芳綸1414/阻燃粘膠混紡織物的阻燃及耐熱性研究

， ，，

(1.浙江理工大學(xué)，a.先進(jìn)紡織材料與制備技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.生態(tài)染整技術(shù)教育部工程研究中心，杭州 310018；2.解放軍總后勤部軍需裝備研究所，北京 100010)

隨著城市化進(jìn)程的加快和紡織工業(yè)的發(fā)展，紡織品的種類越來越多，其應(yīng)用范圍也越來越廣。但是，大多數(shù)的紡織材料阻燃性較弱，由其引發(fā)的火災(zāi)嚴(yán)重地影響了人們的生命安全和財(cái)產(chǎn)安全。據(jù)相關(guān)調(diào)查顯示，因紡織品引燃而蔓延造成的火災(zāi)占火災(zāi)事故的一半以上。因此，賦予紡織品良好的阻燃及耐熱性能不僅可以提高產(chǎn)品附加值，更可以減輕或消除火災(zāi)隱患，保障人民的生命財(cái)產(chǎn)安全[1-3]。

目前，國內(nèi)生產(chǎn)的阻燃紡織品絕大多數(shù)為純棉或純化纖的后整理產(chǎn)物，普遍存在手感粗糙、強(qiáng)力低、遇火易產(chǎn)生熔滴等缺點(diǎn)，服用性能差[4]。曾翠霞等[5-6]將芳綸1313纖維和棉、羊毛進(jìn)行混紡并織造成機(jī)織小樣，對混紡織物的機(jī)械性能、阻燃耐熱性能進(jìn)行測試研究。研究結(jié)果表明，將芳綸1313纖維與純天然纖維混紡確實(shí)能降低成本，并且使得兩種纖維優(yōu)勢互補(bǔ)，但是織物的阻燃性能大大降低，遠(yuǎn)不如純芳綸1313織物，因此必須將混紡織物再進(jìn)行阻燃后整理才能適應(yīng)高溫環(huán)境。

芳綸1414纖維具有優(yōu)異的阻燃及耐高溫性、良好的耐化學(xué)性、尺寸穩(wěn)定性、機(jī)械性能和手感[7]，但是芳綸纖維價(jià)格昂貴，在一定程度上抑制了其發(fā)展空間。與其他阻燃纖維相比，阻燃粘膠纖維則具有燃燒時(shí)低煙、無毒、無異味等特性，價(jià)格相對于芳綸1414纖維也比較低。本文將芳綸1414纖維和阻燃粘膠纖維按不同的比例混紡織制成織物試樣以提高性價(jià)比，通過研究不同混紡比對織物的阻燃和耐熱性能的影響，使兩種纖維在混紡織物中優(yōu)勢互補(bǔ)，增強(qiáng)可紡性和服用性，著力于開發(fā)新型阻燃耐熱紡織品。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

采用國產(chǎn)芳綸1414纖維，阻燃粘膠采用奧地利Lenzing公司的Viscosa FR，纖維的基本性能見表1。

1.2 試樣制備

將芳綸1414和阻燃粘膠纖維按7個(gè)不同的比例分別在針織小圓機(jī)上編織橫密為75縱行/5 cm，縱密為50橫列/5 cm的緯平針織物，混紡紗線的線密度為14.5 tex，試樣的力學(xué)性能見表2。

表1 纖維的基本性能

表2 試樣的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能

1.3 垂直燃燒測試

采用YG(B)815D-Ⅰ型垂直法織物阻燃性能測試儀，測試芳綸1414/阻燃粘膠混紡織物的續(xù)燃時(shí)間、陰燃時(shí)間、損毀長度并觀察燃燒現(xiàn)象[8]。按照GB/T 5455—2014進(jìn)行測試，試樣尺寸為300 mm×80 mm，將試樣置于規(guī)定的燃燒器下點(diǎn)燃12 s，除去火源后測定試樣的續(xù)燃、陰燃時(shí)間及損毀長度。由于試樣縱橫向燃燒性能基本一致，因此，本文只做縱向?qū)嶒?yàn)。

1.4 極限氧指數(shù)(LOI)測試

采用HC-2CZ型極限氧指數(shù)儀，按照GB/T5454—1997進(jìn)行測試，試樣尺寸為150 mm×65 mm，分別在距兩端40 mm處畫橫線，將試樣垂直放置于燃燒筒的試樣夾上，調(diào)節(jié)氧氣和氮?dú)鈿饬?，待氣流穩(wěn)定后用點(diǎn)火器將試樣頂端充分點(diǎn)燃，極限氧指數(shù)值為損毀長度40 mm時(shí)所需氧的百分比。

