毛鳳鳴,蔡君楠,胡國樑

(浙江理工大學材料與紡織學院,杭州 310018)

氧化銻/硼酸鋅對芳綸水刺布阻燃性能的影響

毛鳳鳴,蔡君楠,胡國樑

(浙江理工大學材料與紡織學院,杭州 310018)

以氧化銻(Sb2O3)和3.5水硼酸鋅(2ZnO·3B2O3·3.5H2O)作為阻燃劑,協(xié)同聚四氟乙烯(PTFE)乳液對芳綸水刺絕緣布進行阻燃整理。研究不同含量的阻燃劑以及不同配比的復合阻燃劑對芳綸水刺非織造布的燃燒性能、熱穩(wěn)定性能以及力學性能的影響。結果表明,阻燃劑阻燃效果顯著,熱穩(wěn)定性能基本不變,斷裂強力隨阻燃劑用量先減小后增加,阻燃劑用量不宜過大,以5g/100mL為最佳。

氧化銻; 硼酸鋅; 芳綸水刺布; 阻燃整理

0 引 言

芳綸1313水刺非織造布是近幾年興起的一種產業(yè)用非織造布[1],是一種良好的絕緣材料,再加上芳綸纖維優(yōu)良的性能(超高強度、高模量、耐高溫等),使該材料的應用領域不斷的擴大。被廣泛用于變壓器、電機、發(fā)電機、電器組件、機械設備、電器防護、消防防護、高溫氣體過濾等需要絕緣、阻燃、耐高溫的領域以及其它電氣設備,以提高電氣絕緣的可靠性。

然而,電氣設備在工作時會遇到溫度過高或者線路短路的狀況,在這種情況下,如果再有火星或者明火,絕緣材料就可能會燃燒,導致火災的發(fā)生,從而造成嚴重的損失。但是,如果所用的絕緣布具有良好的阻燃性能,就能從源頭上避免或切斷火災隱患,提高工作環(huán)境的安全性。為使非織造布具有較好阻燃性,最常用的方法是阻燃后整理(即將阻燃劑配制成為阻燃整理液,再對非織造布進行浸漬、烘干)。如今運用最廣泛的阻燃劑為鹵-銻系阻燃劑,即三氧化二銻與鹵系的共同阻燃,硼酸鋅作為三氧化二銻的替代品也有在一定程度上的運用。然而由于芳綸纖維本身具有一定的阻燃性,所以對于芳綸水刺布的阻燃研究幾乎未見報道。本研究是在不影響芳綸水刺絕緣布使用范圍的條件下,運用阻燃劑對水刺布進行后整理,盡可能提高其阻燃性能[2-3]。

1 實驗部分

1.1 主要原料

芳綸1313水刺非織造布(面密度為75 g/m2);PTFE乳液(工業(yè)級);三氧化二銻(Sb2O3,分析純);3.5水硼酸鋅(2ZnO.3B2O3.3.5H2O,分析純);六偏磷酸鈉(分析純);分散劑-NNO(工業(yè)級)。

1.2 工藝流程

采用浸漬烘干的整理工藝對芳綸水刺非織造布進行阻燃整理。阻燃整理液中水的用量為200 mL,PTFE乳液的用量為20 mL。不同的試驗工藝其阻燃劑粉末分別為三氧化二銻粉末、3.5水硼酸鋅粉末和三氧化二銻與3.5水硼酸鋅的混合粉末。其中單一阻燃劑粉末的用量為1、3、5、7、9、11 g/100 mL(阻燃劑用量指的是100 mL水中阻燃劑粉末的質量,以下相同);混合阻燃劑粉末的用量均為5 g/100 mL,其中3.5水硼酸鋅與三氧化二銻的比例分別為1∶0、2∶1、1∶1、1∶2、0∶1。分散劑的用量為:六偏磷酸鈉X的2%(設阻燃劑粉末的質量為X),分散劑-NNO為0.4 g。將未整理的芳綸水刺非織造布在阻燃整理液中進行充分浸潤后,去除織物上多余的阻燃整理液,在150℃中烘培3 min。其具體的工藝流程如圖1所示。

