改性聚苯硫醚混和纖維的阻燃性能分析

趙 雷 樊爭(zhēng)科 馬 池 徐炎炎 孫凱飛

（陜西省紡織科學(xué)研究院，陜西西安，710038）

聚苯硫醚纖維具有良好的物理機(jī)械性能、極好的尺寸穩(wěn)定性、優(yōu)良的電絕緣性能、耐腐蝕性，耐高溫、阻燃、防輻射且無(wú)毒。然而，聚苯硫醚纖維大分子鏈剛性較強(qiáng)、柔順性較差、回潮率低（不大于0.4%）、穿著舒適性差、染色困難［1］，燃燒時(shí)有熔融［2］，且易氧化，限制了其在阻燃防護(hù)領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。近年來(lái)，各研究機(jī)構(gòu)針對(duì)聚苯硫醚纖維存在的一些問(wèn)題，進(jìn)行了各種不同的改性研究。聚苯硫醚纖維改性方法有很多，如共混改性、填充改性、復(fù)合改性、化學(xué)改性、表面改性等［3］，在保留纖維基本性能的同時(shí)，有針對(duì)性地改善纖維存在的問(wèn)題，從而擴(kuò)大了聚苯硫醚纖維的應(yīng)用領(lǐng)域。

改性聚苯硫醚纖維是以聚苯硫醚纖維為基礎(chǔ)原料經(jīng)結(jié)構(gòu)改性制得。其采用液相高分子交聯(lián)技術(shù)，通過(guò)液體的擴(kuò)散方式將其與纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)形成交聯(lián)體系，從而提高纖維抗氧化、耐熱性能。經(jīng)改性后的聚苯硫醚纖維不僅保留了聚苯硫醚纖維固有的力學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性、阻燃性和耐高溫性能，而且解決了聚苯硫醚纖維燃燒時(shí)有熔融的問(wèn)題，同時(shí)將纖維的最高使用溫度由204℃提升至260℃。但纖維的強(qiáng)度由原來(lái)的4.5 cN/dtex降低到3.2 cN/dtex，纖維強(qiáng)度降低了30%左右，且有陰燃現(xiàn)象。

將改性聚苯硫醚纖維的應(yīng)用擴(kuò)大到阻燃防護(hù)領(lǐng)域中，需要解決纖維改性后帶來(lái)的強(qiáng)度降低和陰燃問(wèn)題。而阻燃防護(hù)面料一般采用兩種或兩種以上的纖維進(jìn)行混和，利用纖維之間的性能互補(bǔ)和阻燃協(xié)同作用，達(dá)到阻燃防護(hù)面料的各種性能要求。為此，本研究采用改性聚苯硫醚纖維與芳綸1313、阻燃粘膠、腈氯綸、阻燃滌綸等常規(guī)阻燃纖維進(jìn)行混和，研究其阻燃性能，為擴(kuò)大改性聚苯硫醚纖維在阻燃防護(hù)領(lǐng)域中的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)原料和儀器

試驗(yàn)原料：腈氯綸、芳綸1313和改性聚苯硫醚纖維規(guī)格1.67 dtex×51 mm；阻燃滌綸規(guī)格1.67 dtex×38 mm；阻燃粘膠規(guī)格2.22 dtex×51 mm。

試驗(yàn)儀器：YG（B）008E型電子單纖維強(qiáng)力機(jī)；YSZ?1型極限氧指數(shù)測(cè)定儀。

2 試驗(yàn)方法

按照GB/T 14337—2008《化學(xué)纖維 短纖維拉伸性能試驗(yàn)方法》，采用YG（B）008E型電子單纖維強(qiáng)力機(jī)測(cè)試腈氯綸、芳綸1313、阻燃粘膠、阻燃滌綸、改性聚苯硫醚纖維的單纖維強(qiáng)力，并記錄測(cè)試結(jié)果取平均值。

纖維的阻燃性能一般通過(guò)測(cè)試?yán)w維的極限氧指數(shù)來(lái)判斷［4］，極限氧指數(shù)越高，材料越不容易燃燒。一般認(rèn)為極限氧指數(shù)小于22%屬于易燃材料，極限氧指數(shù)在22%～27%之間屬于可燃材料，極限氧指數(shù)大于27%屬于難燃材料［5］。

將原材料按照試驗(yàn)方案的配伍比例進(jìn)行均勻混和后，手工加捻搓成如圖1所示的樣品形式，按照GB/T 5454—1997《紡織品 燃燒性能試驗(yàn) 氧指數(shù)法》測(cè)試極限氧指數(shù)。

圖1 纖維加捻樣式

3 結(jié)果與討論

3.1 纖維原材料性能

幾種阻燃纖維的極限氧指數(shù)和斷裂強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 幾種阻燃纖維的性能指標(biāo)

