(陜西省紡織科學研究所，西安，710038)

人類進入21世紀，科學技術(shù)得到突飛猛進的發(fā)展，人們的自身保護意識越來越強，對紡織品的安全、防護性能提出了更高的要求，紡織品的開發(fā)呈現(xiàn)出向生態(tài)紡織品和高技術(shù)紡織品方向發(fā)展的趨勢。高技術(shù)紡織品的發(fā)展是以高科技纖維的發(fā)展為基礎(chǔ)的[1]。

耐高溫阻燃纖維是21世紀我國重點研究開發(fā)的一類高性能纖維，現(xiàn)已在航天、航空、國防、石化、海洋、通信、汽車等行業(yè)得到進一步的應用。耐高溫阻燃纖維的分子結(jié)構(gòu)獨特，無需添加阻燃劑或通過改性，本身就具有耐高溫阻燃特性，且附加值高，具有很好的經(jīng)濟效益和社會效益，因而近年來已引起了國內(nèi)眾多企業(yè)的關(guān)注和開發(fā)。隨著科學技術(shù)的進步、經(jīng)濟的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，耐高溫阻燃纖維將會得到進一步的開發(fā)和應用。

本文主要對PBO(聚對苯撐苯并雙噁唑)纖維、PSA(芳砜綸)、P84(芳香族聚酰亞胺)纖維、PX-01(高吸濕阻燃纖維)、POD(寶德綸，聚芳噁二唑)，以及芳綸1313和芳綸1414幾種阻燃纖維的理化性能進行了分析探討。

1 幾種常見的阻燃纖維

1.1 PBO纖維

PBO纖維是現(xiàn)有含芳香雜環(huán)的苯氮聚合物中性能最優(yōu)秀的一種化合物，是繼Kevlar纖維之后出現(xiàn)的又一合成高性能纖維，被譽為“21世紀的超級纖維”，其商品名為Zylon(柴隆)。最早于20世紀60年代初，由美國空軍空氣動力學開發(fā)研究人員發(fā)明，首先由美國斯坦福大學研究所擁有聚苯并唑的基本專利，而后美國Dow化學公司得到授權(quán)，對PBO進行了工業(yè)化開發(fā)。PBO纖維的主要特點是難燃性極好，點火時不燃，在空氣中的穩(wěn)定溫度高達650 ℃，在惰性氣體中可達到700 ℃以上。纖維耐燃燒性能非常好，在650 ℃才開始分解，極限氧指數(shù)高達68%；纖維也不收縮，在400 ℃高溫中加熱3 h后，纖維質(zhì)量僅減少3%。纖維富有柔韌性，手感近似于滌綸，幾乎對所有的有機溶劑和堿具有很好的穩(wěn)定性，因此，在航空航天、軍工國防、交通運輸、體育器材、建筑、高溫防護領(lǐng)域有著重要的應用價值和廣闊的應用前景，有著其他材料不可替代的作用。另外，由于PBO纖維的密度遠遠低于碳纖維，而強度、模量等力學性能遠遠高于芳綸，因而PBO纖維可用于制造更輕的高強復合材料，而其優(yōu)秀的耐高溫性能使其應用更加廣泛。利用PBO纖維密度較低、比強度和比模量卻很高的性能特點，將其作為結(jié)構(gòu)材料來應用，輕量化特性尤其明顯，這為宇航器材節(jié)省燃料、小型化、高速化帶來了很多有利條件，因而被認為是航空航天先進結(jié)構(gòu)復合材料中的新一代超級纖維。

1.2 PSA纖維

PSA，即聚苯砜對苯二甲酰胺纖維，是上海市紡織科學研究院和上海市合成纖維研究所經(jīng)多年研究開發(fā)的擁有獨立自主知識產(chǎn)權(quán)的有機耐高溫纖維，其商品名為特氨綸。PSA的問世填補了我國耐250 ℃等級合成纖維的空白，主要用于開發(fā)耐高溫防護紡織品，如宇航服、特種軍服、軍用篷布、消防服、爐前工作服、電焊工作服、化學防護服等[2]。

