阻燃粘膠纖維的性能研究

朱正鋒,齊大鵬,蔡麗麗,馬瑞麗

(1.中原工學(xué)院;2.河南省功能性紡織材料重點實驗室,鄭州 450007;3.西安工程大學(xué),西安 710048)

阻燃粘膠纖維的性能研究

朱正鋒1,2,齊大鵬1,2,蔡麗麗1,2,馬瑞麗3

(1.中原工學(xué)院;2.河南省功能性紡織材料重點實驗室,鄭州 450007;3.西安工程大學(xué),西安 710048)

基于某公司以天然纖維素纖維經(jīng)共混技術(shù)在添加磷系阻燃劑下生產(chǎn)的Anti-frayon阻燃粘膠纖維為實驗材料,研究了纖維的力學(xué)性能和模擬日光下力學(xué)性能的變化,并對比了阻燃粘膠纖維與普通粘膠纖維阻燃性能,為阻燃功能性面料的開發(fā)提供了一定的參考依據(jù).

粘膠纖維;模擬日光;力學(xué)性能;阻燃

粘膠纖維早在20世紀(jì)初就實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn).因其與棉纖維相近的吸濕性能和回潮率符合人體皮膚的生理要求,同時具有光滑清爽、抗靜電等特性[1],廣泛應(yīng)用于服裝、家紡等領(lǐng)域.但粘膠纖維屬易燃纖維,熔融溫度高于熱裂解溫度(280～380℃)和燃燒溫度(420℃).隨著裝飾用品的阻燃要求越來越高,很多國家考慮控制可燃性[2],在這種情況下,對粘膠纖維的改性要求越來越迫切.對廢棄物的填埋和焚燒,也會對環(huán)境形成二次污染[3],因此,從20世紀(jì)80年代開始,逐漸興起了可降解材料的研究[4-7].本文基于某公司以天然纖維素纖維經(jīng)共混技術(shù)在添加磷系阻燃劑下生產(chǎn)的Anti-frayon阻燃粘膠纖維為實驗材料,研究了纖維的力學(xué)性能和模擬日光下力學(xué)性能的變化,并對比了阻燃粘膠纖維與普通粘膠纖維阻燃性能,為阻燃性功能面料的開發(fā)提供了一定的參考依據(jù).

1 實驗及結(jié)果分析

1.1 阻燃粘膠聚合度的測試

實驗儀器:烏氏粘度計,毛細(xì)管直徑為0.55 mm,a和b間體積為4.1 m l.

實驗材料:Anti-frayon阻燃粘膠纖維、普通粘膠纖維.

實驗原理:如圖1所示,通過測量一定液體(a和b刻度間的液體)流過一定長度的毛細(xì)管(b和c間的距離)所需要的時間來計算液體的粘度.它的原理就是分析流體流過毛細(xì)管的阻力.粘度計算如式(1)所示,用粘度表示聚合度.

圖1 烏氏粘度計

式中:μ—粘度;R—毛細(xì)管直徑;ρ—液體的密度;g—重力加速度;t—溶液完全流過毛細(xì)管的時間;V—a和b間的體積.

實驗結(jié)果如表1所示.

表1 纖維聚合度實驗結(jié)果

由表1可以看出,普通粘膠纖維的聚合度明顯高于Anti-frayon阻燃粘膠纖維的聚合度,由此可以預(yù)測Anti-frayon阻燃粘膠纖維的結(jié)晶度小于普通粘膠纖維的結(jié)晶度,無定形區(qū)大于普通粘膠纖維.因此纖維的力學(xué)性能明顯低于普通粘膠纖維,吸濕性能高于普通粘膠纖維.

1.2 阻燃粘膠纖維的力學(xué)性能測試

實驗儀器及材料:XQ-1型纖維強(qiáng)伸度儀、400 W紫外燈(主波 280～340 nm)、粘膠纖維及1.33 dtex/38 mm Anti-frayon阻燃粘膠纖維.實驗結(jié)果如表2所示.

表2 力學(xué)性能實驗結(jié)果

圖4 斷裂伸長率圖

由實驗得出如下結(jié)論:

(1)由圖3、圖4可知,在紫外線燈照射的前100 h,纖維的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長都變化劇烈,在900 h以后,趨于平緩,變化緩慢.同時由圖2-圖4可知,普通粘膠的初始模量大于阻燃粘膠纖維的初始模量,這是由于在紡絲的時候共混入了阻燃劑,降低了纖維的聚合度,聚合度對纖維的力學(xué)性能影響很大,隨著聚合度的增加,分子鏈間的總的次價鍵力增大[8].由實驗結(jié)果可知,由于粘膠纖維的聚合度較低,只有265,結(jié)晶度、取向度也較低,價鍵力的總和小于主價力,所以在外力作用下容易因分子鏈間的相對滑移而使纖維斷裂.在潮濕狀態(tài)下,由于水分子的溶脹作用,使分子間作用力消弱,更容易發(fā)生分子鏈間的相對滑移,所以粘膠纖維的濕強(qiáng)度比干強(qiáng)度低得多[9],同時阻隔了纖維中大分子鏈堆砌的緊密度,降低了纖維的強(qiáng)度和屈服應(yīng)力,并且由于共混也造成纖維分子鏈段取向度的降低,導(dǎo)致纖維主價鍵力、氫鍵和范德華力的分布不均,造成了阻燃粘膠強(qiáng)力低于普通阻燃粘膠.由表1及圖3可以看出,纖維的濕強(qiáng)僅為干強(qiáng)的50%～60%,濕態(tài)的斷裂伸長率更大,且比干態(tài)時變化速率更快.這些也都是由于纖維濕潤后,消弱了大分子間的作用力,導(dǎo)致大分子鏈段容易滑移的結(jié)果.

