阻燃粘胶纤维的热力学性能研究

粘胶纤维是投入工业化生产较早的化学纤维。粘胶纤维又称为人造丝、冰丝，近些年，又发明了高档粘纤品种，如天丝和竹浆纤维。粘胶纤维的性质接近于天然纤维，具有较好的吸湿性、抗菌性、透气性，同时具有手感柔软光滑、染色性能好等特性，其广泛应用在服装面料、家纺产品、非织造布等领域。粘胶纤维主要采用天然纤维原料生产，属于易燃纤维，在这种情况下对粘胶纤维的改性越来越迫切，因此不少学者和研究机构对粘胶纤维的阻燃改性做了很多深入性的研究［1－3］。

生产的规格为1.67dtex×38mm磷系阻燃粘胶纤维为实验材料，通过聚合度和分子量对纤维的热学和热力学进行研究，为阻燃粘胶纤维的应用和研究提供一定的理论依据仪器1836乌氏黏度计(稀释型)、NETZSCHSTA409PC同步热分析仪(德国耐驰公司)、XQ-1型纤维强伸度仪(东华大学)。1.3实验方法1.3.1分子量及聚合度乌氏黏度计如1所示。取普通粘胶纤维及阻燃粘胶纤维各0.1g，利用质量分数为65%的浓硫酸溶液调制成质量分数为1%的溶液，用3号垂熔玻璃漏斗滤过，弃去初滤液(约1mL)，取续滤液测量，

即测定1中球容积a和b刻度间为4mL的液体，沿着乌氏黏度计的管“2”内壁注入容器中，将乌氏黏度计直立稳固在恒温水浴(水浴温度为(25±0.05)℃)中，并使水浴的液面高于球D，放置15min后。将管口“1”“3”各接一乳胶管，夹住管口“3”的胶管，自管口“3”处抽气，使供试品溶液的液面缓缓升高至球D中部，先开放管口“3”，再开放管口“1”，使供试品溶液在管内自然下落，用秒准确记录液面流过b和c间毛细管的距离(100mm)所需的时间(毛细管直径为0.55mm)。重复测试3次，误差不超过0.2s并取平均值。对泊肃叶公式进行修正，当溶液流动缓慢时，动能的变化量减小，研究实验是在高聚物的稀溶液下进行，溶液与纯溶剂的密度可看作相同，则溶液的相对黏度可示为:性黏度。由黏度与相对分子量关系的马克－豪温克(Mark-Houwink)方程，得到:分子量Mη=(［η］K)1/α(取K=1/3，α=0.5)又由公式DPη=Mη/238可计算纤维的聚合度，式中:η为黏度;η0为纯溶剂黏度;ηr为相对黏度;ηsp为增比黏度;!η"为特性黏度;DPη为黏度平均聚合度;Mη为黏度平均相对分子量;c为溶液浓度;t为时间。1.3.2热学性能采用NETZSCHSTA409PC同步热分析仪，实验条件为在氮气保护下，升温速率20℃/min，测试温度范围15～600℃，测试纤维的热重及热失重曲线。1.3.3力学性能将纤维试样放在101型电热鼓风干燥箱(北京市永光明医疗器械厂)中，在80℃条件下保持12、24、48、120、240h。

将处理后的纤维试样在恒温恒湿条件下(温度20℃，相对湿度65%)平衡24h后，选择使用XQ-1型纤维强伸度仪测定纤维试样，针对纤维的断裂强力和伸长进行测试。试样的拉伸速度20mm/min，力的测量精确度0.01cN，伸长的测量精度0.01mm，夹持长度20mm，初始张力0.2cN。重复对30根纤维进行上述测试，记录下每个温度点数值，并取其平均值［4］。聚合度聚合度(DP、Xn)是测试纤维的性能指标，也是衡量聚合物分子量大小的重要指数［5］。

在测试中以重复单元数和结构单元数为基准，统计取其平均值，以n示。粘胶纤维分子量和聚合度的测试结果见1。1粘胶纤维分子量和聚合度的测试结果试样类别分子量Mη聚合度DPη普通粘胶纤维阻燃粘胶纤维7711266164324278由1可知，普通粘胶纤维的分子量和聚合度均大于阻燃粘胶纤维的，由于阻燃剂的加入打破了粘胶纤维晶区与非晶区的空间结构，降低了纤维的聚合度和分子量，由此可以推断普通粘胶纤维比阻燃粘胶纤维具有更高的结晶度、取向度和更好的力学性能。2.2热学性能分析纤维的热学性能是指纤维在高热环境中保持自身分子结构的能力，是纤维热学性质改变与否的重要参考指标。阻燃粘胶纤维的热学分析曲线见2。