1.3 P84纖維

P84纖維是奧地利Lenzing公司于20世紀80年代后半期開發(fā)的阻燃聚酰亞胺纖維，其主要特點是良好的熱穩(wěn)定性和不燃燒性，在250 ℃以下使用不會熔融，在350 ℃以下經(jīng)3 h后質(zhì)量損失在5%以內(nèi)。由于纖維價格昂貴，P84纖維僅用于要求有熱穩(wěn)定等良好特性的領(lǐng)域，不規(guī)則的葉形截面增加了纖維的表面積系數(shù)，使P84纖維成為耐高溫集塵器的首選材料[3-4]。

1.4 芳綸1313

芳綸1313(間位芳綸)，美國杜邦公司生產(chǎn)的商品名為Nomex?，日本帝人公司生產(chǎn)的商品名為Conex?。它具有優(yōu)異的耐熱性、阻燃性以及高溫下的尺寸穩(wěn)定性、電絕緣性、耐老化性和耐輻射性。芳綸1313以其優(yōu)異的性能，除用于高溫、化學品、煙塵等過濾、提純外，還可以制作各種軍事和消防用防火簾、隔熱服、消防服、作戰(zhàn)服、地毯、耐熱降落傘等，同時在工業(yè)用耐高溫傳輸帶等生產(chǎn)領(lǐng)域也發(fā)揮了重要作用。

1.5 芳綸1414

芳綸1414(對位芳綸)，美國杜邦公司生產(chǎn)的商品名為Kevlar?。該纖維以其優(yōu)異的機械強度和彈性模量高、耐高溫、防火、低密度、抗疲勞、抗化學腐蝕等性能，除了在高溫防護材料上的應用外，還用于制作適合載重汽車和飛機輪胎的簾子線，在復合材料方面是極為理想的纖維增強材料；用其制作的防彈頭盔、防彈背心等防彈性能優(yōu)良，在繩索、防割手套和體育用品方面也具有重要的應用。

1.6 POD纖維

POD纖維是2009年由江蘇寶德新材料有限公司研制成功的改性聚芳噁二唑纖維。該纖維具有良好的阻燃性能、熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性和絕緣性，達到世界領(lǐng)先水平。

1.7 PX-01纖維

PX-01是一種高吸濕性阻燃纖維，是以“安全”和“舒適”為關(guān)鍵開發(fā)出來的復合功能纖維。它遇熱不熔融，燃燒時產(chǎn)生的熱比一般有機纖維低，基本不產(chǎn)生煙，具有優(yōu)良的吸濕性，根據(jù)環(huán)境的變化，還有可能實現(xiàn)吸濕和放濕的循環(huán)，即使經(jīng)過高溫環(huán)境，纖維也不會變硬，手感柔軟，是一種具有環(huán)保性能的非鹵素、非磷系的阻燃性能纖維。

2 試驗

2.1 試驗材料及儀器

2.1.1 試驗材料

PBO(1.9 dtex×44 mm，東洋紡織株式會社)；PSA(2.2 dtex×51 mm，上海特氨綸纖維有限公司)；P84(2.2 dtex×51 mm，奧地利INSPEC FIBERS公司)；POD(1.7 dtex×51 mm，江蘇寶德新材料有限公司)；PX-01(2.2 dtex×47 mm，東洋紡織株式會社)；芳綸1414(1.7 dtex×51 mm，煙臺泰和新材料股份有限公司)；芳綸1313(2.2 dtex×51 mm，煙臺泰和新材料股份有限公司)。

陽離子染料(德司達印染科技有限公司)，分散染料(青島雙桃精細化工有限公司)，活性染料(上海匯邦精細化工有限公司)，直接染料(上?？祁伝瘜W制品有限公司)。

2.1.2 試驗儀器

YG747C型通風式快速八籃烘箱(南通宏大實驗儀器有限公司)，YG321型纖維比電阻儀(南通宏大實驗儀器有限公司)，YG001A型纖維電子強力儀(太倉紡織儀器廠)，HS-12型高溫小樣染色機(南通宏大實驗儀器有限公司)，XY系列精密電子天平(常州幸運電子設(shè)備有限公司)。

2.2 試驗方法

2.2.1 纖維斷裂強力

參考GB/T 14337—2008《化學纖維 短纖維拉伸性能試驗方法》。用鑷子隨機地從絨板上夾取一根纖維，在規(guī)定的張力下，將纖維放在強力儀上、下夾持器的中間位置。拉伸纖維，直至纖維完全斷裂，記錄試驗結(jié)果。每批試樣測試50次。

