在床垫和家具用作填料的阻燃织物

1、发明领域

本发明涉及在床垫和家具中特别用作防火填料(batting)的耐火织 物。

2、发明描述

加利福尼亚州已经率先致力于管制和降低床垫和床垫套件的易 燃性，力图减少家庭、旅馆和公共机构的火灾中生命损失的数量。 尤其是，加利福尼亚州消费者事务处家庭家具和绝热局(the Bureau of Home Furnishings and Thermal Insulation of the Department of Consumer Affairs of the State of California)2004年7月发布了技术公 告603″家居用床垫/盒式弹性套件大开放抗燃性的要求和测试方法 (Requirements and Test Procedure for Resistance of a Residential Mattress/Box Spring Set to a Large Open-Flame)″，以量化床垫套件的 易燃性能。确定适合作为阻火物的一种筛选织物的测量为使用测量 织物的热性能温度(TPT)的试验，该热性能温度为通过屏障织物的热 量的正线性函数值。低热性能温度值表示织物是好的火焰绝缘体， 将有助于阻止热传递到物品例如床垫的内部区域。

有几种将阻火物掺入床垫的方法，然而，在许多情况中，优选 将现有材料层之一更换成可用作防火层的一层。尤其是，大多数床 垫具有高伸缩性(loft)纤维填料，假如该填料由易燃材料制备，则可 提供另外的燃料。用具有低热性能温度的材料替代这种高伸缩性材 料通常代表可接受的解决方案。

耐火纤维素纤维可有效地用于使床垫保热，然而这些填料是典 型地致密，触摸不柔软。

PCT公布WO 03/023108公开了用于床垫和家具类家具的非织造 高伸缩性阻火物。这些阻火物具有非常低的密度，5至50千克/米3， 最优选7.5至15千克/米3。优选的非织造高伸缩性阻火物包含纤维 掺混物，所述纤维包括固有耐火和抗直焰所致收缩的纤维，和得自 用卤化单体制备的聚合物的纤维。

美国专利申请公布US 2004/0060119公开了具有阻火层和绝热层 的阻燃织物。阻火层可由芳族聚酸胺和改性聚丙烯腈纤维的掺混物 组成，绝热层可由耐火粘胶纤维和改性聚丙烯腈纤维组成或衍生自 耐火粘胶纤维和改性聚丙烯腈纤维。

这些专利申请公开了许多类型的织物，但没公开织物的热性能 温度、织物的密度和织物的期望柔软度之间任何所期望的关系。因 此，需要可用作床垫中填料的织物和具有低热性能温度和高柔软度 的家具。

发明概述

本发明涉及在防火物品如床垫和家具用作填料的耐火织物，和 将该织物掺入物品中的方法。该织物包含：

(a)含纤维素的纤维，该纤维当在空气中以20℃/分钟的速度加热 到700℃时，其重量保留至少10％，和

(b)绒毛，其中基于(a)和(b)计，(b)以15％-70％重量存在。

在优选的方案中，织物将具有至少一种以下特性：

(a)125℃至500℃的热性能温度，

(b)依照修改的ASTM D 6571-01，在24小时测得压缩至少40％，

(c)0.3至6.0磅/英尺3(5至96千克/米3)的密度，和

(d)3至18盎司/码2(102至610克/米2)的基础重量。

本发明也涉及将织物掺入最终制备物品，例如床垫或家具中的 填料中的方法。

附图简述

图1为热性能温度与织物中绒毛含量的曲线图，绒毛含量基于 纤维素纤维和绒毛计。在该图中显示的所有织物具有5.0盎司/码2 (169.5克/米2)的标称基础重量，其中20％为粘合性纤维。

