阻燃Lyocell纤维的结构与性能

陈胜杰 蒋秋冉 芦长江 王 妮

1.东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室(中国)

2.山东芦氏特种面料科技有限公司(中国)

Lyocell纤维为一种再生纤维素纤维，具有良好的力学性能、优异的吸湿性和透气性及良好的染色性能，被广泛应用于纺织服装和装饰等领域。Lyocell纤维属于可再生资源，容易在自然界中被生物降解。然而，Lyocell纤维遇火极易燃烧，极限氧指数(LOI)仅约18%，这限制了其在生活、工业及其他领域的应用[1-2]。对Lyocell纤维进行阻燃改性以获得阻燃性能良好的阻燃Lyocell纤维，一直是纤维改性研究的重点方向之一。

与阻燃合成纤维相比，阻燃Lyocell纤维具有抗熔融滴落、不易产生浓烟等特点。因此，在高温环境下纤维不会因熔融滴落而灼伤皮肤，故阻燃Lyocell纤维的制备尤为重要[3]。阻燃改性的方法有共混法[4]、接枝共聚法[5]、后处理[6]及阻燃整理等。阻燃整理法又分为Banflam法[7]、Pyrovatex CP法[8]、四羟甲基氯化磷(THCP)/酰胺法[9]及Proban法[10]。本文主要探讨采用改性Proban法获得的阻燃Lyocell纤维的特性，并对比分析阻燃处理前后纤维结构与性能的变化。研究旨在为阻燃Lyocell纤维后续的加工与应用提供一定参考。

1 试验

1.1 材料

长38 mm、线密度为1.3 dtex的Lyocell原纤和经Proban法阻燃改性处理的阻燃Lyocell纤维，所有纤维试样均来自山东芦氏特种面料科技有限公司。

1.2 阻燃处理工艺

将阻燃剂THPC配置成一定质量浓度的水溶液，在一定的温度下，采用浸轧的方式对Lyocell纤维进行处理。然后对浸轧处理的纤维进行预烘和氨熏，再进行氧化、烘干和预缩处理，得到阻燃Lyocell纤维。阻燃处理过程中，浸有阻燃剂的纤维在氨熏设备中与氨发生反应，氨气渗入纤维中，将阻燃剂聚合成一种高相对分子质量的不溶性三维立体聚合物。

1.3 测试方法

1.3.1 LOI测试

参照GB/T 5454—1997《纺织品 燃烧性能试验 氧指数法》，从已调湿平衡的试样中随机而均匀地抽取约20 g纤维，采用HC-2C型氧指数测定仪测定纤维的LOI。

1.3.2 拉伸性能测试

参照GB/T 14337—2008《化学纤维 短纤维拉伸性能试验方法》，采用LLY-06 A型电子单纤维强力仪(莱州市电子仪器有限公司)测试纤维的拉伸性能。测试条件: 温度为20 ℃，相对湿度为65%，试样夹距为10 mm，预加张力为0.1 cN，拉伸速度为5 mm/min。测试次数为50次，结果取平均值。

1.3.3 表面形态表征

对纤维试样表面进行真空镀金后，采用DXS-10ACKT型扫描电子显微镜(SEM)观察纤维的纵向及横截面形态。

1.3.4 红外光谱测试

采用Nicolet 6700型傅里叶变换红外显微成像光谱仪(美国Perkin Elmer公司)对纤维试样进行红外光谱测试。测试波数范围为4 000～600 cm-1，仪器分辨率为4 cm-1。

1.3.5 结晶度测试

采用D/max-2550VB+/PC型18 kW转靶X射线衍射仪(日本理学株式会社)测试纤维试样的结晶度。转靶为铜靶，使用管电压为40 kV、管电流为150 mA的X射线管，扫描布拉格角2θ范围为5°～90°，步长为0.02°。

2 结果与讨论

2.1 LOI

纤维的阻燃性能常采用纤维的LOI表征。采用氧指数测定仪测试Lyocell原纤和阻燃Lyocell纤维的LOI可得，前者的LOI值为18.2%，后者的LOI值为34.6%。根据GB/T 5454，当纤维的LOI值大于或等于26.0%时，这种纤维属难燃纤维。因此可知，经阻燃处理的Lyocell纤维属难燃纤维，表明对Lyocell纤维所进行的阻燃改性处理是可行的。

