LOTAN 纖維性能測(cè)試研究*

張瑩 賈哲昆 馬新安 蔡普寧(陜西省紡織科學(xué)研究所，西安，710038)

LOTAN 纖維性能測(cè)試研究*

張瑩 賈哲昆 馬新安 蔡普寧
(陜西省紡織科學(xué)研究所，西安，710038)

將LOTAN纖維和幾種阻燃纖維的性能，如極限氧指數(shù)(LOI值)、回潮率、體積比電阻、斷裂強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性、化學(xué)性能等進(jìn)行了對(duì)比與分析，發(fā)現(xiàn)LOTAN纖維:LOI值高于39%，可用于生產(chǎn)阻燃防護(hù)紡織品;回潮率高、體積比電阻較大，可紡性差;斷裂強(qiáng)度低，但熱穩(wěn)定性好;耐酸性優(yōu)于耐堿性;煙氣毒性試驗(yàn)評(píng)定級(jí)別為F0～F1，纖維具有良好的環(huán)保性能。

LOTAN纖維，阻燃，性能

2012年2月，首屆紡織科技新見(jiàn)解學(xué)術(shù)沙龍與會(huì)者一致認(rèn)為，阻燃纖維應(yīng)向“提高性能、降低成本”的方向發(fā)展，這樣才有利于產(chǎn)品的市場(chǎng)應(yīng)用與推廣。同時(shí)，總后勤部軍需裝備研究所教授級(jí)高工施楣梧提出，阻燃纖維在向“中高性能、中低價(jià)位”方向發(fā)展的同時(shí)，應(yīng)把強(qiáng)度、舒適性、適中的價(jià)格，兼顧易染色、隔熱、少煙、無(wú)毒、無(wú)熔滴等作為重要的要素加以考慮［1］。

聚丙烯腈纖維，又名腈綸，是由85%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))以上的丙烯腈和其他單體共聚制成，其有著優(yōu)良的性能，如密度小，彈性較好，蓬松卷曲柔軟，保暖性良好，耐日光和耐氣候性優(yōu)良，耐酸、耐氧化劑并耐一般有機(jī)溶劑，產(chǎn)量(質(zhì)量)在化纖領(lǐng)域超過(guò)10%;但其極限氧指數(shù)(LOI值)在所有紡織用合成纖維中最低，僅為18%左右，屬易燃纖維。

LOTAN纖維是吉林吉盟腈綸有限公司通過(guò)共聚阻燃改性、共混阻燃改性、阻燃后整理及熱氧化等方法，于2012年開(kāi)發(fā)生產(chǎn)出的一種高性能阻燃纖維，其本質(zhì)是一種改性腈綸，但其阻燃和耐高溫等性能都優(yōu)于腈氯綸。LOTAN纖維LOI值超過(guò)39%，阻燃耐高溫性能優(yōu)異，同時(shí)還具有低煙、低毒、不熔融、不收縮、價(jià)格較低等特點(diǎn)。這將對(duì)開(kāi)發(fā)高性能防護(hù)材料、阻燃防火材料和高溫耐火過(guò)濾材料等產(chǎn)業(yè)用紡織品起到積極的促進(jìn)作用，其在紡織行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景［2-4］。

本文針對(duì)LOTAN纖維的物理化學(xué)性能進(jìn)行了研究，并與常見(jiàn)阻燃纖維進(jìn)行了對(duì)比。

1 試驗(yàn)材料

LOTAN纖維(3.0 tex×51 mm，吉林吉盟腈綸有限公司)，阻燃黏膠(2.2 tex×51 mm，奧地利蘭精公司)，芳砜綸(2.2 tex×51 mm，上海特氨綸纖維有限公司)，對(duì)位芳綸(1.6 tex×51 mm，煙臺(tái)泰和新材料股份有限公司)，間位芳綸(2.2 tex×51 mm，煙臺(tái)泰和新材料股份有限公司)，腈綸(2.8 tex×38 mm，吉林吉盟腈綸有限公司)。

