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)教育部重點實驗室；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，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低煙、無毒、無異味等特性，價格相對于芳綸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 驗

1.1 實驗原料

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)燃時間、陰燃時間、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)定的燃燒器下點燃12 s，除去火源后測定試樣的續(xù)燃、陰燃時間及損毀長度。由于試樣縱橫向燃燒性能基本一致，因此，本文只做縱向?qū)嶒灐?/p>

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)氧氣和氮氣氣流，待氣流穩(wěn)定后用點火器將試樣頂端充分點燃，極限氧指數(shù)值為損毀長度40 mm時所需氧的百分比。

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 熱重分析實驗

采用Metter-Toledo公司的TGA熱重分析儀，在氮氣氛圍下，升溫速率為20 ℃/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，混紡織物的LOI值隨著芳綸1414纖維含量的增加而增大，這是因為芳綸纖維的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，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，混紡織物的阻燃性能最佳，略大于純芳綸1414織物，這也與垂直燃燒實驗結(jié)果一致。分析其原因可能有以下幾點：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，因為阻燃粘膠的回潮率比較大，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。在本實驗中可以認(rèn)為當(dāng)阻燃粘膠的比例小于等于20%時，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)啃蚊玻鐖D2(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，表面形成炭化層，阻隔氧氣與織物，起到一個良好的屏障作用，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，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，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，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，這也與垂直燃燒實驗和極限氧指數(shù)實驗結(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%時的溫度也隨之增加；芳綸1414和阻燃粘膠混紡比為20∶80時，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，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，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數(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，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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