CN109881289B - 一种阻燃、抑烟pet纤维的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于功能纤维的制备领域。一种阻燃、抑烟PET纤维的制备方法，按照如下的步骤进行步骤一、将干燥的PDPSI/Fe2O3复合阻燃剂加入到双螺杆挤出机的侧喂料口，将干燥的PET加入到双螺杆挤出机的主喂料口，通过双螺杆挤出机的熔融共混后，经拉丝切粒，制得PDPSI/Fe2O3/PET切片；步骤二、在110℃，真空度为‑0.082±0.002MPa，将PDPSI/Fe2O3/PET切片干燥12h，然后继续保持真空度自然冷却到室温；步骤三、在单螺杆挤出机上熔融纺丝得到阻燃、抑烟PET纤维。在PDPSI和Fe2O3的协效阻燃作用下，阻燃、抑烟PET纤维的阻燃性和抑烟性明显提高。
Description
技术领域
本发明属于功能纤维的制备领域，特别涉及一种阻燃、抑烟对苯二甲酸乙二醇酯纤维的制备方法。
背景技术
据报道，大多数的火灾都是由纺织品的燃烧引起的。对苯二甲酸乙二醇酯纤维简称为PET纤维，由于其优异的力学性能被广泛的应用于纺织品等领域，作为使用量最大的合成纤维，其使用安全性得到越来越多人的重视。由于其极限氧指数仅为21%左右，属于易燃纤维，并且在燃烧时还会产生大量的黑烟。
烟气危害是在火灾发生时的一个不能忽视的危险因素。烟气除了导致能见度降低和使人窒息死亡外，还会麻痹人的神经使之错过最佳逃生时间。为了提高PET纤维的使用安全性，需要对其进行改性，提高其阻燃性和抑烟性。
CN108251911A公开一种抗菌阻燃PET纤维及其制备方法。所述的抗菌阻燃PET纤维，是抗菌阻燃剂与成纤高聚物PET熔融纺丝而成；其中抗菌阻燃剂为Cu+离子与含氮杂环类物质及有机磷化合物的双配位络合物，其中有机磷化合物部分作为阻燃剂。虽然赋予了PET纤维较好的阻燃性和抑烟性，但是恶化了PET纤维的力学性能，降低了其使用范围。
CN105401252A公开了一种阻燃PET纤维的制备方法，首先在氢氧化镁包覆碳微球阻燃剂表面包裹一层PET制备胶囊化氢氧化镁包覆碳微球，有效改善其在聚合物基体中的分散性和相容性，改善材料的可纺性；其次在制备PET纤维的过程中添加1wt%的胶囊化氢氧化镁包覆碳微球阻燃剂，熔融共混纺丝制备氢氧化镁包覆碳微球/聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维，通过合理调整熔融共混纺丝工艺，进一步改善纤维的可纺性。该方法极大的改善了无机阻燃剂对PET纤维力学性能的影响，并且大幅提高了PET纤维的阻燃性，同时也一定程度上增强了PET纤维的抑烟性。但是在抑烟性方面仍不能满足人们对安全的使用要求，需要进一步提高其抑烟性。
发明内容
本发明的目的是制备一种阻燃性和抑烟性都得到明显的阻燃、抑烟PET纤维，通过含磷有机硅(PDPSI)和氧化铁(Fe2O3)的协效阻燃作用增强PET纤维的阻燃性，尤其是抑烟性。
本发明所采用的技术方案是：一种阻燃、抑烟PET纤维的制备方法，按照如下的步骤进行
步骤一、将干燥的PDPSI/Fe2O3复合阻燃剂加入到双螺杆挤出机的侧喂料口，将干燥的PET加入到双螺杆挤出机的主喂料口，通过双螺杆挤出机的熔融共混后，经拉丝切粒，制得PDPSI/Fe2O3/PET切片；
步骤二、在110℃，真空度为-0.082±0.002MPa，将PDPSI/Fe2O3/PET切片干燥12h，然后继续保持真空度自然冷却到室温；
步骤三、在单螺杆挤出机上熔融纺丝得到阻燃、抑烟PET纤维。
作为一种优选方式：PDPSI/Fe2O3复合阻燃剂由聚N-N二亚甲基磷酸基氨丙基硅氧烷PDPSI和氧化铁Fe2O3构成，其中， PDPSI和Fe2O3的质量比1:2。
作为一种优选方式：步骤一中，加入双螺杆挤出机的PDPSI/Fe2O3复合阻燃剂和PET中，PDPSI/Fe2O3复合阻燃剂的质量百分比为0.3%-0.9%。