圖1 阻燃芳綸水刺非織造布制備工藝流程

1.3 試樣的性能測試

極限氧指數(shù):參照GB/T 5454—1997,在極限氧指數(shù)測試儀上測試。

拉伸強力:參照FZ/T 60005—1991,在多功能電子織物強力機上測試。

熱失重分析:參照ASTM E2402—2005,在熱重分析儀上測試。

表面形態(tài):在掃描電子顯微鏡上觀察。

2 結果與討論

三氧化二銻是常用的無機阻燃劑,且當Sb2O3與鹵系阻燃劑并用時會產生協(xié)效作用,從而增強阻燃效果[4]。硼酸鋅的價格較三氧化二銻的低,可單獨或部分代替三氧化二銻用作鹵系阻燃劑的增效劑。本實驗中的PTFE乳液既是鹵系阻燃劑,又可作為阻燃劑與基布的結合劑。

芳綸水刺非織造布的各項性能如表1所示。

表1 芳綸水刺非織造布的規(guī)格與性能

2.1 阻燃劑對芳綸水刺非織造布阻燃性能的影響

阻燃劑粉末的用量(0表示阻燃整理液中未加阻燃劑粉末,只加了PTFE乳液,以下圖表的表述相同)對芳綸水刺非織造布極限氧指數(shù)的影響如圖2所示。

圖2 阻燃劑對非織造布極限氧指數(shù)的影響

由表1可知,原芳綸水刺布的極限氧指數(shù)是27%。圖2顯示,三氧化二銻的阻燃性能要優(yōu)于硼酸鋅,加入少量三氧化二銻就有效地增大了芳綸水刺非織造布的極限氧指數(shù),提高非織造布的阻燃性能。當未加入阻燃劑粉末,只用PTFE乳液進行阻燃時,非織造布的極限氧指數(shù)達到30.8%,說明單一的PTFE乳液對水刺布的阻燃效果顯著。但是硼酸鋅的加入并沒有在很大程度上提高非織造布的極限氧指數(shù),即在阻燃過程中硼酸鋅與鹵素的協(xié)效作用不是很明顯,單一鹵素或硼酸鋅的阻燃作用占主導地位。隨著阻燃劑粉末加入量的增大,非織造布的極限氧指數(shù)提高不大,特別是硼酸鋅加入量達5 g/100 mL之后,非織造布的極限氧指數(shù)基本保持平穩(wěn)。這其中主要有兩方面的原因:一是阻燃整理液中的PTFE乳液的量一定,當阻燃劑達到一定量時,阻燃劑粉末與鹵系阻燃劑的協(xié)效作用基本完成,無法再提高布的氧指數(shù),只能通過單獨的阻燃粉末進行阻燃,而三氧化二銻與硼酸鋅的單獨處理其阻燃效果欠佳,此外硼酸鋅的阻燃性能要比三氧化二銻差,因此阻燃粉末達到一定量時,非織造布的氧指數(shù)提高緩慢,特別是以硼酸鋅作為阻燃劑的非織造布其氧指數(shù)基本保持不變;二是該試驗用的芳綸水刺布的厚度較小,布上附著的阻燃劑的量一定,即使阻燃整理液中阻燃劑的百分數(shù)提高,附著布上的阻燃劑達到一定量時就不再增加,這很大程度上限制了極限氧指數(shù)的提高。圖3顯示出了單一阻燃劑其附著率隨著阻燃劑用量的增加的變化趨勢(阻燃劑附著率指試樣整理前后的質量差與整理前質量的百分比)。

