阻燃Lyocell纖維的結構與性能

陳勝杰 蔣秋冉 蘆長江 王 妮

1.東華大學 紡織面料技術教育部重點實驗室(中國)

2.山東蘆氏特種面料科技有限公司(中國)

Lyocell纖維為一種再生纖維素纖維，具有良好的力學性能、優異的吸濕性和透氣性及良好的染色性能，被廣泛應用于紡織服裝和裝飾等領域。Lyocell纖維屬于可再生資源，容易在自然界中被生物降解。然而，Lyocell纖維遇火極易燃燒，極限氧指數(LOI)僅約18%，這限制了其在生活、工業及其他領域的應用[1-2]。對Lyocell纖維進行阻燃改性以獲得阻燃性能良好的阻燃Lyocell纖維，一直是纖維改性研究的重點方向之一。

與阻燃合成纖維相比，阻燃Lyocell纖維具有抗熔融滴落、不易產生濃煙等特點。因此，在高溫環境下纖維不會因熔融滴落而灼傷皮膚，故阻燃Lyocell纖維的制備尤為重要[3]。阻燃改性的方法有共混法[4]、接枝共聚法[5]、后處理[6]及阻燃整理等。阻燃整理法又分為Banflam法[7]、Pyrovatex CP法[8]、四羥甲基氯化磷(THCP)/酰胺法[9]及Proban法[10]。本文主要探討采用改性Proban法獲得的阻燃Lyocell纖維的特性，并對比分析阻燃處理前后纖維結構與性能的變化。研究旨在為阻燃Lyocell纖維后續的加工與應用提供一定參考。

1 試驗

1.1 材料

長38 mm、線密度為1.3 dtex的Lyocell原纖和經Proban法阻燃改性處理的阻燃Lyocell纖維，所有纖維試樣均來自山東蘆氏特種面料科技有限公司。

1.2 阻燃處理工藝

將阻燃劑THPC配置成一定質量濃度的水溶液，在一定的溫度下，采用浸軋的方式對Lyocell纖維進行處理。然后對浸軋處理的纖維進行預烘和氨熏，再進行氧化、烘干和預縮處理，得到阻燃Lyocell纖維。阻燃處理過程中，浸有阻燃劑的纖維在氨熏設備中與氨發生反應，氨氣滲入纖維中，將阻燃劑聚合成一種高相對分子質量的不溶性三維立體聚合物。

1.3 測試方法

1.3.1 LOI測試

參照GB/T 5454—1997《紡織品 燃燒性能試驗 氧指數法》，從已調濕平衡的試樣中隨機而均勻地抽取約20 g纖維，采用HC-2C型氧指數測定儀測定纖維的LOI。

1.3.2 拉伸性能測試

參照GB/T 14337—2008《化學纖維 短纖維拉伸性能試驗方法》，采用LLY-06 A型電子單纖維強力儀(萊州市電子儀器有限公司)測試纖維的拉伸性能。測試條件: 溫度為20 ℃，相對濕度為65%，試樣夾距為10 mm，預加張力為0.1 cN，拉伸速度為5 mm/min。測試次數為50次，結果取平均值。

1.3.3 表面形態表征

對纖維試樣表面進行真空鍍金后，采用DXS-10ACKT型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察纖維的縱向及橫截面形態。

1.3.4 紅外光譜測試

采用Nicolet 6700型傅里葉變換紅外顯微成像光譜儀(美國Perkin Elmer公司)對纖維試樣進行紅外光譜測試。測試波數范圍為4 000～600 cm-1，儀器分辨率為4 cm-1。

1.3.5 結晶度測試

采用D/max-2550VB+/PC型18 kW轉靶X射線衍射儀(日本理學株式會社)測試纖維試樣的結晶度。轉靶為銅靶，使用管電壓為40 kV、管電流為150 mA的X射線管，掃描布拉格角2θ范圍為5°～90°，步長為0.02°。

2 結果與討論

2.1 LOI

纖維的阻燃性能常采用纖維的LOI表征。采用氧指數測定儀測試Lyocell原纖和阻燃Lyocell纖維的LOI可得，前者的LOI值為18.2%，后者的LOI值為34.6%。根據GB/T 5454，當纖維的LOI值大于或等于26.0%時，這種纖維屬難燃纖維。因此可知，經阻燃處理的Lyocell纖維屬難燃纖維，表明對Lyocell纖維所進行的阻燃改性處理是可行的。

