阻燃粘胶纤维的性能研究

朱正锋,齐大鹏,蔡丽丽,马瑞丽

(1.中原工学院;2.河南省功能性纺织材料重点实验室,郑州 450007;3.西安工程大学,西安 710048)

阻燃粘胶纤维的性能研究

朱正锋1,2,齐大鹏1,2,蔡丽丽1,2,马瑞丽3

(1.中原工学院;2.河南省功能性纺织材料重点实验室,郑州 450007;3.西安工程大学,西安 710048)

基于某公司以天然纤维素纤维经共混技术在添加磷系阻燃剂下生产的Anti-frayon阻燃粘胶纤维为实验材料,研究了纤维的力学性能和模拟日光下力学性能的变化,并对比了阻燃粘胶纤维与普通粘胶纤维阻燃性能,为阻燃功能性面料的开发提供了一定的参考依据.

粘胶纤维;模拟日光;力学性能;阻燃

粘胶纤维早在20世纪初就实现了工业化生产.因其与棉纤维相近的吸湿性能和回潮率符合人体皮肤的生理要求,同时具有光滑清爽、抗静电等特性[1],广泛应用于服装、家纺等领域.但粘胶纤维属易燃纤维,熔融温度高于热裂解温度(280～380℃)和燃烧温度(420℃).随着装饰用品的阻燃要求越来越高,很多国家考虑控制可燃性[2],在这种情况下,对粘胶纤维的改性要求越来越迫切.对废弃物的填埋和焚烧,也会对环境形成二次污染[3],因此,从20世纪80年代开始,逐渐兴起了可降解材料的研究[4-7].本文基于某公司以天然纤维素纤维经共混技术在添加磷系阻燃剂下生产的Anti-frayon阻燃粘胶纤维为实验材料,研究了纤维的力学性能和模拟日光下力学性能的变化,并对比了阻燃粘胶纤维与普通粘胶纤维阻燃性能,为阻燃性功能面料的开发提供了一定的参考依据.

1 实验及结果分析

1.1 阻燃粘胶聚合度的测试

实验仪器:乌氏粘度计,毛细管直径为0.55 mm,a和b间体积为4.1 m l.

实验材料:Anti-frayon阻燃粘胶纤维、普通粘胶纤维.

实验原理:如图1所示,通过测量一定液体(a和b刻度间的液体)流过一定长度的毛细管(b和c间的距离)所需要的时间来计算液体的粘度.它的原理就是分析流体流过毛细管的阻力.粘度计算如式(1)所示,用粘度表示聚合度.

图1 乌氏粘度计

式中:μ—粘度;R—毛细管直径;ρ—液体的密度;g—重力加速度;t—溶液完全流过毛细管的时间;V—a和b间的体积.

实验结果如表1所示.

表1 纤维聚合度实验结果

由表1可以看出,普通粘胶纤维的聚合度明显高于Anti-frayon阻燃粘胶纤维的聚合度,由此可以预测Anti-frayon阻燃粘胶纤维的结晶度小于普通粘胶纤维的结晶度,无定形区大于普通粘胶纤维.因此纤维的力学性能明显低于普通粘胶纤维,吸湿性能高于普通粘胶纤维.

1.2 阻燃粘胶纤维的力学性能测试

实验仪器及材料:XQ-1型纤维强伸度仪、400 W紫外灯(主波 280～340 nm)、粘胶纤维及1.33 dtex/38 mm Anti-frayon阻燃粘胶纤维.实验结果如表2所示.

表2 力学性能实验结果

图4 断裂伸长率图

由实验得出如下结论:

(1)由图3、图4可知,在紫外线灯照射的前100 h,纤维的断裂强度和断裂伸长都变化剧烈,在900 h以后,趋于平缓,变化缓慢.同时由图2-图4可知,普通粘胶的初始模量大于阻燃粘胶纤维的初始模量,这是由于在纺丝的时候共混入了阻燃剂,降低了纤维的聚合度,聚合度对纤维的力学性能影响很大,随着聚合度的增加,分子链间的总的次价键力增大[8].由实验结果可知,由于粘胶纤维的聚合度较低,只有265,结晶度、取向度也较低,价键力的总和小于主价力,所以在外力作用下容易因分子链间的相对滑移而使纤维断裂.在潮湿状态下,由于水分子的溶胀作用,使分子间作用力消弱,更容易发生分子链间的相对滑移,所以粘胶纤维的湿强度比干强度低得多[9],同时阻隔了纤维中大分子链堆砌的紧密度,降低了纤维的强度和屈服应力,并且由于共混也造成纤维分子链段取向度的降低,导致纤维主价键力、氢键和范德华力的分布不均,造成了阻燃粘胶强力低于普通阻燃粘胶.由表1及图3可以看出,纤维的湿强仅为干强的50%～60%,湿态的断裂伸长率更大,且比干态时变化速率更快.这些也都是由于纤维湿润后,消弱了大分子间的作用力,导致大分子链段容易滑移的结果.