2 性能測(cè)試及結(jié)果分析

2.1 LOI值

采用ON－1型燃燒性試驗(yàn)器(スガ試驗(yàn)機(jī)株式會(huì)社)，參照GB/T 5454—1997標(biāo)準(zhǔn)［5］，對(duì)幾種阻燃纖維的LOI值進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 LOI值測(cè)試結(jié)果

由表1可知:LOTAN纖維的LOI值(高于39%)超過(guò)了芳砜綸(33%)、對(duì)位芳綸(29%)和間位芳綸(29%)，遠(yuǎn)高于棉(18%)和腈綸(18%)。因此，LOTAN纖維可應(yīng)用于耐高溫阻燃防火防護(hù)用品。

2.2 回潮率

采用YG747C型八籃烘箱(南通宏大實(shí)驗(yàn)儀器有限公司制)，參照GB/T 9995—1997標(biāo)準(zhǔn)［6］，對(duì)幾種阻燃纖維進(jìn)行回潮率的測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 回潮率測(cè)試結(jié)果

從表2可以看出:LOTAN纖維的回潮率最大，達(dá)到13.4%。這說(shuō)明LOTAN纖維的吸濕性在所測(cè)阻燃纖維中最好，原因與LOTAN纖維在本質(zhì)上屬腈綸有關(guān)。丙烯腈是腈綸纖維的第一單體，即腈綸纖維的主體，其對(duì)纖維的物理化學(xué)性能發(fā)揮著主要作用。丙烯腈纖維大分子中所含的氰基可吸附水分子，同時(shí)纖維改性也引入了更多的極性基團(tuán)。因此，LOTAN纖維的吸濕性較高、回潮率較大。

2.3 體積比電阻

采用YG321型纖維比電阻測(cè)試儀(南通宏大實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)，參照GB/T 14342—1993標(biāo)準(zhǔn)［7］，對(duì)幾種阻燃纖維進(jìn)行體積比電阻測(cè)試，測(cè)試結(jié)果取2次平行試驗(yàn)結(jié)果的平均值，詳見(jiàn)表3。

表3 體積比電阻測(cè)試結(jié)果

體積比電阻與纖維的可紡性密切相關(guān)。當(dāng)纖維體積比電阻超過(guò)1.00×109Ω·cm［測(cè)試條件:溫度(20±2)℃，相對(duì)濕度63%～67%］時(shí)，纖維在紡紗過(guò)程中易產(chǎn)生靜電。如這些靜電不能及時(shí)消除，則會(huì)在纖維表面形成積聚，出現(xiàn)纖維黏連和繞羅拉等現(xiàn)象，使纖維可紡性變差，給紡紗加工帶來(lái)困難。表3中，除阻燃黏膠外，其他幾種阻燃纖維的體積比電阻都高于1.00×109Ω·cm，紡紗都存在一定難度。因此，為了使LOTAN纖維紡紗順利，需加入一定的水和油劑。

2.4 斷裂強(qiáng)度

采用YG004E型電子單纖維強(qiáng)力機(jī)(寧波紡織儀器廠)，參照GB/T 14337—2008標(biāo)準(zhǔn)［8］，對(duì)幾種阻燃纖維的斷裂強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果取50次測(cè)試的平均值(表4)。

表4 斷裂強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

纖維強(qiáng)度是纖維制品其他物理性能得以充分發(fā)揮的必要基礎(chǔ)。軸向拉伸是纖維受力的主要形式，纖維的彎曲性能也與其拉伸性能有關(guān)，因此纖維的拉伸性能是衡量其力學(xué)性能的重要指標(biāo)［9］。從表4中可以看出，LOTAN纖維的斷裂強(qiáng)度僅為1.4 cN/dtex，在所測(cè)阻燃纖維中最小，原因與LOTAN纖維在本質(zhì)上屬腈綸有關(guān)，腈綸結(jié)晶區(qū)的不完整性會(huì)導(dǎo)致纖維分子鏈形成側(cè)向有序、縱向無(wú)序的不規(guī)則排列［10］193，纖維受外力拉伸后易斷裂。因此，LOTAN纖維的低強(qiáng)度是其用于紡織防護(hù)面料的主要缺陷所在，后續(xù)阻燃防護(hù)面料開(kāi)發(fā)中應(yīng)加以解決。

