阻燃錦綸66纖維FRY-27的研制和性能研究

于廣慧，肖婷婷，辛運(yùn)龍

[優(yōu)纖科技（丹東）有限公司，遼寧丹東 118003]

聚酰胺（錦綸）作為合成纖維的主要品種之一，是世界上最早實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的合成纖維。其中錦綸66 由于具有耐磨性好、回彈性高、斷裂強(qiáng)度高、染色性好、比重小、質(zhì)量輕以及不易蟲蛀等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于服裝面料、戶外用品、汽車內(nèi)飾、地毯毛毯、傳送帶、安全繩網(wǎng)、建筑材料等民用、工用乃至軍用領(lǐng)域。錦綸66的極限氧指數(shù)在24左右，不屬于易燃纖維，但軟化點(diǎn)只有235 ℃，而熱裂解溫度及燃燒溫度均在400 ℃左右，二者相差較大。錦綸66 燃燒時會發(fā)生收縮、熔融滴落，可能引燃其他物質(zhì)傳播火災(zāi)，在使用時的潛在火災(zāi)危險很大。而紡織品用尼龍纖維的阻燃改性是世界性難題，現(xiàn)階段使用的阻燃方式都是進(jìn)行涂層整理，整理后布料增重至1～3倍，悶熱不透氣、不耐洗，且含有危害人體健康的成分而無法作為服裝使用。目前有報道研制成功的本體阻燃尼龍纖維產(chǎn)品僅有瑞士艾曼斯公司的NEXYLON FR，但是沒有形成商品。隨著國內(nèi)外對織物阻燃的要求越來越高，錦綸纖維的阻燃日益受到關(guān)注。

1 阻燃機(jī)理

由于錦綸纖維的燃燒是在氣相和凝聚相兩個相區(qū)內(nèi)進(jìn)行，阻燃機(jī)理可分為氣相阻燃機(jī)理和凝聚相阻燃機(jī)理兩種。氣相阻燃機(jī)理是通過阻燃劑改變材料的熱分解模式，減少活潑自由基的生成，減緩火焰中的鏈?zhǔn)窖趸磻?yīng)，抑制可燃?xì)怏w的生成，從而達(dá)到阻燃目的。凝聚相阻燃機(jī)理是通過提高聚合物燃燒時炭化物的含量，降低可燃?xì)怏w的生成，從而達(dá)到阻燃目的。[1]

為了提高材料的阻燃性能，阻燃錦綸66 纖維FRY-27采用兩種阻燃機(jī)理共同作用于同一體系。阻燃劑CPH-2是一個羧基封端的含磷酯類低聚物，線性結(jié)構(gòu)，兩端基是具有反應(yīng)活性的羧基，相對分子質(zhì)量主要分布在1 200～1 600，可以通過縮合反應(yīng)進(jìn)入尼龍分子鏈中，減少對聚合物物理性能的影響。聚合物燃燒時，分子鏈上的阻燃基團(tuán)受熱分解從分子鏈上脫落下來，轉(zhuǎn)化為不易揮發(fā)的聚偏磷酸，聚偏磷酸具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性和脫水性，會覆蓋在聚合物表面，使表面的聚合物脫水成炭，與聚偏磷酸共同形成一層阻燃保護(hù)層，達(dá)成凝聚相阻燃。同時，阻燃劑CPH-2 在分解時會產(chǎn)生PO·，可以與火焰區(qū)域中的氫原子結(jié)合，減緩火焰中的鏈?zhǔn)窖趸磻?yīng)，抑制可燃?xì)怏w的生成，達(dá)成氣相阻燃。最后阻燃劑CPH-2 分子鏈中的氫氧原子會生成大量的水分，水分蒸發(fā)在降低凝聚相溫度的同時，還會稀釋氣相中可燃?xì)怏w的濃度，從而更好地起到阻燃作用。

2 FRY-27的生產(chǎn)

2.1 原料和設(shè)備

原料：尼龍66干鹽，分子質(zhì)量調(diào)節(jié)劑（己二胺的醋酸溶液），阻燃劑CPH-2。

聚合設(shè)備：高溫高壓反應(yīng)釜，冷卻水槽，自動切粒機(jī)。紡絲設(shè)備：真空轉(zhuǎn)籃干燥機(jī)，單組分紡絲機(jī)，七輥牽伸機(jī)。檢測設(shè)備：Instron 強(qiáng)伸儀，高速單面針織小圓機(jī)，垂直燃燒試驗儀，氧指數(shù)儀。

2.2 FRY-27的制備

（1）在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，將尼龍66干鹽以質(zhì)量比1∶1溶解在55～60 ℃水中，配制成50%的尼龍66鹽水溶液。