2.2 阻燃劑對芳綸水刺非織造布的熱失重曲線

不同的阻燃劑對芳綸水刺非織造布耐熱性能的影響如圖4所示(其中兩種經單一阻燃劑處理過的非織造布的阻燃劑用量均為5 g/100 mL)。

圖3 阻燃劑用量對非織造布質量變化的影響

圖4 不同阻燃劑處理非織造布的熱失重曲線

圖4可以看出,600℃之前,阻燃處理后的非織造布與原布樣的熱失重曲線基本相同,即阻燃劑的加入沒有在很大程度上影響芳綸水刺布的耐熱性能;600℃之后,原布樣的質量隨著溫度的升高迅速下降,而經過阻燃整理的非織造布的質量下降速度遠低于原布樣;725℃時,原布樣的質量基本為零,而整理過的非織造布在接近800℃時仍剩余35%左右。這說明非織造布經過阻燃整理后,熱失重速率明顯降低,剩炭率增加,表明其阻燃性能得到一定的提高[5-6]。

經三氧化二銻(阻燃劑)處理過的非織造布,燃燒時存在鹵-銻阻燃系統(tǒng),溫度的提高使三氧化銻與鹵系阻燃劑分解生成的鹵化氫作用,生成三鹵化銻或鹵氧化銻,生成的鹵氧化銻又可繼續(xù)分解成為三鹵化銻(其中,鹵氧化銻的分解為吸熱反應,吸收了大量的熱量,從而降低了阻燃材料的溫度和分解速度)。高密度的三鹵化銻蒸氣發(fā)揮稀釋和覆蓋作用,可有效地抑制非織造布的熱裂解和氧氣向非織造布內部穿透。另一方面鹵-銻系統(tǒng)熱裂解生成的炭層覆蓋在非織造布的表面,有效阻止了熱量向芳綸水刺非織造布的內部傳遞和可燃性氣體向空氣中擴散,提高了殘渣中炭的含量及殘渣的熱穩(wěn)定性。因此,鹵-銻系統(tǒng)的一系列物理化學變化緩解了芳綸水刺非織造布燃燒,起到良好的阻燃作用[7]。

硼酸鋅作為三氧化二銻的理想替代用品,除了與鹵族元素反應之外,溫度的升高使硼酸鋅進行熱分解,釋放出結晶水,起到吸熱冷卻和稀釋空氣中氧氣的作用;另一方面,在高溫下硼酸鋅分解生成B2O3,附著在非織造布的表面形成一層覆蓋層,此覆蓋層可抑制可燃性氣體的產生與逸出,也可阻止氧化反應和熱分解作用。此外,硼酸鋅在溫度升高過程中能形成玻璃態(tài)無機膨脹層,促進炭化。

因此,三氧化二銻、硼酸鋅及PTFE乳液的加入使非織造布第二階段的熱失重速率降低,剩炭率增加,從而提高芳綸水刺布的阻燃性能。

2.3 阻燃劑對芳綸水刺非織造布機械性能的影響

阻燃劑的用量對芳綸水刺非織造布斷裂強力的影響如圖5所示。

圖5 阻燃劑對非織造布斷裂強力的影響

表1可知,未經阻燃整理的芳綸水刺非織造布的斷裂強力為318 N。由圖5可知,經阻燃的芳綸水刺布的強力明顯低于原布樣,但隨著阻燃劑粉末用量的增加強力有所提高。阻燃整理之后的非織造布的斷裂強力均比原布樣的要低,究其原因可能有兩個方面:一是整理過程中需經過150℃的高溫烘干3 min,這在一定程度上損傷了芳綸纖維,使纖維的斷裂強力有所下降,從而導致了芳綸水刺布的機械性能變差;二是阻燃劑粉末附著在非織造布纖維的表面,破壞了纖維網(wǎng)的連續(xù)性結構,導致非織造布斷裂強力下降。而斷裂強力隨著阻燃乳液中阻燃劑含量的增加而有所上升,可能是因為阻燃劑粉末增多,使非織造布在浸漬過程中更容易附著阻燃整理液中的PTFE,PTFE在后期烘干過程中形成一層薄膜,從而加強了纖維之間的連接力,使非織造布的斷裂強力得到一定的提高。

