阻燃錦綸66纖維FRY-27的研制和性能研究

于廣慧，肖婷婷，辛運龍

[優纖科技（丹東）有限公司，遼寧丹東 118003]

聚酰胺（錦綸）作為合成纖維的主要品種之一，是世界上最早實現工業化的合成纖維。其中錦綸66 由于具有耐磨性好、回彈性高、斷裂強度高、染色性好、比重小、質量輕以及不易蟲蛀等優點，被廣泛應用于服裝面料、戶外用品、汽車內飾、地毯毛毯、傳送帶、安全繩網、建筑材料等民用、工用乃至軍用領域。錦綸66的極限氧指數在24左右，不屬于易燃纖維，但軟化點只有235 ℃，而熱裂解溫度及燃燒溫度均在400 ℃左右，二者相差較大。錦綸66 燃燒時會發生收縮、熔融滴落，可能引燃其他物質傳播火災，在使用時的潛在火災危險很大。而紡織品用尼龍纖維的阻燃改性是世界性難題，現階段使用的阻燃方式都是進行涂層整理，整理后布料增重至1～3倍，悶熱不透氣、不耐洗，且含有危害人體健康的成分而無法作為服裝使用。目前有報道研制成功的本體阻燃尼龍纖維產品僅有瑞士艾曼斯公司的NEXYLON FR，但是沒有形成商品。隨著國內外對織物阻燃的要求越來越高，錦綸纖維的阻燃日益受到關注。

1 阻燃機理

由于錦綸纖維的燃燒是在氣相和凝聚相兩個相區內進行，阻燃機理可分為氣相阻燃機理和凝聚相阻燃機理兩種。氣相阻燃機理是通過阻燃劑改變材料的熱分解模式，減少活潑自由基的生成，減緩火焰中的鏈式氧化反應，抑制可燃氣體的生成，從而達到阻燃目的。凝聚相阻燃機理是通過提高聚合物燃燒時炭化物的含量，降低可燃氣體的生成，從而達到阻燃目的。[1]

為了提高材料的阻燃性能，阻燃錦綸66 纖維FRY-27采用兩種阻燃機理共同作用于同一體系。阻燃劑CPH-2是一個羧基封端的含磷酯類低聚物，線性結構，兩端基是具有反應活性的羧基，相對分子質量主要分布在1 200～1 600，可以通過縮合反應進入尼龍分子鏈中，減少對聚合物物理性能的影響。聚合物燃燒時，分子鏈上的阻燃基團受熱分解從分子鏈上脫落下來，轉化為不易揮發的聚偏磷酸，聚偏磷酸具有很強的穩定性和脫水性，會覆蓋在聚合物表面，使表面的聚合物脫水成炭，與聚偏磷酸共同形成一層阻燃保護層，達成凝聚相阻燃。同時，阻燃劑CPH-2 在分解時會產生PO·，可以與火焰區域中的氫原子結合，減緩火焰中的鏈式氧化反應，抑制可燃氣體的生成，達成氣相阻燃。最后阻燃劑CPH-2 分子鏈中的氫氧原子會生成大量的水分，水分蒸發在降低凝聚相溫度的同時，還會稀釋氣相中可燃氣體的濃度，從而更好地起到阻燃作用。

2 FRY-27的生產

2.1 原料和設備

原料：尼龍66干鹽，分子質量調節劑（己二胺的醋酸溶液），阻燃劑CPH-2。

聚合設備：高溫高壓反應釜，冷卻水槽，自動切粒機。紡絲設備：真空轉籃干燥機，單組分紡絲機，七輥牽伸機。檢測設備：Instron 強伸儀，高速單面針織小圓機，垂直燃燒試驗儀，氧指數儀。

2.2 FRY-27的制備

（1）在氮氣保護下，將尼龍66干鹽以質量比1∶1溶解在55～60 ℃水中，配制成50%的尼龍66鹽水溶液。

（2）將尼龍66 鹽水溶液、分子質量調節劑和阻燃劑CPH-2 加入高溫高壓反應釜中，在溫度為210～240 ℃、壓力為1.75～1.80 MPa條件下保壓2 h。

