高溫真空處理對阻燃粘膠纖維性能影響

楊　旭

(江西服裝學院， 江西 南昌 330201)

高溫真空處理對阻燃粘膠纖維性能影響

楊旭

(江西服裝學院， 江西 南昌 330201)

文章通過高溫真空處理對阻燃粘膠纖維不同時間，分析高溫真空處理對阻燃粘膠纖維的性能影響。研究表明，除纖維斷裂伸長率外，經過不同高溫真空處理不同時間后，纖維熱學、斷裂強度及結晶度均有不同程度的下降，且變化幅度最大的溫度區間在300～400℃，而纖維分子結構經過高溫真空處理保持纖維素Ⅱ的晶型結構不變。

高溫真空；阻燃粘膠；熱學；分子結構；力學性能

阻燃粘膠纖維是在阻燃抗熔滴性能基礎上開發出來的極限氧指數高于28的新型纖維材料，不僅具有普通粘膠纖維優良的抗靜電、舒服、透氣、手感柔軟等特點，還具有防止較好的抗熔融和防止火焰蔓延、低煙不釋放毒氣等特點而被廣泛應用于特種防護服及高檔家居裝飾品[1]。目前，通過纖維改性使得粘膠纖維具有阻燃性能的方法主要是通過接入具有阻燃性能大分子鏈段的共聚法和將阻燃劑與紡絲液共混進行紡絲制得阻燃粘膠纖維的共混法[2]。本文通過研究南通羅萊化纖有限責任公司采用共混法生產的阻燃粘膠纖維在真空高溫下的纖維性能，為新型阻燃粘膠纖維的開發提供一定的參考依據。

1　實驗部分

1.1實驗材料

磷系阻燃粘膠纖維(規格：1.33 dtex×36 mm)、丙酮(分析純)。

1.2實驗儀器

RN2-300-7真空回火爐，NETZSCH STA409PC同步熱分析儀，FA2004電子分析天平，CT-C-Ⅰ熱風循環烘箱，LRHS-225B-LH恒溫恒濕試驗箱，XQ-1型纖維強伸度儀。

1.3實驗方法

1.3.1阻燃粘膠高溫處理將阻燃粘膠纖維投入到丙酮溶液中浸泡5 min后取出，采用傾斜式沖洗的方式使用蒸餾水對浸泡丙酮后的阻燃纖維進行反復清洗，以除去阻燃粘膠纖維表面的雜質，防止實驗誤差的產生。將清洗后的阻燃粘膠纖維再放置到溫度為105℃的烘箱中干燥至恒重。

使用天平分別稱取5份干燥后的阻燃粘膠纖維，每份阻燃粘膠纖維10 g。取其中4份，放置到RN2-300-7真空回火爐中(在真空狀態下防止纖維在高溫狀態下的燃燒)，分別在溫度200℃的條件下保持1 h，3 h，6 h，10 h。按照同樣的實驗方法，在溫度為300℃、400℃、600℃處理阻燃粘膠纖維。

1.3.2熱學性能

取僅經丙酮溶液清洗后的阻燃粘膠纖維與經600℃處理10 h的阻燃粘膠纖維剪成纖維碎末，在氮氣的保護下使用NETZSCH STA409PC同步熱分析儀對阻燃粘膠纖維進行熱性能測試。NETZSCH STA409PC同步熱分析儀升溫速率為20℃/min，阻燃粘膠纖維實驗溫度為室溫～700℃。

1.3.3X衍射

取僅經丙酮溶液清洗后的阻燃粘膠纖維與經600℃處理10 h的阻燃粘膠纖維剪成纖維碎末，依據XRD-6000島津X射線衍射儀的實驗要求將粘膠纖維碎末制成纖維壓片。粘膠纖維X衍射測試條件：X衍射掃描的起始角為5°，終止角為45°；掃描步寬為0.02°；掃描電壓為30 kV；掃描電流為20 mA；射線管為Cu靶；掃面方式為連續掃描，掃描速度為 4°/min；接收狹縫為0.30；防散射狹縫為1；發散狹縫為1；波長為0.154 nm；單色化方法為石墨單色器；掃描段數為1；疊加次數為1。

