皮芯复合阻燃疏水纤维的制备工艺

丁致家，齐 鲁，高晓东，颜 冬

(1.天津工业大学生物与纺织材料研究所，天津300160;2.波司登股份有限公司博士后工作站，江苏常熟215532)

随着社会的进步，环保意识的提高，人们对织物的功能性也有了更多的要求，织物的阻燃性及防水性是目前研究的热点。通过对化学纤维进行改性得到功能纤维是目前的主要手段，但改性纤维的可纺性受到影响。因此，探讨改性纤维的纺丝、拉伸的工艺性能尤其重要。作者采用皮芯复合纺丝工艺，芯层料添加新型有机膦系阻燃剂赋予纤维阻燃性能。有机膦系阻燃剂具有较好的阻燃性能，较无机阻燃剂及含卤素的阻燃剂更加环保、安全。皮层料添加适量的聚偏氟乙烯(PVDF)，赋予纤维疏水性能。此纤维较单一功能的阻燃或防水纤维具有更广泛的应用领域，与前期工作中的无机阻燃剂改性聚酯(PET)纤维相比，其添加的有机膦系阻燃剂和防水剂对纺丝性能影响较小，纺丝稳定，纤维力学性能较好，线密度低，可应用于服用面料［1－5］。

1 实验

1.1 主要原料

PET切片:纤维级，中国石化仪征化纤股份有限公司产;G-77阻燃剂:芳基聚磷三酯类，济南三江阻燃制品有限公司产;共聚阻燃母粒:由芳基聚磷酯类与PET共聚制得，济南三江阻燃制品有限公司产;阻燃母粒:G-77阻燃剂与PET质量之比为7.25/100，极限氧指数(LOI)为 27.8%，自制;PVDF:上海东氟化工科技有限公司产;相容剂:丙烯酸酯接枝聚烯烃弹性体，自制;助剂:钛酸酯类偶联剂，仪征天扬化工有限公司产。

1.2 仪器设备

SHR-25A型高速混合机:张家港海滨机械有限公司制;双螺杆挤出造粒试验机:南京达力特挤出机械有限公司制;纺丝试验机:大连华纶化纤工程有限公司制;KV900I型牵伸机:山西同丰纤维机械有限公司制;JF-4型氧指数测定仪:南京市江宁区分析仪器厂制;LLY-06BD型电子单纤维强力仪:莱州市电子仪器有限公司制;JC2000C2型接触角测量仪:上海中晨数字技术设备有限公司制。

1.3 实验方法

1.3.1 芯层料的制备

将PET切片、G-77阻燃剂分别按一定的配方，先后加入高速混合机混合均匀，然后通过双螺杆挤出机造粒制得芯层料改性阻燃PET切片。将芯层改性PET切片通过注塑机制备符合GB/T 2406.2——2009《塑料-用氧指数法测定燃烧性能》要求的实验所需样条，进行清洗，放入干燥箱，在70℃条件下干燥20 h，测试其LOI。

1.3.2 皮层料的制备

将自制阻燃母粒、共聚阻燃母粒、PVDF、相容剂以及助剂按照一定的配方(其中PVDF加入质量分数为6%)，先后放入高速混合机中与PET混合均匀，然后通过双螺杆挤出机造粒，制得皮层料的PET切片。将制备好的皮层切片通过注塑机制备，按1.3.1节条件制备样条。

在制备皮层料和芯层料后，使用皮芯结构纺丝组件进行纺丝，得到原丝，然后用牵伸机对原丝进行拉伸，得到不同纺丝速度和拉伸比的拉伸丝。工艺参数如表1～2所示，拉伸温度分别为上盘35℃，中盘80℃，热板105℃，下盘105℃。不同的配方根据纺丝的具体情况其温度会有微调。

表1 芯层料和皮层料的双螺杆挤出机造粒参数Tab.1 Granulation parameters of twin-screw extruder for the core and the sheath

