皮芯復合阻燃疏水纖維的制備工藝

丁致家，齊 魯，高曉東，顏 冬

(1.天津工業(yè)大學生物與紡織材料研究所，天津300160;2.波司登股份有限公司博士后工作站，江蘇常熟215532)

隨著社會的進步，環(huán)保意識的提高，人們對織物的功能性也有了更多的要求，織物的阻燃性及防水性是目前研究的熱點。通過對化學纖維進行改性得到功能纖維是目前的主要手段，但改性纖維的可紡性受到影響。因此，探討改性纖維的紡絲、拉伸的工藝性能尤其重要。作者采用皮芯復合紡絲工藝，芯層料添加新型有機膦系阻燃劑賦予纖維阻燃性能。有機膦系阻燃劑具有較好的阻燃性能，較無機阻燃劑及含鹵素的阻燃劑更加環(huán)保、安全。皮層料添加適量的聚偏氟乙烯(PVDF)，賦予纖維疏水性能。此纖維較單一功能的阻燃或防水纖維具有更廣泛的應用領(lǐng)域，與前期工作中的無機阻燃劑改性聚酯(PET)纖維相比，其添加的有機膦系阻燃劑和防水劑對紡絲性能影響較小，紡絲穩(wěn)定，纖維力學性能較好，線密度低，可應用于服用面料［1－5］。

1 實驗

1.1 主要原料

PET切片:纖維級，中國石化儀征化纖股份有限公司產(chǎn);G-77阻燃劑:芳基聚磷三酯類，濟南三江阻燃制品有限公司產(chǎn);共聚阻燃母粒:由芳基聚磷酯類與PET共聚制得，濟南三江阻燃制品有限公司產(chǎn);阻燃母粒:G-77阻燃劑與PET質(zhì)量之比為7.25/100，極限氧指數(shù)(LOI)為 27.8%，自制;PVDF:上海東氟化工科技有限公司產(chǎn);相容劑:丙烯酸酯接枝聚烯烴彈性體，自制;助劑:鈦酸酯類偶聯(lián)劑，儀征天揚化工有限公司產(chǎn)。

1.2 儀器設(shè)備

SHR-25A型高速混合機:張家港海濱機械有限公司制;雙螺桿擠出造粒試驗機:南京達力特擠出機械有限公司制;紡絲試驗機:大連華綸化纖工程有限公司制;KV900I型牽伸機:山西同豐纖維機械有限公司制;JF-4型氧指數(shù)測定儀:南京市江寧區(qū)分析儀器廠制;LLY-06BD型電子單纖維強力儀:萊州市電子儀器有限公司制;JC2000C2型接觸角測量儀:上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司制。

1.3 實驗方法

1.3.1 芯層料的制備

將PET切片、G-77阻燃劑分別按一定的配方，先后加入高速混合機混合均勻，然后通過雙螺桿擠出機造粒制得芯層料改性阻燃PET切片。將芯層改性PET切片通過注塑機制備符合GB/T 2406.2——2009《塑料-用氧指數(shù)法測定燃燒性能》要求的實驗所需樣條，進行清洗，放入干燥箱，在70℃條件下干燥20 h，測試其LOI。

1.3.2 皮層料的制備

將自制阻燃母粒、共聚阻燃母粒、PVDF、相容劑以及助劑按照一定的配方(其中PVDF加入質(zhì)量分數(shù)為6%)，先后放入高速混合機中與PET混合均勻，然后通過雙螺桿擠出機造粒，制得皮層料的PET切片。將制備好的皮層切片通過注塑機制備，按1.3.1節(jié)條件制備樣條。

在制備皮層料和芯層料后，使用皮芯結(jié)構(gòu)紡絲組件進行紡絲，得到原絲，然后用牽伸機對原絲進行拉伸，得到不同紡絲速度和拉伸比的拉伸絲。工藝參數(shù)如表1～2所示，拉伸溫度分別為上盤35℃，中盤80℃，熱板105℃，下盤105℃。不同的配方根據(jù)紡絲的具體情況其溫度會有微調(diào)。

表1 芯層料和皮層料的雙螺桿擠出機造粒參數(shù)Tab.1 Granulation parameters of twin-screw extruder for the core and the sheath

表2 皮芯復合多功能纖維紡絲參數(shù)Tab.2 Spinning process parameters of sheath-core multifunctional composite fiber

1.4 測試

LOI:采用 GB/T 2406.2—2009《塑料-用氧指數(shù)法測定燃燒性能》以及頂面點燃法的點火方式，通過氧指數(shù)測定儀對皮層料和芯層料樣條進行測定。

力學性能:采用GB/T 14337—2008《化學纖維短纖維拉伸性能試驗方法》，間隔長度20 mm，拉伸速度20 mm/min，干定伸長強力的測定方法，通過單纖維強力儀測定皮芯復合多功能纖維的斷裂強度和斷裂伸長率。

疏水性能:采用JC2000C2型接觸角測量儀測定水對改性PET纖維的接觸角以表征其疏水性能，接觸角越大，疏水性能越強。

2 結(jié)果與討論

2.1 芯層料配方

通常將LOI大于27%的纖維定義為阻燃纖維。由圖 1可看出，當 mG－77/mPET為 7.00/100時，芯層料的LOI值達到27%以上。但阻燃劑含量的增加，PET的結(jié)構(gòu)破壞加大，芯層料黏度降低，考慮到G-77阻燃劑對可紡性的影響，通過紡絲實驗可知，當mG-77/mPET大于7.30/100時，紡絲過程中壓力不穩(wěn)定，后期壓力下降嚴重，不利于紡絲。故選取 mG-77/mPET為(7.00/100)～(7.30/100)時的芯層料進行紡絲實驗，并測試LOI，確定芯層配方。