使用分峰軟件對僅經丙酮溶液清洗后的阻燃粘膠纖維與經600℃處理10 h的阻燃粘膠纖維的X衍射曲線進行分峰處理，使用公式1計算實驗前后阻燃粘膠纖維的結晶度[3]。

(1)

式(1)中，Cr代表阻燃粘膠纖維結晶度/%；Sa代表阻燃粘膠纖維無定形峰積分面積；Sc代表阻燃粘膠纖維結晶峰積分面積。

1.3.4力學性能

將每個溫度處理的每個時間點的阻燃粘膠纖維(未經處理的阻燃粘膠纖維標記為處理時間為0 h)放置到恒溫恒濕試驗箱中，設置恒溫恒濕試驗箱的溫度為20℃，相對濕度為65%，在該環境條件下平衡24 h后待用。使用XQ-1型纖維強伸度儀在阻燃粘膠纖維的夾持長度為20 mm，纖維拉伸速度為20 mm/min，纖維初始張力為0.2 cN，力的測試精確度為0.01 cN，伸長的測試精度是0.01 mm的條件下測試阻燃粘膠纖維的斷裂強度與斷裂伸長率。每個溫度處理的每個時間點的阻燃粘膠纖維測試30根，排除異常數據后，取其平均值。

2　結果與討論

2.1熱學性能分析

僅經丙酮溶液清洗后的阻燃粘膠纖維與經600℃處理10 h的阻燃粘膠纖維DSC曲線與TG曲線如圖1所示。從圖1的熱學分析曲線可以明顯看出，僅經丙酮溶液清洗后的阻燃粘膠纖維與經600℃處理10 h的阻燃粘膠纖維DSC曲線與TG曲線均可以分為4個反應階段。第1階段為室溫～100℃左右，從圖1(a)的DSC曲線可以看出，室溫～100℃左右的溫度區間為吸熱區間，而在相應的區間內TG曲線的質量殘存百分率略有下降，該階段由于纖維內部的吸附水受熱揮發和纖維內部吸附氣體的析出造成的纖維質量減損，由于在實驗前已經將實驗纖維進行了干燥處理，因此該階段纖維質量的損失較小。第2階段為100～300℃區間，該區間具有較小的吸熱峰，同時在該區間內纖維的質量殘存率有較小的幅度的降低，這是由于在溫度區間內，纖維內部的氫鍵開始斷裂，折疊鏈大分子鏈段在熱量的牽引下開始伸直，并開始滑移，導致其中部分左旋葡萄糖裂解基脫水，使得纖維質量有較低程度的減少。第3階段為300～400℃。在該區間，僅經丙酮溶液清洗后的阻燃粘膠纖維與經600℃處理10 h的阻燃粘膠纖維均具有較強的吸熱峰，同時從TG曲線上也可以看出，在該階段纖維質量殘存率下降幅度較高，這是由于在該溫度區間內，阻燃粘膠纖維內部在吸收大量的熱量后，糖甙鍵與C—C、C—O均開始斷裂，在此過程中，會產生大量的低分子量的揮發物，造成纖維質量的急劇下降。第4階段為400～600℃，纖維內部的分子結構取向于芳環化，以形成石墨環狀結構以保持結構的穩定。由能量低態穩定原則可知，纖維在該過程中會放出部分能量，以保持結構在最低能量狀態。從該過程中的DSC曲線也可以看出，纖維在該過程中有放熱峰出現[4]。

同時，從DSC曲線也可以看出，在溫度100～300℃的溫度區間內，纖維分子吸熱強度較小，質量殘存率變化不大，這是由于纖維內部的阻燃劑在溫度區間內脫水生成偏磷酸，而偏磷酸進一步脫水共聚而形成聚偏磷酸，出現了二次結晶的現象，有效地吸熱[5]。從該角度來說，高溫真空處理并未從大幅度降低阻燃粘膠纖維的阻燃性能。