表2 皮芯复合多功能纤维纺丝参数Tab.2 Spinning process parameters of sheath-core multifunctional composite fiber

1.4 测试

LOI:采用 GB/T 2406.2—2009《塑料-用氧指数法测定燃烧性能》以及顶面点燃法的点火方式，通过氧指数测定仪对皮层料和芯层料样条进行测定。

力学性能:采用GB/T 14337—2008《化学纤维短纤维拉伸性能试验方法》，间隔长度20 mm，拉伸速度20 mm/min，干定伸长强力的测定方法，通过单纤维强力仪测定皮芯复合多功能纤维的断裂强度和断裂伸长率。

疏水性能:采用JC2000C2型接触角测量仪测定水对改性PET纤维的接触角以表征其疏水性能，接触角越大，疏水性能越强。

2 结果与讨论

2.1 芯层料配方

通常将LOI大于27%的纤维定义为阻燃纤维。由图 1可看出，当 mG－77/mPET为 7.00/100时，芯层料的LOI值达到27%以上。但阻燃剂含量的增加，PET的结构破坏加大，芯层料黏度降低，考虑到G-77阻燃剂对可纺性的影响，通过纺丝实验可知，当mG-77/mPET大于7.30/100时，纺丝过程中压力不稳定，后期压力下降严重，不利于纺丝。故选取 mG-77/mPET为(7.00/100)～(7.30/100)时的芯层料进行纺丝实验，并测试LOI，确定芯层配方。

图1 不同G-77含量的芯层料的LOIFig.1 LOI of the core with different G-77 content

芯层料主要是保证纤维的阻燃性能，当mG-77/mPET为7.25/100 时，LOI值为 27.8%，符合阻燃要求，且纺丝效果较好，故实验中确定芯层料阻燃剂 mG-77/mPET为7.25/100。

2.2 皮层料配方

由图2可看出，含PVDF质量分数为6%的皮层料与水的接触角为83.4°，而未改性的PET的接触角一般约70°，说明添加PVDF后的PET具有较好的疏水性，拓展了纤维的应用领域［6－8］。

图2 含6%PVDF的皮层料与水的接触角Fig.2 Water contact angle of the sheath with 6%PVDF

从表4可以看出，随着共聚阻燃母粒含量的增加，皮层料的LOI有所降低。当自制阻燃母粒/共聚阻燃母粒(质量比)为8.0/2.0时，其皮层料的LOI为27.9%，符合难燃材料的标准。但是此配方在纺丝时出现滴料、粘板等不良现象，使纺丝无法正常进行。其原因可能是加入过量的共聚阻燃母粒后，分子链结构破环严重，黏度变小，在纺丝过程中皮层组分压力降低，与芯层组分相差较大，当熔体细流经过喷丝板细孔时速度相差较大，不能很好的复合在一起，致使滴料、黏板的发生。其他3个配方都能进行连续稳定的纺丝，纺丝过程压力稳定。本实验的复合纤维皮芯复合比20.0/40.5，阻燃性主要由芯层来体现，其 LOI为27.8%，皮层的LOI可适当降低到约26%，这样能同时满足阻燃功能性及可纺性、稳定性等。

表4 不同配方的皮层料纺丝所得纤维的阻燃性及力学性能Tab.4 Flame retardance and mechanical properties of the fibers with different sheath formulation

由表4还可以看出，随着自制阻燃母粒含量的增加，皮层料所纺制纤维的断裂强度呈下降的趋势。当自制阻燃母粒/共聚阻燃母粒质量比为6.0/4.0 时，纤维的断裂强度最大为 4.86 cN/dtex，但其在纺丝过程中，皮层压力与芯层压力有所波动，在纺丝后期出丝不稳定，且其拉伸丝断裂伸长率降低明显，故选取自制阻燃母粒共聚阻燃母粒质量比为7.0/3.0较为合适。