发明详述

在本发明中，第一必需材料为纤维素纤维，当以20℃/分钟的速 度在空气中加热时，其重量保留至少10％。

优选的纤维素纤维为由粘胶纤维形成的纤维，该粘胶纤维含水 化二氧化硅，该水化二氧化硅为具有硅酸铝位置的硅酸形式。这样 的纤维和制备这样的纤维的方法于美国专利第5,417,752号和PCT专 利申请WO 9217629中一般性公开。芬兰的Sateri Oy公司出售含硅 酸的粘胶纤维，商标为Visil。

在本发明中，第二必需材料为例如来自绵羊和山羊的动物绒毛。 由于可获得性和成本，优选绵羊的绒毛。基于纤维素纤维和绒毛计， 存在于织物中的绒毛量为15％-70％重量。优选，同样以纤维素纤维 和绒毛计，绒毛将为20％-50％。

本文所使用的重量也可以依照ASTM D 6242-98测定的基础重 量表达。

虽然织造和非织造织物均在本发明的范围内，但是优选的实施 方案是含粘合剂的非织造织物。优选的非织造织物是具有热塑性粘 合剂的高伸缩性填料。

通过施加热活化优选的粘合剂。优选的粘合剂是纤维形式，即 鞘/芯双组分纤维，其具有聚酯均聚物的芯和共聚酯的鞘，例如一般 得自日本Unitika Co.(例如以商标MELTY销售)。可使用一般用于 在纤维网中粘合纤维的其它粘合剂，例如热塑性粉末或纤维。

优选耐火织物的热性能温度为125℃-500℃。更优选为200-400 ℃。

当用于本文时，使用同样的仪器，利用Protective Ensemble for Structural Fire Fighting 2000版第6-10部分的NFPA 1971标准，测量 热性能温度。在数据获得模式下操作仪器。将2卡/厘米2/秒(8.38焦 耳/厘米2/秒)的热流量加在织物上，持续90秒。在该时间内，使用放 置在直接与织物的背面(基层)接触的量热计，测量通过材料的热量。 该量热计轻微地压迫试验材料。在90秒结束时显示的量热计热电偶 的温度代表热性能温度。该温度是通过试验样品转移热量的正线性 函数，因此可用于比较一种织物和另一种织物的绝热性能。

在阻燃织物的优选实施方案中，进一步期望的特性是感觉为柔 软和舒适。描述这样的舒适的一种方法是其在最小施加负荷时的压 缩能力。虽然可按不同的方法测量该特性，但是在本发明情况中， 按ASTM标准D 6571-01，但用17.6磅(8千克)重量、12×12英寸(30.4 ×30.4厘米)的织物样品尺寸修正的方法测量压缩。

本发明的试验方法涉及在17.6磅(8千克)重量下压缩样品6小 时，去除负荷，允许样品恢复10分钟，然后测量样品厚度。该样品 厚度称为初始样品厚度，是最终测定％压缩后的起始值。按上述测量 初始厚度之后，又立即在17.6磅(8千克)重量下压缩样品24小时， 然后测量带负荷和压缩的样品厚度。该厚度值称为最终厚度。根据 这些初始厚度和最终厚度，按以下公式计算％压缩：

％压缩＝[(初始厚度-最终厚度)/初始厚度]×100

该试验方法在本文标记为修改的ASTM D6571-01。试验方法可 描述为进行6小时压缩期和10分钟恢复期，以获得起始条件的样品， 然后其需要24小时期，以获得最终的压缩厚度，由此计算％压缩。

认为起始织物样品涉及织物例如填料，该填料在实际用于最终 材料例如一部分床垫、家具、睡袋、床罩等之前，典型地以卷状物 形式贮藏。例如，当按照加利福尼亚州试验标准TB603试验时，作 为床垫中填料的织物可导致在30分钟试验期间峰热释放速率小于200 kW，在实验开始的10分钟内总热释放小于25MJ。

