芳纶1414/阻燃粘胶混纺织物的阻燃及耐热性研究

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(1.浙江理工大学，a.先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室；b.生态染整技术教育部工程研究中心，杭州 310018；2.解放军总后勤部军需装备研究所，北京 100010)

随着城市化进程的加快和纺织工业的发展，纺织品的种类越来越多，其应用范围也越来越广。但是，大多数的纺织材料阻燃性较弱，由其引发的火灾严重地影响了人们的生命安全和财产安全。据相关调查显示，因纺织品引燃而蔓延造成的火灾占火灾事故的一半以上。因此，赋予纺织品良好的阻燃及耐热性能不仅可以提高产品附加值，更可以减轻或消除火灾隐患，保障人民的生命财产安全[1-3]。

目前，国内生产的阻燃纺织品绝大多数为纯棉或纯化纤的后整理产物，普遍存在手感粗糙、强力低、遇火易产生熔滴等缺点，服用性能差[4]。曾翠霞等[5-6]将芳纶1313纤维和棉、羊毛进行混纺并织造成机织小样，对混纺织物的机械性能、阻燃耐热性能进行测试研究。研究结果表明，将芳纶1313纤维与纯天然纤维混纺确实能降低成本，并且使得两种纤维优势互补，但是织物的阻燃性能大大降低，远不如纯芳纶1313织物，因此必须将混纺织物再进行阻燃后整理才能适应高温环境。

芳纶1414纤维具有优异的阻燃及耐高温性、良好的耐化学性、尺寸稳定性、机械性能和手感[7]，但是芳纶纤维价格昂贵，在一定程度上抑制了其发展空间。与其他阻燃纤维相比，阻燃粘胶纤维则具有燃烧时低烟、无毒、无异味等特性，价格相对于芳纶1414纤维也比较低。本文将芳纶1414纤维和阻燃粘胶纤维按不同的比例混纺织制成织物试样以提高性价比，通过研究不同混纺比对织物的阻燃和耐热性能的影响，使两种纤维在混纺织物中优势互补，增强可纺性和服用性，着力于开发新型阻燃耐热纺织品。

1 实 验

1.1 实验原料

采用国产芳纶1414纤维，阻燃粘胶采用奥地利Lenzing公司的Viscosa FR，纤维的基本性能见表1。

1.2 试样制备

将芳纶1414和阻燃粘胶纤维按7个不同的比例分别在针织小圆机上编织横密为75纵行/5 cm，纵密为50横列/5 cm的纬平针织物，混纺纱线的线密度为14.5 tex，试样的力学性能见表2。

表1 纤维的基本性能

表2 试样的结构与力学性能

1.3 垂直燃烧测试

采用YG(B)815D-Ⅰ型垂直法织物阻燃性能测试仪，测试芳纶1414/阻燃粘胶混纺织物的续燃时间、阴燃时间、损毁长度并观察燃烧现象[8]。按照GB/T 5455—2014进行测试，试样尺寸为300 mm×80 mm，将试样置于规定的燃烧器下点燃12 s，除去火源后测定试样的续燃、阴燃时间及损毁长度。由于试样纵横向燃烧性能基本一致，因此，本文只做纵向实验。

1.4 极限氧指数(LOI)测试

采用HC-2CZ型极限氧指数仪，按照GB/T5454—1997进行测试，试样尺寸为150 mm×65 mm，分别在距两端40 mm处画横线，将试样垂直放置于燃烧筒的试样夹上，调节氧气和氮气气流，待气流稳定后用点火器将试样顶端充分点燃，极限氧指数值为损毁长度40 mm时所需氧的百分比。

1.5 场发射扫描电镜分析

将垂直燃烧后织物试样的残炭表面喷金，置于德国卡尔蔡司公司U1tra-55型场发射扫描电镜(FE-SEM)下进行形貌观察分析，放大倍数为5 000倍。

1.6 热重分析实验

采用Metter-Toledo公司的TGA热重分析仪，在氮气氛围下，升温速率为20 ℃/min，温度范围为室温至800 ℃，粉末状制样。

2 结果与讨论

2.1 垂直燃烧性能分折

由表3可知，7种织物的阴燃时间都为0，除了纯阻燃粘胶织物有续燃外，其余织物续燃时间也都为0。随着混纺织物中芳纶1414纤维含量的增加，试样损毁长度基本呈减小趋势，但并非纯芳纶织物的损毁长度最小，而是当芳纶纤维含量为80%时阻燃性能最好，损毁长度仅有22 mm。从燃烧特征可以看出，7种试样在燃烧过程中基本都不收缩，不熔滴，不阴燃，烧焦面积小。但是，随着试样中阻燃粘胶纤维含量的增加其烧焦面积也逐渐增加，这表明芳纶1414纤维的阻燃性能优于阻燃粘胶纤维。分析认为，芳纶1414纤维分子链沿长度方向高度取向，具有超强的链间结合力，在150 ℃下的收缩率为0，在560 ℃的高温下不分解不熔化，具有良好的阻燃和耐高温性能，即芳纶1414可被认为是一种本质阻燃纤维，而阻燃粘胶是通过在纺前原液中加入不含卤素的阻燃剂来达到阻燃效果，不属于本质阻燃纤维[7-8]。

