CN115991017A - 一种双层结构热敏性防火阻燃非织造材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于非织造材料技术领域，具体涉及一种双层结构热敏性防火阻燃非织造材料及其制备方法。所述双层结构热敏性防火阻燃非织造材料的制备方法，由外层织物和内层织物经水刺法复合加固得到；所述外层织物由共混纤维纱和中空纤维纱复合形成；所述共混纤维纱由超高分子量聚乙烯纤维与陶瓷纤维颗粒共混纺丝形成共混纤维，再经阻燃整理后纺纱得到；所述中空纤维纱由聚氨酯中空纤维经阻燃整理后纺纱得到；所述内层织物由聚乳酸和氧化碳化的聚丙烯腈共混纺丝得到。本发明的非织造材料能够兼具耐火烧、耐高温、高强度、质量轻的特性以及良好的吸湿排汗功能，且生产成本在可控范围内。

Description

一种双层结构热敏性防火阻燃非织造材料及其制备方法

技术领域

本发明属于非织造材料技术领域，具体涉及一种双层结构热敏性防火阻燃非织造材料及其制备方法。

背景技术

高性能材料由于其应用领域广泛、使用寿命长、产品效果好等优点，逐渐受到越来越多的关注，随着社会科技的逐步发展，对化学用品以及电力等资源的使用不当非常容易引发爆炸、燃烧、火灾等事故，这无疑增加火场作业的危险系数，研发一种具有超强防火性能，并且兼备良好的服用性能的材料能够有效的应对这一风险。

现有技术中，申请号为CN202110811214.7的发明专利公开了一种可膨胀柔性防火材料及其制备方法，使用碱溶性陶瓷纤维、三聚氰胺、玻璃纤维等材料制备自身具备一顶柔性的防火耐高温材料，但玻璃纤维、三聚氰胺等化学物质带有一定毒性，在高温条件下还会部分分解，不利于人体的健康。申请号为CN202121241822.0的实用新型专利公开了一种隔热调温防火服，利用魔术贴将防火服设计成可拆卸的结构，便于适应外界温度的变化，但这种结构的存在导致防火材料整体均匀性下降、耐用性和强力下降，且使用时拆卸不便，实用性较低。申请号为CN202110417550.3的发明专利公开了一种基于相变微胶囊的自调温皮革及其制备方法，通过在基布和附加层之间施加微胶囊结构的方式制备了具有自动调温功能的材料，但微胶囊结构相对复杂，无法大规模生产。申请号为CN201821584512.7的实用新型专利公开了一种新式防火服，用芳纶材料作为主体，经过阻燃整理后制备防火材料，虽然防火效果较好，但材料内部结构过于紧密，在增加强度的同时，使防火材料的重量过大，并且透气性很差。

综上，在现有的高性能纤维材料中，有关提升纤维防火、耐高温性能的研究不在少数，对于自调温、隔膜等特殊技术也有部分研究成果，但在制备方法上，大多数仍停留在传统的单一工艺，如机织、干湿法纺丝等。传统的织造手段虽然具有成本低、操作简单的特点，但是制备的产品性能也比较单一，大多数以牺牲服用性能为代价，如加厚面料，提高纤网面密度、致密性涂层等方式使材料耐火耐高温性能显著提高。但这种结构使产品在使用上程序复杂，实用性较差。

此外，陶瓷纤维已经较为广泛的被用于防火材料，但在合成方法上，大多数人选择静电纺丝法，这种方法制备的陶瓷纤维虽然直径细，织物的性能好，但纺丝设备较为复杂，并且速度相对较慢，无法大规模生产。另外，由于陶瓷纤维制备需要经过溶解、纺丝、烧结等一系列工序，使其很难与别的纤维结合共混纺丝。使材料的应用受到一定的局限。

碳纤维以其质量轻、强度大的特点被广泛的用于航天工程等一系列特殊环境作业。但其应用领域大部分停留在建筑等工程用方面；由于其结构复杂，不容易加工，很少有将其与其他种类的纤维共混纺丝的案例。

