阻燃改性對(duì)黃麻纖維性能影響研究

文/潘國立

1 引言

近年來，隨著生態(tài)與環(huán)保意識(shí)的日益增強(qiáng)，采用性能優(yōu)良的麻纖維等天然纖維替代化學(xué)纖維開發(fā)綠色、環(huán)保的新材料成為研究的熱點(diǎn)之一。其中，黃麻纖維具有力學(xué)性能優(yōu)良、導(dǎo)濕吸濕能力強(qiáng)、吸音、隔熱、能自然降解等優(yōu)良特性，被稱為“黃金纖維”。黃麻纖維的價(jià)格廉價(jià)（黃麻纖維約4000元/噸，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于苧麻的12000元/噸、亞麻的15000元/噸）[1-2]。同時(shí)，黃麻纖維產(chǎn)量大，在全球范圍內(nèi)，黃麻纖維是第二大天然纖維素纖維，產(chǎn)量?jī)H次于棉纖維，我國是黃麻種植大國，世界上黃麻產(chǎn)量第三。目前，黃麻纖維的應(yīng)用已經(jīng)由傳統(tǒng)的粗麻織物、麻繩等向高附加值的窗簾、地毯等室內(nèi)裝飾，防滲布等土工布、坐墊、門板、儀表盤等汽車內(nèi)飾等領(lǐng)域轉(zhuǎn)變。

然而，黃麻纖維屬于天然纖維素纖維，極限氧指數(shù)低于20%，屬于極容易燃燒[3]的纖維，其燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的濃煙等有害物質(zhì)，給人身安全等造成嚴(yán)重的損傷，所以在應(yīng)用時(shí)必須對(duì)黃麻纖維進(jìn)行阻燃改性。Tao Yu[4]等采用磷基化合物（DOPO-ICN）作為阻燃劑對(duì)黃麻纖維增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料阻燃處理，阻燃后的復(fù)合材料具有良好的阻燃性能，還會(huì)提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。Hong Qiang Yan等[5]采用生物基聚二苯甲酸苯基磷酸酯和聚乙烯亞胺對(duì)苧麻織物進(jìn)行涂層阻燃整理，阻燃后的苧麻織物增強(qiáng)復(fù)合材料具有良好的阻燃性能，達(dá)到了UL-94試驗(yàn)中的V-0級(jí)，同時(shí)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度分別提高了53%、113%。Aruna Subasinghe[6]等采用聚磷酸銨APP作為阻燃劑，對(duì)洋麻纖維/PP復(fù)合材料進(jìn)行阻燃改性，研究發(fā)現(xiàn)，APP可以有效提高洋麻纖維/PP復(fù)合材料的阻燃性能和熱穩(wěn)定性，增加熱分解溫度。

本論文采用FPK8002型含氮有機(jī)磷酸酯類阻燃劑對(duì)黃麻纖維進(jìn)行阻燃改性處理，采用檸檬酸/馬來酸酐作為交聯(lián)劑，阻燃工藝參數(shù)的設(shè)置既能保證優(yōu)良的阻燃效果，又要保證黃麻纖維的力學(xué)性能有較大程度的改善，因此結(jié)合現(xiàn)有信息，設(shè)置阻燃劑濃度為300g/L和400g/L，交聯(lián)劑濃度為20g/L和40g/L，焙烘溫度為130℃和160℃，焙烘時(shí)間為1min和3min。通過試驗(yàn)，研究阻燃劑和交聯(lián)劑濃度，阻燃處理的焙烘溫度和時(shí)間等對(duì)黃麻纖維阻燃性能、力學(xué)性能等的影響。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)材料和儀器

材料：黃麻纖維，由長(zhǎng)春博超汽車零部件有限公司提供，長(zhǎng)度50mm；阻燃劑，F(xiàn)PK8002型，上海赫特國際集團(tuán)；檸檬酸、馬來酸、次亞磷酸鈉、NaOH，均由天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司提供。

儀器：MS105DU型電子天平，DHG-9240A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，M223M型垂直燃燒儀，UV-2401PC型紫外可見分光光度計(jì)，HH-ZK型恒溫水浴鍋，3369型Instron萬能強(qiáng)力機(jī)，WL-GZ-O-800型針刺機(jī)。

