阻燃Lyocell纖維的結(jié)構(gòu)與性能

陳勝杰 蔣秋冉 蘆長江 王 妮

1.東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國)

2.山東蘆氏特種面料科技有限公司(中國)

Lyocell纖維為一種再生纖維素纖維，具有良好的力學(xué)性能、優(yōu)異的吸濕性和透氣性及良好的染色性能，被廣泛應(yīng)用于紡織服裝和裝飾等領(lǐng)域。Lyocell纖維屬于可再生資源，容易在自然界中被生物降解。然而，Lyocell纖維遇火極易燃燒，極限氧指數(shù)(LOI)僅約18%，這限制了其在生活、工業(yè)及其他領(lǐng)域的應(yīng)用[1-2]。對(duì)Lyocell纖維進(jìn)行阻燃改性以獲得阻燃性能良好的阻燃Lyocell纖維，一直是纖維改性研究的重點(diǎn)方向之一。

與阻燃合成纖維相比，阻燃Lyocell纖維具有抗熔融滴落、不易產(chǎn)生濃煙等特點(diǎn)。因此，在高溫環(huán)境下纖維不會(huì)因熔融滴落而灼傷皮膚，故阻燃Lyocell纖維的制備尤為重要[3]。阻燃改性的方法有共混法[4]、接枝共聚法[5]、后處理[6]及阻燃整理等。阻燃整理法又分為Banflam法[7]、Pyrovatex CP法[8]、四羥甲基氯化磷(THCP)/酰胺法[9]及Proban法[10]。本文主要探討采用改性Proban法獲得的阻燃Lyocell纖維的特性，并對(duì)比分析阻燃處理前后纖維結(jié)構(gòu)與性能的變化。研究旨在為阻燃Lyocell纖維后續(xù)的加工與應(yīng)用提供一定參考。

1 試驗(yàn)

1.1 材料

長38 mm、線密度為1.3 dtex的Lyocell原纖和經(jīng)Proban法阻燃改性處理的阻燃Lyocell纖維，所有纖維試樣均來自山東蘆氏特種面料科技有限公司。

1.2 阻燃處理工藝

將阻燃劑THPC配置成一定質(zhì)量濃度的水溶液，在一定的溫度下，采用浸軋的方式對(duì)Lyocell纖維進(jìn)行處理。然后對(duì)浸軋?zhí)幚淼睦w維進(jìn)行預(yù)烘和氨熏，再進(jìn)行氧化、烘干和預(yù)縮處理，得到阻燃Lyocell纖維。阻燃處理過程中，浸有阻燃劑的纖維在氨熏設(shè)備中與氨發(fā)生反應(yīng)，氨氣滲入纖維中，將阻燃劑聚合成一種高相對(duì)分子質(zhì)量的不溶性三維立體聚合物。

1.3 測(cè)試方法

1.3.1 LOI測(cè)試

參照GB/T 5454—1997《紡織品 燃燒性能試驗(yàn) 氧指數(shù)法》，從已調(diào)濕平衡的試樣中隨機(jī)而均勻地抽取約20 g纖維，采用HC-2C型氧指數(shù)測(cè)定儀測(cè)定纖維的LOI。

1.3.2 拉伸性能測(cè)試

參照GB/T 14337—2008《化學(xué)纖維 短纖維拉伸性能試驗(yàn)方法》，采用LLY-06 A型電子單纖維強(qiáng)力儀(萊州市電子儀器有限公司)測(cè)試?yán)w維的拉伸性能。測(cè)試條件: 溫度為20 ℃，相對(duì)濕度為65%，試樣夾距為10 mm，預(yù)加張力為0.1 cN，拉伸速度為5 mm/min。測(cè)試次數(shù)為50次，結(jié)果取平均值。

1.3.3 表面形態(tài)表征

對(duì)纖維試樣表面進(jìn)行真空鍍金后，采用DXS-10ACKT型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察纖維的縱向及橫截面形態(tài)。

1.3.4 紅外光譜測(cè)試

采用Nicolet 6700型傅里葉變換紅外顯微成像光譜儀(美國Perkin Elmer公司)對(duì)纖維試樣進(jìn)行紅外光譜測(cè)試。測(cè)試波數(shù)范圍為4 000～600 cm-1，儀器分辨率為4 cm-1。

1.3.5 結(jié)晶度測(cè)試

采用D/max-2550VB+/PC型18 kW轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀(日本理學(xué)株式會(huì)社)測(cè)試?yán)w維試樣的結(jié)晶度。轉(zhuǎn)靶為銅靶，使用管電壓為40 kV、管電流為150 mA的X射線管，掃描布拉格角2θ范圍為5°～90°，步長為0.02°。

2 結(jié)果與討論

2.1 LOI

纖維的阻燃性能常采用纖維的LOI表征。采用氧指數(shù)測(cè)定儀測(cè)試Lyocell原纖和阻燃Lyocell纖維的LOI可得，前者的LOI值為18.2%，后者的LOI值為34.6%。根據(jù)GB/T 5454，當(dāng)纖維的LOI值大于或等于26.0%時(shí)，這種纖維屬難燃纖維。因此可知，經(jīng)阻燃處理的Lyocell纖維屬難燃纖維，表明對(duì)Lyocell纖維所進(jìn)行的阻燃改性處理是可行的。

