難燃性繊維を理解する: 難燃性のメカニズムと応用

抽象的な： 本稿では主に、難燃繊維の燃焼メカニズム、熱分解特性、難燃剤の種類とメカニズム、難燃繊維や難燃織物の製造方法や試験方法などを紹介します。これは、難燃性の原理から生産プロセス、さらには試験基準に至るまでのさまざまな側面をカバーしており、難燃性繊維の将来の開発動向、特に低毒性および低煙の難燃剤および多機能難燃性繊維の研究開発を期待しています。この記事では、複数の国や地域の関連規格や規制、BEGOODTEX 社が開発した難燃製品や技術もリストしています。

1. 難燃繊維の開発背景

歴史を通して、火災は人類の進歩とテクノロジーの発展を形作る要因でした。しかし、火災自体が大きな脅威でもあります。欧州難燃協会 (FERA) の報告によると、ヨーロッパでは 5,000 人以上が火災で命を落とし、社会経済に多大な影響を及ぼしています。ドイツは最大 65 億マルクの損失を被っています。火災による経済的影響は、欧州連合内では地域の GDP の 1% に相当します。中国では毎年平均3万～4万件の火災事故が発生し、2,000～3,000人が死亡し、2億～3億元の経済的損失が発生しており、その損失は時間の経過とともに増加しています。

難燃技術の初期のルーツは 1930 年代に遡り、当初は非永久的な処理が行われ、その後、第二次世界大戦中に軍用テントで使用されたような、より耐久性の高い難燃素材の使用に進みました。 1960年代、ヨーロッパ、米国、日本などの国々はそれぞれ、繊維製品に対して特定の場所や製品に難燃性素材の使用を義務付ける難燃性ガイドラインを作成しました。

2. 難燃性生地の重要性

難燃性とは、燃焼を遅らせたり防止したりできる材料の特性を指します。これは固有のものであるか、後処理によって達成されます。難燃繊維の作用メカニズムは、難燃効果を達成するために、熱の吸収、熱劣化モードの変化、可燃性ガスの発生の低減など、燃焼プロセス中の連鎖反応を防止することです。
研究によれば、難燃性生地は安全性を大幅に向上させることができます。たとえば、未処理の生地と比較して、難燃性生地は脱出時間を 10 ～ 15 倍延長し、燃焼中に放出される熱と有毒ガスを削減し、濃い煙の発生を避けることができます。

3. 難燃性繊維燃焼技術に関する規制

現在、繊維の世界では、難燃性の試験には、英国の BS 規格、ドイツの DlN 規格、カナダの GCSB 規格、米国の FS 規格、日本の JlS 規格、フランスの ANF 規格、スウェーデンの SlS など、各国で国際的に認められている方法が使用されています。標準、中国の GB 標準、および ISO による国際標準。米国のニューヨークやカリフォルニアなどの有名な都市中心部や州、商務省 (DOCFF)、運輸省 (DOT)、軍事組織などの国のさまざまな地域や機関には、独自のテスト基準と方法論があります。これに続いて、全米防火協会 (NFPA)、繊維化学染色業者協会 (AATCC)、試験材料協会 (ASTM) などのさまざまなグループや協会が続きます。

アメリカ

1953 年以来、米国は可燃性織物法 (FFAP) を制定し、繊維製品が可燃性の技術要件に従うことを義務付けています。関連する規格には次のようなものがあります。

• NFPA 701: 全米防火協会によって開発された繊維およびフィルム材料の防火試験規格であり、主に炎にさらされたときの材料の燃焼特性を試験します。
• NFPA 2112 は、石油・ガス部門などの産業環境における火炎衣のガイドラインに焦点を当てており、炎からの短期間の高熱から身を守るために防護服が不可欠です。
• CFR 1615/1616: アメリカの連邦規則は、使用できる素材と炎がどのくらい早く広がるかを詳細に規定することで、子供用パジャマの火災安全基準を定めています。

カナダ

カナダは、危険物規制および関連規制 (子供用寝間着、カーペット、テントなど) を通過しており、すべての繊維製品が難燃性要件を満たしていることを確認するためにカナダ保健省によって施行されています。部分的に関連する規格:

• CAN/ULC-S102: 住宅装飾を含む建築材料およびコンポーネントの耐火試験方法。
• CAN/CGSB 4.2 No. 27.5: 寝具の燃焼性能。

日本

日本では衣料品に対する特定の難燃要件はありませんが、建物内のカーペットやカーテンには難燃基準が設けられており、特定の場所で使用される繊維製品は規定の難燃性能を満たし、「防火ラベル」の表示が義務付けられています。例えば、JIS L 1091は家庭用繊維製品（カーテン、ベッドシーツ）に適用されます。

オーストラリア

オーストラリアの各州には異なる技術規制があり、西オーストラリア州では 1987 年にフェアトレード法、1988 年に子供のイブニングドレス基準が制定されました。タスマニアには 1973 年可燃性衣類法と 2002 年可燃性衣類規制があります。ニューサウスウェールズ州は、2002 年フェアトレード (一般要件) 規則を制定しました。これらの規則では、番号 00 ～ 14 の子供用夜着 (パジャマ、バスローブなど) の難燃性と試験方法が AS/NZS に準拠する必要があると規定しています。 1249規格。

イギリス

英国には、夜の服装の難燃性の安全性に関する規則があります。 1985 年に、女性用寝間着 (安全規則) に代わるものとして、イブニングウェア (安全規則) が施行されました。1987 年に改正が行われ、これらの規則はあらゆるタイプのイブニングウェアを対象に拡張されました。これらの規則によれば、子供用のイブニングウェアは年齢に応じて適用されます。 3 か月から 13 年までの範囲の衣類は、基準 BS5722 に準拠する必要があり、火炎化学物質で処理されたイブニング ウェアが燃焼基準を満たしているかどうかを示す恒久的なラベルが付いている必要があります。規格の一部のリストに、テストや評価を実施する前に、BS5651 で概説されているガイドラインに従って洗浄目的に使用する特定の洗剤と洗濯方法について警告するラベルが付いている。

• BS5815 は主に家具の耐火性を評価し、火災発生時に材料が安全であることを保証するために使用されます。
• BS5852 CRIB 5 は、家具および充填材の耐火性を火災安全要件のレベルで評価する試験規格です。
• BS5867 TYPE C は、カーテンおよび室内装飾生地向けに特別に設計された耐火規格です。タイプ C 評価は、その材料が炎にさらされたときに耐火性を示すことを意味します。
• BS7175 ソース 7: 寝具の耐火性を評価するソース 7 は、公共の場所の寝具に一般的に使用される高水準の防火要件です。

4. 繊維の熱分解

布地の燃焼は、その種類、構造、組成によって影響を受けます。不燃性・耐火性・難燃性・可燃性・可燃性などさまざまなグループに分類できます。燃焼プロセスには 3 つの要素が必要です。熱、酸素、可燃性物質の発生源。生地は熱源により発火します。熱源の温度が一定レベルに達すると、繊維が分解し始め、可燃性ガスが放出され、酸素と結合して引火します。生地の燃焼には、素材が溶けて亀裂が開いて分解し、最終的には酸化によって発火する前に、まず素材を温めるなどの段階が含まれます。

セルロース繊維

セルロース繊維は加熱すると変化する素材であり、固体の残留物や液体や可燃性ガスが放出される可能性があります。繊維が熱によってどのように分解されるかによって、燃え続けるかどうかが決まります。セルロースが燃え尽きるとき、2 種類の燃焼が起こります。 1 つは炎があり、もう 1 つは燃えていない (くすぶっている)。

分解プロセスは 3 つの段階で見ることができます。

1.初期破壊は370℃以下で発生します

2.主な分解は370℃～430℃で起こります。

3.最終的な破壊段階は430℃以上で起こります

分解段階（温度が 430 ℃を超える）では、燃焼性能は分解生成物によって決まり、研究結果によると、可燃性元素の生成を減らすことで燃焼の危険性を効果的に低減できることがわかりました。例えば;綿繊維の熱分解プロセス中に、約 28 種類tel可燃性物質が生成されます。逆に、難燃処理された綿繊維では、熱分解生成物の種類と量が著しく減少します。