2.5 熱輻射性能

2.6 熱穩(wěn)定性

為了解LOTAN纖維在不同溫度下的斷裂強(qiáng)度變化情況，對(duì)其進(jìn)行了熱穩(wěn)定性測(cè)試，結(jié)果如圖1所示。

圖1 LOTAN纖維熱穩(wěn)定性變化曲線

從圖1可以看出:隨著溫度的升高，LOTAN纖維的斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)先增大，并在110℃時(shí)達(dá)到最大值，隨后繼續(xù)升高溫度，斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)降低;當(dāng)溫度從25℃升高到200℃，LOTAN纖維的斷裂強(qiáng)度降低了30%，斷裂伸長(zhǎng)只降低了20%。這表明，LOTAN纖維的熱穩(wěn)定性較好，其在110℃時(shí)仍具有較好的斷裂強(qiáng)度。

2.7 化學(xué)性能

為了解LOTAN纖維的物理性能在化學(xué)試劑中的變化情況，分別選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)皆為4%的HCl溶液和NaOH溶液，于60℃處理120 h后測(cè)試LOTAN纖維的斷裂強(qiáng)度，并與間位芳綸、腈綸進(jìn)行對(duì)比。

2.7.1 耐酸性

耐酸性測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

統(tǒng)計(jì)學(xué)處理 采用SPSS 23.0、Stata 14.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。通過(guò)SPSS 23.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述分析，將數(shù)值變量轉(zhuǎn)化為分類變量，通過(guò)單因素方差分析和卡方檢驗(yàn)，比較不同年份研究對(duì)象年齡、性別及發(fā)病率的差異性。采用單因素分析和卡方檢驗(yàn)分析研究對(duì)象在開(kāi)放式隊(duì)列中哮喘發(fā)病的影響因素。由于本研究發(fā)生哮喘結(jié)局的研究對(duì)象人數(shù)所占總的觀察對(duì)象比例較小，因此，多因素分析采用適用于罕見(jiàn)結(jié)局發(fā)生率的多因素Poisson回歸模型，使用Stata 14.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件建立多因素Poisson回歸模型，將哮喘發(fā)生結(jié)局作為被解釋變量納入Poisson回歸模型中，該模型設(shè)定P<0.05具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖2 酸對(duì)纖維斷裂強(qiáng)度的影響

從圖2可以看出:經(jīng)120 h酸處理后，間位芳綸斷裂強(qiáng)度變化明顯，而LOTAN纖維和腈綸耐酸性相對(duì)較好，兩者斷裂強(qiáng)度只略有下降，原因是LOTAN纖維和腈綸同屬于碳鏈高分子物，大分子主鏈對(duì)酸較穩(wěn)定，只是大分子側(cè)基可能在酸的作用下發(fā)生了部分水解［10］195，造成纖維強(qiáng)度略有下降。

2.7.2 耐堿性

耐堿性測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 堿對(duì)纖維斷裂強(qiáng)度的影響

從圖3可以看出:經(jīng)120 h堿處理后，三種纖維的斷裂強(qiáng)度均下降明顯，但LOTAN纖維斷裂強(qiáng)度降幅小于其他兩種纖維。其原因在于LOTAN纖維改性(如共聚阻燃改性、共混阻燃改性及熱氧化等)過(guò)程中，其大分子鏈上引入了某些XYZ基團(tuán)，使氰基數(shù)量減少，弱化了本質(zhì)屬腈綸的LOTAN纖維在堿催化下發(fā)生水解反應(yīng)，故而斷裂強(qiáng)度高于腈綸;而間位芳綸中的酰胺鍵在堿性條件下會(huì)發(fā)生水解，同時(shí)60℃的水浴溫度會(huì)加速水解反應(yīng)，故而間位芳綸斷裂強(qiáng)度降幅最大。

2.7.3 小結(jié)

通過(guò)耐酸、耐堿性試驗(yàn)可以得出，LOTAN纖維在強(qiáng)酸和強(qiáng)堿的環(huán)境中，斷裂強(qiáng)度損失在三者中相對(duì)較少，且LOTAN纖維更耐酸。因此，LOTAN纖維更適合在酸性環(huán)境中使用。

