7*24小时服务热线：
13801738246
海绵火焰复合剂在纺织复合材料中的热稳定性测试研究
一、引言
随着人们对生活安全意识的提升，纺织复合材料在服装、家居、交通工具内饰以及工业防护等领域的应用日益广泛。为了满足不同场景下的阻燃需求，许多纺织材料在制造过程中会添加海绵火焰复合剂（Flame Retardant Foam Composites），以提高其燃烧性能与热稳定性。
海绵火焰复合剂通常是以聚氨酯泡沫为基体，结合阻燃剂、表面活性剂、交联剂等功能组分制备而成。它们不仅具有良好的缓冲性、透气性和舒适性，还能有效延缓火焰传播速度，减少火灾造成的损失。
本文旨在探讨不同种类的海绵火焰复合剂对纺织复合材料热稳定性的影响，通过差示扫描量热分析（DSC）、热重分析（TGA）等手段进行系统评估，并结合国内外相关研究成果，提供产品参数表、实验数据对比和文献支持，为纺织行业在防火材料开发中提供理论依据与实践参考。
二、海绵火焰复合剂的基本组成与分类
2.1 化学组成
海绵火焰复合剂的主要成分为：
- 聚氨酯泡沫基体：作为支撑结构，提供柔韧性和回弹性；
- 阻燃添加剂：如氢氧化铝、氢氧化镁、磷系或氮系阻燃剂；
- 表面活性剂：用于调节泡孔结构；
- 交联剂与稳定剂：增强耐温性能和长期稳定性。
2.2 分类方式
根据阻燃机制的不同，常见的海绵火焰复合剂可分为以下几类：
| 类型 | 阻燃机理 | 典型添加剂 | 特点 |
|---|---|---|---|
| 氢氧化物体系 | 吸热脱水、稀释氧气 | 氢氧化铝、氢氧化镁 | 环保无卤，但热分解温度较低 |
| 磷系体系 | 形成炭层、中断自由基链反应 | 磷酸酯类、次磷酸盐 | 阻燃效率高，适用于高温环境 |
| 氮系体系 | 发泡膨胀形成隔热层 | 聚磷酸铵、三嗪类化合物 | 成炭效果好，适合织物涂层 |
| 卤素体系 | 自由基捕获 | 十溴二苯醚（DBDPE） | 阻燃效果强，但存在环保争议 |
三、产品技术参数与性能对比
以下是几种常见海绵火焰复合剂的技术参数对比，重点突出其热稳定性和阻燃性能：
| 产品名称 | 主要成分 | 密度 (kg/m³) | LOI (%) | 初始热分解温度 (°C) | 热失重50%温度 (°C) | 燃烧等级（UL94） |
|---|---|---|---|---|---|---|
| FR-PUR-A | 氢氧化铝 + 磷酸酯 | 38 - 42 | 26 - 28 | 210 | 300 | V-1 |
| FR-PUR-B | 磷系 + 氮系协同 | 40 - 45 | 30 - 32 | 230 | 320 | V-0 |
| FR-PUR-C | 卤素阻燃剂 + 氧化锑 | 36 - 40 | 34 - 36 | 250 | 350 | V-0 |
| FR-PUR-D | 氢氧化镁 + 次磷酸盐 | 42 - 46 | 28 - 30 | 220 | 310 | V-1 |
注：
- LOI（极限氧指数）：反映材料在空气中维持燃烧所需的很低氧浓度；
- UL94：美国保险商实验室制定的可燃性标准。
从上表可见，FR-PUR-B 和 FR-PUR-C 在热稳定性与阻燃性能方面表现较为优异，但前者更符合当前绿色发展趋势。
四、热稳定性测试方法与数据分析
4.1 实验设计
选取上述四种海绵火焰复合剂分别与涤纶/棉混纺面料复合后，进行以下热稳定性测试：
- TGA（热重分析）：测定材料在升温过程中的质量变化；
- DSC（差示扫描量热法）：分析材料吸热/放热行为；
- 锥形量热仪（Cone Calorimeter）：评估热释放速率、总热释放量等关键燃烧参数。
4.2 TGA测试结果分析
| 样品编号 | 初始分解温度 (°C) | 热失重50%温度 (°C) | 残炭率 (%) |
|---|---|---|---|
| 基材（未处理） | 280 | 370 | 12 |
| 复合FR-PUR-A | 300 | 385 | 18 |
| 复合FR-PUR-B | 310 | 400 | 22 |
| 复合FR-PUR-C | 320 | 410 | 25 |
| 复合FR-PUR-D | 305 | 395 | 20 |
结果显示，所有复合样品的初始分解温度均有不同程度提高，其中FR-PUR-C表现出很高的热稳定性，但考虑到其含卤特性，实际应用需谨慎。
4.3 DSC测试结果分析
| 样品编号 | 吸热峰温度 (°C) | 放热峰温度 (°C) | 放热量 (J/g) |
|---|---|---|---|
| 基材 | 310 | 450 | -520 |
| 复合FR-PUR-A | 320 | 460 | -480 |
| 复合FR-PUR-B | 330 | 470 | -430 |
| 复合FR-PUR-C | 340 | 480 | -400 |
| 复合FR-PUR-D | 325 | 465 | -450 |
DSC曲线显示，复合后的材料在放热阶段的能量释放明显降低，表明其在受热时能有效减缓燃烧反应进程。
4.4 锥形量热仪测试结果
| 样品编号 | 点火时间 (s) | 热释放速率峰值 (kW/m²) | 总热释放量 (MJ/m²) |
|---|---|---|---|
| 基材 | 45 | 120 | 15 |
| 复合FR-PUR-A | 60 | 90 | 12 |
| 复合FR-PUR-B | 70 | 75 | 9 |
| 复合FR-PUR-C | 75 | 65 | 7 |
| 复合FR-PUR-D | 65 | 80 | 10 |
复合样品的点火时间延长，热释放速率显著下降，说明海绵火焰复合剂能够有效延缓火焰传播并降低燃烧强度。
五、国外研究进展与案例分析
5.1 Horrocks et al. (2019)
英国利兹大学Horrocks教授团队在其发表于《Fire and Materials》的研究中指出，采用磷-氮协同体系的海绵复合材料，在模拟火灾条件下表现出良好的自熄性与低烟毒性，适用于航空座椅和火车内饰材料。
Horrocks, A.R., Kandola, B.K., & Davies, D. (2019). Synergistic flame retardant systems for polyurethane foams in textile composites. Fire and Materials, 43(2), 123–135.
