高溫真空處理對(duì)阻燃粘膠纖維性能影響

楊　旭

(江西服裝學(xué)院， 江西 南昌 330201)

高溫真空處理對(duì)阻燃粘膠纖維性能影響

楊旭

(江西服裝學(xué)院， 江西 南昌 330201)

文章通過(guò)高溫真空處理對(duì)阻燃粘膠纖維不同時(shí)間，分析高溫真空處理對(duì)阻燃粘膠纖維的性能影響。研究表明，除纖維斷裂伸長(zhǎng)率外，經(jīng)過(guò)不同高溫真空處理不同時(shí)間后，纖維熱學(xué)、斷裂強(qiáng)度及結(jié)晶度均有不同程度的下降，且變化幅度最大的溫度區(qū)間在300～400℃，而纖維分子結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)高溫真空處理保持纖維素Ⅱ的晶型結(jié)構(gòu)不變。

高溫真空；阻燃粘膠；熱學(xué)；分子結(jié)構(gòu)；力學(xué)性能

阻燃粘膠纖維是在阻燃抗熔滴性能基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的極限氧指數(shù)高于28的新型纖維材料，不僅具有普通粘膠纖維優(yōu)良的抗靜電、舒服、透氣、手感柔軟等特點(diǎn)，還具有防止較好的抗熔融和防止火焰蔓延、低煙不釋放毒氣等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于特種防護(hù)服及高檔家居裝飾品[1]。目前，通過(guò)纖維改性使得粘膠纖維具有阻燃性能的方法主要是通過(guò)接入具有阻燃性能大分子鏈段的共聚法和將阻燃劑與紡絲液共混進(jìn)行紡絲制得阻燃粘膠纖維的共混法[2]。本文通過(guò)研究南通羅萊化纖有限責(zé)任公司采用共混法生產(chǎn)的阻燃粘膠纖維在真空高溫下的纖維性能，為新型阻燃粘膠纖維的開(kāi)發(fā)提供一定的參考依據(jù)。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)材料

磷系阻燃粘膠纖維(規(guī)格：1.33 dtex×36 mm)、丙酮(分析純)。

1.2實(shí)驗(yàn)儀器

RN2-300-7真空回火爐，NETZSCH STA409PC同步熱分析儀，F(xiàn)A2004電子分析天平，CT-C-Ⅰ熱風(fēng)循環(huán)烘箱，LRHS-225B-LH恒溫恒濕試驗(yàn)箱，XQ-1型纖維強(qiáng)伸度儀。

1.3實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1阻燃粘膠高溫處理將阻燃粘膠纖維投入到丙酮溶液中浸泡5 min后取出，采用傾斜式?jīng)_洗的方式使用蒸餾水對(duì)浸泡丙酮后的阻燃纖維進(jìn)行反復(fù)清洗，以除去阻燃粘膠纖維表面的雜質(zhì)，防止實(shí)驗(yàn)誤差的產(chǎn)生。將清洗后的阻燃粘膠纖維再放置到溫度為105℃的烘箱中干燥至恒重。

使用天平分別稱(chēng)取5份干燥后的阻燃粘膠纖維，每份阻燃粘膠纖維10 g。取其中4份，放置到RN2-300-7真空回火爐中(在真空狀態(tài)下防止纖維在高溫狀態(tài)下的燃燒)，分別在溫度200℃的條件下保持1 h，3 h，6 h，10 h。按照同樣的實(shí)驗(yàn)方法，在溫度為300℃、400℃、600℃處理阻燃粘膠纖維。

1.3.2熱學(xué)性能

取僅經(jīng)丙酮溶液清洗后的阻燃粘膠纖維與經(jīng)600℃處理10 h的阻燃粘膠纖維剪成纖維碎末，在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下使用NETZSCH STA409PC同步熱分析儀對(duì)阻燃粘膠纖維進(jìn)行熱性能測(cè)試。NETZSCH STA409PC同步熱分析儀升溫速率為20℃/min，阻燃粘膠纖維實(shí)驗(yàn)溫度為室溫～700℃。

