多功能阻燃聚酯纤维的纺丝工艺

第３４卷第１期　２０１３年１月　纺织　学报　

Ｊｏｕｒｎａ１　ｏｆ　Ｔｅｘｔｉｌｅ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｖｏ１．３４．Ｎｏ．１　

Ｊａｎ．，２０１３　

文章编号：０２５３—９７２１（２０１３）０１—０００１—０６　多功能阻燃聚酯纤维的纺丝工艺　

丁致家　，齐　鲁　，高晓东　（１．天津工业大学生物与纺织材料研究所，天津３００１６０；２．波司登股份有限公司，江苏常熟２１５５３２）　

摘　要采用环境友好型磷系有机阻燃剂Ｇ一７７对芯层聚酯进行阻燃改性，采用自制阻燃母粒和聚偏氟乙烯对皮　层聚酯进行防水改性，通过皮芯复合纺丝制备多功能阻燃聚酯纤维，并对纤维的纺丝工艺及其功能性进行研究。　结果表明，纤维同时具有较高的阻燃性、较好的防水性等特性；和前期采用无机阻燃剂改性后制得的多功能阻燃聚　酯纤维相比较，有机阻燃剂Ｇ一７７改性后制得的多功能阻燃聚酯纤维具有良好的纺丝性能和力学性能，可纺性及力　学性能得到明显的提高，卷绕速度可控制在１　０００～２　０００　ｍ／ｍｉｎ之间，牵伸丝最大断裂强度可达４．１６４　６　ｃＮ／ｄｔｅｘ。　关键词　聚对苯二甲酸乙二酯；可纺性；皮芯；多功能；阻燃；防水　中图分类号：ＴＱ　３４２　文献标志码：Ａ　

Ｓｐｉｎｎｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　ｆｌａｍｅ　ｒｅｔａｒｄａｎｔ　ｐｏｌｙｅｓｔｅｒ　ｆｉｂｅｒｓ　ＤＩＮＧ　Ｚｈｉｊｉａ　，ＱＩ　Ｌｕ。，ＧＡＯ　Ｘｉａｏｄｏｎｇ　（１．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｂｉｏｌｏｇｉｃ　ａｎｄ　５ｐｉｎｎｉｎｇ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｎ。ｎｊｉｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ｎｎｎｊｉｎ　３００１６０，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｂｏｓｉｄｅｎｇ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｈｏｌｄｉｎｇ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｃｈａｎｇｓｈｕ，Ｊｉａｎｇｓｕ　２１５５３２，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ａ　ｍｕｈｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　ｆｌａｍｅ　ｒｅｔａｒｄａｎｔ　ｐｏｌｙｅｓｔｅｒ　ｆｉｂｅｒ　ｗａｓ　ｐｒｅｐａｒｅｄ　ｂｙ　ｓｈｅａｔｈ—ｃｏｒｅ　ｓｐｉｎｎｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ，ｗｉｔｈ　ｉｔｓ　ｃｏｒｅ　ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ｂｙ　ｅｎＶｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｌｙ　ｆｒｉｅｎｄｌｙ　ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｆｌａｍｅ　ｒｅｔａｒｄａｎｔ　Ｇ一７７　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｈｅａｔｈ　ｓｎｂｊｅｃｔｅｄ　ｔｏ　ｗａｔｅｒｐｒｏｏｆ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｓｅｌｆ—ｍａｄｅ　ｆｌａｍｅ—ｒｅｔａｒｄａｎｔ　ｍａｓｔｅｒ　ｂａｔｃｈ　ａｎｄ　ＰＶＤＦ，　ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｐｉｎｎｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｎｄ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ｗｅｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｒｅｖｅａｌｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｆｉｂｅｒ　ｈａｄ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｆｌａｍｅ　ｒｅｔａｒｄａｎｔ　ａｎｄ　ｗａｔｅｒｐｒｏｏｆｉｎｇ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．Ｗｈｅｎ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｍｕｈｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　ｆｌａｍｅ　ｒｅｔａｒｄａｎｔ　ｆｉｂｅｒ　ｐｒｅｐａｒｅｄ　ｅａｒｌｉｅｒ　ｗｉｔｈ　ｉｎｏｒｇａｎｉｃ　ｆｌａｍｅ　ｒｅｔａｒｄａｎｔ　ａｇｅｎｔ，ｔｈｅ　Ｇ一７７　ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　ｆｌａｍｅ　ｒｅｔａｒｄａｎｔ　ｆｉｂｅｒ　ｄｉｓｐｌａｙｅｄ　ｂｅｔｔｅｒ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ａｎｄ　ｓｐｉｎｎａｂｉｌｉｔｙ，　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｂｒｅａｋｉｎｇ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｕｐ　ｔｏ　４．１　６４　６　ｃＮ／ｄｔｅｘ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｗｉｎｄｉｎｇ　ｓｐｅｅｄ　ｗａｓ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｒａｎｇｅ　ｂｅｔｗｅｅｎ　１　０００　ａｎｄ　２　０００　ｍ／ｍｉｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ＰＥＴ；ｓｐｉｎｎａｂｉｌｉｔｙ；ｓｈｅａｔｈ—ｃｏｒｅ；ｍｕｈｉｆｕｎｃｔｉｏｎ；ｆｌａｍｅ　ｒｅｔａｒｄｉｎｇ；ｗａｔｅｒｐｒｏｏｆ　