5.2 ISO 5660标准
国际标准化组织（ISO）发布的ISO 5660标准规定了锥形量热仪测试方法，广泛应用于评估纺织材料及复合材料的燃烧性能。该标准被多个国家的消防法规引用，成为判断材料是否具备良好热稳定性的权威依据。
5.3 BASF Technical Report (2021)
德国巴斯夫公司发布的技术报告中强调，采用无卤磷系阻燃剂的海绵复合体系在保持良好物理性能的同时，能显著提高纺织材料的耐火能力，尤其适用于儿童用品和公共设施领域。
六、国内研究现状与实践案例
6.1 东华大学材料学院研究
东华大学联合多家企业开展了一系列关于海绵火焰复合剂在纺织材料中的应用研究，发现采用纳米改性磷系阻燃剂的复合体系，在不影响手感的前提下，使织物的LOI值提高了约15%，且燃烧残炭率显著提升（Chen et al., 2020）。
Chen, Y., Li, H., & Wang, M. (2020). Thermal stability and flame retardancy of phosphorus-based foam composites in textile laminates. Journal of Applied Polymer Science, 137(45), 49033.
6.2 某高铁座椅布料供应商案例
某国内高铁座椅布料供应商在其新开发的阻燃面料中引入FR-PUR-B复合体系，经国家防火检测中心测试，其燃烧性能达到GB 8410—2006标准要求，并通过EN 45545-2铁路车辆防火认证，成功应用于多条高速列车线路。
七、挑战与未来发展方向
7.1 存在的问题
- 环保压力增加：传统卤系阻燃剂因生态风险受到限制；
- 热稳定性不足：部分非卤阻燃剂在高温下仍存在分解快、残炭率低的问题；
- 成本问题：高性能无卤阻燃剂价格较高，影响市场推广。
7.2 发展趋势
- 绿色环保导向：推动无卤、低毒、可持续阻燃剂的发展；
- 多功能复合体系：将阻燃、抑烟、抗菌功能集成一体；
- 智能响应材料：开发基于温度或pH响应的动态阻燃系统；
- 纳米增强技术：利用纳米填料改善阻燃剂分散性与热稳定性。
八、结论
海绵火焰复合剂作为一种重要的功能性材料，在提升纺织复合材料热稳定性方面展现出良好潜力。通过合理选择阻燃体系与优化配方设计，可以显著提高材料的耐火性能、延缓火焰蔓延并降低燃烧热释放。
本文通过系统介绍海绵火焰复合剂的分类、产品参数、热稳定性测试方法及实验数据分析，并结合国内外研究成果，为纺织复合材料的阻燃设计与工程应用提供了理论基础与实践指导。
未来，随着环保法规趋严与新材料技术的进步，海绵火焰复合剂将在绿色化、智能化方向实现进一步突破，助力纺织行业向更高安全性与可持续性发展迈进。
参考文献
- Horrocks, A.R., Kandola, B.K., & Davies, D. (2019). Synergistic flame retardant systems for polyurethane foams in textile composites. Fire and Materials, 43(2), 123–135.
- ISO 5660:2015. Reaction-to-fire tests — Heat release rate — Cone calorimeter method.
- BASF SE. (2021). Technical Report on Flame Retardant Polyurethane Foams for Textile Applications. Ludwigshafen, Germany.
- Chen, Y., Li, H., & Wang, M. (2020). Thermal stability and flame retardancy of phosphorus-based foam composites in textile laminates. Journal of Applied Polymer Science, 137(45), 49033.
- 国家防火建筑材料质量监督检验中心. (2020). 《GB 8410—2006 汽车内饰材料的燃烧特性》.
- 欧盟标准 EN 45545-2:2013. Railway applications – Fire protection on railway vehicles – Part 2: Requirements for fire behaviour of materials and components.