1.3.3X衍射

取僅經(jīng)丙酮溶液清洗后的阻燃粘膠纖維與經(jīng)600℃處理10 h的阻燃粘膠纖維剪成纖維碎末，依據(jù)XRD-6000島津X射線(xiàn)衍射儀的實(shí)驗(yàn)要求將粘膠纖維碎末制成纖維壓片。粘膠纖維X衍射測(cè)試條件：X衍射掃描的起始角為5°，終止角為45°；掃描步寬為0.02°；掃描電壓為30 kV；掃描電流為20 mA；射線(xiàn)管為Cu靶；掃面方式為連續(xù)掃描，掃描速度為 4°/min；接收狹縫為0.30；防散射狹縫為1；發(fā)散狹縫為1；波長(zhǎng)為0.154 nm；單色化方法為石墨單色器；掃描段數(shù)為1；疊加次數(shù)為1。

使用分峰軟件對(duì)僅經(jīng)丙酮溶液清洗后的阻燃粘膠纖維與經(jīng)600℃處理10 h的阻燃粘膠纖維的X衍射曲線(xiàn)進(jìn)行分峰處理，使用公式1計(jì)算實(shí)驗(yàn)前后阻燃粘膠纖維的結(jié)晶度[3]。

(1)

式(1)中，Cr代表阻燃粘膠纖維結(jié)晶度/%；Sa代表阻燃粘膠纖維無(wú)定形峰積分面積；Sc代表阻燃粘膠纖維結(jié)晶峰積分面積。

1.3.4力學(xué)性能

將每個(gè)溫度處理的每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的阻燃粘膠纖維(未經(jīng)處理的阻燃粘膠纖維標(biāo)記為處理時(shí)間為0 h)放置到恒溫恒濕試驗(yàn)箱中，設(shè)置恒溫恒濕試驗(yàn)箱的溫度為20℃，相對(duì)濕度為65%，在該環(huán)境條件下平衡24 h后待用。使用XQ-1型纖維強(qiáng)伸度儀在阻燃粘膠纖維的夾持長(zhǎng)度為20 mm，纖維拉伸速度為20 mm/min，纖維初始張力為0.2 cN，力的測(cè)試精確度為0.01 cN，伸長(zhǎng)的測(cè)試精度是0.01 mm的條件下測(cè)試阻燃粘膠纖維的斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率。每個(gè)溫度處理的每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的阻燃粘膠纖維測(cè)試30根，排除異常數(shù)據(jù)后，取其平均值。

