磷氮係協同阻燃劑，具有高效、低毒、耐洗性好等優點，特別適用於天然纖維尤其是棉織物的阻燃整理。本文係統探討阻燃劑FR-50在全棉斜紋麵料上的應用工藝，分析其作用機理、工藝參數優化、性能測試方法及實際應用效果，旨在為阻燃棉織物的工業化生產提供理論依據和技術支持。
二、阻燃劑FR-50概述
2.1 基本性質與化學結構
阻燃劑FR-50是一種以含磷、含氮有機化合物為主要成分的水溶性阻燃劑，通常由磷酸酯類化合物與三聚氰胺衍生物複合而成。其分子結構中同時含有P-O-C鍵和N-H鍵，能夠在高溫下發生脫水、成炭和釋放不燃氣體等多種阻燃機製，實現氣相與凝聚相雙重阻燃效應。
| 參數名稱 | 數值/描述 |
|---|---|
| 外觀 | 至淡黃色透明液體 |
| 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 | 完全可溶於水 |
| 離子性 | 非離子型 |
| 存儲穩定性 | 室溫避光保存，保質期12個月 |
| 環保性能 | 不含鹵素、甲醛，符合OEKO-TEX®標準 |
資料來源：某知名化工企業技術手冊（2023年版）
2.2 阻燃機理
根據Kandola等人（Kandola et al., Polymer Degradation and Stability, 2018）的研究，FR-50的作用機理主要包括以下幾個方麵：
- 凝聚相阻燃：在受熱過程中，FR-50中的磷酸酯組分首先分解生成磷酸或多聚磷酸，催化纖維素脫水碳化，形成致密的炭層，隔絕熱量和氧氣向內部傳遞。
- 氣相阻燃：氮組分（如三聚氰胺）在高溫下釋放NH₃、N₂等不可燃氣體，稀釋可燃性氣體濃度，抑製火焰蔓延。
- 協同效應：磷與氮元素之間存在顯著的協同作用（P-N Synergy），可顯著提高阻燃效率，降低添加量，減少對織物物理性能的影響。
該機理已被Zhang等（Zhang et al., Carbohydrate Polymers, 2020）通過熱重-紅外聯用（TG-FTIR）實驗證實，在棉織物熱解過程中檢測到大量H₂O、CO₂和NH₃釋放，表明其具備典型的磷氮協效特征。
三、全棉斜紋麵料特性分析
3.1 織物基本參數
全棉斜紋麵料是以100%棉紗為原料，采用二上一下或三上一下斜紋組織織造而成，具有明顯的對角線紋理，手感柔軟，耐磨性優於平紋織物。其典型參數如下表所示：
| 項目 | 參數值 |
|---|---|
| 紗支 | 21S×21S 或 32S×32S |
| 密度（經×緯） | 130×70 根/英寸 或 140×80 根/英寸 |
| 克重 | 180～220 g/m² |
| 幅寬 | 150 cm ± 2 cm |
| 組織結構 | 2/1 斜紋或 3/1 斜紋 |
| 吸濕性 | ≥95% |
| 斷裂強力（經向） | ≥350 N/5cm |
| 斷裂強力（緯向） | ≥280 N/5cm |
數據參考：GB/T 4146.1-2020《紡織品 纖維術語》及企業實測數據
3.2 可燃性特點
棉纖維主要由纖維素構成，其燃燒過程可分為三個階段：
- 熱解階段：溫度升至250～300℃時，纖維素發生脫水、斷裂，生成左旋葡聚糖等可揮發性物質；
- 著火階段：在300～400℃區間，可燃性氣體與氧氣反應，引發明火；
- 持續燃燒階段：火焰沿織物表麵快速傳播，釋放大量熱量和煙霧。
未經處理的全棉斜紋布LOI值約為18.0%，垂直燃燒測試中損毀長度可達200mm以上，不符合GB/T 17591-2006《阻燃織物》B2級要求。
四、FR-50在全棉斜紋布上的應用工藝
4.1 工藝流程設計
典型的浸軋-烘幹-焙烘工藝適用於連續化生產，具體流程如下：
坯布 → 精練退漿 → 清洗 → 浸漬阻燃液 → 二浸二軋（軋餘率70～80%）
→ 預烘（100℃ × 3min） → 焙烘（160～180℃ × 2～3min） → 水洗 → 幹燥 → 成品檢驗其中，精練退漿步驟至關重要，需徹底去除棉纖維中的果膠、蠟質和澱粉漿料，以保證阻燃劑均勻滲透。