常规纤维由于技术含量不高，功能性单一，已不　能满足国内外市场对产品多样化、功能化的需求，赋　予常规化学纤维新的功能是化纤新材料研究领域的　重点和热点之一。纤维的阻燃性和防水性是目前人　们关注的热点之一。现在市场上纺织品的阻燃性能　和防水性能大多是通过后整理来提高　，这样处　理得到的产品存在不耐磨、不耐洗的缺点，且其所用　阻燃剂大多为卤系阻燃剂，对人体健康和环境存在　危害　本文采用环境友好型磷系有机阻燃剂Ｇ一７７，取　代前期工作试用的无机阻燃剂，在保证阻燃防水聚　酯纤维功能性的前提下，改善其纺丝性能。采用添　加型共混改性的方法，通过皮芯复合纺丝工艺　，　制备皮层防水兼具一定阻燃性、芯层阻燃的皮芯复　合多功能聚酯纤维；该纤维克服了后整理工艺中不　耐磨、不耐洗以及无机阻燃剂改性后纺丝性能和力　学性能差的缺点，具有永久阻燃、防水、良好的纺丝　性能和力学性能等优点。　

收稿日期：２０１ｌ一１１—３０　修回日期：２０１２—０５—０４　作者简介：丁致家（１９８ｌ一），男，博士。主要从事功能纤维材料的研究。齐鲁，通信作者，Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｕｑｉ００５＠ｓｉｎａ．ｅｏｍ。　・２・　纺织学报　第３４卷　１　实验部分　１．１材料与仪器　１．１．１　材　料　聚对苯二甲酸乙二酯（ＰＥＴ）母粒，中石化天津　分公司；有机芳基聚磷酸酯类（Ｇ．７７），济南　太阻　燃制品有限公司；聚偏氟乙烯（ＰＶＤＦ）粉末，上海东　氟化工科技有限公司；助剂，仪征天扬化工有限公　司；自制阻燃母粒（Ｇ一７７阻燃剂质量分数为７．２５％，　极限氧指数为２８．４％）；自制相容剂（丙烯酸酯接枝　聚烯烃弹性体）；苯酚，苏州冠得化工实验仪器有限　公司；１，１，２，２－四氯乙烷，苏州冠得化Ｔ实验仪器有　限公司。　１．１．２　仪　器　ＳＨＲ一２５Ａ型高速混合机，张家港海滨机械有限　公司；双螺杆挤出造粒试验机，南京达力特挤出机械　有限公司；ＤＨＧ一９２４０Ａ型电热恒温鼓风干燥箱，上　海精宏实验设备有限公司；ＰＴ４５０Ｃ型注塑机，力劲　集团；ＪＭ一５００ＺＧＸ型真空干燥箱，上海金玛电光技　术研究所；纺丝试验机，大连华纶化纤　程有限公　司；ＫＶ９００Ｉ型牵伸机，山西同丰纤维机械有限公司；　ＦＡ／ＪＡ型电子天平，上海越平科学仪器有限公司；　ＪＦ一４型氧指数测定仪，南京市江宁区分析仪器厂；　ＣＺＦ．６型水平垂直燃烧测定仪，南京市江宁区分析　仪器厂；ＬＬＹ一０６ＢＤ型电子单纤维强力仪，莱州市电　子仪器有限公司；ＪＣ２０００Ｃ２型接触角测量仪，上海　中晨数字技术设备有限公司；乌氏黏度计，上海正慧　工贸有限公司。　１．２试样的制备　１．２．１　皮层料的制备　将ＰＥＴ、自制阻燃母粒、ＰＶＤＦ、自制相容剂以及　助剂按照一定的配方，先后放人高速混合机中高速　混合约３　ｍｉｎ，然后通过双螺杆挤出造粒机造粒，制　得兼具防水和阻燃的改性聚酯切片，其中双螺杆挤　出造粒的工艺参数如表１所示。并将防水改性聚酯　切片通过熔融指数测试仪压制成表面平整光滑的压　片备用。　