幾種阻燃纖維的結(jié)構(gòu)與性能分析

張海霞，杜文清

(河南工程學(xué)院 紡織工程學(xué)院，河南 鄭州 450007)

隨著國家安全法規(guī)的完善和人們安全意識(shí)的增強(qiáng)，纖維的阻燃性已成為紡織品安全防護(hù)的一項(xiàng)重要內(nèi)容[1-2]。纖維的燃燒性能是指纖維在遇到明火高溫時(shí)發(fā)生的快速熱降解和劇烈化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果。阻燃纖維在與火源接觸后不燃燒或者燃燒不充分，撤走火源后能快速自行熄滅，減緩火焰蔓延，不形成大面積燃燒，可以對(duì)人體形成保護(hù)，減少財(cái)產(chǎn)損失[3-4]。因此，阻燃紡織品在人們生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用越來越廣泛，阻燃纖維的品種也不斷增加，需求量逐年擴(kuò)大[5-7]。本研究對(duì)阻燃滌綸纖維、阻燃腈綸纖維、阻燃黏膠纖維的縱向形態(tài)、長度、細(xì)度、卷曲性能、拉伸性能、回潮率、質(zhì)量比電阻和燃燒性能進(jìn)行了測試與分析，以期了解幾種常見阻燃纖維的結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)，為進(jìn)一步開發(fā)阻燃紡織品提供理論參考。

1 試驗(yàn)部分

使用FEI Quanta 250型掃描電子顯微鏡觀察纖維的縱向形態(tài)。使用Y171B型纖維切斷器、FA1004型電子天平測試?yán)w維的長度和細(xì)度，切取中段長度20 mm。使用YG362B型纖維卷曲彈性儀測試?yán)w維的卷曲性能，試樣夾持長度20 mm，阻燃滌綸纖維加輕負(fù)荷0.39 mN、重負(fù)荷1.47 mN，阻燃腈綸纖維加輕負(fù)荷0.41 mN、重負(fù)荷1.53 mN，阻燃黏膠纖維加輕負(fù)荷0.44 mN、重負(fù)荷1.11 mN，去除重負(fù)荷回復(fù)時(shí)間2 min，每種纖維選20根進(jìn)行測試。使用YG001N+型電子單纖維強(qiáng)力儀測試?yán)w維的拉伸性能，試樣夾持長度10 mm，拉伸速度10 mm/min，預(yù)加張力分別為阻燃滌綸纖維0.24 cN、阻燃腈綸纖維0.20 cN、阻燃黏膠纖維0.13 cN，每種纖維選50根進(jìn)行測試。使用YG747型通風(fēng)式快速八籃恒溫烘箱測試?yán)w維的回潮率，取試樣50 g，烘箱溫度分別為阻燃滌綸纖維與阻燃黏膠纖維105 ℃、阻燃腈綸纖維110 ℃，每種纖維制作3份試樣進(jìn)行測試。使用YG321型纖維比電阻儀測試?yán)w維的質(zhì)量比電阻，測試擋100 V，取試樣15 g，每種纖維測試3次。使用YSZ-I型極限氧指數(shù)測定儀測試?yán)w維的燃燒性能，取一小束纖維手工加捻搓成測試樣品，每種纖維測試3次。

2 結(jié)果與分析

2.1 纖維的縱向形態(tài)

阻燃滌綸纖維、阻燃腈綸纖維、阻燃黏膠纖維的縱向形態(tài)分別見圖1至圖3。

圖1 阻燃滌綸纖維的縱向形態(tài)Fig.1 Longitudinal morphology of flame retardant polyester fiber

圖2 阻燃腈綸纖維的縱向形態(tài)Fig.2 Longitudinal morphology of flame retardant acrylic fiber

圖3 阻燃黏膠纖維的縱向形態(tài)Fig.3 Longitudinal morphology of flame retardant viscose fiber

從圖1至圖3可以看出：阻燃滌綸纖維縱向粗細(xì)均勻、光滑平直；阻燃腈綸纖維縱向平直，有一些較淺的溝槽；阻燃黏膠纖維縱向平直，存在較明顯的溝槽。纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)與紡絲方法關(guān)系密切，阻燃滌綸纖維采用熔體紡絲法，成纖高聚物熔體從噴絲孔中壓出后，在周圍空氣中冷卻、固化成絲，所以纖維截面多為圓形；阻燃腈綸纖維和阻燃黏膠纖維采用濕法紡絲，由于液體凝固劑有固化作用，故纖維截面大多不呈圓形，表面有溝槽。