(2)由图3可知,随着紫外线的照射,纤维的强力是逐渐降低的,在达到900 h左右时,纤维的强度大概是原纤维强度的50%.这是由于纤维素大分子中C—C键或C—O键的键能约为3.35×105～3.77×105J/mol(80～90 kcal/mol),紫外线可以直接使纤维素发生光降解.同时,紫外线所具有的能量可以使纤维的自由基活化,并与周围空气中的氧发生反应,导致纤维强力的减弱,这也是粘胶纤维在日光照射下变黄的原因.由于阻燃粘胶纤维中共混的磷系阻燃剂可以与氧气发生更为剧烈的反应,导致阻燃粘胶纤维在日光照射下比普通粘胶纤维强力下降更快.

1.3 阻燃性能实验

实验仪器及材料:LCK-09氧指数测定仪、美国PE公司DEL TA 7系列 TGA-7型热分析仪、普通粘胶纤维及1.33 dtex/38 mm的Anti-frayon阻燃粘胶纤维.

实验结果如表3及图5、图6所示.

表3 实验结果及分析

对普通粘胶纤维及Anti-frayon阻燃粘胶纤维热失重(TGA)进行分析.实验结果如图5、图6所示.

由实验可知,Anti-frayon纤维的极限氧指数大于26,有很好的阻燃效果.将图6与图5对比可知,阻燃粘胶纤维在匀速升温的过程中,出现了一个吸热点和一个放热点2个波峰,当曲线下降到一定程度后,有一个缓冲,然后再继续迅速下降,这说明阻燃粘胶纤维吸收一定热量后开始分解蒸发,到一定温度时,内部的分解蒸发缓慢,部分分子再次重组结晶[10],即二次结晶,这一现象稳定一段时间后,重新吸收热量,进入质量的二次锐减过程.这也说明了A nti-frayon纤维阻燃效果,由于先放热降低了纤维内部的热量,使得纤维外部形成热团,阻隔热量的进入,起到了很好的阻燃效果.这是由于阻燃剂的脱水,从而引发焦炭的形成,促使左旋葡萄糖裂解,进而减少可燃性气体,减弱燃烧.

2 结 语

(1)通过对阻燃粘胶纤维的聚合度及模拟日光照射下的断裂强度及断裂伸长分析可知,共混阻燃剂的加入降低了纤维的聚合度及力学性能;随着紫外线的照射,纤维的强力是逐渐降低的,达到900 h左右时,纤维的强度大概是原纤维强度的50%,紫外线可以直接使纤维素发生光降解.同时,紫外线所具有的能量可以使纤维的自由基活化,并与周围空气中的氧发生反应,导致纤维强力的减弱,由于阻燃粘胶纤维中共混的磷系阻燃剂可以与氧气发生更为剧烈的反应,导致阻燃粘胶纤维在日光照射下比普通粘胶纤维强力下降更快.

(2)Anti-frayon纤维在匀速升温的过程中,出现了一个吸热点和一个放热点2个波峰,当曲线下降到一定程度后,有一个缓冲,然后再继续迅速下降,阻燃粘胶纤维吸收一定热量后.开始分解蒸发,到一定温度时,内部的分解蒸发缓慢,部分分子再次重组结晶[5],即二次结晶,这一现象稳定一段时间后,重新吸收热量,进入质量的二次锐减过程.由于先放热降低了纤维内部的热量,使得纤维外部形成热团,阻隔热量的进入,并由于阻燃剂的脱水从而引发焦炭的形成,促使左旋葡萄糖裂解,进而减少可燃性气体,减弱燃烧.通过对阻燃粘胶纤维极限氧指数和热失重分析可知,A nti-frayon纤维的极限氧指数大于26,有很好的阻燃效果.

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Research on the Properties of Antiflam ing Fibre

ZHU Zheng-feng1,2,Q IDa-peng1,2,CA ILi-li1,2,M A Rui-li3
(1.Zhongyuan University of Technology;2.Henan Key Laborato ry of Functional Textiles M aterial,Zhengzhou 450007;3.Xi’an Polytechnic University,Xi’an 710048,China)

The experimentmaterials used in this paper were based on FRC named Anti-frayon from Shandong Helon Co.,L td.w hich is made from natural cellulose fiber using the blending technology to add Phosphorus containing retardant to gain it.M echanical p ropertiesof fibers and the differencesof mechanical p roperties under the simulated sunlight w ere researched and analysised,aslo included the differencesof the limited oxygen index(LO I)between viscose and Anti-frayon.Reference frame of anti-flaming fabrics’development is supp lied.

fibre;sim ulated sunlight;mechanical p roperties;antiflam ing

TS102.51+1

A DO I:10.3969/j.issn.1671-6906.2010.04.010

1671-6906(2010)04-0037-04

2010-07-12

朱正锋(1957-),男,河南三门峡人,教授.