表１皮层挤出造粒的参数　Ｔａｂ．１　Ｓｈｅａｔｈ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ　ｇｒａｎｕｌａｔｉｏｎ　１．２．２芯层料的制备　将ＰＥＴ、有机阻燃剂Ｇ－７７分别按照一定的配　方，先后放入高速混合机中高速混合约３　ｍｉｎ。然后　通过双螺杆挤出造粒机造粒，制得改性阻燃聚酯切　片，其中双螺杆挤出造粒的工艺参数如表２所示。　将改性阻燃物料通过注塑机制备符合要求的实验样　条，对所制备的样条进行清洗，然后放入干燥箱，在　６０℃条件下干燥２０　ｈ。　表２芯层挤出造粒的参数　Ｔａｂ．２　Ｃｏｒｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ　ｇｒａｎｕｌａｔｉｏｎ　１－３　皮芯复合多功能纤维的制备　将所制备的皮芯改性聚酯切片用鼓风干燥箱干　燥２　ｈ，温度设定为６０℃，此过程主要是烘干改性聚　酯切片在造粒过程中因冷水冷却而携带的表面水　分，烘干后将改性聚酯切片置于真空干燥箱中进行　真空干燥，在１６０　ｃＩ＝下，连续干燥２４　ｈ，以待纺丝。　将干燥好的皮层、芯层物料，按照一定的比例，在不　同纺速下，通过皮芯复合纺丝工艺制备兼具高效阻　燃性和有效防水性的皮芯复合多功能纤维，纺丝组　件温度如表３所示。　

表３纺丝组件温度　Ｔａｂ．３　Ｓｐｉｎｎｉｎｇ　ｐａｃｋ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ　℃　

１．４初生纤维的牵伸　对初生丝进行牵伸处理，牵伸组件温度如表４。　通过牵仲和热定型，使纤维的大分子取向并结晶，从　而改善其力学性能，以满足制造和服用的要求，制　时，给予一定的保护性捻度。　１．５　阻燃改性聚酯极限氧指数测试　参照ＧＢ／Ｔ　２４０６．２—２００９《塑料一用氧指数法测　定燃烧行为》，用顶面点燃法的点火方式，通过氧指　第１期　丁致家等：多功能阻燃聚酯纤维的纺丝工艺　・３・　表４牵伸组件温度　Ｔａｂ．４　Ｄｒａｆｔｉｎｇ　ｐａｃｋ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ　ｏＣ　

数测定仪对１．２．１和１．２．２制备的改性聚酯样条做　氧指数测定实验，测量其极限氧指数（ＬＯＩ值）。　１．６　阻燃改性聚酯水平垂直燃烧测试　依据ＧＢ／Ｔ　２４０８－－２００８《塑料一燃烧性能的测　定一水平法和垂直法》，垂直燃烧实验点火时间为　１０　Ｓ，水平燃烧实验点火时间为３０　Ｓ。通过水平垂直　燃烧测定仪对１．２．１和１．２．２制备的改性聚酯样条　做水平垂直燃烧实验，测量其燃烧性能。　１．７　防水改性聚酯接触角测试　参照１．２．１制备的防水改性聚酯压片，通过接　触角测量仪测量其接触角。　１－８特性黏度的测定　参照ＧＢ／Ｔ　１４１９０－－２００８《纤维级聚酯切片　（ＰＥＴ）试验方法》，苯酚／Ｉ，Ｉ，２，２一四氯乙烷（质量比　为５０：５０）为溶剂，在２５℃下，通过乌氏黏度计测量　溶剂流经时间和溶液流经时间。物料特性黏度根据　下式进行计算：　