ポリエステル繊維

ポリエステル繊維の燃焼方法は、他の合成ポリマー材料の燃焼方法と同様です。ポリエステル繊維は熱にさらされると分解します。可燃性ガスを発生させて、火災の延焼を早めます。火災の拡大を防ぐには、これらのガスの放出を最小限に抑え、分解中に空気中で起こる反応を遅らせ、火災によって発生する熱を吸収するか、環境から酸素を遮断して火災の持続時間を制限することが重要です。

さらに詳しく見る 難燃技術をポリエステル生地に応用する方法。詳細については、ここをクリックしてください。

5. 難燃剤のメカニズムを理解する

繊維における難燃メカニズム

1. 溶融理論（表面被覆理論）

ホウ砂やホウ酸などの一部の物質は、加熱されると溶けて繊維の表面を覆うガラス状の膜を形成し、空気を隔離して燃焼を抑制します。リン化物は炭化を促進する可能性があり、臭化物は分解して不燃性ガスを生成し、さらに空気を隔離したり可燃性ガスを希釈したりして、難燃効果を生み出します。

2. 熱吸収効果

難燃剤は、熱吸収、脱水、相変化、または分解を通じてポリマー表面および燃焼ゾーンの温度を低下させ、それによって熱分解プロセスを遅らせます。

3. 脱水理論

リン系難燃剤は炎と接触するとピロリン酸塩を生成します。これは強力な脱水効果があり、繊維の炭化を促進します。形成された炭化膜は空気を効果的に隔離し、可燃性ガスの放出を低減します。

4. 縮合相難燃剤

凝縮相の難燃効果は、材料の熱分解プロセスを遅らせるか中断することによって達成されます。一般的な方法には次のようなものがあります。

• 難燃剤は、固相中の可燃性ガスやフリーラジカルの熱分解を遅延または防止します。
• 無機フィラーを使用することにより、蓄熱・伝導により熱分解温度に達しにくくなります。
• 難燃剤は加熱すると分解して熱を吸収し、温度の上昇を遅くします。
• 難燃性材料の表面は多孔質炭素層を形成し、断熱性と酸素バリアを提供し、可燃性ガスが気相に侵入して燃焼を中断するのを防ぎます。

5. 気相難燃剤

気相難燃性は、H・やH2O・などのフリーラジカルを捕捉・除去することで気相燃焼反応を抑制し、燃焼プロセスを効果的に制御します。

6. 粉塵や壁の影響

フリーラジカルは、塵粒子や容器壁と接触すると活性を失う可能性があり、気相反応の速度が低下し、燃焼が阻害されます。

7. ドロップレットエフェクト

熱可塑性繊維が加熱されると溶けて空気と接触する表面積が減少し、炎から液滴が剥がれて燃焼速度が低下する可能性があります。難燃性を最適化するために、通常、さまざまなメカニズムが相乗的な相互作用を通じて連携し、全体的な難燃性能を高めます。

各種難燃剤の原理

難燃剤にはさまざまな種類があり、主にハロゲン系難燃剤、リン酸系難燃剤、無機系難燃剤、膨張系難燃剤に分けられます。難燃剤の種類ごとに難燃メカニズムが異なります。

1. ハロゲン系難燃剤の難燃メカニズム

加熱すると、ハロゲン難燃剤は分解して不燃性ガスを生成します。ほとんどの場合、ハロゲン化水素が材料の表面に到達し、ブランケットで覆い、燃焼反応から酸素を隔離します。ハロゲン化水素とフリーラジカルは両方とも結合して低活性の塩素または臭素ラジカルを形成し、これが燃焼速度をさらに低下させます。

2. 無機リン酸塩の難燃メカニズム

リン系難燃剤は脱水と炭化のメカニズムによって作用します。リン酸塩は高温でポリリン酸塩ガラス体を形成することができ、これが材料を包み込み、酸素が表面に到達して燃焼を促進するのを防ぎます。イオンペアは、金属リン酸塩および金属塩化物と組み合わせると、難燃効果を向上させることもできます。