（3）保壓結束后釋放反應釜內的壓力，將溫度升至265～275 ℃，在30 r/min 下抽真空至-0.065～0.080 MPa，15～20 min 后放料，物料經冷卻水槽冷卻后用自動切粒機切粒，得到阻燃尼龍66切片。

（4）在氮氣保護下，使用真空轉籃干燥機干燥阻燃尼龍66 切片，使切片水質量分數降到8×10-4以下。使用單組分紡絲機紡絲，工藝參數為：孔數24，紡絲速率300 m/min，泵轉速15 r/min，組件壓力1.3 MPa，紡絲溫度見表1。

表1 FRY-27紡絲各工區溫度

使用七輥牽伸機對原絲進行牽伸（牽伸工藝見表2）熱定型，即得到FRY-27。

表2 FRY-27的牽伸工藝

3 FRY-27的性能

3.1 物理機械性能

FRY-27的主要物理機械性能指標：斷裂強度4.4～4.8 cN/dtex，斷裂伸長率14.0%～20.0%，線密度偏差率±6.00%。

3.2 阻燃性能

國內外檢測阻燃纖維性能的主要方法有3 種：垂直法、45°法和氧指數法。[2]其中，氧指數法是將一定規格的試樣垂直放置在氧氮混合氣流中，在上端施加火焰，測定試樣剛好維持燃燒狀態所需要的最低氧氣濃度，即氧指數，用LOI（體積分數）表示。這里使用氧指數法檢測FRY-27 纖維的阻燃性能，使用垂直法檢測FRY-27纖維織物的阻燃性能，測試方法參照GB/T 5454—1997（氧指數法）和GB/T 5455—2014（垂直法）。氧指數法試樣是將FRY-27 纖維開松壓燙后卷成棉卷[2]，LOI隨阻燃劑用量變化而變化，結果見表3。

表3 阻燃劑用量對FRY-27纖維氧指數的影響

由表3 可以看出，未添加阻燃劑時，FRY-27 的氧指數比較小，容易燃燒；而在阻燃劑用量僅3%時，FRY-27 就已經達到了國家阻燃標準要求（LOI 大于28%）；阻燃劑用量為6%時，LOI可達33.5%，符合各種阻燃要求。作為反應型阻燃劑，阻燃劑CPH-2在錦綸分子鏈上的比例過高會導致纖維機械性能發生變化，所以用量一般控制在5%以內。經國家紡織制品質量監督檢驗中心等單位測定，FRY-27 的極限氧指數一般為30%～32%。

垂直法試樣為使用高速單面針織小圓機織成的襪帶，損毀長度為192 mm，續燃時間為0 s，陰燃時間為0 s，離火焰即滅且燃燒時無滴落物。

3.3 FRY-27的特點

（1）安全無毒，具有高阻燃性：極限氧指數LOI 大于等于30%，織物離火焰自熄且燃燒時無滴落物。

（2）物理機械性能與普通錦綸66 纖維相類似，耐磨性好，彈性及彈性回復性高，易染色，織物具有良好的手感和吸濕性，穿著舒適，輕便耐用。

（3）燃燒時僅產生少量煙氣，不熔融，不釋放毒氣，具有自熄效果，且炭化后能保持原有形態。

（4）耐洗滌和化學處理，具有永久性阻燃作用。

4 FRY-27的應用

FRY-27 主要應用于冶金、機械、林業、消防等行業，例如阻燃防護服裝，賓館、飯店及家居裝飾用布，地毯，毛毯，汽車裝飾用布等；還可以與其他天然或合成纖維混紡，制備具有阻燃性能的針織和機織面料。FRY-27 在與棉、毛混紡時能在一定程度上保留阻燃性和自熄效果，但與其他合成纖維混紡時，對方也必須是阻燃纖維，否則易產生“支架效應”，適得其反。