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阻燃涤纶混纺试样的阻燃性能研究

阻燃涤纶的研究始于20世纪50年代初期,经过几十年的发展,阻燃涤纶已进入产业化阶段,日本、意大利和德国等均有相关产品。我国从20世纪80年代初开始阻燃涤纶的研究,已取得了一定的进展[1]。阻燃涤纶具有高强力、高耐磨等优点,但作为热塑性高聚物,基体受热会软化、熔融和裂解,燃烧过程中发生熔融滴落现象会带来更严重的后果,例如:熔滴掉落可能导致火焰蔓延,引发火灾;熔滴一旦与人体皮肤等接触,会引起烫伤、烧伤等二次伤害[2-4]。因此,阻燃涤纶仅大量被应用在装饰性织物上,如飞机、汽车内饰面料等。本文将阻燃涤纶与腈氯纶、芳纶、阻燃粘胶混纺,测试了其极限氧指数,并观察了其燃烧状态,旨在探索阻燃涤纶在阻燃防护服中的应用,发挥阻燃涤纶高强、高耐磨、抗皱、色泽明亮、高性价比的特性,以便将其应用于警用战训服多功能面料、消防抢险面料、电力石化及一般的阻燃劳动防护服等,推动阻燃防护服的发展。
 
1 试验部分
1.1 试验原材料、仪器及方法
试验原料:阻燃涤纶、腈氯纶、芳纶,阻燃粘胶规格均为1.65 dtex×51 mm。
试验仪器:YSZ-I型极限氧指数测定仪,YG(B)008E型电子单纤维强力机。
试验方法:将原材料按照试验方案的配伍比例进行均匀混和后,手工加捻搓成如图1所示的样品形式,测试其极限氧指数。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;单纤维强力按照GB/T 14337—2008《化学纤维 短纤维拉伸性能试验方法》测试。
 
1.2 试验方案
1.2.1 原材料断裂强力性能测试
测试阻燃涤纶、腈氯纶、芳纶、阻燃粘胶的单纤维强力和极限氧指数,记录结果。
1.2.2 阻燃涤纶与其他纤维混纺试验
一般用极限氧指数评价材料的燃烧性能,极限氧指数越高,材料越不容易燃烧;其中规定:极限氧指数小于22%为易燃材料,极限氧指数在22%~27%为可燃材料,极限氧指数大于27%为难燃材料[4-5]。本试验也通过极限氧指数评价纤维混纺后试样的阻燃性能。
腈氯纶、芳纶、阻燃粘胶燃烧时不会发生熔融,与阻燃涤纶混纺燃烧时可形成骨架作用。在燃烧过程中阻燃涤纶产生的熔滴,黏附于未分解的纤维支架表面,有效减少了熔融滴落。腈氯纶、芳纶、阻燃粘胶燃烧分解产生的致密焦炭可以为阻燃涤纶熔滴提供二次支架作用,防止熔融滴落的同时,也能加速阻燃涤纶熔滴的炭化,进而提高成炭率,解决阻燃涤纶在阻燃防护服应用中的熔滴问题。阻燃涤纶含量过高易产生熔滴,影响阻燃性;含量较少则不能发挥阻燃涤纶的特性,失去混入阻燃涤纶的意义。本文阻燃涤纶在混纺试验中含量20%~80%。
与腈氯纶混纺、与芳纶混纺、与阻燃粘胶混纺时,阻燃涤纶含量均分别为80%、70%、60%、50%、40%、30%、20%。对每种混纺比例试样进行极限氧指数测试,并记录相关测试情况。
 
2 测试结果与讨论
2.1 原材料断裂强度和极限氧指数
阻燃涤纶、腈氯纶、芳纶、阻燃粘胶的单纤维断裂强度测试结果依次为4.5 cN/dtex、3.4 cN/dtex、4.2 cN/dtex、2.5 cN/dtex。阻燃涤纶的断裂强度高达4.5 cN/dtex,与芳纶相当,远高于腈氯纶和阻燃粘胶。如果加入阻燃涤纶,可以有效提高纱线的断裂强力,从而提高面料的断裂强力和撕破强力,使阻燃防护服更加耐用;阻燃涤纶成本较低,可以大幅度提高面料的性价比。
阻燃涤纶(T)、腈氯纶(A)、芳纶(F)、阻燃粘胶(R)的试样极限氧指数测试结果依次为31.2%、33.8%、34%、31.8%,各自试样燃烧后的照片如图2所示。
 
可以看出,腈氯纶与芳纶的试样极限氧指数较高,接近34%,阻燃粘胶和阻燃涤纶的试样极限氧指数偏低,在31%~32%之间;4种纤维试样的极限氧指数均远大于27%,均属于难燃材料。
阻燃涤纶试样燃烧后存在熔融滴落现象,有黑色烟气;腈氯纶试样燃烧时烟气较大,收缩严重,并形成了黑色炭化硬渣;芳纶试样燃烧后也有较大收缩,并形成黑色炭化硬渣;阻燃粘胶试样燃烧后基本无收缩,形成炭化黑渣。
综上所述,阻燃涤纶试样极限氧指数虽然符合难燃材料要求,但阻燃涤纶试样存在熔滴,无法单独用作阻燃防护服的开发。
 
