芳綸1313/阻燃滌綸混紡紗線的阻燃抗熔滴性能

姬 洪，馮新星，陳建勇，朱海霖，張建春

(1.浙江理工大學 先進紡織材料與制備技術教育部重點實驗室，浙江 杭州 310018;2.總后勤部軍需裝備研究所，北京 100082)

滌綸(PET)纖維在所有合成纖維中用途最為廣泛，由于其原料成本具有優勢，使其迅速成為產量近乎最多的纖維品種［1］，但由于它的可燃性，在火災事故中，由纖維紡織品著火所致占有相當大的比例，且造成的損失也越來越嚴重［2］，因此對其進行阻燃改性一直是一個熱點。隨著社會對材料阻燃性能要求的提高，阻燃滌綸技術從機制研究和工藝研究轉向生產技術的開發［3-4］。目前按生產過程和阻燃劑的引入方式，滌綸的阻燃改性方法可歸納為以下5種：1)在酯交換或縮聚階段加入反應型阻燃劑進行共縮聚;2)在熔融紡絲前向熔體中加入添加型阻燃劑;3)以普通聚酯與含有阻燃成分的聚酯進行復合紡絲;4)反應型阻燃劑在滌綸或織物上進行接枝共聚;5)對滌綸織物進行阻燃后處理［5-6］。通過以上方法現已基本實現滌綸阻燃，但是由于滌綸熔融溫度低于其分解溫度，因此會在燃燒過程中產生嚴重的熔滴現象。熔滴雖然能從聚合物基材中帶走一部分熱量有利于滌綸的阻燃，但也帶來了更嚴重的災害［7-8］：一方面，熔滴可能導致火焰蔓延到其他地方，引起更大火災;另一方面，容易引起燙傷、燒傷等在內的二次傷害。

芳綸1313具有明顯優于其他普通纖維的耐高溫和阻燃性能，同時具有良好的可紡性、尺寸穩定性和較好的力學性能，是目前技術較為成熟，使用最為廣泛的本質阻燃纖維。芳綸1313的玻璃化轉變溫度約為275℃，375℃開始出現微弱熱降解，具有很不明確的熔點;熱分解溫度在400～430℃之間，無論是在氮氣或空氣氛圍中，400℃時纖維失重率小于10%。芳綸1313分解溫度高且在火焰中不發生熔滴。當加熱溫度至400℃以上時，芳綸1313開始炭化，并能夠形成堅韌的焦炭層，提供連貫的熱防護層以支撐表面，同時可有效隔絕氧氣，借此維持其保護特性。焦炭層的形成不但使芳綸1313具有低可燃性(LOI值在28% ～31%之間)，而且能為熔融纖維提供有效的支架保護。在熔滴的化學纖維中混紡少量芳綸1313就能夠防止熔滴的發生［9］。本文將2種纖維進行混紡，旨在提高混紡產品的阻燃性和抗熔滴性。2種纖維優勢互補，可提高芳綸可紡性和服用等性能，并降低織物的成本，得到性價比較為優秀的混紡產品。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

采用杭州九隆芳綸有限公司2.34 dtex×44 mm的國產芳綸1313短纖和濟南三江阻燃新材料有限公司2.12 dtex×38 mm的磷系共聚阻燃滌綸短纖，混紡制成13.4 tex細紗，捻度為100捻/10cm。基于實際生產要求，設計5種不同混紡紗線，所用纖維的主要規格參數如表1所示。采用XL-1紗線強伸度儀對紗線力學性能進行測試，紗線的力學性能如表2所示。

表1 纖維的主要規格參數Tab.1 Main specifications of fibers

表2 紗線的力學性能Tab.2 Mechanical properties of blended yarn

1.2 測試方法

［10］，分別稱取質量為 0.5、1.0g紗線，制取用于LOI值測試及垂直燃燒實驗所需試樣。采用垂直燃燒實驗測試試樣損毀長度、續燃次數、燃燒過程產生熔滴滴落數目，以及通過測定極限氧指數，判斷紗線燃燒的難易程度。

1.2.1 極限氧指數實驗

參照GB/T 5454—1997《紡織品燃燒性能試驗氧指數法》，采用南京上元分析儀器有限公司HC-2CZ型氧指數測試儀進行測試。試樣在(20±2)℃，(65±3)%溫濕度環境靜置24 h，取出后置于密閉容器待測。

1.2.2 垂直燃燒實驗

參照GB/T 5455—1997《紡織品燃燒性能試驗垂直法》，用LFY-26C垂直法織物阻燃性能測試儀進行測試。試樣在溫濕度分別為(20±2)℃，(65±3)%環境下靜置24 h，取出后置于密閉容器待測。

1.2.3 熔滴形態觀察

采用日立S4800場發射掃描電鏡(FE-SEM)對不同混紡比例紗線燃燒產生熔滴的表面以及斷面進行觀察。

2 結果與分析

2.1 混紡紗線LOI值測試

對混紡紗線進行 LOI測試，結果如圖1所示。由圖可看出各試樣的LOI值都在28%以上，因此所有試樣的燃燒性能屬于難燃。特別是當芳綸1313質量分數增大時，其LOI值也隨之增大，當其質量分數達到40%時 LOI值達到29.3%。這是由于：首先，阻燃滌綸本身具有較好的阻燃性能，而芳綸1313又是本質阻燃纖維，其阻燃性能更為優越，因此芳綸1313的混入可以有效提高紗線的阻燃性能;其次，芳綸1313在燃燒時炭化，并形成堅韌的焦炭層，提供連貫的熱防護以支撐表面，焦炭的形成確保氧氣的隔離，降低可燃性。然而焦炭對氧氣的隔離作用有限，當芳綸1313質量分數達到一定程度時焦炭的包覆隔離作用程度減緩，因而混紡紗線LOI值隨芳綸1313質量分數的增大而增大但不是簡單的線性增大，而是斜率漸減的曲線增大。