2.2.2 纖維體積比電阻

參考GB/T 14342—1993《合成短纖維比電阻試驗方法》。隨機稱取30 g纖維放入測試盒內(nèi)，將“放電—測試”開關(guān)撥到“測試”位置進行測量；測量完成后再將開關(guān)撥到“放電”位置，使極板上因填裝纖維產(chǎn)生的靜電散逸。測試過程中以通電1 min的讀數(shù)作為被測纖維的電阻值。試驗結(jié)果以2次平行試驗結(jié)果的算術(shù)平均值表示。

2.2.3 回潮率

參考GB/T 9995—1997《紡織材料含水率和回潮率的測定 烘箱干燥法》。將試樣放入烘箱的稱重容器內(nèi)，按規(guī)定的時間間隔稱重，當連續(xù)兩次的稱重差異小于后一次稱重的0.1%時，計算試樣的烘前質(zhì)量與烘干質(zhì)量的差數(shù)，并求出對烘干質(zhì)量的百分率，即為回潮率。

2.2.4 染色性能

分別采用陽離子染料、分散染料、直接染料、活性染料對幾種阻燃纖維進行染色性能試驗。

3 結(jié)果與分析

3.1 極限氧指數(shù)(LOI值)

幾種阻燃纖維的LOI值如表1所示。

表1 幾種阻燃纖維的LOI值對比

極限氧指數(shù)是纖維材料在氧—氮混合氣體中點燃后維持燃燒所需要的最低含氧量體積百分數(shù)[8]。極限氧指數(shù)越大，燃燒所需要的氧氣濃度越高，則材料的阻燃性越好，越阻燃。從表1可以看出，測試的幾種阻燃纖維中，極限氧指數(shù)均遠高于棉(18%)，其中PBO纖維的LOI值最大，高達68%，居有機纖維之最。PBO纖維在火焰中不燃燒、不收縮、耐熱性和難燃性高于其他任何一種有機纖維，屬于不燃纖維，可用于制作高性能、高附加值的特殊消防服、爐前工作服和焊接工作服等處理熔融金屬現(xiàn)場用的耐熱工作服。芳綸1313、芳綸1414、PSA纖維等屬于難燃纖維，在燃燒時不熔融、不收縮或很少收縮，離開火焰自熄，極少有陰燃或續(xù)燃現(xiàn)象。

3.2 熱分解溫度

幾種阻燃纖維的熱分解溫度對比如表2所示。

表2 幾種阻燃纖維的熱分解溫度

熱分解溫度是纖維材料在熱能的作用下纖維內(nèi)部的大分子被破壞成小分子的溫度。此時纖維強力下降，同時顏色和其他性能也會發(fā)生變化。從表2可以看出，幾種阻燃纖維的熱分解溫度都較高，其中以PBO纖維的熱分解溫度最高，達650 ℃，是目前熱穩(wěn)定性最高的有機纖維。在400 ℃的溫度下PBO纖維的性能基本沒有變化，因此可在350 ℃下長期使用。

3.3 回潮率

幾種阻燃纖維的回潮率測試結(jié)果如表3所示。

表3 幾種阻燃纖維的回潮率

回潮率是指纖維材料中所含水分的質(zhì)量占纖維干質(zhì)量的百分數(shù)，是纖維吸濕性能的指標之一。從表3可以看出，PX-01纖維的回潮率最大，高達44.51%，說明PX-01纖維的吸濕性能較好。其原因可能是，纖維的吸濕發(fā)生在無定形區(qū)，而纖維大分子中親水基團的數(shù)目和種類均能影響纖維的吸濕性能，同時由于纖維本身是一種非鹵素、非磷系的阻燃纖維，纖維吸濕后自身的膨脹使纖維內(nèi)部的空隙增大，從而使纖維表面的吸附能力大大增強，進一步增加了纖維的回潮率，因此PX-01纖維的回潮率最大。而PSA纖維大分子中含有酰胺鍵(—CO—NH—)和砜基(—SO2—)均可以吸附水分子，因此吸濕性較高；與POD纖維大分子結(jié)構(gòu)相比，PBO纖維分子更復雜，疏水基團更多，因此PBO纖維的吸濕性低于POD纖維，從而表現(xiàn)出回潮率低。P84纖維由于分子間結(jié)合緊密，各向異性小，因此水分子難以進入纖維內(nèi)部，從而表現(xiàn)出P84纖維的回潮率低，吸濕性能差。測試纖維的回潮率可以作為在紡紗前向纖維中加入抗靜電溶液量的參考。