3. リン酸エステル系難燃剤の難燃メカニズム

リン酸エステル難燃剤は、脱水反応を触媒する不揮発性のリン酸とメタリン酸、および絶縁性の炭素保護層を形成することにより、材料の可燃性を緩和します。

4. 三酸化アンチモンとハロゲン系難燃剤の相乗効果

三酸化アンチモンとハロゲン難燃剤は一緒に作用して熱を吸収し、樹脂の燃焼中に形成されるフリーラジカルを消費し、一方の側の分離火災段階での表面温度または可燃性ガスの放出速度を低下させ、もう一方の方向での相乗効果を最適化します。

5. リン系窒素系難燃剤の難燃メカニズム

リン/窒素難燃剤は膨張によって炭化発泡層を生成します。最後の機能のそのような内容は、断熱、酸素と煙の切断、および溶融滴の排除に関するものです。ポリウレタン硬質フォームによって生成される一種の多孔質材料であるフォームカーボン層は、ソースの点火を隔離して防止することができます。この問題を克服するために本質的に燃焼を遅くします。

6. 難燃性繊維の製造経路

繊維や織物を難燃性にするには、基本的に 2 つのアプローチがあります。永久的な難燃性を得るために繊維自体を改質するか、材料の表面に難燃性仕上げを使用します。綿ウールやリネンなどの繊維に関しては、難燃性を確保するために、吸着蒸着または化学結合により難燃剤を布地または糸に固定する後仕上げ方法が採用され、難燃性が確保されます。ポリエステルやアクリルなどの合成繊維は紡績時に難燃剤が混入する場合があります。その後、共重合またはブレンドによって難燃特性を強化します。あるいは、耐火性を高めるための後仕上げ処理によって繊維の難燃性を実現することもできます。製造後に難燃剤を塗布する方法と比較して、より簡単な投資で済み、より早く結果が得られるため、新しい製品ラインを導入するためのより実行可能なオプションになります。後処理技術は、未処理のシルク生地の改質と比較して、生地の強度と外観に影響を与えるだけでなく、難燃特性にも影響を与える可能性があります。

難燃性繊維の製造経路

難燃繊維は、繊維の製造工程中に難燃剤を直接添加することによって難燃特性を獲得します。主な方法としては、共重合、ブレンド、グラフト共重合、難燃剤の吸着、繊維表面のハロゲン化、後仕上げなどが挙げられます。

1. 共重合: 難燃元素（リン、ハロゲン、硫黄など）を含む化合物をポリマー鎖のコモノマーとして添加し、繊維の難燃性を向上させます。この方法には、繊維の難燃性が長期間持続するという利点がありますが、高温の重合温度は副反応を引き起こし、ポリマーの性能に悪影響を及ぼします。
2. ブレンド方法: この方法では、溶融状態（溶融状態の繊維の混合物）で難燃剤を添加する必要があります。これには、難燃剤が熱安定性、ポリマー相溶性、および繊維に対する非耐性能を受ける必要があります。ポリマーと調和し、繊維の性能に影響を与えない高温難燃剤が必要です。
3. グラフト共重合: リンとハロゲンを含む化合物が化学的方法または高エネルギー放射線を使用して繊維の分子鎖にグラフトされ、難燃性が向上します [9-12]。グラフト共重合: 難燃性を高めるために、化学的方法または高エネルギー放射線を使用してリンおよびハロゲン化合物を繊維の分子鎖にグラフトします。
4. 難燃剤吸着法：難燃剤を繊維に吸着させる。これは単純だが効果は低い。
5. 繊維表面のハロゲン化：放射線による塩素化処理により、繊維表面に難燃性を付与します。
6. 後仕上げ方法: 難燃剤を繊維や生地の表面に均一に塗布します。この方法はシンプルで簡単に実行できますが、難燃効果は長く持続せず、生地の質感や色に影響を与える可能性があります。