由表1可以看出，幾種阻燃纖維的極限氧指數(shù)均大于27%，都屬于難燃的纖維材料，均可用于阻燃防護(hù)領(lǐng)域。但考慮到纖維強(qiáng)力指標(biāo)、舒適性能、成本等因素，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)會(huì)考慮采用2種或者2種以上的纖維混和，發(fā)揮纖維之間的性能互補(bǔ)和阻燃協(xié)同效應(yīng)［6］，使其達(dá)到阻燃防護(hù)面料的各種性能要求。芳綸1313和阻燃滌綸的強(qiáng)度較高，可以提高織物強(qiáng)力指標(biāo)性能；阻燃粘膠纖維回潮率大，可以改善織物的穿著舒適性能；阻燃滌綸原料成本低，可以降低織物成本。改性聚苯硫醚纖維的最高使用溫度達(dá)260℃，其纖維成本適中，在提高織物耐高溫性能的同時(shí)，可以降低織物的成本。

3.2 改性聚苯硫醚纖維與芳綸1313的混和

改性聚苯硫醚纖維燃燒時(shí)直接炭化且蓬松，同時(shí)產(chǎn)生大量的煙氣，還伴隨著陰燃現(xiàn)象，而芳綸1313燃燒時(shí)，直接炭化，在表層形成硬的炭化層，無(wú)熔融。兩種纖維都屬于耐高溫阻燃纖維。改性聚苯硫醚纖維與芳綸1313混和，燃燒時(shí)直接炭化，在表層形成硬的炭化層，有大量的煙氣，無(wú)陰燃現(xiàn)象。不同混和比例下的纖維極限氧指數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出，兩種纖維混和后極限氧指數(shù)隨著芳綸1313混和比例的增加而呈上升趨勢(shì)，其極限氧指數(shù)均大于難燃材料要求，可以用于阻燃防護(hù)面料的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。在芳綸1313混和比例小于40%之前，極限氧指數(shù)上升幅度較小，當(dāng)芳綸1313混和比例大于40%后，極限氧指數(shù)急劇增加。該現(xiàn)象可能是由于芳綸1313的熱分解溫度在410℃附近，而改性聚苯硫醚纖維的熱分解溫度在450℃附近，比芳綸1313的熱分解溫度略高。燃燒時(shí)首先起到阻燃作用的是芳綸1313，隨著芳綸1313混和比例的增加，其可以快速起到的阻燃作用也相應(yīng)增加，從而體現(xiàn)出極限氧指數(shù)上升的趨勢(shì)。當(dāng)芳綸1313混和比例較小時(shí)，其阻燃作用較小，極限氧指數(shù)受改性聚苯硫醚纖維影響較大，上升較慢；當(dāng)芳綸1313混和比例增大時(shí)，混紡試驗(yàn)的阻燃協(xié)同效應(yīng)明顯增強(qiáng)。

圖2 改性聚苯硫醚纖維與芳綸1313混和的極限氧指數(shù)

3.3 改性聚苯硫醚纖維與腈氯綸的混和

腈氯綸是在成纖高聚物合成過(guò)程中，把含有阻燃元素（鹵素）的化合物作為共聚單體導(dǎo)入大分子鏈中經(jīng)紡絲而賦予纖維阻燃性［7］。腈氯綸熱穩(wěn)定溫度較低，遇到高溫，織物易產(chǎn)生形變，與改性聚苯硫醚纖維混紡可以有效提升織物的熱穩(wěn)定性能。腈氯綸的熱分解產(chǎn)物之一就是氯化氫氣體，而氯化氫恰好能夠有效捕捉和消滅高能量的自由基，中斷熱分解的鏈增長(zhǎng)反應(yīng)，減少可燃物，抑制燃燒，達(dá)到阻燃的目的［8］。改性聚苯硫醚纖維與腈氯綸混和，燃燒時(shí)直接炭化，有煙氣，有陰燃現(xiàn)象。不同混和比例下的纖維極限氧指數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，改性聚苯硫醚纖維與腈氯綸混和，其極限氧指數(shù)均大于27%，達(dá)到難燃材料的要求，具有較好的阻燃性能。改性聚苯硫醚纖維與腈氯綸混和后極限氧指數(shù)隨著腈氯綸混和比例的增加呈現(xiàn)上拋物線狀。極限氧指數(shù)先是隨著腈氯綸混和比例的增加而增大，當(dāng)腈氯綸混和比例增加到50%時(shí)，極限氧指數(shù)最大，之后隨著腈氯綸混和比例的增加而緩慢減小。分析原因可能是由于腈氯綸和改性聚苯硫醚纖維在阻燃方面同屬氣相阻燃，兩種纖維混和比例為50/50時(shí)，兩種纖維的阻燃協(xié)同作用處于一個(gè)最佳協(xié)同狀態(tài)，混和纖維的極限氧指數(shù)達(dá)到最大，隨著兩種纖維混和比例發(fā)生變化，最佳的協(xié)同平衡被打破，致使混和纖維的極限氧指數(shù)趨于混和比例多的纖維。