2.2 纖維的長度和細(xì)度

阻燃滌綸纖維、阻燃腈綸纖維、阻燃黏膠纖維的長度和細(xì)度測試結(jié)果見表1。

表1 纖維長度和細(xì)度測試結(jié)果Tab.1 Test results of fiber length and fineness

由表1可知：長度方面，阻燃腈綸纖維最長，阻燃滌綸纖維和阻燃黏膠纖維接近；細(xì)度方面，阻燃黏膠纖維最粗，阻燃腈綸纖維次之，阻燃滌綸纖維最細(xì)。3種阻燃纖維均屬于棉型化纖，應(yīng)采用棉紡設(shè)備進(jìn)行紡紗，工藝參數(shù)的選擇必須與纖維長度和細(xì)度相適應(yīng)。纖維的長度、細(xì)度與成紗質(zhì)量相關(guān)，如果纖維長度長、細(xì)度細(xì)，則成紗中纖維間的接觸面積大，使纖維間的摩擦力較大，受拉伸外力作用時(shí)纖維不容易滑脫，可在一定范圍內(nèi)提高成紗強(qiáng)度，改善成紗條干和毛羽狀況。

2.3 纖維的卷曲性能

阻燃滌綸纖維、阻燃腈綸纖維、阻燃黏膠纖維的卷曲性能測試結(jié)果見表2。

表2 纖維卷曲性能測試結(jié)果Tab.2 Test results of fiber crimp performance

由表2可知：阻燃滌綸纖維的卷曲數(shù)、卷曲率、卷曲回復(fù)率都較小，而卷曲彈性率在3種阻燃纖維中最高；阻燃腈綸纖維的卷曲數(shù)、卷曲回復(fù)率與阻燃黏膠纖維接近，卷曲率高于阻燃黏膠纖維，卷曲彈性率在3種阻燃纖維中最低。纖維的卷曲性能對(duì)纖維的形態(tài)尺寸、可紡性能及成紗質(zhì)量影響很大。卷曲性能在纖維紡紗過程中可增加纖維間的抱合力，使正常纖維甚至短纖維都可以很好地滿足紡紗工藝要求。纖維卷曲數(shù)太少會(huì)在清花時(shí)造成纖維卷繞成形困難，甚至導(dǎo)致無法紡紗，對(duì)纖維的可紡性能有很大影響。本研究中3種阻燃纖維的卷曲數(shù)均有利于紡紗。纖維卷曲率較高，表示纖維卷曲程度較高，可紡性能好。卷曲回復(fù)率越低，表示纖維回縮后剩余的波紋越深，即波紋不易消失，卷曲更加耐久。卷曲彈性率高，表示卷曲容易回復(fù)，卷曲彈性好，卷曲耐久牢度也好。

2.4 纖維的拉伸性能

阻燃滌綸纖維、阻燃腈綸纖維、阻燃黏膠纖維的拉伸性能測試結(jié)果見表3。

表3 纖維拉伸性能測試結(jié)果Tab.3 Test results of fiber tensile properties

斷裂強(qiáng)度反映了纖維抵抗外力作用的能力，斷裂伸長率反映了纖維承受拉伸變形的能力，斷裂功反映了纖維抵抗拉伸斷裂的能力，初始模量反映了纖維的剛性。由表3可知：阻燃滌綸纖維斷裂強(qiáng)度最大，阻燃腈綸纖維次之，阻燃黏膠纖維最??；阻燃腈綸纖維的斷裂伸長率最高，阻燃滌綸纖維次之，阻燃黏膠纖維最低；阻燃滌綸纖維的斷裂功最大，阻燃腈綸纖維次之，阻燃黏膠纖維最??；阻燃滌綸纖維的初始模量最大，阻燃黏膠纖維次之，阻燃腈綸纖維最小。3種阻燃纖維中，阻燃滌綸纖維抵抗拉伸外力作用的能力最強(qiáng)，承受拉伸變形的能力居中，韌性最好，在小負(fù)荷作用下不易變形，剛性較好，其制品比較挺括且免燙性能好。拉伸性能好的纖維，在紡紗過程中不容易斷裂，有利于紡紗加工和提高成紗質(zhì)量。

2.5 纖維的回潮率和質(zhì)量比電阻

阻燃滌綸纖維、阻燃腈綸纖維、阻燃黏膠纖維的回潮率和質(zhì)量比電阻測試結(jié)果見表4。

表4 纖維回潮率和質(zhì)量比電阻測試結(jié)果Tab.4 Test results of fiber moisture regain and mass specific resistance

回潮率是反映纖維材料吸濕能力的指標(biāo)。由表4可知，阻燃黏膠纖維的回潮率最高，阻燃腈綸纖維次之，阻燃滌綸纖維最低。阻燃黏膠纖維屬于纖維素纖維，纖維素是由大量β-葡萄糖?；B接起來的線性大分子，羥基和甙鍵是纖維素大分子官能團(tuán)，決定纖維具有較好的吸濕能力。阻燃腈綸纖維中的氰基為強(qiáng)極性基團(tuán)，且內(nèi)部存在空穴結(jié)構(gòu)，使得纖維具有一定的吸濕能力。阻燃滌綸纖維分子中除存在兩個(gè)端醇羥基外，沒有其他極性基團(tuán)，且結(jié)構(gòu)較致密，因而阻燃滌綸纖維吸濕能力較差。纖維的吸濕性能在纖維加工過程中起到重要作用，回潮率太低易產(chǎn)生靜電，在生產(chǎn)過程中會(huì)造成飛花與紗線毛羽增多等問題；回潮率太高則纖維中的雜質(zhì)難以清除，且纖維容易糾纏成結(jié)或纏繞在機(jī)件上，影響成紗質(zhì)量和生產(chǎn)加工正常進(jìn)行。因此，必須嚴(yán)格控制車間的溫濕度，以創(chuàng)造有利于生產(chǎn)的條件。