2.2 黃麻纖維阻燃處理

將300g/L（400g/L）的FPK8002阻燃劑，20g/L（40g/L）的交聯(lián)劑（檸檬酸:馬來酸1:1），30g/L的次亞磷酸鈉溶解在1L的蒸餾水中，配制成阻燃劑溶液。將黃麻纖維在阻燃劑溶液中浸泡處理15min，然后100℃下熱烘處理2min，130℃（160℃）下焙烘處理1min（3min），然后采用5g/L的NaOH溶液清洗黃麻纖維，然后再用30℃～40℃的溫水清洗至中性，80℃烘干。

2.3 黃麻纖維針刺氈制備

將不同阻燃處理的黃麻纖維噴灑梳理劑后，依次經(jīng)過針刺機(jī)的開松、梳理、交叉鋪網(wǎng)、預(yù)刺、針刺，制備面密度為1400g/m2～1450g/m2的黃麻纖維氈。

2.4 性能測(cè)試

（1）黃麻纖維拉伸強(qiáng)度

黃麻纖維的拉伸強(qiáng)度參考標(biāo)準(zhǔn)D3822-07 Standard Test Method for Tensile Properties of Single Textile Fibers進(jìn)行，拉伸隔距為10mm，拉伸速度為1mm/min。

（2）黃麻纖維阻燃性能

黃麻纖維的阻燃性能參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5455—1997進(jìn)行，將黃麻纖維針刺氈裁剪成尺寸為300mm×80mm的樣品，調(diào)整火焰高度（40±2）mm，點(diǎn)火時(shí)間為12s，然后觀察試樣的續(xù)燃現(xiàn)象。

3 結(jié)果分析

3.1 阻燃改性對(duì)黃麻纖維性能的影響

含氮有機(jī)磷酸酯阻燃劑阻燃改性后的黃麻纖維的性能如表1所示。由表1可以看出，阻燃后的黃麻纖維的阻燃性能良好，離開火焰后，黃麻纖維不再續(xù)燃。根據(jù)阻燃機(jī)制可知，阻燃劑受熱可分解成具有良好脫水作用的磷酸和多磷酸，會(huì)使黃麻纖維中的纖維素大分子鏈脫水產(chǎn)生水分并且纖維也會(huì)炭化，反應(yīng)過程如式（1）所示，固體碳隔離了氧氣，阻止燃燒的進(jìn)行。

同時(shí)，阻燃劑中的含氮基團(tuán)可釋放出難燃性氣體，稀釋了氧濃度，阻止了燃燒的進(jìn)一步進(jìn)行[7]。

然而，阻燃改性處理對(duì)黃麻纖維的拉伸斷裂強(qiáng)度的影響較大，經(jīng)過阻燃改性后，黃麻纖維的拉伸斷裂強(qiáng)度降低了34.99%。阻燃處理后，阻燃劑會(huì)在黃麻纖維的纖維素大分子鏈間引入一定數(shù)量的交聯(lián)鍵，這些交聯(lián)鍵會(huì)導(dǎo)致纖維素大分子鏈在受到外力作用時(shí)的變形能力受到一定的限制；另一方面，使用的交聯(lián)劑檸檬酸、馬來酸的pH值呈酸性，會(huì)引起黃麻纖維素大分子的降解，造成的黃麻纖維拉伸斷裂強(qiáng)度的損傷。

為了降低阻燃處理對(duì)黃麻纖維的拉伸斷裂強(qiáng)度的負(fù)面影響，下一步對(duì)阻燃劑和交聯(lián)劑濃度，阻燃處理的焙烘溫度和時(shí)間等進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 阻燃劑濃度對(duì)黃麻纖維性能的影響

