两种阻燃纤维的结构与性能对比研究

陈 敏,董子靖,孙润军,张 弦,郝静娴

(西安工程大学 纺织科学与工程学院,陕西 西安710048)

随着社会经济的发展,各类纺织品用量迅速增长。由于大多数纤维和纺织品极易燃烧,严重限制了其应用范围,因此研究纤维的阻燃性能具有非常重要的现实意义。所谓“阻燃”,并不是指材料在接触火源时不燃烧,而是材料在火焰中能降低其可燃性,减缓火焰蔓延速度,不形成大面积燃烧[1]。当火焰移去后,材料能很快自熄,没有续燃现象发生从而停止燃烧。阻燃纤维[2]是指与火源接触后,纤维不能燃烧或燃烧得不充分,仅有较小的火焰,撤走火源,火焰能较快自行熄灭的纤维。阻燃纤维及其纺织品广泛应用于民用、工业以及军事等领域[3]。

目前市场上阻燃纤维的种类繁多[4],如阻燃涤纶纤维、阻燃锦纶纤维、阻燃黏胶纤维及腈氯纶纤维等。涤纶具有较高的断裂强度和弹性模量[5],回弹性适中,耐光、耐热、耐腐蚀,是目前产量最大应用最为广泛的合成纤维[6]；腈氯纶纤维手感柔软自然,吸水性好,而且还具有阻燃性能,其织物具有优异的服用性、挺括性以及抗褶皱性[7]。

阻燃涤纶纤维和腈氯纶纤维都具有较好的阻燃性能,采用对比研究的方式探讨了国产阻燃涤纶纤维和腈氯纶的结构特性、可纺性以及阻燃性。研究结果为2种阻燃纤维在服装、家纺、公共场所内饰等领域的应用提供了一定的理论支持。

1 试验部分

1.1 材料及仪器

材料 阻燃涤纶纤维(广州市中诚新型材料科技有限公司)；腈氯纶纤维(广州市中诚新型材料科技有限公司)。

仪器 Spotlight400&Frontie傅里叶红外光谱仪(Perkin Elmer)；YG(B)0022A 纤维细度综合分析仪(温州大荣纺织仪器有限公司)；Y171 型纤维切断器(常州第二纺织仪器厂有限公司)；YG747型通风式快速烘箱(常州第二纺织仪器厂有限公司)；Y331A 型捻度仪(常州市双固顿达机电科技公司)；YG(B)008E 型电子单纤维强力机(莱州市电子仪器有限公司)；YG321型纤维比电阻仪(温州百恩仪器有限公司)；YSZ-I型极限氧指数测定仪。

1.2 性能测试

1.2.1 红外光谱分析

使用傅里叶红外光谱仪在波数4 000～400 cm-1下对阻燃涤纶和腈氯纶纤维进行测试分析[8]。

1.2.2 物理机械性能

采用直尺测量法测定阻燃涤纶及腈氯纶纤维的长度,采用中段切断称重法[9]测量纤维的细度；参照GB/T 9995-1997《纺织材料含水率和回潮率的测定 烘箱干燥法》对2 种纤维的回潮率进行测定[10]；使用Y331A 捻度仪对纤维试样进行加捻,直至断裂,得出断裂时的捻回数,并将捻断的纤维在量程为10 mg的扭力天平上称重,计算得出其可挠度[11]；参照GB/T 14337-2008《化学纤维 短纤维拉伸性能试验方法》测试2种纤维的拉伸性能[10]；参照GB/T 14342-2015《化学纤维 短纤维比电阻试验方法》测定2种阻燃纤维比电阻[9]。

1.2.3 纤维阻燃性能

采用极限氧指数法[12]和45°燃烧法的接火次数法[13]2种方法测定纤维阻燃性。极限氧指数按照GB/T 5454-1997《纺织品 燃烧性能试验 氧指数法》测试；45°燃烧法的接火次数法测试参照JISL 1091-1999《纤维产品燃烧性实验方法》进行。

1.2.4 纤维燃烧性能

取一小束纤维,缓慢地移近火焰,仔细观察纤维接近火焰、在火焰中的燃烧状态,燃烧时散发的气味,以及燃烧后灰烬的状态,进行记录和比较[14]。

2 结果与讨论

图1 阻燃涤纶与腈氯纶纤维红外光谱图

2.1 红外光谱

阻燃涤纶纤维和腈氯纶纤维的红外光谱图如图1所示,阻燃涤纶在723 cm-1处有一强的吸收峰,该峰值为对位双取代苯环上-CH2面内的摇摆振动峰,而在1 017、1 096、1 241 cm-1处的吸收峰为C-O 伸缩振动峰,在1 409 cm-1和1 713 cm-1处的吸收峰分别对应苯环骨架振动峰和酯类C=O 伸缩振动峰。因此分析可得,阻燃涤纶纤维的化学结构与聚酯纤维的化学结构相似[15]。

腈氯纶纤维在700 cm-1处有一强的吸收峰,该峰表明它含有氯乙烯[15],在1 060、1 436、2 247 cm-1处的吸收峰分别对应C-N 弯曲振动吸收峰、C-N 面内弯曲振动吸收以及C≡N 伸缩振动吸收峰,在1 436 cm-1和2 247 cm-1处的吸收峰为丙烯腈系纤维的特征峰值[16],在2 921 cm-1处的吸收峰为CH2和CH3基团中的C-H 伸缩振动吸收峰。可见腈氯纶纤维是改性腈纶纤维,是丙烯腈单体与含阻燃元素的乙烯基化合物共聚而成[17]。