表3 芳纶1414/阻燃粘胶混纺织物试样垂直燃烧数据

2.2 LOI分析

图1为芳纶1414/阻燃粘胶混纺织物的纵向LOI值，由图1可知，试样的LOI值均大于27，无需任何阻燃后整理就能达到阻燃防护服二级标准，说明这两种纤维本身就都具很好的阻燃性能。当芳纶1414纤维含量小于80%时，混纺织物的LOI值随着芳纶1414纤维含量的增加而增大，这是因为芳纶纤维的LOI值本身就大于阻燃粘胶纤维，当芳纶1414纤维含量为80%时，混纺织物的LOI值达到最大31.4%，这同样说明当芳纶1414与阻燃粘胶比例为80∶20时，混纺织物的阻燃性能最佳，略大于纯芳纶1414织物，这也与垂直燃烧实验结果一致。分析其原因可能有以下几点：其一，当芳纶1414纤维与阻燃粘胶混纺后，聚合物大分子链由于共振而稳定，其熔融温度升高，使得两种纤维在一定比例下混纺得到的织物的阻燃性能优于各自纯纺织物。其二，因为阻燃粘胶的回潮率比较大，混纺织物在燃烧过程中，因阻燃粘胶中水分的蒸发会带走部分热量，所以将少量的阻燃粘胶纤维与芳纶1414纤维混纺，反而能提高织物的阻燃性能。最后，相对于纯纺织物而言，当两种纤维混纺后，混纺织物的热裂解吸热量增加，在燃烧过程中更有助于降低温度并阻止燃烧蔓延，燃烧相同长度混纺织物所需的氧气浓度升高，氧指数增大。在本实验中可以认为当阻燃粘胶的比例小于等于20%时，混纺可以提高织物的阻燃性能。

图1 芳纶1414/阻燃粘胶混纺织物LOI值

2.3 残炭形貌分析

将垂直燃烧试验后的残炭表面喷金置于场发射扫描电镜下拍摄其残炭形貌，如图2(a-g)所示，图2(A-G)为织物试样未燃烧状态下的形貌。由图2a和图2b可以看出，织物试样燃烧后，纤维表面相对比较光滑平整，没有形成炭化层，说明这两种织物的阻燃性能都极好，尤其是图2b纤维表面更加平滑，说明该织物样品具有更优的阻燃性能。从图2c和图2d可以看出，纤维表面变得粗糙不平，开始出现很多微小的凸起，由图2e、图2f和图2g可以看出，纤维表面极其不平整，存在大量絮状凸起。出现以上现象的原因是：芳纶1414纤维是气相阻燃型纤维，即织物在燃烧过程中，释放惰性气体干扰燃烧链，从而发挥阻燃作用，而阻燃粘胶(Viscosa FR)属于凝固相为主的阻燃纤维，即织物燃烧时，表面形成炭化层，阻隔氧气与织物，起到一个良好的屏障作用，从而达到阻燃效果[9-11]。因此，在上述7种混纺织物中，显现了两种不同原理阻燃纤维的协同阻燃效果，其中，当芳纶1414含量大于50%时，以芳纶1414纤维的气相型阻燃为主，而当阻燃粘胶含量大于50%时，纤维表面开始出现絮状炭层，说明凝固相阻燃占主导地位。因此，在芳纶1414和阻燃粘胶的混纺织物中，当芳纶纤维含量小于80%时，随着芳纶1414含量的增加，纤维表面趋于平滑，织物的阻燃性也越来越好，这也与垂直燃烧实验和极限氧指数实验结果相符合。

(A-G、a-g分别为芳纶1414/阻燃粘胶混纺比：100/0、80/20、60/40、50/50、40/60、20/80、0/100)图2 原样及燃烧后试样的SEM照片

2.4 热重分析

根据表4和图3所示，随着混纺织物中芳纶1414纤维含量的增加，达到失重率10%时的温度也随之增加；芳纶1414和阻燃粘胶混纺比为20∶80时，最大失重速率为36.94%/min，随着芳纶含量的增加，最大失重率减小但最大速率下的分解温度上升，这表明芳纶1414纤维含量的增加提高了织物的耐热性能。但是，与纯芳纶1414织物相比，纯阻燃粘胶织物和混纺织物的最大速率下的分解温度均很高。当大于500 ℃，纯芳纶1414织物才开始分解，只有一个失重阶段，失重率达50%，而纯阻燃粘胶织物和混纺织物均有两个失重阶段，其中，第一阶段主要是混纺织物中阻燃粘胶纤维热分解失重，失重区间随着芳纶纤维含量的增加而扩大，失重率则随之减小，纯阻燃粘胶织物失重率最大，达到45%。当芳纶和阻燃粘胶混纺比为80∶20时，织物失重率低至14%，说明增加芳纶1414纤维含量可以大大提高混纺织物的耐热性能；第二阶段失重主要是织物中芳纶1414开始分解并伴随着未分解完毕的阻燃粘胶的继续分解，失重率随着芳纶含量的增加而增加；600 ℃时，纯芳纶1414织物因其优异的耐热性能，残余重量达65%，而阻燃粘胶纤维接近分解完毕。因此，600℃时混纺织物的残余重量随着芳纶1414纤维含量的增加而增加。

表4 芳纶1414/阻燃粘胶混纺织物试样热重数据

1-7分别为芳纶1414/阻燃粘胶混纺比：100/0、80/20、60/40、50/50、40/60、20/80、0/100图3 芳纶1414/阻燃粘胶混纺织物试样TG曲线

3 结 论

a)芳纶1414/阻燃粘胶混纺织物的LOI值都大于27%，且随着芳纶1414含量的增加而增大，当芳纶1414含量为80%时达到最大31.4%，即该比例混纺织物的阻燃性能最好。

b)当阻燃粘胶含量小于等于20%时，混纺织物的阻燃性能略优于各自纯纺织物。

c)纯阻燃粘胶的耐热性能最差，随着混纺织物中芳纶1414纤维含量的增加，混纺织物的耐热性能显著提高。

d)织物的阻燃性能与耐热性能并不存在一定的正比例关系，即织物的阻燃性能好其耐热性能不一定好，耐热性能好其阻燃性能也不一定好。

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