圖1 混紡紗線的LOI值Fig.1 LOI values of blended yarn

2.2 垂直燃燒實驗結果與分析

垂直燃燒法的實驗結果見表3。可以看出，隨著芳綸1313質量分數的增大，損毀長度與熔滴數量逐漸減小，續燃次數逐漸增加。表明混紡紗線的阻燃抗熔滴性能隨著芳綸1313質量分數的增大是不斷改善的，特別是抗熔滴性能的改善最為顯著。芳綸1313質量分數大于20%時，熔滴數量小于10滴，當質量分數為40%時熔滴問題基本解決。其作用機制為：1)芳綸1313的分解溫度遠高于阻燃滌綸，且不會發生熔融，在燃燒過程中阻燃滌綸產生的大量熔滴將以未分解的芳綸1313為支架黏附于其表面，有效減少了熔滴滴落。2)芳綸燃燒分解產生的焦炭為滌綸熔滴提供2次支架作用，防止熔滴降落的同時也能加速滌綸熔滴的炭化，進而提高成炭率。這2種作用機制對于解決熔滴問題起到主要作用。

表3 垂直燃燒實驗結果Tab.3 Result of vertical flame test

2.3 熔滴形態分析

混紡紗線熔滴照片如圖2所示。可以看出，紗線中混入芳綸1313后，其混紡紗線抗熔滴效果顯著提高。純阻燃滌綸紗線燃燒時熔滴滴落嚴重，且滴落熔滴幾乎全部為硬質熔融物質。芳綸1313質量分數為10%的混紡紗線熔滴情況類似但優于純阻燃滌綸紗線。繼續增加芳綸1313纖維質量分數，燃燒時熔滴問題明顯改善，表現在熔滴數量降低以及熔滴形態的改觀。芳綸1313質量分數為20%的混紡紗線的燃燒殘余中存在明顯的多孔焦炭。并且隨著芳綸1313質量分數的增大焦炭量不斷增加，焦炭表面趨于光滑致密。

圖2 混紡紗線熔滴照片Fig.2 Molten drops photos of blended yarn.

圖3 為不同質量分數芳綸1313混紡紗線燃燒時產生的熔滴表面和斷面的FE-SEM照片。由圖3(a)、(b)可以看出，純阻燃滌綸熔滴表面與斷面孔隙稀少，基本不存在微孔結構。這是由于純阻燃滌綸熔滴成炭率微少，其主要物質是未分解熔融滌綸。芳綸1313質量分數為20%的混紡紗線燃燒后固體殘余表面凹凸不平，存在一些較大的類似于泡狀破裂的孔，其斷面存在著較為細密的微孔，如圖3(c)、(d)所示。圖3(e)、(f)表明，在芳綸1313質量分數為40%混紡紗線燃燒后固體殘余的表面則趨于平滑，且無論表面還是斷面的微孔則更為細小而密集。微孔的變化是由于成炭率的變化引起的，在芳綸1313質量分數較低時，熔滴成炭率較低，燃燒形成的焦炭對阻燃滌綸所形成的熔滴不能有效包覆。阻燃滌綸熔滴部分冒出形成泡狀凸起，部分破裂，因此熔滴表面凹凸不平，斷面的空洞較大。隨著芳綸1313質量分數增大，燃燒時成炭率也隨之增加，芳綸1313燃燒形成的焦炭層能有效地將阻燃滌綸形成的熔滴進行包覆，這種包覆作用的增強使得混紡紗線燃燒所形成的殘余物質表面致密而光滑，這也與從圖2所觀察到的相吻合，斷面的孔隙更為微小而細密。由熔滴的形態可以知道，將芳綸1313與阻燃滌綸進行混紡能有效提高成炭率，使燃燒所形成的殘余為內部多孔的焦炭，從而解決熔滴問題。

圖3 混紡紗線熔滴FE-SEM照片Fig.3 FE-SEM images of molten drop(a)Aramid 1313 0，

3 結論

1)芳綸1313/阻燃滌綸混紡紗線的LOI值比純阻燃滌綸大。隨著芳綸1313質量分數的增大，其混紡紗線的LOI值也隨之增大。

2)垂直燃燒實驗結果表明，混紡紗線無需阻燃整理，其阻燃抗熔滴性能可明顯提高。隨著芳綸1313質量分數增大，焦炭層更趨于堅硬緊密。當其質量分數在30%～40%之間時，熔滴現象基本消失。

3)紗線熔滴表面及斷面照片觀察結果表明，純阻燃滌綸紗線燃燒產生的熔滴無論是表面還是斷面基本無孔隙存在，混入芳綸1313后熔滴表面與斷面開始出現泡狀孔隙，熔滴逐步顯現為脆的焦炭物。隨著芳綸1313質量分數增大，燃燒后物質表面趨于光滑，且表面孔隙更為細小，斷面孔隙也更細小緊密。

4)芳綸1313的混入能夠有效改善混紡紗阻燃抗熔滴性能，特別是能夠有效提高其抗熔滴性能。

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