2.2 拉伸性能

阻燃改性處理前后Lyocell纖維的拉伸性能測(cè)試結(jié)果見表1。由表1可以看出，經(jīng)阻燃處理后，Lyocell纖維的斷裂強(qiáng)度略有下降，但降低程度不明顯；纖維初始模量也略呈下降趨勢(shì)；其斷裂伸長率與Lyocell原纖相比，出現(xiàn)了明顯的下降?？傮w而言，經(jīng)阻燃處理后，Lyocell纖維的力學(xué)性能略有下降，原因可能是將阻燃劑添加至纖維的過程中，這些阻燃劑顆粒首先進(jìn)入纖維的無定形區(qū)并發(fā)生團(tuán)聚，從而使阻燃處理后的Lyocell纖維在受力時(shí)易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致纖維力學(xué)性能下降，但降低程度不大。因此可認(rèn)為，該阻燃處理對(duì)Lyocell纖維力學(xué)性能的影響不大。

表1 阻燃處理前后Lyocell纖維的拉伸性能測(cè)試結(jié)果

2.3 表面形態(tài)

圖1為阻燃處理前后 Lyocell纖維的縱向SEM圖。由圖1可以看出，Lyocell原纖和阻燃Lyocell纖維的縱向表面均較光滑而均勻，無明顯的裂紋及溝槽等表面缺陷；在阻燃Lyocell纖維表面，出現(xiàn)了不同大小的微粒分布其上，這些微?？赡苁俏赐耆M(jìn)入纖維內(nèi)部而附著在纖維表面的阻燃劑顆粒。這表明并非所有的阻燃劑都進(jìn)入了纖維內(nèi)部。

圖1 阻燃處理前后Lyocell纖維的縱向SEM圖

圖2為阻燃處理前后Lyocell纖維的截面SEM圖。由圖2可以看出，與Lyocell原纖相比，阻燃Lyocell纖維的截面孔隙減少，這些孔隙部分被阻燃劑顆粒填充，但阻燃劑顆粒在纖維截面上的分布并不均勻，這可能也是影響纖維拉伸性能的一個(gè)因素。

圖2 阻燃處理前后Lyocell纖維的截面SEM圖

2.4 紅外光譜

圖3 Lyocell原纖與阻燃Lyocell纖維的紅外光譜圖

2.5 結(jié)晶度

Lyocell原纖與阻燃Lyocell纖維的X-射線衍射圖譜如圖4所示。經(jīng)計(jì)算機(jī)分峰計(jì)算可知，Lyocell原纖和阻燃Lyocell纖維的結(jié)晶度分別為36.34%和36.87%，表明阻燃處理對(duì)Lyocell纖維結(jié)晶度的影響不大。未處理和經(jīng)阻燃處理的Lyocell纖維均在2θ為12.1°和19.8°處出現(xiàn)了分別對(duì)應(yīng)于纖維素Ⅱ結(jié)晶結(jié)構(gòu)的特征衍射峰，表明處理后的Lyocell纖維的特征衍射峰位置并未發(fā)生變化，即纖維的主要結(jié)晶結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化，仍為纖維素Ⅱ型結(jié)晶結(jié)構(gòu)。

圖4 Lyocell原纖與阻燃Lyocell纖維的X射線衍射圖

阻燃處理僅僅是將阻燃劑預(yù)縮體浸入纖維的非晶區(qū)及間隙，氨化過程也僅發(fā)生在纖維非晶區(qū)，并將形成的阻燃聚合體氧化穩(wěn)定在非晶區(qū)。因此，阻燃處理并未改變纖維的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，這也是阻燃處理后纖維結(jié)晶度并沒有發(fā)生明顯改變的原因。這在一定程度上闡釋了阻燃處理后纖維斷裂強(qiáng)度未受明顯影響的原因。

3 結(jié)論

本文主要探討了經(jīng)Proban法改性處理所得的阻燃Lyocell纖維的基本結(jié)構(gòu)與性能，并將其與未處理的Lyocell原纖進(jìn)行對(duì)比。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，阻燃Lyocell纖維的LOI值達(dá)34.6%；阻燃整理對(duì)Lyocell纖維力學(xué)性能的影響不是很明顯，與Lyocell原纖相比，阻燃處理后Lyocell纖維的斷裂強(qiáng)度和初始模量分別下降了6.2%和12.5%，斷裂伸長率由11.42%降至9.64%；阻燃處理前后Lyocell纖維的表面形態(tài)出現(xiàn)了一定程度的變化，縱向表面相比Lyocell原纖粗糙，截面上分布有阻燃劑顆粒且顆粒的分布不均勻；阻燃處理未改變Lyocell纖維的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，處理前后纖維的結(jié)晶度變化不大。