2.3 皮芯复合纤维力学性能的影响

由以上实验最终确定皮芯复合阻燃疏水纤维原料配方为:芯层配方为G-77阻燃剂与PET质量比为7.25/100;皮层配方为自制阻燃母粒与共聚阻燃母粒质量比为7/3，添加质量分数6%的PVDF和偶联剂等助剂;纺丝皮芯复合比为20.0/40.5。此配方在不同卷绕速度和拉伸倍数下，皮芯复合阻燃疏水纤维的力学性能如表5所示。

表5 纤维在不同卷绕速度时的力学性能Tab.5 Mechanical properties of fibers at different winding speed

从表5可以看出，在1 200 m/min和1 400 m/min的卷绕速度下制得的复合纤维原丝，其拉伸效果也较好，特别是卷绕速度为1 200 m/min、总纺速为4 500 m/min时，即拉伸倍数为3.75时的效果最好，纤维断裂强度大，为4.52 cN/dtex，线密度较小，为2.15 dtex，拉伸丝质量也好，没有毛丝。这是由于随着卷绕速度提高，喷丝头拉伸增大，纺程上轴向速度梯度增大，纺程张力提高，导致纤维取向增加，而取向又进一步诱导结晶，导致力学性能随纺丝速度增加而单调递增(实验速度范围内)，这与常规熔融纺丝原理是一致的［8－10］。但过低的卷绕又容易形成超喂，使得取向度过小，也不易于后续拉伸，故中低速1 200 m/min卷绕速度的原丝拉伸效果最好。

3 结论

a.使用G-77阻燃剂对PET进行阻燃改性，芯层料LOI能达到28%，达到难燃级别。皮层料LOI能达到26%以上，还有进一步改善的空间。

b.芯层料加入新型阻燃剂使得纤维具有较好的阻燃性，皮层添加共聚阻燃母粒进一步增强了纤维的阻燃功能，且加入的PVDF使得纤维具有了疏水性，其接触角能达到83.4°，扩展了纤维的应用领域。

c.在皮层料中添加共聚阻燃母粒对纺丝有一定的影响，中低速纺丝效果较好，拉伸丝力学性能良好，能达到4 cN/dtex以上，较之前期的无机阻燃剂改性有大幅的提高。

d.皮层料自制阻燃母粒和共聚阻燃母粒质量之比为7.0/3.0时，各方面综合性能较好，最佳的卷绕速度为1 200 m/min，拉伸倍数为3.75。

［1］江海红，周亨近，金日光.阻燃涤纶母粒的研制及纺丝性能的研究［J］.合成纤维，1999，28(6):12 －14.

［2］陈奕娟.锦纶6 FDY纺牵一步法工艺［J］.广东化纤，2001(3):12－14.

［3］董纪震，孙桐，古大治，等.合成纤维生产工艺学［M］.北京:纺织工业出版社，1993:568－582.

［4］朱建明，何静，孙庆丰.差别化纤维现状分析与发展建议［J］.合成纤维工业，2000，29(5):1 －4.

［5］Vaidya A A.High speed spinning of polyester and nylon filaments［J］.Indian Text J，1984，94(10):53 －55.

［6］李淑华，刘兆锋，胡盼盼.涤纶织物防水透湿与拒水拒油整理的发展［J］.纺织学报，2003，24(5):506 －508.

［7］张晓莉，刘书芳，刘玲玲.超疏水织物表面的研究进展［J］.印染助剂，2010(10):1－4.

［8］Masashi M，Akira N，Akira F，et al.Effects of the surface roughness on sliding angles of water droplets on superhydrophobic surfaces［J］.Langmuir，2000，16(13):5754 －5760.

［9］Wang Hueihsiung，Hu Yenjung.The effect of on-line heat treatment during high-speed spinning process on physical properties and fiber structure of polyester filaments［J］.Sen-IGakkaishi，1995，51(6):274 －281.

［10］Forest M G，Ueda T.An isothermal model for high-speed spinning of liquid crystalline polymer fibers-coupling of flow，orientation and crystallization［J］.J Non Newtonian Fluid Mech，1999，84(2/3):109 －121.