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(shí)會(huì)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(shí)的潛在火災(zāi)危險(xiǎn)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(bào)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(guó)內(nèi)外對(duì)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。
由于錦綸纖維的燃燒是在氣相和凝聚相兩個(gè)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(shí)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(gè)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(duì)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(duì)聚合物物理性能的影響。聚合物燃燒時(shí),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(huì)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(shí),阻燃劑CPH-2 在分解時(shí)會(huì)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(huì)生成大量的水分,水分蒸發(fā)在降低凝聚相溫度的同時(shí),還會(huì)稀釋氣相中可燃?xì)怏w的濃度,從而更好地起到阻燃作用。
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(dòng)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(cè)設(shè)備:Instron 強(qiáng)伸儀,高速單面針織小圓機(jī),垂直燃燒試驗(yàn)儀,氧指數(shù)儀。
(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(dòng)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(duì)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
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(zhǎng)率14.0%~20.0%,線密度偏差率±6.00%。
國(guó)內(nèi)外檢測(cè)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(cè)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(cè)FRY-27 纖維的阻燃性能,使用垂直法檢測(cè)FRY-27纖維織物的阻燃性能,測(cè)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(duì)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(shí),F(xiàn)RY-27 的氧指數(shù)比較小,容易燃燒;而在阻燃劑用量?jī)H3%時(shí),F(xiàn)RY-27 就已經(jīng)達(dá)到了國(guó)家阻燃標(biāo)準(zhǔn)要求(LOI 大于28%);阻燃劑用量為6%時(shí),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(huì)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(guó)家紡織制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心等單位測(cè)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(zhǎng)度為192 mm,續(xù)燃時(shí)間為0 s,陰燃時(shí)間為0 s,離火焰即滅且燃燒時(shí)無滴落物。
(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(shí)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(shí)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。
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(shí)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(shí),對(duì)方也必須是阻燃纖維,否則易產(chǎn)生“支架效應(yīng)”,適得其反。