4.2 關鍵工藝參數優化
為獲得佳阻燃效果與織物性能平衡，需對以下參數進行係統優化：
| 工藝參數 | 推薦範圍 | 影響說明 |
|---|---|---|
| FR-50用量（o.w.f） | 200～300 g/L | 用量過低阻燃效果不足；過高影響手感 |
| 軋餘率 | 70%～80% | 影響帶液量，決定阻燃劑沉積量 |
| 預烘溫度 | 90～110℃ | 去除水分，防止焙烘時起泡 |
| 焙烘溫度 | 160～180℃ | 溫度過低交聯不充分；過高損傷纖維 |
| 焙烘時間 | 2～4 min | 時間不足導致固化不完全 |
| pH值調節 | 使用檸檬酸或醋酸調至5.5～6.0 | 提高反應活性，促進交聯 |
| 添加交聯劑 | N-羥甲基丙烯酰胺（NMA），20～50g/L | 增強耐洗性 |
注：o.w.f —— on weight of fabric（按織物重量計）
根據Liu等（Liu et al., Textile Research Journal, 2021）的研究，當FR-50用量為250 g/L、焙烘溫度170℃、時間3分鍾時，棉織物LOI可達28.5%，且經20次標準洗滌後仍保持在26.0%以上，滿足工業防護服長期使用需求。
4.3 配方體係建議
以下是推薦的阻燃整理液配方（以每升計）：
| 成分 | 用量（g或mL） | 功能說明 |
|---|---|---|
| 阻燃劑FR-50 | 250 g | 主阻燃成分 |
| 交聯劑NMA | 30 g | 提高耐洗牢度 |
| 柔軟劑（矽油類） | 15～20 g | 改善手感，減少剛硬感 |
| 滲透劑JFC | 2～3 g | 提高潤濕性和均勻性 |
| 冰醋酸 | 調節pH至5.8 | 控製反應環境 |
| 去離子水 | 補足至1 L | 溶劑介質 |
該配方已在多家紡織印染企業試用，反饋表明處理後麵料手感良好，無明顯發硬現象，阻燃性能穩定。
五、性能測試與評價方法
5.1 阻燃性能測試
按照國家標準和國際標準進行多維度評估：
| 測試項目 | 標準依據 | 方法簡述 | 合格指標（示例） |
|---|---|---|---|
| 極限氧指數（LOI） | GB/T 5454-1997 / ASTM D2863 | 測定維持燃燒所需低氧濃度 | ≥26% |
| 垂直燃燒性能 | GB/T 5455-2014 / ISO 15025 | 觀察損毀長度、續燃時間、陰燃時間 | 損毀長度≤150mm，續燃≤2s |
| 熱釋放速率（HRR） | ISO 5660-1 / Cone Calorimeter | 錐形量熱儀測定 | 峰值HRR ≤80 kW/m² |
| 煙密度等級（SDR） | GB/T 8323.2-2018 | 測定大煙密度 | SDR ≤75 |
| 耐洗性測試 | GB/T 12703.9-2021 | 按AATCC 135標準洗滌20次後複測 | 洗後LOI下降≤15% |
實驗數據顯示，經FR-50處理的全棉斜紋布典型性能如下：
| 性能指標 | 處理前 | 處理後（未洗） | 處理後（20次水洗） |
|---|---|---|---|
| LOI (%) | 18.0 | 28.6 | 26.3 |
| 損毀長度（mm） | >200 | 85 | 110 |
| 續燃時間（s） | >10 | 0 | 0.5 |
| 陰燃時間（s） | >15 | 1.2 | 2.0 |
| 白度變化（ΔE） | — | 3.1 | 4.5 |
| 斷裂強力保留率（%） | — | 88.5（經向） | 85.2（經向） |
數據來源：某國家級紡織品檢測中心2023年度報告
5.2 物理機械性能影響
阻燃整理可能對織物強力、透氣性和手感造成一定影響。研究表明，FR-50由於其溫和的反應條件和較低的酸性，對棉纖維損傷較小。在優化工藝下，經向強力保留率可達85%以上，緯向約82%。透氣性測試（ASTM E96）顯示，處理後麵料透氣量由原來的180 L/m²·s降至約130 L/m²·s，仍處於可接受範圍。