2.4 阻燃劑對芳綸水刺非織造布表觀性能的影響

阻燃整理后,阻燃劑粉末附著在芳綸纖維的表面,影響其表觀性能。圖6為不同含量的Sb2O3阻燃劑的非織造布表面SEM圖。

圖6 不同含量的Sb2O3阻燃劑的非織造布表面SEM圖

從圖6可以看出,隨著Sb2O3阻燃劑加入量的不斷增多,非織造布的纖維表面及其孔隙中附著的阻燃劑粉末也不斷增加。當阻燃劑的含量達到11 g/100 mL時,非織造布的表面(即孔隙中)阻燃劑粉末已經達到很大的附著量,因此即使阻燃劑乳液中Sb2O3的含量再增加,非織造布中所含的阻燃劑的量也不能增加。所以,考慮到成本與阻燃效果,在對本實驗的芳綸水刺非織造布進行阻燃處理時,其阻燃乳液中的阻燃劑含量不宜過大。

3 結 論

三氧化二銻與硼酸鋅協(xié)同聚四氟乙烯對芳綸水刺非織造布的阻燃效果顯著,加入少量的阻燃劑粉末就可以達到良好的阻燃效果,其中三氧化二銻的阻燃效果較好。非織造布極限氧指數(shù)隨著阻燃劑粉末的增加而不斷增加,斷裂強力呈現(xiàn)減小后增加的趨勢。由于芳綸非織造布厚度較小,限制了阻燃劑粉末的含量增加,再加上阻燃劑乳液中PTFE含量一定,因此阻燃劑粉末用量不宜過大,選用三氧化二銻作為阻燃劑,用量5 g/100 mL為最佳。

[1] 王 璐.芳綸水刺非織造布的結構及性能研究[D].杭州: 浙江理工大學,2011.

[2] 李榮勛,李超勤.十溴二苯乙烷協(xié)同三氧化二銻阻燃聚對苯二甲酸丁二醇酯[J].塑料工業(yè),2004,32(5): 5-7.

[3] 秦 峰,黃中權,周 強,等.十溴二苯乙烷阻燃劑處理滌綸織物的工藝研究[J].印染助劑,2008,25(3): 23-26.

[4] 蔣義賞.芳綸/玻纖針刺氈的阻燃性能研究[D].杭州: 浙江理工大學,2012.

[5] 杜兆芳,劉曉華,程賢生,等.大麻纖維針刺氈Mg(OH)2整理后的熱性能分析[J].紡織學報,2010,31(3): 68-71.

[6] 王冬青.阻燃整理對純棉與純滌綸織物性能影響的研究[D].青島: 青島大學,2012.

[7] 歐育湘,李建軍.阻燃劑: 性能、制造及應用[M].北京: 化學工業(yè)出版社,2006: 25-26.

(責任編輯：張祖堯)

Effect of Antimony Oxide/Zinc Oxide on Flame Retardation Property of Aramid Spunlaced

MAOFeng-ming,CAIJun-nan,HUGuo-liang

(School of Materials and Textiles,Zhejiang Sci-Tech University,Hangzhou 310018,China)

Flame retardant treatment was conducted for aramid spunlaced empire cloth with Sb2O3and 2ZnO·3B2O3·3.5H2O together with PTFE to study effects of fire retardant with different content and composite flame retardant with different proportions on combustion performance,thermal stability and mechanical property of aramid spunlaced nonwoven.The results show that the fire retardant has significant flame retardant efficiency; thermal stability remains unchanged basically; the breaking strength first drops and then rises with the dosage of fire retardant.The dosage of fire retardant should not be excessive,and 5 g/100 mL is the best dosage.

antimony oxide; zinc oxide; aramid spunlaced; flame retardant treatment

1673-3851 (2015) 02-0160-04

2014-06-30

毛鳳鳴(1986-),女,浙江慶元人,碩士研究生,主要從事產業(yè)用紡織品方面的研究。

TS176.9

A