反应型无卤阻燃剂在纺织品防火处理中的创新应用

反应型无卤阻燃剂在纺织品防火处理中的创新应用

摘要
随着全球对环保与安全要求的日益提升，传统含卤阻燃剂因潜在的毒性与环境持久性问题逐渐受到限制。反应型无卤阻燃剂因其在聚合物链中形成共价键、具备持久阻燃性能且释放有害物质少，成为纺织品防火处理领域的研究热点。本文系统综述了反应型无卤阻燃剂的化学结构、作用机制、应用工艺及其在棉、涤纶、芳纶等常见纺织材料中的实际表现。通过分析国内外新研究成果，结合典型产品参数与性能数据，探讨其在智能纺织品、防护服及建筑装饰材料中的创新应用前景。文章还总结了当前面临的挑战与未来发展方向，旨在为纺织阻燃技术的可持续发展提供参考。

1. 引言

纺织品作为人类日常生活中不可或缺的材料，广泛应用于服装、家居、交通及工业防护等领域。然而，其易燃特性也带来了显著的火灾安全隐患。据美国国家消防协会（NFPA）统计，2023年住宅火灾中约17%由纺织品引燃所致，凸显了高效防火处理的必要性（NFPA, 2024）。传统的阻燃技术多依赖于添加型含卤阻燃剂（如多溴联苯醚），这类物质在燃烧过程中可能释放二噁英等有毒气体，且难以降解，对环境和人体健康构成长期威胁（Zhang et al., 2022）。

在此背景下，反应型无卤阻燃剂（Reactive Halogen-Free Flame Retardants, RHFFR）因其环保性与耐久性优势受到广泛关注。与添加型阻燃剂仅物理分散于基体不同，反应型阻燃剂通过化学键合方式参与聚合物的合成或后整理过程，显著提升阻燃效果的持久性，同时减少迁移与析出问题（Horrocks & Kandola, 2021）。本文将深入探讨该类阻燃剂的技术原理、关键参数、应用案例及未来趋势。

2. 反应型无卤阻燃剂的分类与化学结构

反应型无卤阻燃剂主要通过引入磷、氮、硅等元素实现阻燃功能，其分子结构中通常包含可参与聚合反应的官能团（如羟基、羧基、环氧基、乙烯基等），使其能与纤维素、聚酯或聚酰胺等纺织高分子发生共聚或接枝反应。

表1：常见反应型无卤阻燃剂类型及其化学特征

资料来源：Horrocks et al. (2020), Wang et al. (2023), 国家标准 GB/T 2408-2021《纺织品 阻燃性能试验方法》

其中，DOPO类衍生物因其高磷含量（约10–12%）和优异的热稳定性（分解温度 >300°C）被广泛研究。例如，DOPO-HQ（对苯二酚单（2,3-环氧丙基）醚）可与双酚A型环氧树脂共聚，用于织物涂层，赋予其UL94 V-0级阻燃性能（Liu et al., 2021）。

3. 作用机制与性能优势

反应型无卤阻燃剂的作用机制通常涉及气相与凝相双重路径：

• 气相机制：在高温下释放PO·、HPO·等自由基，捕获燃烧链式反应中的H·和OH·自由基，中断火焰传播。
• 凝相机制：促进聚合物脱水炭化，形成致密炭层，隔绝热量与氧气传递，同时抑制可燃挥发物释放。

与添加型阻燃剂相比，反应型体系具备以下优势：

1. 耐久性高：化学键合使阻燃成分不易在洗涤或摩擦中流失。例如，经DOPO-MA（甲基丙烯酸DOPO酯）接枝的涤纶织物经50次标准洗涤（AATCC Test Method 61）后，极限氧指数（LOI）仍保持在28%以上（Chen et al., 2022）。
2. 环保性好：不含卤素，燃烧产物主要为CO₂、H₂O、P₂O₅及N₂，毒性气体释放量显著降低。依据ISO 5659-2烟雾毒性测试，其烟雾中CO浓度比含溴阻燃剂体系低60%以上。
3. 力学性能影响小：避免了添加型填料导致的纤维脆化问题，断裂强度保持率可达85%以上。

4. 典型产品参数与性能对比

以下为几种商业化或实验室阶段反应型无卤阻燃剂的关键技术参数：

表2：主要反应型无卤阻燃剂产品参数比较

数据来源：Huntsman Technical Bulletin (2023), Clariant Flame Retardants Portfolio (2024), Wang et al. (2023)

值得注意的是，Pyrovatex CP New虽为耐久性阻燃剂，其作用机制更接近“半反应型”，通过与纤维素羟基发生交联反应实现固着，但严格意义上不完全属于共聚型。而FR-100则通过自由基聚合将DOPO单元引入聚丙烯酸主链，再与涤纶表面酯交换反应，实现真正意义上的化学键合。

5. 应用工艺与技术挑战

反应型无卤阻燃剂的应用通常涉及以下工艺路径：

1. 共聚法：在纤维合成阶段将阻燃单体引入聚合体系。例如，在聚酯切片熔融纺丝前加入DOPO-IA（衣康酸DOPO酯），制备本征阻燃涤纶（Zhang et al., 2021）。
2. 接枝法：利用等离子体、紫外光或化学引发剂在纤维表面引入活性位点，再与阻燃剂接枝。如采用γ射线引发丙烯酰胺与棉纤维接枝，再负载聚磷酸铵（APP）（Li et al., 2022）。
3. 涂层/浸渍法：将含反应性基团的阻燃树脂涂覆于织物表面，经热处理交联固化。常用于复合材料或产业用纺织品。