本发明的织物可获得的重要特性是织物被评价为柔软的能力。 可理解柔软度是主观术语，因人而异。还有，感觉为柔软的织物和 相反的不柔软的织物之间没有明显的界限。还有，例如用作家具的 感觉柔软的织物当作为床垫结构的一部分时，可能感觉不柔软。然 而，对于本发明的目的，当依照前述修改的ASTM D6571-01测量时， 柔软的织物具有至少40％的压缩。

假如需要较高的热性能，可增加纤维素和绒毛填料的总基础重 量。假如在阻燃试验期间需要较高的热性能以及增强的结构完整性， 可能需要将另外的材料加到纤维素纤维和绒毛中。例如，这些材料 是耐热的，包括芳族聚酸胺特别是对-芳族聚酸胺、聚氮茚、聚苯并 咪唑和聚酰亚胺。一般而言，材料以纤维存在。

优选，耐火织物的密度为0.3-6.0磅/英尺3(5-96千克/米3)，和更 优选密度为0.3-4.3磅/英尺3(5-70千克/米3)。

影响热性能温度的耐火织物的另一特性为重量/单位面积，或基 础重量。合适的基础重量为3-18盎司/码2(102-610克/米2)，和更优 选4-12盎司/码2(136-407克/米2)。基础重量可按照ASTM D6242-98 测量。

假如将阻燃织物用作填料以及期望另外的持久性或强度，例如 通过缝制或使用胶粘剂，可将这样的织物与另一种织物例如织造或 非织造平纹织物接触和连接。

在以下的实施例中，除非另外说明，所有的份和百分率基于重 量，和温度为摄氏温度。前面已描述试验测量法。另外，也在所述 的不同时间期间测量压缩。

在以下实施例中，采用以下材料：

粘合剂：共聚物聚酯鞘/聚酯芯纤维，其具有约120℃的熔融温 度，4dpf(4.4dtex)的单一长丝旦数，和2英寸(51毫米)的平均切割 长度，由Samyang Corporation提供。

耐火材料型号33AP Visil纤维素纤维，具有

纤维素：得自Sateri Oy，具有3.5dpf(3.9dtex)的单一长丝旦数， 2英寸(51毫米)的平均切割长度。

绒毛：54S数字计数级冲洗和梳理的绵羊绒毛，平均切割长度为 2英寸(51毫米)。

芳族聚酸胺：聚对苯二甲酰对苯二胺，由E.I.du Pont de Nemours and Company以Kevlar970型提供，具有2.25dpf(2.50dtex)的单一 长丝旦数，2英寸(51毫米)的平均切割长度。

当以特定的加热速度加热到高温时，用于本发明的纤维保留一 部分它们的纤维重量。采用得自特拉华州纽华克的TA Instruments (Waters Corporation的分部)的2950型热重量分析仪(TGA)，测量该 纤维重量。TGA给出样品重量损失-递增温度的扫描。使用TA通用 分析程序，可在任何记录的温度下测量百分重量损失。程序特征由 以下步骤组成：平衡样品至50℃，将样品放置在500微升陶瓷杯(PN 952018.910)样品容器内，和升高空气的温度，通过将热电偶直接放 置在样品容器口上来测量，按20℃/分钟从50℃升至1000℃，采用10 ml/分钟供应的空气。试验方法如下：使用TGA屏蔽，TGA在TA 系统2900控制器上编程。输入样品ID，设计所选择20℃/分钟的升 温程序。用仪器的皮重功能称取空样品杯皮重。纤维样品切成约1/16″ (0.16厘米)长度，样品盘松散地装填样品。样品重量应该为120至60 mg。TGA具有天平，因此不必预先测定精确的重量。所有样品均不 应该在盘外。将填入的样品盘装在天平金属丝上，确保热电偶靠近 盘的顶部边缘但不接触它。将加热炉升高至高于盘，TGA开始。一 旦程序完成，TGA将自动降低加热炉，取出样品盘，并置于冷却模 式。然后使用TA系统2900通用分析程序，分析和产生重量损失百 分率在整个温度范围内的TGA扫描。

