朱正鋒,齊大鵬,蔡麗麗,馬瑞麗

(1.中原工學院;2.河南省功能性紡織材料重點實驗室,鄭州 450007;3.西安工程大學,西安 710048)

阻燃粘膠纖維的性能研究

朱正鋒1,2,齊大鵬1,2,蔡麗麗1,2,馬瑞麗3

(1.中原工學院;2.河南省功能性紡織材料重點實驗室,鄭州 450007;3.西安工程大學,西安 710048)

基于某公司以天然纖維素纖維經共混技術在添加磷系阻燃劑下生產的Anti-frayon阻燃粘膠纖維為實驗材料,研究了纖維的力學性能和模擬日光下力學性能的變化,并對比了阻燃粘膠纖維與普通粘膠纖維阻燃性能,為阻燃功能性面料的開發(fā)提供了一定的參考依據(jù).

粘膠纖維;模擬日光;力學性能;阻燃

粘膠纖維早在20世紀初就實現(xiàn)了工業(yè)化生產.因其與棉纖維相近的吸濕性能和回潮率符合人體皮膚的生理要求,同時具有光滑清爽、抗靜電等特性[1],廣泛應用于服裝、家紡等領域.但粘膠纖維屬易燃纖維,熔融溫度高于熱裂解溫度(280～380℃)和燃燒溫度(420℃).隨著裝飾用品的阻燃要求越來越高,很多國家考慮控制可燃性[2],在這種情況下,對粘膠纖維的改性要求越來越迫切.對廢棄物的填埋和焚燒,也會對環(huán)境形成二次污染[3],因此,從20世紀80年代開始,逐漸興起了可降解材料的研究[4-7].本文基于某公司以天然纖維素纖維經共混技術在添加磷系阻燃劑下生產的Anti-frayon阻燃粘膠纖維為實驗材料,研究了纖維的力學性能和模擬日光下力學性能的變化,并對比了阻燃粘膠纖維與普通粘膠纖維阻燃性能,為阻燃性功能面料的開發(fā)提供了一定的參考依據(jù).

1 實驗及結果分析

1.1 阻燃粘膠聚合度的測試

實驗儀器:烏氏粘度計,毛細管直徑為0.55 mm,a和b間體積為4.1 m l.

實驗材料:Anti-frayon阻燃粘膠纖維、普通粘膠纖維.

實驗原理:如圖1所示,通過測量一定液體(a和b刻度間的液體)流過一定長度的毛細管(b和c間的距離)所需要的時間來計算液體的粘度.它的原理就是分析流體流過毛細管的阻力.粘度計算如式(1)所示,用粘度表示聚合度.

圖1 烏氏粘度計

式中:μ—粘度;R—毛細管直徑;ρ—液體的密度;g—重力加速度;t—溶液完全流過毛細管的時間;V—a和b間的體積.

實驗結果如表1所示.

表1 纖維聚合度實驗結果

由表1可以看出,普通粘膠纖維的聚合度明顯高于Anti-frayon阻燃粘膠纖維的聚合度,由此可以預測Anti-frayon阻燃粘膠纖維的結晶度小于普通粘膠纖維的結晶度,無定形區(qū)大于普通粘膠纖維.因此纖維的力學性能明顯低于普通粘膠纖維,吸濕性能高于普通粘膠纖維.

1.2 阻燃粘膠纖維的力學性能測試

實驗儀器及材料:XQ-1型纖維強伸度儀、400 W紫外燈(主波 280～340 nm)、粘膠纖維及1.33 dtex/38 mm Anti-frayon阻燃粘膠纖維.實驗結果如表2所示.