2.2 拉伸性能

阻燃改性處理前后Lyocell纖維的拉伸性能測試結果見表1。由表1可以看出，經阻燃處理后，Lyocell纖維的斷裂強度略有下降，但降低程度不明顯；纖維初始模量也略呈下降趨勢；其斷裂伸長率與Lyocell原纖相比，出現了明顯的下降。總體而言，經阻燃處理后，Lyocell纖維的力學性能略有下降，原因可能是將阻燃劑添加至纖維的過程中，這些阻燃劑顆粒首先進入纖維的無定形區并發生團聚，從而使阻燃處理后的Lyocell纖維在受力時易產生應力集中，導致纖維力學性能下降，但降低程度不大。因此可認為，該阻燃處理對Lyocell纖維力學性能的影響不大。

表1 阻燃處理前后Lyocell纖維的拉伸性能測試結果

2.3 表面形態

圖1為阻燃處理前后 Lyocell纖維的縱向SEM圖。由圖1可以看出，Lyocell原纖和阻燃Lyocell纖維的縱向表面均較光滑而均勻，無明顯的裂紋及溝槽等表面缺陷；在阻燃Lyocell纖維表面，出現了不同大小的微粒分布其上，這些微粒可能是未完全進入纖維內部而附著在纖維表面的阻燃劑顆粒。這表明并非所有的阻燃劑都進入了纖維內部。

圖1 阻燃處理前后Lyocell纖維的縱向SEM圖

圖2為阻燃處理前后Lyocell纖維的截面SEM圖。由圖2可以看出，與Lyocell原纖相比，阻燃Lyocell纖維的截面孔隙減少，這些孔隙部分被阻燃劑顆粒填充，但阻燃劑顆粒在纖維截面上的分布并不均勻，這可能也是影響纖維拉伸性能的一個因素。

圖2 阻燃處理前后Lyocell纖維的截面SEM圖

2.4 紅外光譜

圖3 Lyocell原纖與阻燃Lyocell纖維的紅外光譜圖

2.5 結晶度

Lyocell原纖與阻燃Lyocell纖維的X-射線衍射圖譜如圖4所示。經計算機分峰計算可知，Lyocell原纖和阻燃Lyocell纖維的結晶度分別為36.34%和36.87%，表明阻燃處理對Lyocell纖維結晶度的影響不大。未處理和經阻燃處理的Lyocell纖維均在2θ為12.1°和19.8°處出現了分別對應于纖維素Ⅱ結晶結構的特征衍射峰，表明處理后的Lyocell纖維的特征衍射峰位置并未發生變化，即纖維的主要結晶結構沒有發生變化，仍為纖維素Ⅱ型結晶結構。

圖4 Lyocell原纖與阻燃Lyocell纖維的X射線衍射圖

阻燃處理僅僅是將阻燃劑預縮體浸入纖維的非晶區及間隙，氨化過程也僅發生在纖維非晶區，并將形成的阻燃聚合體氧化穩定在非晶區。因此，阻燃處理并未改變纖維的結晶結構，這也是阻燃處理后纖維結晶度并沒有發生明顯改變的原因。這在一定程度上闡釋了阻燃處理后纖維斷裂強度未受明顯影響的原因。

3 結論

本文主要探討了經Proban法改性處理所得的阻燃Lyocell纖維的基本結構與性能，并將其與未處理的Lyocell原纖進行對比。研究結果發現，阻燃Lyocell纖維的LOI值達34.6%；阻燃整理對Lyocell纖維力學性能的影響不是很明顯，與Lyocell原纖相比，阻燃處理后Lyocell纖維的斷裂強度和初始模量分別下降了6.2%和12.5%，斷裂伸長率由11.42%降至9.64%；阻燃處理前后Lyocell纖維的表面形態出現了一定程度的變化，縱向表面相比Lyocell原纖粗糙，截面上分布有阻燃劑顆粒且顆粒的分布不均勻；阻燃處理未改變Lyocell纖維的結晶結構，處理前后纖維的結晶度變化不大。