從圖1中的DSC曲線與TG曲線也可以明顯看出，僅經丙酮溶液清洗后的阻燃粘膠纖維在溫度為100℃與350℃附近的吸熱峰強度均高于經600℃處理10 h的阻燃粘膠纖維的吸熱峰強度，同時從最終的阻燃粘膠纖維質量殘存率也可以看出，僅經丙酮溶液清洗后的阻燃粘膠纖維的質量殘存率高于經600℃處理10 h的阻燃粘膠纖維。這是由于經過高溫真空處理，阻燃粘膠纖維的結晶結構受到一定程度的破壞，而導致結晶度的降低，無定型區的增加，從而導致纖維結構的穩定下降。該結論將在下述的X衍射實驗的結晶度理論計算中得到驗證。

2.2X衍射

圖1　阻燃粘膠纖維實驗前后熱學分析曲線

圖2　阻燃粘膠纖維實驗前后X衍射曲線

2.3力學性能

不同溫度不同時間處理條件下阻燃粘膠纖維力學性能測試結果如表1所示。從表1可知，在相同的處理溫度條件下，斷裂強度隨著處理時間的增加而不斷降低，而斷裂伸長率隨著處理時間的增加而不斷增加。在相同的處理時間條件下，斷裂強力隨著溫度的升高而不斷降低，而斷裂伸長率隨著溫度的升高而不斷下降[6]。這是由于處理時間越長，處理溫度越高，纖維的結晶度下降越大，對纖維結構的破壞性也就越大。同時，從表中可以看出，在300℃以前與400℃以后的相應溫度區間內，在相同的處理時間點上，纖維的斷裂強度與纖維的斷裂伸長率變化幅度均較小，而溫度區間300～400℃之間，纖維的斷裂強度與斷裂伸長率的變化幅度均達到最大值，對照上述的TG曲線可以明顯看出，纖維在300～400℃之間結構受到的影響最大，質量殘存率最低，由此也可以推知，阻燃粘膠纖維的結晶結構破壞最嚴重的區間也在300～400℃之間。

表1　不同溫度不同時間處理條件下阻燃粘膠纖維力學性能測試結果

3　結論

阻燃粘膠纖維在不同高溫真空處理不同時間后，纖維熱學、力學性能及結晶度均有不同程度的下降，且變化幅度最大的溫度區間在300～400℃，而纖維分子結構經過高溫真空處理，保持纖維素Ⅱ的晶型結構不變。

[1]朱正鋒，齊大鵬，蔡麗麗，等.阻燃粘膠纖維的性能研究[J].中原工學院學報，2010, 21(4):37—40.

[2]張瑞文，崔世忠.共混改性阻燃粘膠纖維的性能研究[J].中原工學院學報，2009,20(6):17—20.

[3]劉瑞剛，胡學超，章譚莉.粘膠纖維素在NMMO中溶解前后結晶結構的變化[J].中國紡織大學學報，1998,24(4): 7—10.

[4]朱正鋒，齊大鵬.阻燃粘膠纖維的熱力學性能研究[J].人造纖維，2011,25(1):2—4.

[5]于偉東，儲才元.紡織物理[M].上海：中國紡織大學出版社，2001.

[6]褚明利，胡江濤，肖明慧，等.接枝改性阻燃粘膠纖維的性能研究[J].山東紡織科技，2007，48(6)：16—18.

Performance and Impact of Flame Retardant Viscose Fibers Treated by High Temperature Vacuum Processing

YangXu

(Jiangxi Institute of Fashion Technology, Nanchang 330201, China)

Performance of flame retardant viscose fibers were tested to study influence of flame retardant viscose fibers treated by high temperature vacuum processing in different high temperature and processing time. Study shows that thermal properties, breaking strength and crystallinity were all dropped except elongation at break. The largest temperature range of the changes of indexes all above, were between 300～400℃, meanwhile, molecular structure keep the cellulose Ⅱ crystal structure the same before and after high temperature vacuum processing.

high temperature vacuum; flame retardant viscose; thermal properties; molecular structure; mechanical properties

2015-07-16

楊旭(1984—)，女，河南駐馬店人，講師。

TS102.51

A

1009-3028(2015)05-0046-04