圖1 不同G-77含量的芯層料的LOIFig.1 LOI of the core with different G-77 content

芯層料主要是保證纖維的阻燃性能，當mG-77/mPET為7.25/100 時，LOI值為 27.8%，符合阻燃要求，且紡絲效果較好，故實驗中確定芯層料阻燃劑 mG-77/mPET為7.25/100。

2.2 皮層料配方

由圖2可看出，含PVDF質(zhì)量分數(shù)為6%的皮層料與水的接觸角為83.4°，而未改性的PET的接觸角一般約70°，說明添加PVDF后的PET具有較好的疏水性，拓展了纖維的應用領(lǐng)域［6－8］。

圖2 含6%PVDF的皮層料與水的接觸角Fig.2 Water contact angle of the sheath with 6%PVDF

從表4可以看出，隨著共聚阻燃母粒含量的增加，皮層料的LOI有所降低。當自制阻燃母粒/共聚阻燃母粒(質(zhì)量比)為8.0/2.0時，其皮層料的LOI為27.9%，符合難燃材料的標準。但是此配方在紡絲時出現(xiàn)滴料、粘板等不良現(xiàn)象，使紡絲無法正常進行。其原因可能是加入過量的共聚阻燃母粒后，分子鏈結(jié)構(gòu)破環(huán)嚴重，黏度變小，在紡絲過程中皮層組分壓力降低，與芯層組分相差較大，當熔體細流經(jīng)過噴絲板細孔時速度相差較大，不能很好的復合在一起，致使滴料、黏板的發(fā)生。其他3個配方都能進行連續(xù)穩(wěn)定的紡絲，紡絲過程壓力穩(wěn)定。本實驗的復合纖維皮芯復合比20.0/40.5，阻燃性主要由芯層來體現(xiàn)，其 LOI為27.8%，皮層的LOI可適當降低到約26%，這樣能同時滿足阻燃功能性及可紡性、穩(wěn)定性等。

表4 不同配方的皮層料紡絲所得纖維的阻燃性及力學性能Tab.4 Flame retardance and mechanical properties of the fibers with different sheath formulation

由表4還可以看出，隨著自制阻燃母粒含量的增加，皮層料所紡制纖維的斷裂強度呈下降的趨勢。當自制阻燃母粒/共聚阻燃母粒質(zhì)量比為6.0/4.0 時，纖維的斷裂強度最大為 4.86 cN/dtex，但其在紡絲過程中，皮層壓力與芯層壓力有所波動，在紡絲后期出絲不穩(wěn)定，且其拉伸絲斷裂伸長率降低明顯，故選取自制阻燃母粒共聚阻燃母粒質(zhì)量比為7.0/3.0較為合適。

2.3 皮芯復合纖維力學性能的影響

由以上實驗最終確定皮芯復合阻燃疏水纖維原料配方為:芯層配方為G-77阻燃劑與PET質(zhì)量比為7.25/100;皮層配方為自制阻燃母粒與共聚阻燃母粒質(zhì)量比為7/3，添加質(zhì)量分數(shù)6%的PVDF和偶聯(lián)劑等助劑;紡絲皮芯復合比為20.0/40.5。此配方在不同卷繞速度和拉伸倍數(shù)下，皮芯復合阻燃疏水纖維的力學性能如表5所示。

表5 纖維在不同卷繞速度時的力學性能Tab.5 Mechanical properties of fibers at different winding speed

從表5可以看出，在1 200 m/min和1 400 m/min的卷繞速度下制得的復合纖維原絲，其拉伸效果也較好，特別是卷繞速度為1 200 m/min、總紡速為4 500 m/min時，即拉伸倍數(shù)為3.75時的效果最好，纖維斷裂強度大，為4.52 cN/dtex，線密度較小，為2.15 dtex，拉伸絲質(zhì)量也好，沒有毛絲。這是由于隨著卷繞速度提高，噴絲頭拉伸增大，紡程上軸向速度梯度增大，紡程張力提高，導致纖維取向增加，而取向又進一步誘導結(jié)晶，導致力學性能隨紡絲速度增加而單調(diào)遞增(實驗速度范圍內(nèi))，這與常規(guī)熔融紡絲原理是一致的［8－10］。但過低的卷繞又容易形成超喂，使得取向度過小，也不易于后續(xù)拉伸，故中低速1 200 m/min卷繞速度的原絲拉伸效果最好。

3 結(jié)論

a.使用G-77阻燃劑對PET進行阻燃改性，芯層料LOI能達到28%，達到難燃級別。皮層料LOI能達到26%以上，還有進一步改善的空間。

b.芯層料加入新型阻燃劑使得纖維具有較好的阻燃性，皮層添加共聚阻燃母粒進一步增強了纖維的阻燃功能，且加入的PVDF使得纖維具有了疏水性，其接觸角能達到83.4°，擴展了纖維的應用領(lǐng)域。

c.在皮層料中添加共聚阻燃母粒對紡絲有一定的影響，中低速紡絲效果較好，拉伸絲力學性能良好，能達到4 cN/dtex以上，較之前期的無機阻燃劑改性有大幅的提高。

d.皮層料自制阻燃母粒和共聚阻燃母粒質(zhì)量之比為7.0/3.0時，各方面綜合性能較好，最佳的卷繞速度為1 200 m/min，拉伸倍數(shù)為3.75。

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