(2)由圖3可知,隨著紫外線的照射,纖維的強(qiáng)力是逐漸降低的,在達(dá)到900 h左右時,纖維的強(qiáng)度大概是原纖維強(qiáng)度的50%.這是由于纖維素大分子中C—C鍵或C—O鍵的鍵能約為3.35×105～3.77×105J/mol(80～90 kcal/mol),紫外線可以直接使纖維素發(fā)生光降解.同時,紫外線所具有的能量可以使纖維的自由基活化,并與周圍空氣中的氧發(fā)生反應(yīng),導(dǎo)致纖維強(qiáng)力的減弱,這也是粘膠纖維在日光照射下變黃的原因.由于阻燃粘膠纖維中共混的磷系阻燃劑可以與氧氣發(fā)生更為劇烈的反應(yīng),導(dǎo)致阻燃粘膠纖維在日光照射下比普通粘膠纖維強(qiáng)力下降更快.

1.3 阻燃性能實驗

實驗儀器及材料:LCK-09氧指數(shù)測定儀、美國PE公司DEL TA 7系列 TGA-7型熱分析儀、普通粘膠纖維及1.33 dtex/38 mm的Anti-frayon阻燃粘膠纖維.

實驗結(jié)果如表3及圖5、圖6所示.

表3 實驗結(jié)果及分析

對普通粘膠纖維及Anti-frayon阻燃粘膠纖維熱失重(TGA)進(jìn)行分析.實驗結(jié)果如圖5、圖6所示.

由實驗可知,Anti-frayon纖維的極限氧指數(shù)大于26,有很好的阻燃效果.將圖6與圖5對比可知,阻燃粘膠纖維在勻速升溫的過程中,出現(xiàn)了一個吸熱點和一個放熱點2個波峰,當(dāng)曲線下降到一定程度后,有一個緩沖,然后再繼續(xù)迅速下降,這說明阻燃粘膠纖維吸收一定熱量后開始分解蒸發(fā),到一定溫度時,內(nèi)部的分解蒸發(fā)緩慢,部分分子再次重組結(jié)晶[10],即二次結(jié)晶,這一現(xiàn)象穩(wěn)定一段時間后,重新吸收熱量,進(jìn)入質(zhì)量的二次銳減過程.這也說明了A nti-frayon纖維阻燃效果,由于先放熱降低了纖維內(nèi)部的熱量,使得纖維外部形成熱團(tuán),阻隔熱量的進(jìn)入,起到了很好的阻燃效果.這是由于阻燃劑的脫水,從而引發(fā)焦炭的形成,促使左旋葡萄糖裂解,進(jìn)而減少可燃性氣體,減弱燃燒.

2 結(jié) 語

(1)通過對阻燃粘膠纖維的聚合度及模擬日光照射下的斷裂強(qiáng)度及斷裂伸長分析可知,共混阻燃劑的加入降低了纖維的聚合度及力學(xué)性能;隨著紫外線的照射,纖維的強(qiáng)力是逐漸降低的,達(dá)到900 h左右時,纖維的強(qiáng)度大概是原纖維強(qiáng)度的50%,紫外線可以直接使纖維素發(fā)生光降解.同時,紫外線所具有的能量可以使纖維的自由基活化,并與周圍空氣中的氧發(fā)生反應(yīng),導(dǎo)致纖維強(qiáng)力的減弱,由于阻燃粘膠纖維中共混的磷系阻燃劑可以與氧氣發(fā)生更為劇烈的反應(yīng),導(dǎo)致阻燃粘膠纖維在日光照射下比普通粘膠纖維強(qiáng)力下降更快.

(2)Anti-frayon纖維在勻速升溫的過程中,出現(xiàn)了一個吸熱點和一個放熱點2個波峰,當(dāng)曲線下降到一定程度后,有一個緩沖,然后再繼續(xù)迅速下降,阻燃粘膠纖維吸收一定熱量后.開始分解蒸發(fā),到一定溫度時,內(nèi)部的分解蒸發(fā)緩慢,部分分子再次重組結(jié)晶[5],即二次結(jié)晶,這一現(xiàn)象穩(wěn)定一段時間后,重新吸收熱量,進(jìn)入質(zhì)量的二次銳減過程.由于先放熱降低了纖維內(nèi)部的熱量,使得纖維外部形成熱團(tuán),阻隔熱量的進(jìn)入,并由于阻燃劑的脫水從而引發(fā)焦炭的形成,促使左旋葡萄糖裂解,進(jìn)而減少可燃性氣體,減弱燃燒.通過對阻燃粘膠纖維極限氧指數(shù)和熱失重分析可知,A nti-frayon纖維的極限氧指數(shù)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

朱正鋒(1957-),男,河南三門峽人,教授.