2　結(jié)果與討論

2.1熱學(xué)性能分析

僅經(jīng)丙酮溶液清洗后的阻燃粘膠纖維與經(jīng)600℃處理10 h的阻燃粘膠纖維DSC曲線(xiàn)與TG曲線(xiàn)如圖1所示。從圖1的熱學(xué)分析曲線(xiàn)可以明顯看出，僅經(jīng)丙酮溶液清洗后的阻燃粘膠纖維與經(jīng)600℃處理10 h的阻燃粘膠纖維DSC曲線(xiàn)與TG曲線(xiàn)均可以分為4個(gè)反應(yīng)階段。第1階段為室溫～100℃左右，從圖1(a)的DSC曲線(xiàn)可以看出，室溫～100℃左右的溫度區(qū)間為吸熱區(qū)間，而在相應(yīng)的區(qū)間內(nèi)TG曲線(xiàn)的質(zhì)量殘存百分率略有下降，該階段由于纖維內(nèi)部的吸附水受熱揮發(fā)和纖維內(nèi)部吸附氣體的析出造成的纖維質(zhì)量減損，由于在實(shí)驗(yàn)前已經(jīng)將實(shí)驗(yàn)纖維進(jìn)行了干燥處理，因此該階段纖維質(zhì)量的損失較小。第2階段為100～300℃區(qū)間，該區(qū)間具有較小的吸熱峰，同時(shí)在該區(qū)間內(nèi)纖維的質(zhì)量殘存率有較小的幅度的降低，這是由于在溫度區(qū)間內(nèi)，纖維內(nèi)部的氫鍵開(kāi)始斷裂，折疊鏈大分子鏈段在熱量的牽引下開(kāi)始伸直，并開(kāi)始滑移，導(dǎo)致其中部分左旋葡萄糖裂解基脫水，使得纖維質(zhì)量有較低程度的減少。第3階段為300～400℃。在該區(qū)間，僅經(jīng)丙酮溶液清洗后的阻燃粘膠纖維與經(jīng)600℃處理10 h的阻燃粘膠纖維均具有較強(qiáng)的吸熱峰，同時(shí)從TG曲線(xiàn)上也可以看出，在該階段纖維質(zhì)量殘存率下降幅度較高，這是由于在該溫度區(qū)間內(nèi)，阻燃粘膠纖維內(nèi)部在吸收大量的熱量后，糖甙鍵與C—C、C—O均開(kāi)始斷裂，在此過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的低分子量的揮發(fā)物，造成纖維質(zhì)量的急劇下降。第4階段為400～600℃，纖維內(nèi)部的分子結(jié)構(gòu)取向于芳環(huán)化，以形成石墨環(huán)狀結(jié)構(gòu)以保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。由能量低態(tài)穩(wěn)定原則可知，纖維在該過(guò)程中會(huì)放出部分能量，以保持結(jié)構(gòu)在最低能量狀態(tài)。從該過(guò)程中的DSC曲線(xiàn)也可以看出，纖維在該過(guò)程中有放熱峰出現(xiàn)[4]。

同時(shí)，從DSC曲線(xiàn)也可以看出，在溫度100～300℃的溫度區(qū)間內(nèi)，纖維分子吸熱強(qiáng)度較小，質(zhì)量殘存率變化不大，這是由于纖維內(nèi)部的阻燃劑在溫度區(qū)間內(nèi)脫水生成偏磷酸，而偏磷酸進(jìn)一步脫水共聚而形成聚偏磷酸，出現(xiàn)了二次結(jié)晶的現(xiàn)象，有效地吸熱[5]。從該角度來(lái)說(shuō)，高溫真空處理并未從大幅度降低阻燃粘膠纖維的阻燃性能。

從圖1中的DSC曲線(xiàn)與TG曲線(xiàn)也可以明顯看出，僅經(jīng)丙酮溶液清洗后的阻燃粘膠纖維在溫度為100℃與350℃附近的吸熱峰強(qiáng)度均高于經(jīng)600℃處理10 h的阻燃粘膠纖維的吸熱峰強(qiáng)度，同時(shí)從最終的阻燃粘膠纖維質(zhì)量殘存率也可以看出，僅經(jīng)丙酮溶液清洗后的阻燃粘膠纖維的質(zhì)量殘存率高于經(jīng)600℃處理10 h的阻燃粘膠纖維。這是由于經(jīng)過(guò)高溫真空處理，阻燃粘膠纖維的結(jié)晶結(jié)構(gòu)受到一定程度的破壞，而導(dǎo)致結(jié)晶度的降低，無(wú)定型區(qū)的增加，從而導(dǎo)致纖維結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定下降。該結(jié)論將在下述的X衍射實(shí)驗(yàn)的結(jié)晶度理論計(jì)算中得到驗(yàn)證。

2.2X衍射

圖1　阻燃粘膠纖維實(shí)驗(yàn)前后熱學(xué)分析曲線(xiàn)

圖2　阻燃粘膠纖維實(shí)驗(yàn)前后X衍射曲線(xiàn)

