几种阻燃纤维的结构与性能分析
时间：2023-02-25 16:30:07 来源：千叶帆 本文已影响人
张海霞，杜文清
(河南工程学院 纺织工程学院，河南 郑州 450007)
随着国家安全法规的完善和人们安全意识的增强，纤维的阻燃性已成为纺织品安全防护的一项重要内容[1-2]。纤维的燃烧性能是指纤维在遇到明火高温时发生的快速热降解和剧烈化学反应的结果。阻燃纤维在与火源接触后不燃烧或者燃烧不充分，撤走火源后能快速自行熄灭，减缓火焰蔓延，不形成大面积燃烧，可以对人体形成保护，减少财产损失[3-4]。因此，阻燃纺织品在人们生产和生活中的应用越来越广泛，阻燃纤维的品种也不断增加，需求量逐年扩大[5-7]。本研究对阻燃涤纶纤维、阻燃腈纶纤维、阻燃黏胶纤维的纵向形态、长度、细度、卷曲性能、拉伸性能、回潮率、质量比电阻和燃烧性能进行了测试与分析，以期了解几种常见阻燃纤维的结构与性能特点，为进一步开发阻燃纺织品提供理论参考。
使用FEI Quanta 250型扫描电子显微镜观察纤维的纵向形态。使用Y171B型纤维切断器、FA1004型电子天平测试纤维的长度和细度，切取中段长度20 mm。使用YG362B型纤维卷曲弹性仪测试纤维的卷曲性能，试样夹持长度20 mm，阻燃涤纶纤维加轻负荷0.39 mN、重负荷1.47 mN，阻燃腈纶纤维加轻负荷0.41 mN、重负荷1.53 mN，阻燃黏胶纤维加轻负荷0.44 mN、重负荷1.11 mN，去除重负荷回复时间2 min，每种纤维选20根进行测试。使用YG001N+型电子单纤维强力仪测试纤维的拉伸性能，试样夹持长度10 mm，拉伸速度10 mm/min，预加张力分别为阻燃涤纶纤维0.24 cN、阻燃腈纶纤维0.20 cN、阻燃黏胶纤维0.13 cN，每种纤维选50根进行测试。使用YG747型通风式快速八篮恒温烘箱测试纤维的回潮率，取试样50 g，烘箱温度分别为阻燃涤纶纤维与阻燃黏胶纤维105 ℃、阻燃腈纶纤维110 ℃，每种纤维制作3份试样进行测试。使用YG321型纤维比电阻仪测试纤维的质量比电阻，测试挡100 V，取试样15 g，每种纤维测试3次。使用YSZ-I型极限氧指数测定仪测试纤维的燃烧性能，取一小束纤维手工加捻搓成测试样品，每种纤维测试3次。
2.1 纤维的纵向形态
阻燃涤纶纤维、阻燃腈纶纤维、阻燃黏胶纤维的纵向形态分别见图1至图3。
图1 阻燃涤纶纤维的纵向形态Fig.1 Longitudinal morphology of flame retardant polyester fiber
图2 阻燃腈纶纤维的纵向形态Fig.2 Longitudinal morphology of flame retardant acrylic fiber
图3 阻燃黏胶纤维的纵向形态Fig.3 Longitudinal morphology of flame retardant viscose fiber
从图1至图3可以看出：阻燃涤纶纤维纵向粗细均匀、光滑平直；
阻燃腈纶纤维纵向平直，有一些较浅的沟槽；
阻燃黏胶纤维纵向平直，存在较明显的沟槽。纤维的形态结构与纺丝方法关系密切，阻燃涤纶纤维采用熔体纺丝法，成纤高聚物熔体从喷丝孔中压出后，在周围空气中冷却、固化成丝，所以纤维截面多为圆形；
阻燃腈纶纤维和阻燃黏胶纤维采用湿法纺丝，由于液体凝固剂有固化作用，故纤维截面大多不呈圆形，表面有沟槽。
2.2 纤维的长度和细度
阻燃涤纶纤维、阻燃腈纶纤维、阻燃黏胶纤维的长度和细度测试结果见表1。