5.3 耐久性與生態安全性
耐洗性是衡量阻燃織物實用性的關鍵指標。FR-50通過與棉纖維形成共價鍵結合，具有優異的耐水洗性能。據Wang等（Wang et al., Journal of Cleaner Production, 2022）報道，經過50次ISO 6330標準洗滌後，FR-50處理棉布的LOI仍保持在25%以上，遠優於傳統硼砂-硼酸體係。
此外，FR-50不含鹵素、甲醛和APEO，經SGS檢測符合歐盟REACH法規和美國EPA環保要求，對人體皮膚無刺激，通過OEKO-TEX® Standard 100 Class II認證，可用於嬰幼兒紡織品（盡管目前主要用於工業用途）。
六、與其他阻燃劑的對比分析
為全麵評估FR-50的優勢，將其與常用棉用阻燃劑進行橫向比較：
| 阻燃劑類型 | FR-50 | Pyrovatex CP | Proban | 硼砂-硼酸混合物 |
|---|---|---|---|---|
| 化學體係 | 磷-氮協同 | 磷酰胺類 | 四羥甲基氯化膦（THPC）衍生物 | 無機鹽 |
| 是否環保 | 是（無鹵、無甲醛） | 含甲醛（需後處理） | 含甲醛、氯 | 是 |
| 耐洗性 | 優（>50次） | 良（20～30次） | 優（>50次） | 差（<5次） |
| 手感影響 | 輕微變硬 | 明顯變硬 | 較硬 | 輕微 |
| 工藝複雜度 | 中等 | 高（需氨熏） | 高（需氨熏） | 簡單 |
| 成本（元/kg） | 約45～60 | 80～100 | 120～150 | 10～15 |
| 適用織物 | 棉、麻、粘膠 | 棉為主 | 棉、滌棉 | 棉 |
| 國內應用普及度 | 快速上升 | 傳統主流 | 少量高端使用 | 實驗室或臨時用途 |
資料整合自：中國紡織工程學會《功能性紡織品發展藍皮書》（2023）、杜邦公司技術白皮書、日本纖維學會論文集
可以看出，FR-50在環保性、耐洗性和成本之間取得了良好平衡，尤其適合中高端阻燃棉製品的大規模生產。
七、實際應用案例與市場前景
7.1 應用領域
目前，FR-50已成功應用於多個領域：
- 消防戰鬥服裏料：作為舒適層材料，兼具阻燃與吸濕排汗功能；
- 鐵路客車內飾：符合TB/T 3237-2010《動車組用內裝材料阻燃技術條件》；
- 油田工作服：滿足API RP 2X對防護服的阻燃要求；
- 帳篷與遮陽布：戶外用品需長期暴露於日光與高溫環境，FR-50耐候性表現優異。
7.2 市場推廣現狀
據《中國產業用紡織品行業發展報告（2023）》統計，2022年中國阻燃紡織品市場規模達480億元，其中棉類阻燃布占比約35%。隨著GB 8965-2020《防護服裝 阻燃服》等新標的實施，對環保型阻燃劑的需求激增。FR-50憑借其綜合性能優勢，已在江蘇、浙江、廣東等地多家印染廠實現量產，年應用量超過8000噸，並出口至東南亞、中東及南美市場。
7.3 技術挑戰與發展方向
盡管FR-50性能優越，但仍麵臨一些技術挑戰：
- 在高濕度環境下可能出現輕微泛黃；
- 對深色織物染色後需注意色光變化；
- 長期儲存中若密封不良可能發生分層。
未來發展方向包括：
- 開發納米改性FR-50，提升滲透性和耐久性；
- 與殼聚糖、植酸等天然阻燃劑複配，進一步提升綠色屬性；
- 結合數字印花技術，實現局部阻燃圖案化加工。
八、結論與展望（非結語部分，僅陳述事實）
阻燃劑FR-50作為一種高效、環保的磷氮係阻燃整理劑，在全棉斜紋麵料上的應用展現出廣闊前景。通過優化浸軋-焙烘工藝參數，可在不影響織物基本性能的前提下，顯著提升其阻燃等級，滿足多種工業與民用場景的安全需求。其良好的耐洗性、較低的毒性及成熟的工業化應用經驗，使其成為替代傳統含甲醛阻燃劑的理想選擇。隨著我國對消防安全法規的不斷完善和消費者環保意識的提升，FR-50及其相關技術將在功能性紡織品領域發揮愈加重要的作用。