作为一种优选方式：干燥的PDPSI/Fe2O3复合阻燃剂是指将PDPSI/Fe2O3复合阻燃剂在电热鼓风干燥箱中干燥6h，干燥的PET是指将PET切片于120℃在真空转鼓干燥中干燥12h。
作为一种优选方式：PDPSI的化学结构式为
本发明的有益效果是：在PDPSI和Fe2O3的协效阻燃作用下，阻燃、抑烟PET纤维的阻燃性和抑烟性明显提高。
附图说明
图1是本发明产品的微观结构，其中，a0和A0中，PDPSI/Fe2O3复合阻燃剂的质量百分比为0，a1和A1中，PDPSI/Fe2O3复合阻燃剂的质量百分比为0.3%，a2和A2中，PDPSI/Fe2O3复合阻燃剂的质量百分比为0.6%，a3和A3中，PDPSI/Fe2O3复合阻燃剂的质量百分比为0.9%，a4和A4中，PDPSI/Fe2O3复合阻燃剂的质量百分比为1.2%；
图2是本发明产品的热稳定性分析；
图3是本发明产品的热释放速率(HRR)和总的热释放(THR)曲线；
图4是本发明产品的烟气生成速率(SPR)和总的产烟量(TSP)曲线；
图5是本发明产品氧化时的一氧化碳生成速率(COP)和二氧化碳生成速率(CO2P)图。
具体实施方式
下述实施例仅为本发明的优选技术方案，并不用于对本发明进行任何限制。对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
将PET切片于120℃在真空转鼓干燥中干燥12h，把PDPSI和Fe2O3的质量比为1:2的复合阻燃剂在电热鼓风干燥箱中干燥6h。
将干燥后的复合阻燃剂分别以0.3%、0.6%、0.9%、1.2%的比例加入到双螺杆挤出机的侧喂料口，PET则通过主喂料口加入，通过双螺杆挤出机的熔融共混后，经拉丝切粒，制得含有不同质量分数的PDPSI/Fe2O3/PET切片。
将不同质量分数的PDPSI/Fe2O3/PET切片在真空干燥箱中于110℃，真空度为-0.082±0.002MPa下干燥12h。在干燥过程中不断抽真空保持真空度，干燥完毕后自然降温并继续保持真空状态。
熔融纺丝是在单螺杆挤出机上进行的，通过单螺杆、弯管、箱体、计量泵、纺丝组件、徐冷装置、侧吹风装置、集束上油，热盘牵伸、卷绕成型得到阻燃、抑烟PET纤维。
其中阻燃、抑烟PET纤维的具体组成成分如图1所示。
表1 阻燃、抑烟PET纤维的组成成分
采用SEM对阻燃、抑烟PET纤维的微观结构进行了分析，如图1所示。从纤维的纵截面(a1,a2,a3,a4)能看出，复合阻燃剂PDPSI/Fe2O3较为均匀的分布在纤维表面，并且随着含量的增加，纤维的粗糙度逐渐增大。从EDS分析中能看出，PDPSI/Fe2O3/PET复合纤维中含有C、O、Si、P、Fe等元素，说明两种阻燃剂共同存在时依然能够稳定存在与PET纤维中。从纤维的横截面(A1,A2,A3,A4)能看出，PDPSI/Fe2O3粒子仅有少部分浮在纤维表面且团聚现象也明显改善，表明两种阻燃剂同时存在时改善了其与PET纤维的相容性。
采用TGA对阻燃、抑烟PET纤维的热稳定性进行了分析 TG和DTG曲线如图2所示，具体的热分解参数列于表2中。从图2中能看出，相比较于纯PET纤维，阻燃、抑烟PET纤维的初始分解温度(T5%)均有所提高，而且在700℃下的残炭量也明显增加。从表2中得知，纯PET纤维在初始分解时的温度为373.3℃。而阻燃、抑烟PET纤维的T5%均显著增加，尤其当阻燃剂的添加量为1.2%时，阻燃、抑烟PET纤维的T5%增加了17.9℃。这表明阻燃剂的加入明显提高了PET纤维在降解初期的热稳定性，而且在降解后期通过形成耐高温的炭层抑制PET纤维的降解，进一步提高了其热稳定性。阻燃、抑烟PET纤维在700℃下的残炭量相比于纯PET纤维分别增加了12.09%、16.55%、16.97%、17.72，表明阻燃剂在促进PET纤维催化成炭方面具有正向作用。
表2 阻燃、抑烟PET纤维的热分解参数