表1 纤维长度和细度测试结果Tab.1 Test results of fiber length and fineness
由表1可知：长度方面，阻燃腈纶纤维最长，阻燃涤纶纤维和阻燃黏胶纤维接近；
细度方面，阻燃黏胶纤维最粗，阻燃腈纶纤维次之，阻燃涤纶纤维最细。3种阻燃纤维均属于棉型化纤，应采用棉纺设备进行纺纱，工艺参数的选择必须与纤维长度和细度相适应。纤维的长度、细度与成纱质量相关，如果纤维长度长、细度细，则成纱中纤维间的接触面积大，使纤维间的摩擦力较大，受拉伸外力作用时纤维不容易滑脱，可在一定范围内提高成纱强度，改善成纱条干和毛羽状况。
2.3 纤维的卷曲性能
阻燃涤纶纤维、阻燃腈纶纤维、阻燃黏胶纤维的卷曲性能测试结果见表2。
表2 纤维卷曲性能测试结果Tab.2 Test results of fiber crimp performance
由表2可知：阻燃涤纶纤维的卷曲数、卷曲率、卷曲回复率都较小，而卷曲弹性率在3种阻燃纤维中最高；
阻燃腈纶纤维的卷曲数、卷曲回复率与阻燃黏胶纤维接近，卷曲率高于阻燃黏胶纤维，卷曲弹性率在3种阻燃纤维中最低。纤维的卷曲性能对纤维的形态尺寸、可纺性能及成纱质量影响很大。卷曲性能在纤维纺纱过程中可增加纤维间的抱合力，使正常纤维甚至短纤维都可以很好地满足纺纱工艺要求。纤维卷曲数太少会在清花时造成纤维卷绕成形困难，甚至导致无法纺纱，对纤维的可纺性能有很大影响。本研究中3种阻燃纤维的卷曲数均有利于纺纱。纤维卷曲率较高，表示纤维卷曲程度较高，可纺性能好。卷曲回复率越低，表示纤维回缩后剩余的波纹越深，即波纹不易消失，卷曲更加耐久。卷曲弹性率高，表示卷曲容易回复，卷曲弹性好，卷曲耐久牢度也好。
2.4 纤维的拉伸性能
阻燃涤纶纤维、阻燃腈纶纤维、阻燃黏胶纤维的拉伸性能测试结果见表3。
表3 纤维拉伸性能测试结果Tab.3 Test results of fiber tensile properties
断裂强度反映了纤维抵抗外力作用的能力，断裂伸长率反映了纤维承受拉伸变形的能力，断裂功反映了纤维抵抗拉伸断裂的能力，初始模量反映了纤维的刚性。由表3可知：阻燃涤纶纤维断裂强度最大，阻燃腈纶纤维次之，阻燃黏胶纤维最小；
阻燃腈纶纤维的断裂伸长率最高，阻燃涤纶纤维次之，阻燃黏胶纤维最低；
阻燃涤纶纤维的断裂功最大，阻燃腈纶纤维次之，阻燃黏胶纤维最小；
阻燃涤纶纤维的初始模量最大，阻燃黏胶纤维次之，阻燃腈纶纤维最小。3种阻燃纤维中，阻燃涤纶纤维抵抗拉伸外力作用的能力最强，承受拉伸变形的能力居中，韧性最好，在小负荷作用下不易变形，刚性较好，其制品比较挺括且免烫性能好。拉伸性能好的纤维，在纺纱过程中不容易断裂，有利于纺纱加工和提高成纱质量。
2.5 纤维的回潮率和质量比电阻
阻燃涤纶纤维、阻燃腈纶纤维、阻燃黏胶纤维的回潮率和质量比电阻测试结果见表4。
表4 纤维回潮率和质量比电阻测试结果Tab.4 Test results of fiber moisture regain and mass specific resistance
回潮率是反映纤维材料吸湿能力的指标。由表4可知，阻燃黏胶纤维的回潮率最高，阻燃腈纶纤维次之，阻燃涤纶纤维最低。阻燃黏胶纤维属于纤维素纤维，纤维素是由大量β-葡萄糖剩基连接起来的线性大分子，羟基和甙键是纤维素大分子官能团，决定纤维具有较好的吸湿能力。阻燃腈纶纤维中的氰基为强极性基团，且内部存在空穴结构，使得纤维具有一定的吸湿能力。阻燃涤纶纤维分子中除存在两个端醇羟基外，没有其他极性基团，且结构较致密，因而阻燃涤纶纤维吸湿能力较差。纤维的吸湿性能在纤维加工过程中起到重要作用，回潮率太低易产生静电，在生产过程中会造成飞花与纱线毛羽增多等问题；