3.4 纖維斷裂強度

幾種阻燃纖維的拉伸斷裂強度如表4所示。

表4 幾種阻燃纖維的斷裂強度

空氣的溫濕度影響到纖維的溫度和回潮率，從而影響到纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)的狀態(tài)和纖維的拉伸性能。纖維的回潮率越大，纖維大分子之間的結(jié)合力越弱，因此一般情況下，纖維的回潮率越大，纖維的強度越低[8]。從表4可以看出，幾種阻燃纖維中PBO纖維的斷裂強度最大，高于芳綸1414，達到37.0 cN/dtex，其次是芳綸1414和POD纖維，之后是P84纖維、芳綸1313、PSA纖維，強度最小的是回潮率最大的PX-01纖維，測試結(jié)果與理論分析基本一致。而PBO纖維的斷裂強度遠大于POD纖維，其原因可能是PBO大分子中的剛性苯環(huán)及雜環(huán)是鏈軸與鏈軸幾乎共軸，在拉伸變形時，應變能直接由剛性對位鍵和環(huán)的變形而消耗，以及分子鏈在液晶紡絲過程中形成的高取向的有序結(jié)構(gòu)[9-10]。因此使得PBO纖維的斷裂強度很大，而斷裂伸長率較小，尺寸穩(wěn)定性好，可用作光纖電纜的承載和繩索等領(lǐng)域。

3.5 體積比電阻

幾種阻燃纖維的體積比電阻如表5所示。

表5 幾種阻燃纖維的體積比電阻

纖維的體積比電阻是反映纖維導電性能的指標，也是預測纖維可紡性的重要指標。因此，化學纖維的比電阻必須控制在規(guī)定范圍內(nèi)，即在溫度為(20±2) ℃，相對濕度為63%～67%條件下測試與生產(chǎn)時，纖維比電阻<109Ω·cm，具有正常的可紡性。從表5可以看出，幾種阻燃纖維的體積比電阻都很大，說明其可紡性差，因此在紡紗加工過程中需要加入大量的水和油劑。而PBO纖維的體積比電阻大，使得其介電常數(shù)也大，同時由于熱穩(wěn)定性好，因此PBO纖維適合用于制作火箭與發(fā)動機等的高性能耐熱絕緣材料。但PBO纖維在紡紗過程中易產(chǎn)生靜電，應采取措施減少纖維的靜電。

3.6 染色性能

通過對纖維的染色性能進行試驗對比，得出幾種染料對各阻燃纖維的染色情況。采用陽離子染料上染 PSA纖維時，纖維得色鮮亮，具有良好的染色性能。其原因可能是，PSA大分子鏈端有氨基(—NH2)和羧基(—COOH)，并且砜基(—SO2—)為強吸電子基，使得該基團顯負電荷，因此PSA纖維可以用陽離子染料染色。分散染料雖能上染PSA纖維，但得色較暗，而活性染料和直接染料均不上染PSA纖維。

POD纖維大分子是含有苯基的芳香族雜環(huán)類，因此易與染料中的(—NH2)發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，形成電荷轉(zhuǎn)移結(jié)合，故POD纖維可以被陽離子染料和分散染料上染，但活性染料和直接染料不上染POD纖維。

P84纖維大分子的官能團中由于缺少活潑氫，同時可能在分子鏈聚合過程中引入穩(wěn)定的雜環(huán)，因此，試驗所選取的幾種染料均未能上染P84纖維。

芳綸1313、芳綸1414可用陽離子染料在加入一種氣味較大的載體后上染，得色鮮亮。分散染料雖能上染，但得色偏暗。

PBO纖維內(nèi)部分子非常剛直并且密實性高，使得染料分子難以在纖維內(nèi)部擴散，因此試驗選取的幾種染料均未能上染PBO纖維。需進一步進行試驗，對纖維進行改性，篩選助劑，改進工藝等，突破PBO纖維染色困難的問題。

PX-01纖維在采用試驗所選取的幾種染料上染后，經(jīng)水洗易于去除，故染料不上染PX-01纖維。

4 產(chǎn)品開發(fā)

4.1 PBO混紡織物的研究

芳砜綸是具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)耐高溫纖維，其阻燃、耐高溫性能優(yōu)于間位芳綸，但主要缺點是強力較間位芳綸低，紡紗性能較差。為解決上述問題，開發(fā)出強度和耐高溫優(yōu)異的阻燃面料，將PBO纖維與芳砜綸混紡，開發(fā)出特殊的面料。但要解決PBO纖維與芳砜綸在紡紗中遇到的問題。