1.5 場發(fā)射掃描電鏡分析

將垂直燃燒后織物試樣的殘?zhí)勘砻鎳娊穑糜诘聡柌趟竟綰1tra-55型場發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)下進(jìn)行形貌觀察分析，放大倍數(shù)為5 000倍。

1.6 熱重分析實(shí)驗(yàn)

采用Metter-Toledo公司的TGA熱重分析儀，在氮?dú)夥諊拢郎厮俾蕿?0 ℃/min，溫度范圍為室溫至800 ℃，粉末狀制樣。

2 結(jié)果與討論

2.1 垂直燃燒性能分折

由表3可知，7種織物的陰燃時(shí)間都為0，除了純阻燃粘膠織物有續(xù)燃外，其余織物續(xù)燃時(shí)間也都為0。隨著混紡織物中芳綸1414纖維含量的增加，試樣損毀長度基本呈減小趨勢，但并非純芳綸織物的損毀長度最小，而是當(dāng)芳綸纖維含量為80%時(shí)阻燃性能最好，損毀長度僅有22 mm。從燃燒特征可以看出，7種試樣在燃燒過程中基本都不收縮，不熔滴，不陰燃，燒焦面積小。但是，隨著試樣中阻燃粘膠纖維含量的增加其燒焦面積也逐漸增加，這表明芳綸1414纖維的阻燃性能優(yōu)于阻燃粘膠纖維。分析認(rèn)為，芳綸1414纖維分子鏈沿長度方向高度取向，具有超強(qiáng)的鏈間結(jié)合力，在150 ℃下的收縮率為0，在560 ℃的高溫下不分解不熔化，具有良好的阻燃和耐高溫性能，即芳綸1414可被認(rèn)為是一種本質(zhì)阻燃纖維，而阻燃粘膠是通過在紡前原液中加入不含鹵素的阻燃劑來達(dá)到阻燃效果，不屬于本質(zhì)阻燃纖維[7-8]。

表3 芳綸1414/阻燃粘膠混紡織物試樣垂直燃燒數(shù)據(jù)

2.2 LOI分析

圖1為芳綸1414/阻燃粘膠混紡織物的縱向LOI值，由圖1可知，試樣的LOI值均大于27，無需任何阻燃后整理就能達(dá)到阻燃防護(hù)服二級標(biāo)準(zhǔn)，說明這兩種纖維本身就都具很好的阻燃性能。當(dāng)芳綸1414纖維含量小于80%時(shí)，混紡織物的LOI值隨著芳綸1414纖維含量的增加而增大，這是因?yàn)榉季]纖維的LOI值本身就大于阻燃粘膠纖維，當(dāng)芳綸1414纖維含量為80%時(shí)，混紡織物的LOI值達(dá)到最大31.4%，這同樣說明當(dāng)芳綸1414與阻燃粘膠比例為80∶20時(shí)，混紡織物的阻燃性能最佳，略大于純芳綸1414織物，這也與垂直燃燒實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。分析其原因可能有以下幾點(diǎn)：其一，當(dāng)芳綸1414纖維與阻燃粘膠混紡后，聚合物大分子鏈由于共振而穩(wěn)定，其熔融溫度升高，使得兩種纖維在一定比例下混紡得到的織物的阻燃性能優(yōu)于各自純紡織物。其二，因?yàn)樽枞颊衬z的回潮率比較大，混紡織物在燃燒過程中，因阻燃粘膠中水分的蒸發(fā)會(huì)帶走部分熱量，所以將少量的阻燃粘膠纖維與芳綸1414纖維混紡，反而能提高織物的阻燃性能。最后，相對于純紡織物而言，當(dāng)兩種纖維混紡后，混紡織物的熱裂解吸熱量增加，在燃燒過程中更有助于降低溫度并阻止燃燒蔓延，燃燒相同長度混紡織物所需的氧氣濃度升高，氧指數(shù)增大。在本實(shí)驗(yàn)中可以認(rèn)為當(dāng)阻燃粘膠的比例小于等于20%時(shí)，混紡可以提高織物的阻燃性能。