2.2 阻燃涤纶与腈氯纶混纺
测试阻燃涤纶与腈氯纶混纺试样的极限氧指数,测试结果及燃烧照片如图3和图4所示。
由图3可知,当阻燃涤纶与腈氯纶混纺时,其极限氧指数小于各自纯纺试样的极限氧指数,阻燃性能起反向协同效应。当阻燃涤纶含量在20%~80%时,经统计软件拟合,其线性函数为Y=34.39-13.64X,相关性系数R2=0.9783;阻燃涤纶含量越高,试样阻燃性能越差;随着阻燃涤纶含量的增加,试样极限氧指数在不断降低,表明阻燃涤纶含量与极限氧指数呈负相关。当阻燃涤纶含量为50%时,极限氧指数27.6%,即可满足难燃材料要求。
由图4的燃烧照片可以看出,阻燃涤纶含量为80%时有少量熔融,无滴落现象。当阻燃涤纶含量为70%时,已无熔融滴落现象,燃烧后形成炭化黑渣,并且具有一定的收缩;从燃烧试验分析,与腈氯纶混纺,阻燃涤纶含量不大于70%时,可以解决熔滴问题。因此,这两种纤维混纺使用时,当阻燃涤纶的含量低于50%时,即可满足阻燃防护服的防护材料使用要求。
 
2.3 阻燃涤纶与芳纶混纺
测试阻燃涤纶与芳纶混纺试样的极限氧指数,测试结果及燃烧照片如图5和图6所示。
 
从图5可以看出,当阻燃涤纶与芳纶混纺时,阻燃涤纶含量大于30%时阻燃效果呈现反向协同效应。当阻燃涤纶含量在20%~40%时,随着阻燃涤纶含量的增加,试样极限氧指数呈上升趋势;当阻燃涤纶的在含量40%~80%时,随着阻燃涤纶含量的增加,试样极限氧指数呈下降趋势。当阻燃涤纶含量为40%时,试样阻燃性能最佳;当阻燃涤纶含量为70%时,试样极限氧指数27.8%。因此,阻燃涤纶含量在20%~70%,均可满足难燃材料要求。由图6的燃烧照片可以看出,阻燃涤纶含量80%时已无熔融滴落现象,燃烧后形成炭化黑渣,并且具有一定的收缩。
综上所述,这两种纤维混纺使用时,阻燃涤纶的含量不大于70%即可满足阻燃防护服的防护材料使用要求,阻燃涤纶含量在40%时阻燃性能最佳。
 
2.4 阻燃涤纶与阻燃粘胶混纺
测试阻燃涤纶与阻燃粘胶混纺试样的极限氧指数,测试结果及燃烧照片如图7和图8所示。
 
由图7可知,当阻燃涤纶与阻燃粘胶混纺时,两种纤维反向协同效应明显,试样极限氧指数远低于各自纯纺试样的极限氧指数,无法达到难燃材料使用要求。当阻燃涤纶含量在20%~80%时,经统计软件拟合,其线性函数为Y=27.79-5.07X,相关性系数R2=0.9778;随着阻燃涤纶含量的增加,阻燃效果逐渐降低,阻燃涤纶的含量与试样极限氧指数呈负相关。因此,阻燃涤纶不适宜与阻燃粘胶混纺使用。由图8的燃烧照片可以看出,阻燃涤纶含量80%时已基本无熔融滴落现象,燃烧后形成炭化黑渣,收缩较小;随着阻燃涤纶含量的减少,收缩较小。
综上所述,这两种纤维混纺使用时虽可解决熔滴问题,但阻燃性能较差,无法达到难燃材料要求,因此阻燃涤纶与阻燃粘胶不适宜进行混纺使用。
 
3 结论
(1)阻燃涤纶可以通过与其他阻燃纤维混纺解决熔滴问题,同时发挥阻燃涤纶高强、高耐磨、高性价比的特性,因此阻燃涤纶可以应用于警用战训服、消防服等阻燃防护服中。
(2)阻燃涤纶与腈氯纶混纺时,阻燃涤纶含量越高,试样阻燃性能越差;随着阻燃涤纶含量的增加,试样极限氧指数不断降低,阻燃涤纶含量与试样极限氧指数呈负相关。当阻燃涤纶的含量小于50%时即可满足阻燃要求,同时可以大幅度提升面料的强力、耐磨等性能,提高性价比。
(3)阻燃涤纶与芳纶混纺时,当阻燃涤纶的含量小于80%时,已无熔融滴落现象;阻燃涤纶含量在40%时,试样的阻燃性能最佳;当阻燃涤纶含量在20%~40%时,随着阻燃涤纶含量的增加,试样极限氧指数呈上升趋势;当阻燃涤纶的含量在40%~80%时,随着阻燃涤纶含量的增加,试样极限氧指数呈下降趋势;因此,适量加入阻燃涤纶,可以有效降低芳纶类阻燃面料的成本。
(4)阻燃涤纶与阻燃粘胶混纺时,无法达到难燃材料要求,因此这两种纤维不适宜进行混纺使用。阻燃涤纶的含量与试样的极限氧指数呈负相关,随着阻燃涤纶含量的增加,试样阻燃效果逐渐降低。

 

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