（2）將尼龍66 鹽水溶液、分子質(zhì)量調(diào)節(jié)劑和阻燃劑CPH-2 加入高溫高壓反應(yīng)釜中，在溫度為210～240 ℃、壓力為1.75～1.80 MPa條件下保壓2 h。

（3）保壓結(jié)束后釋放反應(yīng)釜內(nèi)的壓力，將溫度升至265～275 ℃，在30 r/min 下抽真空至-0.065～0.080 MPa，15～20 min 后放料，物料經(jīng)冷卻水槽冷卻后用自動切粒機(jī)切粒，得到阻燃尼龍66切片。

（4）在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，使用真空轉(zhuǎn)籃干燥機(jī)干燥阻燃尼龍66 切片，使切片水質(zhì)量分?jǐn)?shù)降到8×10-4以下。使用單組分紡絲機(jī)紡絲，工藝參數(shù)為：孔數(shù)24，紡絲速率300 m/min，泵轉(zhuǎn)速15 r/min，組件壓力1.3 MPa，紡絲溫度見表1。

表1 FRY-27紡絲各工區(qū)溫度

使用七輥牽伸機(jī)對原絲進(jìn)行牽伸（牽伸工藝見表2）熱定型，即得到FRY-27。

表2 FRY-27的牽伸工藝

3 FRY-27的性能

3.1 物理機(jī)械性能

FRY-27的主要物理機(jī)械性能指標(biāo)：斷裂強(qiáng)度4.4～4.8 cN/dtex，斷裂伸長率14.0%～20.0%，線密度偏差率±6.00%。

3.2 阻燃性能

國內(nèi)外檢測阻燃纖維性能的主要方法有3 種：垂直法、45°法和氧指數(shù)法。[2]其中，氧指數(shù)法是將一定規(guī)格的試樣垂直放置在氧氮混合氣流中，在上端施加火焰，測定試樣剛好維持燃燒狀態(tài)所需要的最低氧氣濃度，即氧指數(shù)，用LOI（體積分?jǐn)?shù)）表示。這里使用氧指數(shù)法檢測FRY-27 纖維的阻燃性能，使用垂直法檢測FRY-27纖維織物的阻燃性能，測試方法參照GB/T 5454—1997（氧指數(shù)法）和GB/T 5455—2014（垂直法）。氧指數(shù)法試樣是將FRY-27 纖維開松壓燙后卷成棉卷[2]，LOI隨阻燃劑用量變化而變化，結(jié)果見表3。

表3 阻燃劑用量對FRY-27纖維氧指數(shù)的影響

由表3 可以看出，未添加阻燃劑時，F(xiàn)RY-27 的氧指數(shù)比較小，容易燃燒；而在阻燃劑用量僅3%時，F(xiàn)RY-27 就已經(jīng)達(dá)到了國家阻燃標(biāo)準(zhǔn)要求（LOI 大于28%）；阻燃劑用量為6%時，LOI可達(dá)33.5%，符合各種阻燃要求。作為反應(yīng)型阻燃劑，阻燃劑CPH-2在錦綸分子鏈上的比例過高會導(dǎo)致纖維機(jī)械性能發(fā)生變化，所以用量一般控制在5%以內(nèi)。經(jīng)國家紡織制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心等單位測定，F(xiàn)RY-27 的極限氧指數(shù)一般為30%～32%。

垂直法試樣為使用高速單面針織小圓機(jī)織成的襪帶，損毀長度為192 mm，續(xù)燃時間為0 s，陰燃時間為0 s，離火焰即滅且燃燒時無滴落物。

3.3 FRY-27的特點(diǎn)

（1）安全無毒，具有高阻燃性：極限氧指數(shù)LOI 大于等于30%，織物離火焰自熄且燃燒時無滴落物。

（2）物理機(jī)械性能與普通錦綸66 纖維相類似，耐磨性好，彈性及彈性回復(fù)性高，易染色，織物具有良好的手感和吸濕性，穿著舒適，輕便耐用。

（3）燃燒時僅產(chǎn)生少量煙氣，不熔融，不釋放毒氣，具有自熄效果，且炭化后能保持原有形態(tài)。

（4）耐洗滌和化學(xué)處理，具有永久性阻燃作用。

4 FRY-27的應(yīng)用

FRY-27 主要應(yīng)用于冶金、機(jī)械、林業(yè)、消防等行業(yè)，例如阻燃防護(hù)服裝，賓館、飯店及家居裝飾用布，地毯，毛毯，汽車裝飾用布等；還可以與其他天然或合成纖維混紡，制備具有阻燃性能的針織和機(jī)織面料。FRY-27 在與棉、毛混紡時能在一定程度上保留阻燃性和自熄效果，但與其他合成纖維混紡時，對方也必須是阻燃纖維，否則易產(chǎn)生“支架效應(yīng)”，適得其反。