回潮率太高则纤维中的杂质难以清除，且纤维容易纠缠成结或缠绕在机件上，影响成纱质量和生产加工正常进行。因此，必须严格控制车间的温湿度，以创造有利于生产的条件。
比电阻分为质量比电阻、体积比电阻和表面比电阻，其中质量比电阻常用来表示纤维的导电性能。由表4可知，阻燃腈纶纤维的质量比电阻最大，阻燃涤纶纤维次之，阻燃黏胶纤维最小。纺织纤维的质量比电阻与纤维内部结构有关，同时还与温度、湿度、表面附着物等因素有关，阻燃腈纶纤维质量比电阻较大主要与其内部结构有关。质量比电阻越大，纤维在生产过程中更易产生静电造成条子起毛，使纱线毛羽增多，卷装成形不良，纤维缠绕机件，以及布面形成分散条影等。纤维的质量比电阻一般以低于107Ω·g/cm2为宜，达到109Ω·g/cm2以上就必须采取防静电措施。这3种阻燃纤维中，阻燃涤纶纤维与阻燃腈纶纤维的质量比电阻均高于109Ω·g/cm2，尤其是阻燃腈纶纤维，在纺织加工过程中非常容易产生静电，影响其可加工性。因此，阻燃涤纶纤维和阻燃腈纶纤维在加工过程中要适当提高车间的相对湿度，同时给纤维上油剂，所用油剂中要含有抗静电的表面活性剂，另外还可采用混纺、适当配置导纱件材料、安装静电消除器等措施保证纺织加工顺利进行。
2.6 纤维的燃烧性能
阻燃涤纶纤维、阻燃腈纶纤维、阻燃黏胶纤维的燃烧性能测试结果见表5。
表5 纤维燃烧性能测试结果Tab.5 Test results of fiber combustion performance
极限氧指数可用于评价纤维的燃烧性能，极限氧指数越高，纤维越不容易燃烧。由表5可以看出，阻燃腈纶纤维的极限氧指数最高，阻燃涤纶纤维次之，阻燃黏胶纤维最低。3种阻燃纤维的极限氧指数均超过了27%，符合难燃纤维的要求，但阻燃涤纶纤维存在熔滴现象，不利于阻燃防护服的开发，可以尝试与阻燃腈纶纤维、阻燃黏胶纤维等混纺以减少熔融滴落。
对阻燃涤纶纤维、阻燃腈纶纤维、阻燃黏胶纤维的纵向形态、长度、细度、卷曲性能、拉伸性能、回潮率、质量比电阻、燃烧性能进行测试与分析，得出以下结论：
(1)阻燃涤纶纤维纵向粗细均匀、光滑平直，阻燃腈纶纤维和阻燃黏胶纤维纵向平直，阻燃腈纶纤维表面有一些较浅的沟槽，阻燃黏胶纤维表面存在较明显的沟槽。
(2)3种阻燃纤维的长度和细度存在一定差异，但均属于棉型化纤，可采用棉纺设备进行纺纱；
卷曲数、卷曲率、卷曲回复率、卷曲弹性率等卷曲性能均满足纺纱工艺需求。
(3)阻燃涤纶纤维抵抗拉伸外力作用的能力最强，韧性最好，刚性也较好，而阻燃黏胶纤维的拉伸性能相对较差。
(4)阻燃黏胶纤维的回潮率远远高于阻燃腈纶纤维和阻燃涤纶纤维，且质量比电阻较小，在生产过程中不容易产生静电；
阻燃腈纶纤维和阻燃涤纶纤维回潮率较低，且质量比电阻都高于109Ω·g/cm2，故需要采取给纤维上油剂、适当提高车间相对湿度等措施保证纺织加工顺利进行。
(5)3种阻燃纤维均具有难燃性，其中阻燃腈纶纤维的极限氧指数最高，随后依次为阻燃涤纶纤维、阻燃黏胶纤维。阻燃涤纶纤维燃烧后有熔融滴落现象，开发阻燃防护服时可以尝试与其他阻燃纤维混纺。
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