為了研究PBO纖維的加入量對混紡紗線的影響，現(xiàn)以兩種紗線組成，選用三種混紡比例，即采用PSA/PBO和PSA/芳綸1414兩種組成，分別試紡6種紗線并試織樣品。測試紗線和織物的斷裂強力，結(jié)果如表6和圖1所示。

表6 混紡紗線的拉伸斷裂強力

由表6可以看出，隨著PBO纖維含量的增加，混紡紗線的斷裂強力增加，而斷裂伸長率逐漸降低。其原因可能是， PBO纖維優(yōu)異的力學性能，很高的拉伸強度和拉伸模量，彌補了PSA纖維斷裂強力低的缺陷，因此隨著PBO纖維含量的增加，提高了混紡紗線的強力。但是當PBO纖維含量增加一倍后，混紡紗線的斷裂強力增加不顯著。

圖1為試織的分別含有PBO纖維和芳綸1414的織物樣品的經(jīng)緯向斷裂強力對比曲線圖。從圖中可以看出，雖然加入少量的PBO纖維，混紡紗線的強力變化不明顯，但是其織物的拉伸斷裂強力仍高于加入芳綸1414纖維的斷裂強力，說明加入的PBO纖維在一定程度上起到了提高織物強力的作用。

(a)經(jīng)向

(b)緯向圖1 混紡織物的斷裂強力

4.2 PBO編織套管的研制

這一產(chǎn)品是PBO纖維的典型用途，作為發(fā)揮PBO纖維超高強、阻燃、耐高溫、高溫下的電絕緣性等優(yōu)異性能，此PBO編織套管將用于非常特殊的領(lǐng)域。產(chǎn)品研發(fā)過程中，采用對PBO纖維不加捻，選取適當?shù)姆啪€張力，螺旋絞合(一種編織方法)在緊套金屬護管周圍，依據(jù)金屬護管的強力及厚度要求，合理選擇絞合角度、股數(shù)和絞合層數(shù)。經(jīng)測試，試制的PBO編織套管完全滿足客戶對結(jié)構(gòu)編織緊度、拉伸強度和側(cè)壓強度、使用安全系數(shù)等技術(shù)指標要求，現(xiàn)已按合同交客戶試用。

4.3 PBO縫紉線的研制

我們研制出的PBO超級縫紉線，強力是同規(guī)格芳綸1414縫紉線的5倍，此縫紉線將用于非常特殊的高溫下物體的連接。由于PBO纖維的超高強、高模量，在紡紗過程中，纖維原纖化嚴重，極易產(chǎn)生棉結(jié)，紡紗極其困難，用常規(guī)的工藝在棉紡設(shè)備上無法進行正常紡紗。為此我們對紡紗設(shè)備進行了改造，調(diào)整工藝方案并進行了多次試驗，摸索出了比較合理的生產(chǎn)工藝，有效解決了棉結(jié)叢生的現(xiàn)象，生產(chǎn)出的PBO純紡紗線基本符合客戶要求，但工藝仍需進一步改進，產(chǎn)品質(zhì)量需進一步提高。

5 結(jié)語

(1)通過對比試驗得出，PBO纖維的熱分解溫度650 ℃，極限氧指數(shù)68%，斷裂強度高，而斷裂伸長率小，性能優(yōu)異，是一種大大優(yōu)于芳綸1414等高性能纖維的新型耐高溫阻燃纖維，是目前綜合性能最好的高性能纖維，具有極其廣闊的應用前景。

(2)PBO纖維的體積比電阻較大，可作為高性能絕緣材料使用，但在紡織過程中易造成困難，需要加入一定量的水和油劑。

(3)PBO纖維與PSA纖維混紡試驗得出，當PBO纖維的加入量小于20%時，混紡紗線的強力增加不明顯，但對織物的阻燃、耐高溫、熱防護等性能有較大影響。

(4)試驗選取的幾種染料中，PBO纖維均不能上染，因此需進一步改進試驗方法，進行PBO纖維染色的探索試驗。

(5)已開發(fā)出滿足要求的PBO編織軟管和縫紉線，但仍需進一步改進工藝，提高質(zhì)量。

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