難燃性繊維の製造経路

難燃性生地は通常、生地の表面を後仕上げし、さまざまな仕上げ方法を適用して繊維を難燃性にすることによって作られます。一般的な難燃仕上げ方法には、パディングとベーキング、吸尽染め、コーティング、スプレーなどが含まれます。

1. ディップローリング焼成法: 難燃剤を浸漬し、乾燥、焼成する最も一般的な難燃加工方法です。他の仕上げ方法（ソフト仕上げ）と同じ浴で行うことができます。 仕上げ工程（ソフト仕上げなど）と同じ浴で行うことができます。
2. 徹底した染色方法: 生地を難燃剤溶液に浸し、乾燥させます。疎水性合成繊維に適しており、通常は同じ浴で染色されます。この方法では難燃効果が乏しい。
3. 塗装方法: 難燃剤と架橋剤または接着剤を混合し、布地に塗布します。一般的な塗装方法には、スクレーパー塗装、キャスティング塗装、ローリング塗装などがあります。
4. S祈り方:厚手の生地エリアに使用されますが、この装置は一般的な仕上げ装置、手動または機械によるスプレー難燃性仕上げには適していません。スプレータイプ: 従来の仕上げ装置には適さない厚手の生地に適しています。難燃性仕上げは手動または機械スプレーによって行われます。

さまざまな繊維生地の難燃加工方法

1. ポリエステル繊維。ポリエステルは可燃性の材料であり、共重合、ブレンド、複合紡糸、および後仕上げ方法によって難燃処理が施されています。共重合法による難燃性は優れていますが、高価です。一方、ブレンド法は工程が簡単で経済的ですが、共重合による難燃化と同時に難燃化効果が比較的劣ります。これは、ブレンド法では難燃剤とポリマーの相乗効果が得られないためです。
2. ニトリル塩素化繊維：ブレンド（コポリマー）法による共重合法による接着難燃繊維として。優れた難燃性繊維は、塩素を含むモノマー（例えば、塩化ビニリデンとアクリロニトリル）の共重合から調製されます。例として、塩化ビニリデンとアクリロニトリルなどの塩素化モノマーの共重合の場合と同様に、より優れた難燃性機能が繊維に組み込まれます。 。
3. 綿生地: 基本的に着火しやすい生地なので、ある程度の難燃加工が必要です。難燃加工には 2 種類あり、1 つは非対応 (例: リン酸塩、塩化アンモニウム、その他の方法)、もう 1 つは対応可能 (例: テトラヒドロキシメチルリン酸塩化物は難燃剤です) です。難燃加工を施しております。
4. ウール生地：ウール自体は比較的高い難燃性を持っていますが、より高い難燃性能が必要な場合には、難燃加工を施す必要があります。従来の技術では、チタン、ジルコニウム、またはヒドロキシ酸の錯体および/または遊離錯体として仕上げ剤を適用し、ウールの性質をほとんど変えることなく難燃性を高めました。典型的なウール仕上げ剤は、繊維と複合体を形成し、ウールの感触を変えることなく難燃性のレベルを高めるチタンおよびジルコニウムの泥またはヒドロキシ酸です。
5. 麻生地: セルロース (麻繊維の大部分を構成する炭水化物ポリマー) は可燃性が高く、急速に発火します。一方、麻繊維は亀裂温度が最も低いため、リンを含む難燃剤の雹を処理し、炭化温度を上げて可燃性ガスの発生を抑えることで難燃効果を得ることが重要です。麻織物: 繊維上で紡績可能な麻繊維は燃える性質があり、分解温度が低いため簡単に壊れます。炭化プロセスと灰の放出を促進して炎と可燃性ガスを減らして炎を実現するために、リンを含む難燃剤が一般的に使用されます。 -遅延効果。
6. ナイロン生地：ナイロン生地の難燃加工は綿生地に比べて複雑であり、好ましい難燃剤は、ナイロンに対して高い難燃効果を有するチオ尿素やチオシアン酸アンモニウムなどの硫黄含有難燃剤である。ナイロン生地 ナイロン生地の難燃加工はより複雑で、チオ尿素やチオシアン酸アンモニウムなどの硫黄含有難燃剤が優れた難燃効果を発揮します。
7. ポリエステル/綿混紡生地: ポリエステル綿混紡生地の難燃加工はより困難ですが、これは2つの繊維の特性の違いによるものです。それぞれに異なる難燃処理が必要であり、相補的な難燃剤で補強する必要があります。難燃剤処理は通常、各成分に必要ですが、相乗的な難燃剤を使用することで処理できます。

