阻燃改性對黃麻纖維性能影響研究

文/潘國立

1 引言

近年來，隨著生態與環保意識的日益增強，采用性能優良的麻纖維等天然纖維替代化學纖維開發綠色、環保的新材料成為研究的熱點之一。其中，黃麻纖維具有力學性能優良、導濕吸濕能力強、吸音、隔熱、能自然降解等優良特性，被稱為“黃金纖維”。黃麻纖維的價格廉價（黃麻纖維約4000元/噸，遠遠低于苧麻的12000元/噸、亞麻的15000元/噸）[1-2]。同時，黃麻纖維產量大，在全球范圍內，黃麻纖維是第二大天然纖維素纖維，產量僅次于棉纖維，我國是黃麻種植大國，世界上黃麻產量第三。目前，黃麻纖維的應用已經由傳統的粗麻織物、麻繩等向高附加值的窗簾、地毯等室內裝飾，防滲布等土工布、坐墊、門板、儀表盤等汽車內飾等領域轉變。

然而，黃麻纖維屬于天然纖維素纖維，極限氧指數低于20%，屬于極容易燃燒[3]的纖維，其燃燒時會產生大量的濃煙等有害物質，給人身安全等造成嚴重的損傷，所以在應用時必須對黃麻纖維進行阻燃改性。Tao Yu[4]等采用磷基化合物（DOPO-ICN）作為阻燃劑對黃麻纖維增強聚乳酸復合材料阻燃處理，阻燃后的復合材料具有良好的阻燃性能，還會提高復合材料的力學性能。Hong Qiang Yan等[5]采用生物基聚二苯甲酸苯基磷酸酯和聚乙烯亞胺對苧麻織物進行涂層阻燃整理，阻燃后的苧麻織物增強復合材料具有良好的阻燃性能，達到了UL-94試驗中的V-0級，同時復合材料的拉伸強度和彎曲強度分別提高了53%、113%。Aruna Subasinghe[6]等采用聚磷酸銨APP作為阻燃劑，對洋麻纖維/PP復合材料進行阻燃改性，研究發現，APP可以有效提高洋麻纖維/PP復合材料的阻燃性能和熱穩定性，增加熱分解溫度。

本論文采用FPK8002型含氮有機磷酸酯類阻燃劑對黃麻纖維進行阻燃改性處理，采用檸檬酸/馬來酸酐作為交聯劑，阻燃工藝參數的設置既能保證優良的阻燃效果，又要保證黃麻纖維的力學性能有較大程度的改善，因此結合現有信息，設置阻燃劑濃度為300g/L和400g/L，交聯劑濃度為20g/L和40g/L，焙烘溫度為130℃和160℃，焙烘時間為1min和3min。通過試驗，研究阻燃劑和交聯劑濃度，阻燃處理的焙烘溫度和時間等對黃麻纖維阻燃性能、力學性能等的影響。

2 試驗部分

2.1 試驗材料和儀器

材料：黃麻纖維，由長春博超汽車零部件有限公司提供，長度50mm；阻燃劑，FPK8002型，上海赫特國際集團；檸檬酸、馬來酸、次亞磷酸鈉、NaOH，均由天津市風船化學試劑科技有限公司提供。

儀器：MS105DU型電子天平，DHG-9240A型電熱恒溫鼓風干燥箱，M223M型垂直燃燒儀，UV-2401PC型紫外可見分光光度計，HH-ZK型恒溫水浴鍋，3369型Instron萬能強力機，WL-GZ-O-800型針刺機。

2.2 黃麻纖維阻燃處理

將300g/L（400g/L）的FPK8002阻燃劑，20g/L（40g/L）的交聯劑（檸檬酸:馬來酸1:1），30g/L的次亞磷酸鈉溶解在1L的蒸餾水中，配制成阻燃劑溶液。將黃麻纖維在阻燃劑溶液中浸泡處理15min，然后100℃下熱烘處理2min，130℃（160℃）下焙烘處理1min（3min），然后采用5g/L的NaOH溶液清洗黃麻纖維，然后再用30℃～40℃的溫水清洗至中性，80℃烘干。

2.3 黃麻纖維針刺氈制備

將不同阻燃處理的黃麻纖維噴灑梳理劑后，依次經過針刺機的開松、梳理、交叉鋪網、預刺、針刺，制備面密度為1400g/m2～1450g/m2的黃麻纖維氈。

2.4 性能測試

（1）黃麻纖維拉伸強度

黃麻纖維的拉伸強度參考標準D3822-07 Standard Test Method for Tensile Properties of Single Textile Fibers進行，拉伸隔距為10mm，拉伸速度為1mm/min。

（2）黃麻纖維阻燃性能

黃麻纖維的阻燃性能參考標準GB/T 5455—1997進行，將黃麻纖維針刺氈裁剪成尺寸為300mm×80mm的樣品，調整火焰高度（40±2）mm，點火時間為12s，然后觀察試樣的續燃現象。