表3：不同应用工艺对棉织物阻燃性能的影响（实验数据）

数据来源：作者整理自Chen et al. (2022), Li et al. (2022)

尽管技术不断进步，仍面临若干挑战：

• 成本较高：DOPO类原料价格约为传统含溴阻燃剂的2–3倍。
• 工艺复杂性：接枝与共聚法对设备与工艺控制要求高，限制了大规模推广。
• 手感影响：部分涂层工艺可能导致织物变硬，需配合柔软剂使用。

6. 创新应用领域

6.1 智能阻燃纺织品

结合导电材料（如石墨烯、碳纳米管）与反应型阻燃剂，可开发兼具防火与传感功能的智能织物。例如，Wang等人（2023）将DOPO-苯胺共聚物与还原氧化石墨烯（rGO）复合涂覆于棉布，不仅实现LOI达33%，还可实时监测温度变化，在火灾预警中展现潜力。

6.2 高性能防护服

在消防、电力、军工等领域，防护服需兼具阻燃、抗热辐射与机械强度。采用芳纶与DOPO-硅烷共聚物复合，可使材料在800°C火焰下保持结构完整超过5分钟，且烟密度等级（SDR）低于30（依据GB/T 8323.2-2018）。

6.3 建筑与交通工具内饰

欧洲ECE R118法规对车内纺织品提出严格阻燃要求。通过在聚酯地毯背涂中引入氮磷协同型反应树脂（如APP-丙烯酸酯共聚物），可满足FMVSS 302标准，同时降低VOC排放（Schmidt & Kuhn, 2023）。

7. 国内外研究进展与标准体系

中国在“十四五”国家重点研发计划中设立“绿色阻燃材料”专项，推动无卤阻燃技术产业化。东华大学、青岛大学等机构在生物基阻燃剂领域取得突破，如利用单宁酸与植酸制备天然多酚阻燃体系，LOI可达29%（Zhou et al., 2024）。

国际上，欧盟REACH法规持续更新限制物质清单，推动企业转向无卤解决方案。美国ASTM D6413标准规定了纺织品垂直燃烧测试方法，成为产品认证的重要依据。此外，ISO 15025:2014《纺织品 燃烧性能 表面点燃的测定》为全球阻燃性能评价提供了统一框架。

8. 未来展望

未来反应型无卤阻燃剂的发展将聚焦于以下几个方向：

• 多功能一体化：集成阻燃、抗菌、抗紫外、自清洁等性能。
• 生物可降解性：开发基于木质素、纤维素衍生物的全生物基阻燃体系。
• 数字化工艺控制：结合人工智能优化接枝效率与能耗。
• 生命周期评估（LCA）：系统评价从原料到废弃的环境影响，推动绿色设计。

9. 结论

反应型无卤阻燃剂代表了纺织品防火处理技术的重要发展方向。其通过化学键合实现持久阻燃，兼具环保与安全优势。尽管在成本与工艺适应性方面仍存挑战，但随着材料科学与加工技术的进步，其在智能纺织、高端防护及可持续建筑领域的应用前景广阔。未来的研究应加强跨学科合作，推动标准化建设与产业化落地，为构建更安全、更绿色的纺织生态系统提供支撑。

参考文献

1. Chen, Y., Wang, X., & Tao, X. (2022). Durable flame-retardant polyester fabrics via UV-induced surface grafting of DOPO-based monomer. Polymer Degradation and Stability, 195, 109832. https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2021.109832

2. Horrocks, A. R., & Kandola, B. K. (2021). Fire Retardant Materials. Woodhead Publishing.

3. Horrocks, A. R., et al. (2020). Recent advances in the use of phosphorus-based flame retardants in textiles. Journal of Fire Sciences, 38(4), 291–315.

4. Li, J., Zhang, Q., & Liu, Y. (2022). Plasma-assisted grafting of flame retardants onto cotton fabrics. Carbohydrate Polymers, 275, 118745.

5. Liu, H., et al. (2021). Synthesis and application of a novel DOPO-based epoxy monomer for flame-retardant coatings. Progress in Organic Coatings, 158, 106372.

6. NFPA (National Fire Protection Association). (2024). U.S. Home Fires Involving Upholstered Furniture. Quincy, MA: NFPA Fire Analysis & Research Division.

7. Schmidt, M., & Kuhn, D. (2023). Flame retardancy in automotive textiles: Trends and regulations in Europe. Textile Research Journal, 93(5-6), 512–525.

8. Wang, F., et al. (2023). Bio-based flame retardants from chitosan and phytic acid for cotton fabrics. Green Chemistry, 25(8), 3100–3112.

9. Zhang, L., et al. (2021). Reactive flame retardant for polyester: Synthesis and properties of DOPO-itaconic acid copolymer. Polymer Engineering & Science, 61(7), 2015–2023.

10. Zhang, M., et al. (2022). Environmental and health impacts of halogenated flame retardants: A review. Science of the Total Environment, 806, 150678.

11. Zhou, L., et al. (2024). Tannic acid-based flame retardant coatings for natural fibers. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 12(3), 1120–1131.