7. 難燃性生地の試験方法

限界酸素指数 (LOI) 法

この技術は、酸素と窒素の混合ガス中で布地が発火するのに必要な最小酸素濃度を特定します。より高い LOl 値は難燃性を示します。このアプローチは価値がありますが、調査では日常の製造現場ではあまり活用されていません。

垂直燃焼方式

布地がどのように燃えるのか、着火するまでの時間、および特定の火炎設定下で生じる損傷の程度を調べることで、火炎特性の有効性を評価します。このアプローチは、さまざまな耐火性布地のテストに一般的に使用されており、特に中国語で普及しています。重要な役割を果たす標準。

45°傾斜燃焼方式

45 度の角度で置いたときの燃焼時間と損傷領域のサイズを測定することで、生地がどの程度耐炎性を備えているかを評価します。

表面焼成法

平らな面で炎がどのように、どのくらいの時間広がるかを測定して、生地の耐火性をテストしてみましょう。

8. 難燃性繊維の開発動向

世界の難燃性繊維の現状

ここ数年で、繊維製品の世界的な難燃技術は著しく進歩しました。さまざまな研究機関や企業が、ポリプロピレン難燃剤マスターバッチや、難燃性と帯電防止特性の両方を提供する複合ソリューションなど、難燃性を向上させるための材料や方法の研究に取り組んできました。研究プロジェクトの主な焦点は、高性能難燃性繊維の開発とその用途の探索であり、特に高い難燃性を備えた繊維と混紡生地での使用に注目しています。これらの繊維の酸素指数は 45 ～ 50 です。

さまざまな国でも、優れた耐火性を同時に備えたさまざまな難燃剤が開発されています。たとえば、BEGOODTEX は、さまざまな種類の天然繊維および合成繊維向けに設計された一連の難燃剤である Aquafyreguad™ を開発しました。

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1. 難燃繊維の開発強化

難燃繊維は生産量も用途も少ないため、軍事や消防などの特殊産業でも使用できることから、今後さらに高性能・多機能な難燃繊維の開発が望まれます。難燃繊維の収率と応用範囲は低く、将来的には、高性能および高機能の難燃繊維の研究、開発、生産作業に多大な研究と生産作業を行う必要があります。難燃性繊維、特に少数の特殊技術は軍事および戦闘火炎分野の展望を含む。

2. 多機能研究

現在、難燃性繊維のほとんどは難燃性の機能しか果たせません。中国BEGOODTEX社が発表 難燃性の多機能生地例: 難燃性および抗菌性 (FRANtiBact ™)、難燃性および防水性 (FRANTiAqua ™)、難燃性 GRS (GRSFRTex ™)、難燃性および耐紫外線性 (FRANTIUV ™)、および難燃性および遮光性 (AntiLightFR ™)難燃性および帯電防止 (FRStaticGuard ™)、難燃性および医療グレード(FRMediGuard™)。

3. 低毒性・低煙の難燃剤の研究開発

今後の傾向は、低毒性、低煙、無公害の難燃剤を開発することです。最近 BEGOODTEX は、環境に優しく、生分解性、ホルムアルデヒドフリー、化学薬品不使用、非刺激性、非アレルギー性の FR 100% コットンや FR 100% ビスコースなどの ECO 天然繊維を発売しました。 FR 100% コットンや FR 100% ビスコースなどの ECO 天然繊維は最近 BEGOODTEX によって導入され、環境に優しく、生分解性、ホルムアルデヒドフリー、化学物質フリー、非刺激性、非疲労性です。