，／１＋１．４（ｔ】／ｔ０—１）一１　Ｌ　Ｊ　————　＿—一　

式中：ｔ。为溶剂流经时间，Ｓ；ｔ　为溶液流经时间，Ｓ；ｃ　为溶液质量浓度，ｇ／１００　ｍＩ　。　１．９皮芯复合多功能纤维力学性测试　依据ＧＢ／Ｔ　１４３３７－－２００８《化学纤维一短纤维拉　伸性能试验方法》，间隔长度为２０　ｍｍ，拉伸速度为　２０　ｍｍ／ｍｉｎ，干定伸长强力的测定的方法。通过单　纤维强力仪测定皮芯复合多功能纤维的断裂强度和　断裂伸长率。　

２结果与讨论　２．１　纤维功能性的探讨　２．１．１　阻燃剂对ＰＥＴ阻燃性能的影响　本文采用自制阻燃母粒和环境友好型磷系有机　阻燃剂Ｇ一７７分别对皮层料和芯层料进行阻燃改性，　通过皮芯复合纺丝使其皮层、芯层皆具有阻燃性。　磷系阻燃剂可以通过固相成碳和质量保留机制来降　低阻燃纤维的热释放速率和腐蚀气体、有毒气体、烟　的释放量等，因此可以克服卤系阻燃剂的缺点。其　次，磷系阻燃剂在受热时能分解生成偏磷酸或磷酸，　偏磷酸在高温作用下聚合生成聚偏磷酸，磷酸继而　脱水形成焦磷酸，生成的聚偏磷酸和焦磷酸附着在　聚酯纤维表面，促使有机物直接氧化成二氧化碳，减　少可燃性气体一氧化碳的生成，从而降低聚酯纤维　的燃烧性能。图１示出阻燃剂Ｇ一７７对ＰＥＴ的极限　氧指数的影响。　图１　阻燃剂Ｇ・７７对ＰＥＴ的极限氧指数的影响　Ｆｉｇ．１　Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｆｌａｍｅ　ｒｅｔａｒｄａｎｔ　Ｇ一７７　ｏｎ　ｌｉｍｉｔｉｎｇ　ｏｘｙｇｅｎ　ｉｎｄｅｘ　ｏｆ　ＰＥＴ　芯层料的功能性以阻燃性为主。由图１可看　出，随着Ｇ一７７含量的增加，芯层物料的ＬＯＩ值呈上　升趋势，当阻燃剂Ｇ．７７与ＰＥＴ的质量比值为６时，　其ＬＯＩ值达到２７．２％，即具有难燃效果。阻燃剂的　加人会影响大分子链段取向，而纺丝主要是在一定　的工艺条件下通过大分子链段取向来实现，所以改　变阻燃剂的种类和含量对可纺性有很大影响。在前　期工作中，用无机阻燃剂对ＰＥＴ进行改性，改性物　料可纺性差，有毛丝、断头和飘丝出现，甚至不能纺　丝。本文采用有机阻燃剂取代无机阻燃剂对ＰＥＴ　进行改性，在添加适量的阻燃剂Ｇ一７７和选择合理的　纺丝温度的条件下，可纺性明显改善，纺丝正常，无　毛丝、断头和飘丝出现。分析其原因：无机阻燃剂相　对分子质量小，严重破坏了ＰＥＴ的规整性，破坏了　大分子链段取向，影响了ＰＥＴ的可纺性，而有机阻　燃剂Ｇ一７７相对分子质量较大，对ＰＥＴ的规整性影　响较小，和ＰＥＴ的相容性较好，对ＰＥＴ的可纺性影　响不大，能正常纺丝。　皮层料的功能性以防水性为主，添加适量的阻　燃母粒后，使其具有一定的阻燃性，增强皮芯复合多　功能纤维的整体阻燃性。图２示出阻燃母粒对ＰＥＴ　的极限氧指数的影响。由图２可看出，随着阻燃母　粒与ＰＥＴ质量分数比的增大，皮层料的ＬＯＩ值呈上　升趋势，阻燃性有所改善，但极限氧指数不高，主要