比電阻分為質(zhì)量比電阻、體積比電阻和表面比電阻，其中質(zhì)量比電阻常用來表示纖維的導(dǎo)電性能。由表4可知，阻燃腈綸纖維的質(zhì)量比電阻最大，阻燃滌綸纖維次之，阻燃黏膠纖維最小。紡織纖維的質(zhì)量比電阻與纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，同時(shí)還與溫度、濕度、表面附著物等因素有關(guān)，阻燃腈綸纖維質(zhì)量比電阻較大主要與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。質(zhì)量比電阻越大，纖維在生產(chǎn)過程中更易產(chǎn)生靜電造成條子起毛，使紗線毛羽增多，卷裝成形不良，纖維纏繞機(jī)件，以及布面形成分散條影等。纖維的質(zhì)量比電阻一般以低于107Ω·g/cm2為宜，達(dá)到109Ω·g/cm2以上就必須采取防靜電措施。這3種阻燃纖維中，阻燃滌綸纖維與阻燃腈綸纖維的質(zhì)量比電阻均高于109Ω·g/cm2，尤其是阻燃腈綸纖維，在紡織加工過程中非常容易產(chǎn)生靜電，影響其可加工性。因此，阻燃滌綸纖維和阻燃腈綸纖維在加工過程中要適當(dāng)提高車間的相對(duì)濕度，同時(shí)給纖維上油劑，所用油劑中要含有抗靜電的表面活性劑，另外還可采用混紡、適當(dāng)配置導(dǎo)紗件材料、安裝靜電消除器等措施保證紡織加工順利進(jìn)行。

2.6 纖維的燃燒性能

阻燃滌綸纖維、阻燃腈綸纖維、阻燃黏膠纖維的燃燒性能測試結(jié)果見表5。

表5 纖維燃燒性能測試結(jié)果Tab.5 Test results of fiber combustion performance

極限氧指數(shù)可用于評(píng)價(jià)纖維的燃燒性能，極限氧指數(shù)越高，纖維越不容易燃燒。由表5可以看出，阻燃腈綸纖維的極限氧指數(shù)最高，阻燃滌綸纖維次之，阻燃黏膠纖維最低。3種阻燃纖維的極限氧指數(shù)均超過了27%，符合難燃纖維的要求，但阻燃滌綸纖維存在熔滴現(xiàn)象，不利于阻燃防護(hù)服的開發(fā)，可以嘗試與阻燃腈綸纖維、阻燃黏膠纖維等混紡以減少熔融滴落。

3 結(jié)論

對(duì)阻燃滌綸纖維、阻燃腈綸纖維、阻燃黏膠纖維的縱向形態(tài)、長度、細(xì)度、卷曲性能、拉伸性能、回潮率、質(zhì)量比電阻、燃燒性能進(jìn)行測試與分析，得出以下結(jié)論：

(1)阻燃滌綸纖維縱向粗細(xì)均勻、光滑平直，阻燃腈綸纖維和阻燃黏膠纖維縱向平直，阻燃腈綸纖維表面有一些較淺的溝槽，阻燃黏膠纖維表面存在較明顯的溝槽。

(2)3種阻燃纖維的長度和細(xì)度存在一定差異，但均屬于棉型化纖，可采用棉紡設(shè)備進(jìn)行紡紗；卷曲數(shù)、卷曲率、卷曲回復(fù)率、卷曲彈性率等卷曲性能均滿足紡紗工藝需求。

(3)阻燃滌綸纖維抵抗拉伸外力作用的能力最強(qiáng)，韌性最好，剛性也較好，而阻燃黏膠纖維的拉伸性能相對(duì)較差。

(4)阻燃黏膠纖維的回潮率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于阻燃腈綸纖維和阻燃滌綸纖維，且質(zhì)量比電阻較小，在生產(chǎn)過程中不容易產(chǎn)生靜電；阻燃腈綸纖維和阻燃滌綸纖維回潮率較低，且質(zhì)量比電阻都高于109Ω·g/cm2，故需要采取給纖維上油劑、適當(dāng)提高車間相對(duì)濕度等措施保證紡織加工順利進(jìn)行。

(5)3種阻燃纖維均具有難燃性，其中阻燃腈綸纖維的極限氧指數(shù)最高，隨后依次為阻燃滌綸纖維、阻燃黏膠纖維。阻燃滌綸纖維燃燒后有熔融滴落現(xiàn)象，開發(fā)阻燃防護(hù)服時(shí)可以嘗試與其他阻燃纖維混紡。