2.2 物理机械性能

阻燃涤纶纤维和腈氯纶纤维物理机械性能测试见表1。由表1可知,阻燃涤纶纤维和腈氯纶纤维均属于中长型化纤,阻燃涤纶纤维的回潮率小于腈氯纶纤维回潮率。阻燃涤纶纤维平均回潮率为1.2%,而涤纶公定回潮率为0.4%,可见阻燃涤纶经过改性处理后回潮率增大,这是因为阻燃涤纶的结构比涤纶纤维疏松。腈氯纶纤维是改性腈纶纤维,其回潮率为1.7%,而腈纶的公定回潮率为2%,腈氯纶纤维经改性后回潮率减小。

表1 2种纤维的物理机械性能测试

阻燃涤纶纤维的可挠度比腈氯纶纤维的可挠度大,这是由于阻燃涤纶纤维比腈氯纶纤维抗扭转性能好,可以施加较大的捻度而不会引起纤维断裂。

阻燃涤纶纤维的断裂强力、断裂强度、断裂伸长率、断裂伸长、屈服强力均大于腈氯纶纤维,即阻燃涤纶纤维的拉伸断裂性能优于腈氯纶纤维。这是由于阻燃涤纶分子中有不能内旋转的苯环,为刚性分子,分子链易于保持线型。大分子在这一条件下很容易形成结晶,故阻燃涤纶的结晶度和取向性较高。结晶度越高,纤维分子排列越整齐,分子间结合力愈强,则纤维的断裂强度、断裂强力、屈服强力就较高。

阻燃涤纶纤维的比电阻值小于腈氯纶纤维的比电阻值,可见阻燃涤纶纤维可纺性更好。比电阻的大小会影响纤维的可纺性能,比电阻越大,产生的静电越大,纤维的可纺性低。

综上所述,阻燃涤纶纤维的可纺性优于腈氯纶纤维。

2.3 纤维阻燃性能

采用极限氧指数法和45°燃烧法的接火次数法测定纤维的阻燃性,结果见表2。

由表2可得,阻燃涤纶纤维和腈氯纶纤维的极限氧指数(LOI值)均大于27%,符合阻燃性评定标准,属于阻燃纤维。阻燃涤纶纤维的LOI值大于腈氯纶的LOI值。极限氧指数越高表明阻燃性能越好,因此,阻燃涤纶纤维的阻燃性能优于腈氯纶纤维。

表2 2种纤维的阻燃性能

按照日本工业标准JIS 1091-77,接近火次数达到或超过3次的纤维为阻燃纤维,总接近火次数表示阻燃级数。由表2中结果可知,阻燃涤纶纤维接近火的次数达7次以上,腈氯纶纤维接近火次数为5次以上,因此阻燃涤纶纤维和腈氯纶纤维均达到纤维阻燃要求,且阻燃涤纶纤维的阻燃级数高于腈氯纶纤维阻燃级数。

由分析可得,阻燃涤纶的阻燃性比腈氯纶纤维好。

2.4 纤维燃烧性能

纤维燃烧性能测试结果见表3。测试发现:在接触火焰时,阻燃涤纶纤维出现熔滴现象,有烧橡胶味,不冒烟,燃烧后残留物质是黄白色硬圆珠状,可见其缺点是接触火焰会出现熔滴。这是因为阻燃涤纶纤维是热塑性高聚物,其基体受热之后会软化、熔融并且会裂解。腈氯纶纤维接触火焰时不熔不缩,冒灰烟,有烧纸味,燃烧后残留物质是黑色硬块状,接触火焰不会产生熔滴现象。相对于阻燃涤纶纤维而言,腈氯纶纤维接触火焰不会产生熔滴现象。

表3 纤维燃烧性能测试结果

3 结论

通过测试分析,可得出结论。

(1)阻燃涤纶纤维化学结构与聚酯纤维相似,腈氯纶纤维是经腈纶纤维改性得到,因此物理机械性能、外观和后加工性能均与普通涤纶、腈纶纤维相近。

(2)2种阻燃纤维均属于中长型化纤,通过物理机械性能测试,发现阻燃涤纶纤维相比于腈氯纶纤维,回潮率更小,可挠度大,拉伸断裂性能更优,比电阻值小,其可纺性优于腈氯纶纤维。

(3)阻燃性和燃烧性试验结果表明,2种阻燃纤维极限氧指数虽然符合难燃材料要求,阻燃涤纶纤维阻燃性更好,但阻燃涤纶纤维存在熔滴,无法单独用作阻燃防护服的开发。

4 展望

腈氯纶不但具有腈纶的手感柔软和色泽鲜艳等优良纺织性能,而且还具有含氯纤维的阻燃性,常用于制造人造毛皮、家用纺织品、装饰纺织品材料、童装及工业用滤布等[18]。但是与腈纶纤维一样上染率低,不易染成深色,并且染色残液不利于环保,需解决其染色问题[19]。

阻燃涤纶纤维不仅保持涤纶纤维的模量高、强度高、弹性高、良好的保形性和耐热性等优点,还有着优异的阻燃性能。但其熔滴现象会造成火灾蔓延,并伤害人体,制约了常规阻燃涤纶纤维的发展,因此阻燃涤纶的抗熔滴性研究是重要的发展方向[20]。

通过对阻燃涤纶纤维和腈氯纶纤维的对比分析可知,2种纤维分别由涤纶和腈纶纤维改性而得,因此物理机械性能、外观和后加工性能均与普通涤纶、腈纶纤维相近。阻燃涤纶纤维和腈氯纶纤维均有良好的阻燃性能,可将阻燃涤纶纤维与腈氯纶纤维混纺,腈氯纶燃烧时会炭化,产生致密的焦炭,致密的焦炭起到支架作用,防止阻燃涤纶纤维熔融滴落,与此同时还可以促进阻燃涤纶熔滴的炭化,提高成炭率,有效解决阻燃涤纶纤维的熔滴现象。