表2 力學性能實驗結果

圖4 斷裂伸長率圖

由實驗得出如下結論:

(1)由圖3、圖4可知,在紫外線燈照射的前100 h,纖維的斷裂強度和斷裂伸長都變化劇烈,在900 h以后,趨于平緩,變化緩慢.同時由圖2-圖4可知,普通粘膠的初始模量大于阻燃粘膠纖維的初始模量,這是由于在紡絲的時候共混入了阻燃劑,降低了纖維的聚合度,聚合度對纖維的力學性能影響很大,隨著聚合度的增加,分子鏈間的總的次價鍵力增大[8].由實驗結果可知,由于粘膠纖維的聚合度較低,只有265,結晶度、取向度也較低,價鍵力的總和小于主價力,所以在外力作用下容易因分子鏈間的相對滑移而使纖維斷裂.在潮濕狀態(tài)下,由于水分子的溶脹作用,使分子間作用力消弱,更容易發(fā)生分子鏈間的相對滑移,所以粘膠纖維的濕強度比干強度低得多[9],同時阻隔了纖維中大分子鏈堆砌的緊密度,降低了纖維的強度和屈服應力,并且由于共混也造成纖維分子鏈段取向度的降低,導致纖維主價鍵力、氫鍵和范德華力的分布不均,造成了阻燃粘膠強力低于普通阻燃粘膠.由表1及圖3可以看出,纖維的濕強僅為干強的50%～60%,濕態(tài)的斷裂伸長率更大,且比干態(tài)時變化速率更快.這些也都是由于纖維濕潤后,消弱了大分子間的作用力,導致大分子鏈段容易滑移的結果.

(2)由圖3可知,隨著紫外線的照射,纖維的強力是逐漸降低的,在達到900 h左右時,纖維的強度大概是原纖維強度的50%.這是由于纖維素大分子中C—C鍵或C—O鍵的鍵能約為3.35×105～3.77×105J/mol(80～90 kcal/mol),紫外線可以直接使纖維素發(fā)生光降解.同時,紫外線所具有的能量可以使纖維的自由基活化,并與周圍空氣中的氧發(fā)生反應,導致纖維強力的減弱,這也是粘膠纖維在日光照射下變黃的原因.由于阻燃粘膠纖維中共混的磷系阻燃劑可以與氧氣發(fā)生更為劇烈的反應,導致阻燃粘膠纖維在日光照射下比普通粘膠纖維強力下降更快.

1.3 阻燃性能實驗

實驗儀器及材料:LCK-09氧指數(shù)測定儀、美國PE公司DEL TA 7系列 TGA-7型熱分析儀、普通粘膠纖維及1.33 dtex/38 mm的Anti-frayon阻燃粘膠纖維.

實驗結果如表3及圖5、圖6所示.

表3 實驗結果及分析

對普通粘膠纖維及Anti-frayon阻燃粘膠纖維熱失重(TGA)進行分析.實驗結果如圖5、圖6所示.

由實驗可知,Anti-frayon纖維的極限氧指數(shù)大于26,有很好的阻燃效果.將圖6與圖5對比可知,阻燃粘膠纖維在勻速升溫的過程中,出現(xiàn)了一個吸熱點和一個放熱點2個波峰,當曲線下降到一定程度后,有一個緩沖,然后再繼續(xù)迅速下降,這說明阻燃粘膠纖維吸收一定熱量后開始分解蒸發(fā),到一定溫度時,內部的分解蒸發(fā)緩慢,部分分子再次重組結晶[10],即二次結晶,這一現(xiàn)象穩(wěn)定一段時間后,重新吸收熱量,進入質量的二次銳減過程.這也說明了A nti-frayon纖維阻燃效果,由于先放熱降低了纖維內部的熱量,使得纖維外部形成熱團,阻隔熱量的進入,起到了很好的阻燃效果.這是由于阻燃劑的脫水,從而引發(fā)焦炭的形成,促使左旋葡萄糖裂解,進而減少可燃性氣體,減弱燃燒.

2 結 語

(1)通過對阻燃粘膠纖維的聚合度及模擬日光照射下的斷裂強度及斷裂伸長分析可知,共混阻燃劑的加入降低了纖維的聚合度及力學性能;隨著紫外線的照射,纖維的強力是逐漸降低的,達到900 h左右時,纖維的強度大概是原纖維強度的50%,紫外線可以直接使纖維素發(fā)生光降解.同時,紫外線所具有的能量可以使纖維的自由基活化,并與周圍空氣中的氧發(fā)生反應,導致纖維強力的減弱,由于阻燃粘膠纖維中共混的磷系阻燃劑可以與氧氣發(fā)生更為劇烈的反應,導致阻燃粘膠纖維在日光照射下比普通粘膠纖維強力下降更快.