3 結果分析

3.1 阻燃改性對黃麻纖維性能的影響

含氮有機磷酸酯阻燃劑阻燃改性后的黃麻纖維的性能如表1所示。由表1可以看出，阻燃后的黃麻纖維的阻燃性能良好，離開火焰后，黃麻纖維不再續燃。根據阻燃機制可知，阻燃劑受熱可分解成具有良好脫水作用的磷酸和多磷酸，會使黃麻纖維中的纖維素大分子鏈脫水產生水分并且纖維也會炭化，反應過程如式（1）所示，固體碳隔離了氧氣，阻止燃燒的進行。

同時，阻燃劑中的含氮基團可釋放出難燃性氣體，稀釋了氧濃度，阻止了燃燒的進一步進行[7]。

然而，阻燃改性處理對黃麻纖維的拉伸斷裂強度的影響較大，經過阻燃改性后，黃麻纖維的拉伸斷裂強度降低了34.99%。阻燃處理后，阻燃劑會在黃麻纖維的纖維素大分子鏈間引入一定數量的交聯鍵，這些交聯鍵會導致纖維素大分子鏈在受到外力作用時的變形能力受到一定的限制；另一方面，使用的交聯劑檸檬酸、馬來酸的pH值呈酸性，會引起黃麻纖維素大分子的降解，造成的黃麻纖維拉伸斷裂強度的損傷。

為了降低阻燃處理對黃麻纖維的拉伸斷裂強度的負面影響，下一步對阻燃劑和交聯劑濃度，阻燃處理的焙烘溫度和時間等進行優化。

3.2 阻燃劑濃度對黃麻纖維性能的影響

圖1 阻燃劑濃度對黃麻纖維拉伸斷裂強度的影響

圖1為不同阻燃劑濃度對黃麻纖維的拉伸斷裂強度的影響，由圖1可以看出，降低阻燃劑濃度可以改善對黃麻纖維拉伸斷裂強度的負面影響，相較于400g/L阻燃劑處理，300g/L阻燃劑處理后，黃麻纖維的拉伸斷裂強度提高了3.86%。阻燃劑會在黃麻纖維的纖維素大分子鏈間引入一定數量的交聯鍵，這些交聯鍵會導致纖維素大分子鏈在受到外力作用時的變形能力受到一定的限制，所以降低阻燃劑濃度，可以改善黃麻纖維的拉伸斷裂強度[8]。

3.3 交聯劑濃度對黃麻纖維性能的影響

圖2 交聯劑濃度對黃麻纖維拉伸斷裂強度的影響

圖2為不同交聯劑濃度對黃麻纖維的拉伸斷裂強度的影響，由圖2可以看出，增加交聯劑濃度可以提高黃麻纖維的拉伸斷裂強度，相較于20g/L交聯劑處理，40g/L交聯劑處理后，黃麻纖維的拉伸斷裂強度提高了6.07%，交聯劑用量多，會起到保護黃麻纖維的作用，降低阻燃劑侵入黃麻纖維的程度，減少了阻燃劑對黃麻纖維的破壞，所以拉伸斷裂強度提高。

3.4 焙烘溫度對黃麻纖維性能的影響

圖3 焙烘溫度對黃麻纖維拉伸斷裂強度的影響

圖3為不同焙烘溫度對黃麻纖維的拉伸斷裂強度的影響，由圖3可以看出，降低焙烘溫度可以提高黃麻纖維拉伸斷裂強度，相較于160℃焙烘處理，130℃焙烘處理后，黃麻纖維的拉伸斷裂強度提高了8.25%。黃麻纖維屬于纖維素纖維，受熱容易分解，造成黃麻纖維的損傷[9-10]，所以降低焙烘溫度會提高黃麻纖維的拉伸斷裂強度。

3.5 焙烘時間對黃麻纖維性能的影響

圖4 焙烘時間對黃麻纖維拉伸斷裂強度的影響

圖4為不同焙烘時間對黃麻纖維的拉伸斷裂強度的影響，由圖4可以看出，降低焙烘時間可以提高黃麻纖維拉伸斷裂強度，相較于3min焙烘處理，1min焙烘處理后，黃麻纖維的拉伸斷裂強度提高了5.77%。降低焙烘時間，可以降低高溫對黃麻纖維的影響，減少黃麻纖維的熱降解，所以提高了拉伸斷裂強度。

通過上述對阻燃工藝的優化探究，當阻燃劑濃度為300g/L、交聯劑濃度為20 g/L、焙烘溫度為130℃、焙烘時間為1min時，黃麻纖維具有良好的阻燃效果，12s點火時間后，黃麻纖維的續燃時間為0s，損毀長度為3mm。

4 結論

（1）采用400g/L阻燃劑、40g/L交聯劑、160℃焙烘3min阻燃處理后，黃麻纖維具有良好的阻燃性能，但是拉伸斷裂強度降低了34.99%。

（2）在滿足阻燃要求前提下，降低阻燃劑濃度，提高交聯劑濃度，降低焙烘溫度和焙烘時間，可以減少阻燃處理對黃麻纖維性能的負面影響，提高拉伸斷裂強度。