2阻燃粘胶纤维的热学分析曲线由2可以看出，阻燃粘胶纤维的热学分析曲线可以分为4个阶段。阶段，温度范围15～150℃，由2(a)可知，该阶段为吸热状态，这是由于纤维物理吸附的水进行解吸，需要吸收热量;由2(b)可知，该阶段纤维的质量近乎直线下降，也验证了该阶段水分的失去和吸附气体的析出。第二阶段，温度范围达到150～260℃，纤维结构中的葡萄糖基逐渐脱水，从TG曲线可知，该阶段纤维的质量变化较小，这时纤维大分子中的折叠链结构开始伸直，大分子链段开始滑移，消耗了吸收的能量，所以葡萄糖基脱水所获得的能量较少。第三阶段，温度范围260～400℃，从DSC曲线上可以看出，该阶段为吸热状态，这是由于纤维组织结构中的糖甙键逐渐产生断裂现象，部分C—C键、C—O键也开始断裂，生成一些低分子量的挥发性化合物，从TG与DTG曲线中反映出这一阶段的纤维分解剧烈，损失质量大，减速率快。第四阶段，温度提升至400℃以上，纤维素大分子结构的残余组织进行芳环化，从而形成石墨组织结构，使纤维的状态趋于稳定，同时放出热量，纤维能量处于稳定且低的状态［6－7］。同时由2(a)可知，阻燃粘胶纤维在吸收了一定热量后会自行分解蒸发，在第二阶段150～260℃时，阻燃粘胶纤维内部结构组织分解、消失减缓，分子链的一部分形成二次结晶，并在一定时间间隔后，会重新吸收热能，第三阶段260～400℃时，其质量二次锐减明显。实验证明该纤维阻燃的效果优良，由于纤维内部的热量在第二阶段分解蒸发降低，促使纤维外部形成热量聚团，起到了阻隔热量渗入的作用，达到了阻燃效果。这是由于阻燃剂的脱水从而引发焦炭的形成，进而减少可燃性气体，减弱燃烧。同时磷系阻燃剂可生产磷酸的非燃性液态膜和进一步脱水生成偏磷酸，偏磷酸终合成聚偏磷酸。这一过程，不仅偏磷酸生成的液态膜起覆盖作用，而且聚偏磷酸是强酸和脱水剂，可以使纤维脱水而炭化［8－9］。

在阻燃剂的作用下形成的碳膜组织起到隔绝空气的作用，阻燃终效果良好。2.3力学性能分析纤维力学性能是测试纤维材料和使用性能的重要指标。粘胶纤维的力学性能主要针对断裂强度和伸长率的研究，并运用Origin软件进行画分析。由阻燃粘胶纤维不同温度下的强伸性能的力学测试数据可知，无论是普通粘胶纤维还是阻燃粘胶纤维，随着在高温状态下时间的持续，纤维的断裂强度及断裂伸长均处在下降状态，利用Origin软件进行作，可得到3所示的粘胶纤维断裂强度及断裂伸长与时间关系曲线。由3可以看出，2种粘胶纤维在0～50h内，纤维的力学性能下降大，这是由于在该时间段内纤维的裂解破坏均发生纤维的无定形区，同时由于普通粘胶纤维的结晶度和聚合度均高于普通粘胶纤维，因此在该时间段内阻燃粘胶纤维的力学性能变化速率高于普通粘胶纤维。在50～250h内，阻燃粘胶纤维的变化速率明显低于普通粘胶纤维，这是由于在该时间段内，普通粘胶纤维结晶组织开始逐渐发生裂解，而阻燃粘胶纤维却由于加入了阻燃剂，减缓了阻燃粘胶纤维结晶区的裂解，对纤维的力学性能进行了较好的保护［10］。

结论①由于阻燃剂的加入降低了阻燃粘胶纤维的聚合度和分子量，提高了阻燃的性能，该种阻燃粘胶纤维在室温至600℃匀速加热状态下，纤维自身结构变化可分为4个阶段，第二阶段的分解放热过程起到了阻燃的效果，进一步脱水生成了偏磷酸，偏磷酸终合成聚偏磷酸，纤维脱水而炭化起到了很好的阻燃效果。②无论是普通粘胶纤维还是阻燃粘胶纤维，随着在高温状态下时间的持续，纤维的断裂强度及断裂伸长均处在下降状态，0～50h内，纤维的力学性能下降大，在该时间段内阻燃粘胶纤维的力学性能变化速率高于普通粘胶纤维，在50～250h内，阻燃粘胶纤维的变化速率明显低于普通粘胶纤维