2.2 拉伸性能

阻燃改性处理前后Lyocell纤维的拉伸性能测试结果见表1。由表1可以看出，经阻燃处理后，Lyocell纤维的断裂强度略有下降，但降低程度不明显；纤维初始模量也略呈下降趋势；其断裂伸长率与Lyocell原纤相比，出现了明显的下降。总体而言，经阻燃处理后，Lyocell纤维的力学性能略有下降，原因可能是将阻燃剂添加至纤维的过程中，这些阻燃剂颗粒首先进入纤维的无定形区并发生团聚，从而使阻燃处理后的Lyocell纤维在受力时易产生应力集中，导致纤维力学性能下降，但降低程度不大。因此可认为，该阻燃处理对Lyocell纤维力学性能的影响不大。

表1 阻燃处理前后Lyocell纤维的拉伸性能测试结果

2.3 表面形态

图1为阻燃处理前后 Lyocell纤维的纵向SEM图。由图1可以看出，Lyocell原纤和阻燃Lyocell纤维的纵向表面均较光滑而均匀，无明显的裂纹及沟槽等表面缺陷；在阻燃Lyocell纤维表面，出现了不同大小的微粒分布其上，这些微粒可能是未完全进入纤维内部而附着在纤维表面的阻燃剂颗粒。这表明并非所有的阻燃剂都进入了纤维内部。

图1 阻燃处理前后Lyocell纤维的纵向SEM图

图2为阻燃处理前后Lyocell纤维的截面SEM图。由图2可以看出，与Lyocell原纤相比，阻燃Lyocell纤维的截面孔隙减少，这些孔隙部分被阻燃剂颗粒填充，但阻燃剂颗粒在纤维截面上的分布并不均匀，这可能也是影响纤维拉伸性能的一个因素。

图2 阻燃处理前后Lyocell纤维的截面SEM图

2.4 红外光谱

图3 Lyocell原纤与阻燃Lyocell纤维的红外光谱图

2.5 结晶度

Lyocell原纤与阻燃Lyocell纤维的X-射线衍射图谱如图4所示。经计算机分峰计算可知，Lyocell原纤和阻燃Lyocell纤维的结晶度分别为36.34%和36.87%，表明阻燃处理对Lyocell纤维结晶度的影响不大。未处理和经阻燃处理的Lyocell纤维均在2θ为12.1°和19.8°处出现了分别对应于纤维素Ⅱ结晶结构的特征衍射峰，表明处理后的Lyocell纤维的特征衍射峰位置并未发生变化，即纤维的主要结晶结构没有发生变化，仍为纤维素Ⅱ型结晶结构。

图4 Lyocell原纤与阻燃Lyocell纤维的X射线衍射图

阻燃处理仅仅是将阻燃剂预缩体浸入纤维的非晶区及间隙，氨化过程也仅发生在纤维非晶区，并将形成的阻燃聚合体氧化稳定在非晶区。因此，阻燃处理并未改变纤维的结晶结构，这也是阻燃处理后纤维结晶度并没有发生明显改变的原因。这在一定程度上阐释了阻燃处理后纤维断裂强度未受明显影响的原因。

3 结论

本文主要探讨了经Proban法改性处理所得的阻燃Lyocell纤维的基本结构与性能，并将其与未处理的Lyocell原纤进行对比。研究结果发现，阻燃Lyocell纤维的LOI值达34.6%；阻燃整理对Lyocell纤维力学性能的影响不是很明显，与Lyocell原纤相比，阻燃处理后Lyocell纤维的断裂强度和初始模量分别下降了6.2%和12.5%，断裂伸长率由11.42%降至9.64%；阻燃处理前后Lyocell纤维的表面形态出现了一定程度的变化，纵向表面相比Lyocell原纤粗糙，截面上分布有阻燃剂颗粒且颗粒的分布不均匀；阻燃处理未改变Lyocell纤维的结晶结构，处理前后纤维的结晶度变化不大。