第I部分

使用将纤维展开和掺混的常规梳理/滑车机器(garnet machines)和 交叉铺网机，将表1所述填料形式的织物掺混。使用通风烘箱热固 着织物，然后在室温下冷却。

对于织物样品A至E中的每一个和对于样品F，没有将织物样 品装在仪器中，记录了10个不同的测量数据。计算平均基础重量和 平均热性能温度。另外也计算基础重量和热性能温度两者的95％置 信限。数值见表1中所示。

表1

样品

  A   B   C   D   E   F   ％绒毛   0   25   38   50   100   0   标称基础重量   5   (170)   5   (170)   5   (170)   5   (170)   5   (170)   0.0   (0.0)   平均基础重量   4.8   (163.7)   5.4   (183.1)   5.1   (172.9)   4.8   (162.7)   6.2   (210.2)   0.0   (0.0)   平均基础重量   的95％置信限   0.2   (6.8)   0.2   (6.8)   0.3   (10.2)   0.3   (10.2)   0.2   (6.8)   0.0   密度   17.6   (0.018)   18.1   (0.018)   18.3   (0.018)   21.9   (0.022)   19.4   (0.019)   0   (0.0)   热性能温度的   平均值   315   316   285   324   730   678   平均热性能温度   的95％置信限   15   16   12   13   32   11

(1)所有重量为盎司/码2(克/米2)。

(2)％绒毛仅基于绒毛和纤维素计。

(3)所有样品(除标记为F的样品无织物外)包括以总样品基础重 量计，占20％的粘合性纤维。

(4)密度为盎司/英尺3(克/厘米3)，通过ASTM D6242-98测量。

(5)温度为℃

根据表1，可得到以下观察结论：

(a)对于样品F，即无织物存在进行的热性能温度测量。温度 比无纤维素的样品E(即仅含绒毛和粘合剂)的更低

(b)将样品A至E与由″混合规则″计算的期望热性能温度对 比，认为该″混合规则″预测：绒毛/纤维素织物的热性能温度应该＝ 绒毛的重量百分比×绒毛的热性能温度+纤维素的重量百分比× 纤维素的热性能温度。

图1显示基于存在于织物中的绒毛和纤维素计，随着绒毛的百 分比增加，按″混合规则″的热性能温度得到预想不到的改善。织物样 品的标称基础重量为5盎司/码2(169克/米2)，织物重量的20％是粘 合剂。

第II部分

表2包含依照上述修改的ASTM D 6571-01获得的％压缩数据

样品中有两个不包含芳族聚酸胺，它们各自在表2结束时鉴别。 样品A和D与第I部分的样品A和D相同。厚度值以英寸(厘米)表 示。

表2

  起始厚度   最终厚度  样品A   厚度   1.44(3.66)   0.94(2.39)   ％压缩   0   34.7％  样品D   厚度   1.38(3.51)   0.69(1.75)   ％压缩   0   50.0％  样品G   厚度   3.06(7.77)   1.94(4.93)   ％压缩   0   366％  样品H   厚度   2.50(6.35)   1.25(3.18)   ％压缩   0   50.0％

样品A为80％纤维素和20％粘合剂(即0％绒毛)。

样品D为40％绒毛、40％纤维素和20％粘合剂(即基于绒毛和纤 维素计，绒毛占50％)

样品G为40％纤维素、20％粘合剂和40％芳族聚酸胺(即0％绒 毛)

样品H为29％绒毛、29％纤维素、13％粘合剂和29％芳族聚酸 胺(即基于绒毛和纤维素计，绒毛占50％)

样品A(不包含绒毛或芳族聚酸胺)和样品H(不包含绒毛但包含 芳族聚酸胺)没达到至少40％的最小压缩

样品D(包含绒毛但不包含芳族聚酸胺)和样品H(包含绒毛和芳 族聚酸胺两者)具有50％的压缩。

发明背景