圖1 芳綸1414/阻燃粘膠混紡織物L(fēng)OI值

2.3 殘?zhí)啃蚊卜治?/h3>

將垂直燃燒試驗(yàn)后的殘?zhí)勘砻鎳娊鹬糜趫霭l(fā)射掃描電鏡下拍攝其殘?zhí)啃蚊?，如圖2(a-g)所示，圖2(A-G)為織物試樣未燃燒狀態(tài)下的形貌。由圖2a和圖2b可以看出，織物試樣燃燒后，纖維表面相對比較光滑平整，沒有形成炭化層，說明這兩種織物的阻燃性能都極好，尤其是圖2b纖維表面更加平滑，說明該織物樣品具有更優(yōu)的阻燃性能。從圖2c和圖2d可以看出，纖維表面變得粗糙不平，開始出現(xiàn)很多微小的凸起，由圖2e、圖2f和圖2g可以看出，纖維表面極其不平整，存在大量絮狀凸起。出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因是：芳綸1414纖維是氣相阻燃型纖維，即織物在燃燒過程中，釋放惰性氣體干擾燃燒鏈，從而發(fā)揮阻燃作用，而阻燃粘膠(Viscosa FR)屬于凝固相為主的阻燃纖維，即織物燃燒時(shí)，表面形成炭化層，阻隔氧氣與織物，起到一個(gè)良好的屏障作用，從而達(dá)到阻燃效果[9-11]。因此，在上述7種混紡織物中，顯現(xiàn)了兩種不同原理阻燃纖維的協(xié)同阻燃效果，其中，當(dāng)芳綸1414含量大于50%時(shí)，以芳綸1414纖維的氣相型阻燃為主，而當(dāng)阻燃粘膠含量大于50%時(shí)，纖維表面開始出現(xiàn)絮狀炭層，說明凝固相阻燃占主導(dǎo)地位。因此，在芳綸1414和阻燃粘膠的混紡織物中，當(dāng)芳綸纖維含量小于80%時(shí)，隨著芳綸1414含量的增加，纖維表面趨于平滑，織物的阻燃性也越來越好，這也與垂直燃燒實(shí)驗(yàn)和極限氧指數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合。

(A-G、a-g分別為芳綸1414/阻燃粘膠混紡比：100/0、80/20、60/40、50/50、40/60、20/80、0/100)圖2 原樣及燃燒后試樣的SEM照片

2.4 熱重分析

根據(jù)表4和圖3所示，隨著混紡織物中芳綸1414纖維含量的增加，達(dá)到失重率10%時(shí)的溫度也隨之增加；芳綸1414和阻燃粘膠混紡比為20∶80時(shí)，最大失重速率為36.94%/min，隨著芳綸含量的增加，最大失重率減小但最大速率下的分解溫度上升，這表明芳綸1414纖維含量的增加提高了織物的耐熱性能。但是，與純芳綸1414織物相比，純阻燃粘膠織物和混紡織物的最大速率下的分解溫度均很高。當(dāng)大于500 ℃，純芳綸1414織物才開始分解，只有一個(gè)失重階段，失重率達(dá)50%，而純阻燃粘膠織物和混紡織物均有兩個(gè)失重階段，其中，第一階段主要是混紡織物中阻燃粘膠纖維熱分解失重，失重區(qū)間隨著芳綸纖維含量的增加而擴(kuò)大，失重率則隨之減小，純阻燃粘膠織物失重率最大，達(dá)到45%。當(dāng)芳綸和阻燃粘膠混紡比為80∶20時(shí)，織物失重率低至14%，說明增加芳綸1414纖維含量可以大大提高混紡織物的耐熱性能；第二階段失重主要是織物中芳綸1414開始分解并伴隨著未分解完畢的阻燃粘膠的繼續(xù)分解，失重率隨著芳綸含量的增加而增加；600 ℃時(shí)，純芳綸1414織物因其優(yōu)異的耐熱性能，殘余重量達(dá)65%，而阻燃粘膠纖維接近分解完畢。因此，600℃時(shí)混紡織物的殘余重量隨著芳綸1414纖維含量的增加而增加。

表4 芳綸1414/阻燃粘膠混紡織物試樣熱重?cái)?shù)據(jù)

1-7分別為芳綸1414/阻燃粘膠混紡比：100/0、80/20、60/40、50/50、40/60、20/80、0/100圖3 芳綸1414/阻燃粘膠混紡織物試樣TG曲線

3 結(jié) 論

a)芳綸1414/阻燃粘膠混紡織物的LOI值都大于27%，且隨著芳綸1414含量的增加而增大，當(dāng)芳綸1414含量為80%時(shí)達(dá)到最大31.4%，即該比例混紡織物的阻燃性能最好。

b)當(dāng)阻燃粘膠含量小于等于20%時(shí)，混紡織物的阻燃性能略優(yōu)于各自純紡織物。

c)純阻燃粘膠的耐熱性能最差，隨著混紡織物中芳綸1414纖維含量的增加，混紡織物的耐熱性能顯著提高。

d)織物的阻燃性能與耐熱性能并不存在一定的正比例關(guān)系，即織物的阻燃性能好其耐熱性能不一定好，耐熱性能好其阻燃性能也不一定好。

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