(2)Anti-frayon纖維在勻速升溫的過程中,出現(xiàn)了一個吸熱點和一個放熱點2個波峰,當曲線下降到一定程度后,有一個緩沖,然后再繼續(xù)迅速下降,阻燃粘膠纖維吸收一定熱量后.開始分解蒸發(fā),到一定溫度時,內部的分解蒸發(fā)緩慢,部分分子再次重組結晶[5],即二次結晶,這一現(xiàn)象穩(wěn)定一段時間后,重新吸收熱量,進入質量的二次銳減過程.由于先放熱降低了纖維內部的熱量,使得纖維外部形成熱團,阻隔熱量的進入,并由于阻燃劑的脫水從而引發(fā)焦炭的形成,促使左旋葡萄糖裂解,進而減少可燃性氣體,減弱燃燒.通過對阻燃粘膠纖維極限氧指數(shù)和熱失重分析可知,A nti-frayon纖維的極限氧指數(shù)大于26,有很好的阻燃效果.

[1] 趙秀媛.功能性粘膠纖維的開發(fā)及應用[J].紡織導報,2009(11):74-76.

[2] 鐘燕萍.阻燃纖維[J].廣西工學院學報,1997,8(4):73-77.

[3] 劉青山,嚴玉蓉,趙耀明,等.納米ZnO對 PP自然光降解的影響[J].合成纖維工業(yè),2005,28(3):7-9.

[4] Guillet J.Polymer Pho tophysics and Pho tochemistry[M].Cambridge:Cambridge University Press,1985:56.

[5] Lacoste J,Ladsous P,Dieppedale M,etal.Quantitative Study of Photocatalyzed Oxidation of Ethylene-Propylene Rubber and A tactic Polyp ropylene[J].J App l Polym Sci,1998,69(9):1681-1689.

[6] Gesenhhues U.Influence of Titanium Dioxide Pigments on the Photodegradation of Poly(Vinyl Chloride)[J].Poym Degrad Stab,2000,68(2):185-196.

[7] 馮亞凱,孫經武,黃積濤.一氧化碳和苯乙烯交替共聚物的合成與表征[J].高分子材料科學與工程,1997,13(4):24-29.

[8] 于偉東,儲才元.紡織物理[M].上海:中國紡織大學出版社,2001:12,76.

[9] 蔡再生.纖維化學與物理[M].北京:中國紡織出版社,2004:8,124.

[10] 韓曉建,張曉麗,黃晨,等.粘膠功能型紡織纖維的特性測試與分析[J].絲綢,2002(12):44-46.

Research on the Properties of Antiflam ing Fibre

ZHU Zheng-feng1,2,Q IDa-peng1,2,CA ILi-li1,2,M A Rui-li3
(1.Zhongyuan University of Technology;2.Henan Key Laborato ry of Functional Textiles M aterial,Zhengzhou 450007;3.Xi’an Polytechnic University,Xi’an 710048,China)

The experimentmaterials used in this paper were based on FRC named Anti-frayon from Shandong Helon Co.,L td.w hich is made from natural cellulose fiber using the blending technology to add Phosphorus containing retardant to gain it.M echanical p ropertiesof fibers and the differencesof mechanical p roperties under the simulated sunlight w ere researched and analysised,aslo included the differencesof the limited oxygen index(LO I)between viscose and Anti-frayon.Reference frame of anti-flaming fabrics’development is supp lied.

fibre;sim ulated sunlight;mechanical p roperties;antiflam ing

TS102.51+1

A DO I:10.3969/j.issn.1671-6906.2010.04.010

1671-6906(2010)04-0037-04

2010-07-12

朱正鋒(1957-),男,河南三門峽人,教授.