阻燃聚乙烯醇纤维的制备与性能

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聚乙烯醇(PVA)为水溶性高分子材料,具有良好的可纺性,产量大且廉价易得,综合性能优异。在当前技术水平下,水溶性PVA纤维是唯一能溶于水的合成纤维,可由非石油路线大规模工业化生产。但是,PVA纤维极易燃烧,极限氧指数(LOI)仅为19%,严重限制了其在某些领域的应用。本文主要通过分别添加几种阻燃体系来提高PVA纤维的阻燃性能,同时研究阻燃后的PVA纤维的形貌结构和力学性能等其他性能的变化。主要进行了以下几个方面的研究:(1)本文首先制备三聚氰胺-甲醛(MF)树脂,将MF树脂的水溶液与PVA水溶液复合,经湿法纺丝,制备三聚氰胺-甲醛树脂改性聚乙烯醇纤维。并对纤维的形貌结构、阻燃性能以及机械性能进行表征。实验结果表明:MF树脂与PVA反应形成了共价键。改性纤维横截面为耳形,纤维内部有孔洞。加入MF树脂后,改性纤维的阻燃性得到了极大改善,当PVA与MF树脂的质量比为10:6时,改性纤维的LOI值从原来的19.2%提高至33.6%。改性纤维的热重曲线表明,MF树脂的加入使纤维在600℃时的残炭量从18%提高至36%。三聚氰胺-甲醛树脂改性聚乙烯醇纤维的断裂强度在一定范围内得到提高,但是降低了其断裂伸长率。经50次水洗后改性纤维的LOI值为26.1%,通过该方法处理得到的阻燃PVA纤维具有阻燃耐久性。但改性纤维中的甲醛含量随MF树脂加入量的增加而增大,当PVA与MF树脂比例为10:6时,三聚氰胺-甲醛树脂改性聚乙烯醇纤维中的甲醛含量达到740mg/kg,远高于GB18401-2001对非直接接触皮肤类产品的要求(≤300 mg/kg)。(2)为避免三聚氰胺-甲醛树脂改性聚乙烯醇纤维中存在的甲醛问题,用海藻酸钠(SA)水溶液与PVA水溶液复合,经湿法纺丝,制得海藻酸改性聚乙烯醇纤维。通过红外光谱(FTIR)对复合纤维的结构进行表征,发现PVA和SA之间可以形成分子间氢键。扫描电镜(SEM)表明复合纤维的皮芯层结构变得不明显。采用热重分析(TGA)、LOI、单纤维强力测试仪研究了海藻酸改性聚乙烯醇纤维热稳定性能、阻燃性能和力学性能。发现复合纤维在600℃时的残炭量从18%提高至34%。SA比例增加,复合纤维的LOI值增加,但复合纤维的断裂强度和断裂伸长率降低。当复合纤维的LOI值增加到27.6%时,纤维的断裂强度从2.41 cN·dtex-1降低至1.01 cN·dtex-1,断裂伸长率从34.26%下降到8.58%。说明SA的加入可提高PVA的阻燃性能,实现无甲醛的目的,但是严重降低了复合后纤维的力学性能。(3)为了提高或保持阻燃海藻酸改性聚乙烯醇纤维的力学性能,我们采用应用很成熟的Pyrovatex CP作为阻燃剂,添加到PVA/SA水溶液中,制备聚乙烯醇/Pyrovatex CP/海藻酸共混纤维。在降低SA的用量、保证PVA纤维力学性能的基础上,添加应用已很成熟的阻燃剂Pyrovatex CP,提高海藻酸改性聚乙烯醇纤维的阻燃性能。经湿法纺丝制备聚乙烯醇/Pyrovatex CP/海藻酸共混纤维。FTIR测试结果表明Pyrovatex CP与PVA、SA上的羟基发生反应,形成了化学键。SEM测试结果表明纤维表面均匀光滑,纤维内部缺陷较少。改性纤维的断裂强度小幅度提高,断裂伸长率迅速增大,Pyrovatex CP添加量为33%时改性纤维的断裂伸长率为66.29%。改性纤维的LOI值达到30.4%(Pyrovatex CP添加量为33%的复合纤维),此复合纤维在600℃时的残炭量为27%。在Pyrovatex CP添加量为25%时改性纤维的LOI即达到28.8%,但是此改性纤维甲醛含量为352 mg/kg,已经不符合环保要求。当继续增加Pyrovatex CP的含量时,虽然改性纤维的LOI值不断增大,但是改性纤维中的甲醛含量也增多。Pyrovatex CP在后期使用过程中会释放甲醛,所以Pyrovatex CP的用量不宜过高。(4)为降低三聚氰胺-甲醛树脂改性聚乙烯醇纤维中游离甲醛的含量,将PVA水溶液与SA水溶液复合,加入MF树脂水溶液,经湿法纺丝制备聚乙烯醇/三聚氰胺-甲醛树脂/海藻酸共混纤维。实验结果表明,MF与PVA、SA形成共价键。SEM测试结果表明聚乙烯醇/三聚氰胺-甲醛树脂/海藻酸共混纤维内部呈现交互的网状结构。MF树脂的加入赋予纤维较好的阻燃性能,在MF树脂加入量为33%时,改性纤维的LOI值为32.0%。在一定范围内,聚乙烯醇/三聚氰胺-甲醛树脂/海藻酸共混纤维的断裂强度提高,最高时为3.19 cN·dtex-1,但改性纤维的断裂伸长率降低。改性纤维的阻燃耐久性良好,经30次水洗后LOI值为27.1%,经50次水洗后LOI值为25.9%。由于SA的存在,MF树脂的用量降低,所以改性纤维中甲醛含量明显减少。MF树脂含量为33%时,改性纤维甲醛含量为506 mg/kg,虽然超出GB18401-2001对非直接接触皮肤类产品的要求(≤300 mg/kg),但对比三聚氰胺-甲醛树脂改性聚乙烯醇纤维,聚乙烯醇/三聚氰胺-甲醛树脂/海藻酸共混纤维的甲醛含量已有大幅降低。
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