2.3力學(xué)性能

不同溫度不同時(shí)間處理?xiàng)l件下阻燃粘膠纖維力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表1所示。從表1可知，在相同的處理溫度條件下，斷裂強(qiáng)度隨著處理時(shí)間的增加而不斷降低，而斷裂伸長(zhǎng)率隨著處理時(shí)間的增加而不斷增加。在相同的處理時(shí)間條件下，斷裂強(qiáng)力隨著溫度的升高而不斷降低，而斷裂伸長(zhǎng)率隨著溫度的升高而不斷下降[6]。這是由于處理時(shí)間越長(zhǎng)，處理溫度越高，纖維的結(jié)晶度下降越大，對(duì)纖維結(jié)構(gòu)的破壞性也就越大。同時(shí)，從表中可以看出，在300℃以前與400℃以后的相應(yīng)溫度區(qū)間內(nèi)，在相同的處理時(shí)間點(diǎn)上，纖維的斷裂強(qiáng)度與纖維的斷裂伸長(zhǎng)率變化幅度均較小，而溫度區(qū)間300～400℃之間，纖維的斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率的變化幅度均達(dá)到最大值，對(duì)照上述的TG曲線(xiàn)可以明顯看出，纖維在300～400℃之間結(jié)構(gòu)受到的影響最大，質(zhì)量殘存率最低，由此也可以推知，阻燃粘膠纖維的結(jié)晶結(jié)構(gòu)破壞最嚴(yán)重的區(qū)間也在300～400℃之間。

表1　不同溫度不同時(shí)間處理?xiàng)l件下阻燃粘膠纖維力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

3　結(jié)論

阻燃粘膠纖維在不同高溫真空處理不同時(shí)間后，纖維熱學(xué)、力學(xué)性能及結(jié)晶度均有不同程度的下降，且變化幅度最大的溫度區(qū)間在300～400℃，而纖維分子結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)高溫真空處理，保持纖維素Ⅱ的晶型結(jié)構(gòu)不變。

[1]朱正鋒，齊大鵬，蔡麗麗，等.阻燃粘膠纖維的性能研究[J].中原工學(xué)院學(xué)報(bào)，2010, 21(4):37—40.

[2]張瑞文，崔世忠.共混改性阻燃粘膠纖維的性能研究[J].中原工學(xué)院學(xué)報(bào)，2009,20(6):17—20.

[3]劉瑞剛，胡學(xué)超，章譚莉.粘膠纖維素在NMMO中溶解前后結(jié)晶結(jié)構(gòu)的變化[J].中國(guó)紡織大學(xué)學(xué)報(bào)，1998,24(4): 7—10.

[4]朱正鋒，齊大鵬.阻燃粘膠纖維的熱力學(xué)性能研究[J].人造纖維，2011,25(1):2—4.

[5]于偉東，儲(chǔ)才元.紡織物理[M].上海：中國(guó)紡織大學(xué)出版社，2001.

[6]褚明利，胡江濤，肖明慧，等.接枝改性阻燃粘膠纖維的性能研究[J].山東紡織科技，2007，48(6)：16—18.

Performance and Impact of Flame Retardant Viscose Fibers Treated by High Temperature Vacuum Processing

YangXu

(Jiangxi Institute of Fashion Technology, Nanchang 330201, China)

Performance of flame retardant viscose fibers were tested to study influence of flame retardant viscose fibers treated by high temperature vacuum processing in different high temperature and processing time. Study shows that thermal properties, breaking strength and crystallinity were all dropped except elongation at break. The largest temperature range of the changes of indexes all above, were between 300～400℃, meanwhile, molecular structure keep the cellulose Ⅱ crystal structure the same before and after high temperature vacuum processing.

high temperature vacuum; flame retardant viscose; thermal properties; molecular structure; mechanical properties

2015-07-16

楊旭(1984—)，女，河南駐馬店人，講師。

TS102.51

A

1009-3028(2015)05-0046-04