3.4 改性聚苯硫醚纖維與阻燃粘膠纖維的混和

由原材料回潮率可以看出，改性聚苯硫醚纖維的回潮率低，而阻燃粘膠纖維回潮率高，兩種纖維混紡可以改善含有改性聚苯硫醚纖維織物的舒適性指標(biāo)。改性聚苯硫醚纖維與阻燃粘膠纖維混和試樣，燃燒后直接炭化，無(wú)陰燃現(xiàn)象。不同混和比例下的纖維極限氧指數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 改性聚苯硫醚纖維與阻燃粘膠纖維混和的極限氧指數(shù)

由圖4可以看出，混和后纖維的極限氧指數(shù)均大于27%，達(dá)到難燃材料要求，可以用于阻燃防護(hù)面料的開(kāi)發(fā)。改性聚苯硫醚纖維與阻燃粘膠纖維混和后極限氧指數(shù)隨著阻燃粘膠纖維混和比例的增加呈現(xiàn)上拋物線狀。極限氧指數(shù)先是隨著阻燃粘膠纖維混和比例的增加而增大，當(dāng)阻燃粘膠混和比例增加到50%時(shí)，極限氧指數(shù)最大，之后隨著阻燃粘膠纖維混和比例的增加混和纖維的極限氧指數(shù)減小。分析原因可能有以下幾點(diǎn)。一是改性聚苯硫醚纖維與阻燃粘膠纖維混和后，聚合物大分子鏈由于共振而穩(wěn)定，從而提高了熔融溫度，使得兩種纖維在一定比例下混和的阻燃性能優(yōu)于各自的阻燃性能；二是因?yàn)樽枞颊衬z纖維紡絲中加入的阻燃劑作用，在高溫下分解產(chǎn)生脫水劑，促使纖維炭化，減少可燃性氣體的產(chǎn)生；三是兩種纖維混和比例相同時(shí)，兩種纖維的阻燃協(xié)同效應(yīng)處于最佳狀態(tài)，當(dāng)兩種纖維混和比例發(fā)生變化時(shí)，兩種纖維阻燃協(xié)同作用的最佳平衡狀態(tài)也隨之發(fā)生變化，極限氧指數(shù)趨向纖維比例較多的一方。

3.5 改性聚苯硫醚纖維與阻燃滌綸的混和

從原材料纖維斷裂強(qiáng)度可以看出，阻燃滌綸斷裂強(qiáng)度比較高，改性聚苯硫醚纖維與其混和，可以提升織物的強(qiáng)度指標(biāo)。阻燃滌綸與改性聚苯硫醚纖維混和后，測(cè)試極限氧指數(shù)，觀察燃燒有黑煙，無(wú)陰燃現(xiàn)象，燃燒后收縮形成硬塊，混和后纖維極限氧指數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 改性聚苯硫醚纖維與阻燃滌綸混和的極限氧指數(shù)

由圖5可以看出，改性聚苯硫醚纖維與阻燃滌綸混和后，極限氧指數(shù)均小于27%，達(dá)不到難燃材料的最低要求，不適合進(jìn)行混紡應(yīng)用，而且混和后纖維極限氧指數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其單一纖維的極限氧指數(shù)。說(shuō)明兩種纖維混和后其燃燒呈現(xiàn)反向協(xié)同效應(yīng)。這可能是由于阻燃滌綸受強(qiáng)熱或燃燒時(shí)熔化、易滴落，可將大部分熱量帶走，而兩種纖維混和后，改性聚苯硫醚纖維的炭化對(duì)燃燒后呈現(xiàn)熔融狀態(tài)的阻燃滌綸有了一定的支撐作用，致使燃燒產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)帶走，灼熱的液滴反而加劇了材料的熱分解溫度的提升，有助于加速燃燒，使其阻燃性能變差。

4 結(jié)論

（1）改性聚苯硫醚纖維可以通過(guò)與其他阻燃纖維混和解決纖維存在的陰燃問(wèn)題，同時(shí)發(fā)揮改性聚苯硫醚纖維耐高溫、低成本等特性，可以用于阻燃防護(hù)面料的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。

（2）改性聚苯硫醚纖維與芳綸1313混和，隨著芳綸1313的加入，極限氧指數(shù)有明顯的提升，其混和后纖維的極限氧指數(shù)均大于27%，屬于難燃材料，可以用于阻燃防護(hù)面料的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。

（3）改性聚苯硫醚纖維與腈氯綸混和后極限氧指數(shù)隨著腈氯綸混和比例的增加呈上拋物線狀，腈氯綸與改性聚苯硫醚纖維混紡比50/50時(shí)極限氧指數(shù)最高。

（4）改性聚苯硫醚纖維與阻燃粘膠纖維混和后纖維的極限氧指數(shù)均大于27%，屬于難燃材料，可以用于阻燃防護(hù)面料的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。兩種纖維混紡比為50/50時(shí)極限氧指數(shù)最高。

（5）改性聚苯硫醚纖維與阻燃滌綸混和時(shí)，兩種纖維阻燃性能呈反向協(xié)同效應(yīng)，混和后極限氧指數(shù)均小于27%，無(wú)法達(dá)到難燃材料的要求，因此這兩種纖維不適宜進(jìn)行混紡使用。