圖1 阻燃劑濃度對(duì)黃麻纖維拉伸斷裂強(qiáng)度的影響

圖1為不同阻燃劑濃度對(duì)黃麻纖維的拉伸斷裂強(qiáng)度的影響，由圖1可以看出，降低阻燃劑濃度可以改善對(duì)黃麻纖維拉伸斷裂強(qiáng)度的負(fù)面影響，相較于400g/L阻燃劑處理，300g/L阻燃劑處理后，黃麻纖維的拉伸斷裂強(qiáng)度提高了3.86%。阻燃劑會(huì)在黃麻纖維的纖維素大分子鏈間引入一定數(shù)量的交聯(lián)鍵，這些交聯(lián)鍵會(huì)導(dǎo)致纖維素大分子鏈在受到外力作用時(shí)的變形能力受到一定的限制，所以降低阻燃劑濃度，可以改善黃麻纖維的拉伸斷裂強(qiáng)度[8]。

3.3 交聯(lián)劑濃度對(duì)黃麻纖維性能的影響

圖2 交聯(lián)劑濃度對(duì)黃麻纖維拉伸斷裂強(qiáng)度的影響

圖2為不同交聯(lián)劑濃度對(duì)黃麻纖維的拉伸斷裂強(qiáng)度的影響，由圖2可以看出，增加交聯(lián)劑濃度可以提高黃麻纖維的拉伸斷裂強(qiáng)度，相較于20g/L交聯(lián)劑處理，40g/L交聯(lián)劑處理后，黃麻纖維的拉伸斷裂強(qiáng)度提高了6.07%，交聯(lián)劑用量多，會(huì)起到保護(hù)黃麻纖維的作用，降低阻燃劑侵入黃麻纖維的程度，減少了阻燃劑對(duì)黃麻纖維的破壞，所以拉伸斷裂強(qiáng)度提高。

3.4 焙烘溫度對(duì)黃麻纖維性能的影響

圖3 焙烘溫度對(duì)黃麻纖維拉伸斷裂強(qiáng)度的影響

圖3為不同焙烘溫度對(duì)黃麻纖維的拉伸斷裂強(qiáng)度的影響，由圖3可以看出，降低焙烘溫度可以提高黃麻纖維拉伸斷裂強(qiáng)度，相較于160℃焙烘處理，130℃焙烘處理后，黃麻纖維的拉伸斷裂強(qiáng)度提高了8.25%。黃麻纖維屬于纖維素纖維，受熱容易分解，造成黃麻纖維的損傷[9-10]，所以降低焙烘溫度會(huì)提高黃麻纖維的拉伸斷裂強(qiáng)度。

3.5 焙烘時(shí)間對(duì)黃麻纖維性能的影響

圖4 焙烘時(shí)間對(duì)黃麻纖維拉伸斷裂強(qiáng)度的影響

圖4為不同焙烘時(shí)間對(duì)黃麻纖維的拉伸斷裂強(qiáng)度的影響，由圖4可以看出，降低焙烘時(shí)間可以提高黃麻纖維拉伸斷裂強(qiáng)度，相較于3min焙烘處理，1min焙烘處理后，黃麻纖維的拉伸斷裂強(qiáng)度提高了5.77%。降低焙烘時(shí)間，可以降低高溫對(duì)黃麻纖維的影響，減少黃麻纖維的熱降解，所以提高了拉伸斷裂強(qiáng)度。

通過上述對(duì)阻燃工藝的優(yōu)化探究，當(dāng)阻燃劑濃度為300g/L、交聯(lián)劑濃度為20 g/L、焙烘溫度為130℃、焙烘時(shí)間為1min時(shí)，黃麻纖維具有良好的阻燃效果，12s點(diǎn)火時(shí)間后，黃麻纖維的續(xù)燃時(shí)間為0s，損毀長(zhǎng)度為3mm。

4 結(jié)論

（1）采用400g/L阻燃劑、40g/L交聯(lián)劑、160℃焙烘3min阻燃處理后，黃麻纖維具有良好的阻燃性能，但是拉伸斷裂強(qiáng)度降低了34.99%。

（2）在滿足阻燃要求前提下，降低阻燃劑濃度，提高交聯(lián)劑濃度，降低焙烘溫度和焙烘時(shí)間，可以減少阻燃處理對(duì)黃麻纖維性能的負(fù)面影響，提高拉伸斷裂強(qiáng)度。