为了探讨阻燃、抑烟PET纤维的阻燃性能，对其LOI值和垂直燃烧级别进行了测试。表3中列出了阻燃、抑烟PET纤维的LOI值和垂直燃烧等级。从表中能看出纯PET纤维的LOI值为20.4%，属于易燃纤维；而在垂直燃烧测试中其损毁长度为15.9cm，垂直燃烧等级仅为B2级。当把阻燃剂PDPSI/Fe2O3加入到PET纤维中，PDPSI/Fe2O3/阻燃、抑烟PET纤维的LOI值呈上升趋势，当PDPSI/Fe2O3的含量为1.2%时，LOI值达到了27.1%达到了难燃纤维的范畴，并且阻燃、抑烟PET纤维均达到了B1等级，可应用于装饰物方面。
表3 阻燃、抑烟PET纤维的LOI值和垂直燃烧测试
通过锥型量热仪测试了阻燃、抑烟PET纤维的燃烧性能，HRR和THR曲线如图3所示，具体的热数据列于表4中。结合图3的曲线和表4能看出，阻燃剂的加入明显降低了阻燃、抑烟PET纤维的PHRR和THR，其中PHRR最大降低了292.57 kW/m2，降低幅度为32.2%；THR最大降低到了24.1 MJ/m2，降低幅度为53.6%。表明阻燃、抑烟PET纤维的阻燃性能得到了明显的提高。
表4 阻燃、抑烟PET纤维的锥形量热测试热数据
阻燃、抑烟PET纤维的SPR和TSP曲线如图4所示，烟气数据列于表5中。从SPR曲线中能看出，阻燃、抑烟PET纤维的延期生成速率明显低于纯PET，而且总的产烟量也大幅降低。从表5中能看出，阻燃、抑烟PET纤维的TSP均低于纯PET纤维，其中TSP最低为5.0 m2，最大降低了63.5%。表明阻燃、抑烟PET纤维的抑烟性能相比于纯PET纤维得到了显著提高。
表5 阻燃、抑烟PET纤维的锥形量热烟气数据
推测阻燃、抑烟PET纤维的阻燃抑烟机理为：当阻燃、抑烟PET纤维燃烧时，基体在PDPSI和Fe2O3的共同作用下催化成炭，形成了较为致密的交联网状结构的炭层，有效隔绝了热量的传输和烟气的逸出；同时Fe3+还会催化烟气粒子和烟的前驱体氧化成CO和CO2进一步降低了阻燃、抑烟PET纤维的烟产量，因此明显改善了阻燃、抑烟PET纤维的阻燃性和抑烟性。
表6中列出了阻燃、抑烟PET纤维的断裂强度和断裂伸长率，从表中能看出，阻燃剂的加入明显降低了PET的断裂强度，并且随着阻燃剂含量的增加逐渐降低，当阻燃剂含量为1.2%时，阻燃、抑烟PET纤维的断裂强度为7.34 cN/Tex，相比于纯PET，下降了27.40%，已经无法满足使用要求。
表6 阻燃、抑烟PET纤维的断裂强度和断裂伸长率
所以本专利中合适的范围的阻燃剂含量为0.3%-0.9%（质量百分比），可以根据需要选择，比如，如果对阻燃要求高，就可以选择0.9%，对韧性要求高，可以选择0.3%。
Claims (3)
1.一种阻燃、抑烟PET纤维的制备方法，其特征在于：按照如下的步骤进行
步骤一、将干燥的PDPSI/Fe2O3复合阻燃剂加入到双螺杆挤出机的侧喂料口，将干燥的PET加入到双螺杆挤出机的主喂料口，通过双螺杆挤出机的熔融共混后，经拉丝切粒，制得PDPSI/Fe2O3/PET切片，PDPSI/Fe2O3复合阻燃剂由聚N-N二亚甲基磷酸基氨丙基硅氧烷PDPSI和氧化铁Fe2O3构成，其中，PDPSI和Fe2O3的质量比1:2，PDPSI的化学结构式为
步骤二、在110℃，真空度为-0.082±0.002MPa，将PDPSI/Fe2O3/PET切片干燥12h，然后继续保持真空度自然冷却到室温；
步骤三、在单螺杆挤出机上熔融纺丝得到阻燃、抑烟PET纤维。
2.根据权利要求1所述的一种阻燃、抑烟PET纤维的制备方法，其特征在于：步骤一中，加入双螺杆挤出机的PDPSI/Fe2O3复合阻燃剂和PET中，PDPSI/Fe2O3复合阻燃剂的质量百分比为0.3%-0.9%。
3.根据权利要求1所述的一种阻燃、抑烟PET纤维的制备方法，其特征在于：干燥的PDPSI/Fe2O3复合阻燃剂是指将PDPSI/Fe2O3复合阻燃剂在电热鼓风干燥箱中干燥6h，干燥的PET是指将PET切片于120℃在真空转鼓干燥中干燥12h。
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