2.8 煙氣級(jí)別

表5將面密度為150 g/m2的LOTAN纖維非織造材料與其他幾種常見(jiàn)阻燃織物的煙氣級(jí)別進(jìn)行了對(duì)比。

表5 煙氣級(jí)別對(duì)比

從表5可見(jiàn)，LOTAN纖維煙氣級(jí)別為F0～F1，環(huán)保性能良好，其改善了腈綸燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生氰化氫及其他氰化物等毒性氣體的缺點(diǎn)，具有較好的市場(chǎng)前景。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)可以得出:

(1)LOTAN纖維具有高的回潮率和較大的體積比電阻，紡紗存在一定難度，因此為了使紡紗順利進(jìn)行，需加入一定的水和油劑。

(2)LOTAN纖維具有較高的LOI值，良好的熱輻射性能，低煙、低毒，可用于開(kāi)發(fā)環(huán)保型耐高溫阻燃防護(hù)紡織品，但這種纖維斷裂強(qiáng)度較低，因此可考慮通過(guò)混紡提高織物的強(qiáng)度。

(3)LOTAN纖維耐酸、耐堿性相對(duì)較好，且耐酸性優(yōu)于耐堿性，因此，LOTAN纖維更適合在酸性環(huán)境中使用。

［1］梁楓，陶璐璐.阻燃纖維性能提上去、價(jià)位降下來(lái)［N］.中國(guó)紡織報(bào)，2012－02－28(1).

［2］冷雪妍.吉林化纖成功研發(fā)高性能阻燃纖維［N］.中國(guó)紡織報(bào)，2014－08－05(7).

［3］崔瑞芳.試析我國(guó)腈綸工業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展前景［J］.山東紡織科技，2001(4):54－56.

［4］高敏惠.我國(guó)腈綸工業(yè)的發(fā)展前景［J］.合成纖維工業(yè)，2001，24(1):6－9.

［5］GB/T 5454—1997紡織品燃燒性能試驗(yàn)氧指數(shù)法［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1997.

［6］GB/T 9995—1997紡織材料含水率和回潮率的測(cè)定烘箱干燥法［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1997.

［7］GB/T 14342—1993合成短纖維比電阻試驗(yàn)方法［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1993.

［8］GB/T 14337—2008化學(xué)纖維短纖維拉伸性能試驗(yàn)方法［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［9］姚穆.紡織材料學(xué)［M］.3版.北京:中國(guó)紡織出版社，2009:51－53.

［10］崔淑玲，胡雪敏.纖維化學(xué)與物理［M］.石家莊:河北科技大學(xué)，2003:193－195.

［11］EN ISO 6942－2002 Protect ivec lothing-protect ion against heat and fire——Method of test:Evaluation of materials and material assemblies when exposed to a source of radiant heat［S］.Brussels:European Committee for Standardization，2002.

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The test study on the properties of LOTAN fiber

Zhang Ying，Jia Zhekun，Ma Xin'an，Cai Puning
(The Textile Science and Technology Institute of Shaanxi Province)

The properties of LOTAN fiberwere analyzed and compared with several common flame retardant fibers，such as LOI value，moisture regain，volume specific resistance，breaking strength，thermal stability and chemical properties.The results showed that，LOI value of LOTAN fiber wasmore than 39%，which suited for flame retardant protective textile;moisture regain and volume specific resistance were high，while spinnability was poor;breaking strength was low but thermal stability was good;acid resistance was better than alkali resistance;evaluation lever of smoke toxicity test was F0～F1，which exhibited good environmental performance.

LOTAN fiber，flame retardant，property

TS102.6

:A

:1004－7093(20 15)09－0016－04

*陜西省西部外經(jīng)貿(mào)發(fā)展促進(jìn)資金項(xiàng)目

2014－12－26;修改日期:2015－09－06

張瑩，女，1984年生，工程師。研究方向?yàn)楣δ苄约徔椘泛彤a(chǎn)業(yè)用紡織品。