发明内容

本发明旨在解决上述问题，提供了一种双层结构热敏性防火阻燃非织造材料及其制备方法，在保证基本的耐火耐高温性能的前提下，还具有热收缩，冷恢复的调节与外界气体交换的功能，以及质量轻、吸湿排汗性能好的特点。

按照本发明的技术方案，所述双层结构热敏性防火阻燃非织造材料的制备方法，由外层织物和内层织物经水刺法复合加固得到；

所述外层织物由共混纤维纱和中空纤维纱复合形成；所述共混纤维纱由超高分子量聚乙烯纤维与陶瓷纤维颗粒共混纺丝形成共混纤维，再经阻燃整理后纺纱得到；所述中空纤维纱由形状记忆聚氨酯中空纤维经阻燃整理后纺纱得到；所述内层织物由聚乳酸和氧化碳化的聚丙烯腈共混纺丝得到。

进一步的，所述外层织物和内层织物经水刺法复合前，还包括柔性处理和吸湿性整理的操作。

进一步的，所述吸湿性整理为表面粗糙化整理，具体的，表面粗糙化整理可以采用物理方法的摩擦使表面粗糙方法和/或使用氧化性酸浸泡处理，氧化性酸可以选择盐酸或稀硫酸，后清洗烘燥。

进一步的，所述水刺法中，水刺液体为0.8-1.2wt％的抗坏血酸溶液。抗坏血酸一方面本身具备一定的酸性，能够较弱的溶解PLA和聚氨酯，在不破坏两层织物宏观结构的情况下通过溶解加强了现为组分之间的粘连，加固效果更好。另一方面，抗坏血酸即维C对人体无害，对环境无污染，不需要水刺加固后另外去除；且在加固过程中不会产生化学反应，损失量小，能够循环利用。

进一步的，所述水刺法的具体参数如下：水射流压力为1.6-2.5MPa，水流喷射速度为8-12mm/s，喷嘴直径为4-6mm；优选的，水射流压力为2.0MPa；水流喷射速度为10mm/s；喷嘴直径为5mm。

进一步的，所述阻燃整理采用浸渍法，阻燃剂为Al(OH)3溶液。

进一步的，所述Al(OH)₃溶液的浓度为0.3-0.8wt％，优选为0.5wt％；溶剂可以采用浓度为1.0-1.5wt％的烧碱溶液。

进一步的，所述共混纤维由液喷纺丝法制备得到。

进一步的，所述共混纤维由以下步骤制备得到：将陶瓷纤维颗粒和超高分子量聚乙烯(PE)分别溶于极性溶剂III中，形成纺丝液，用液喷纺丝法制备得到共混纤维。

进一步的，所述陶瓷纤维颗粒与超高分子量聚乙烯的摩尔比为1：1.5-2.8，优选为1：2。

进一步的，所述极性溶剂III为N,N-二甲基甲酰胺的水溶液(DMF)，所述DMF溶液的浓度为2-9wt％，温度为70-80℃；液喷纺丝法的参数为：喷嘴直径为1-10mm，所用气体为氦气或氮气，气流喷吹速率为8-12mm/s，气体压力为0.4-0.6MPa，接收距离为1-10cm。

进一步的，所述陶瓷纤维颗粒由硅酸铝和/或钛酸钡制备得到。

进一步的，所述陶瓷纤维颗粒由以下步骤制备得到：

A1、将硅酸铝和/或钛酸钡溶于极性溶剂I，得到纺丝液前驱体；

A2、对所述纺丝液前驱体进行过滤后，以液喷纺丝法纺丝成型，得到陶瓷纤维；

A3、去除所述陶瓷纤维中的残留极性溶剂I，粉碎至粒径＜300μm，得到所述陶瓷纤维颗粒。

进一步的，所述极性溶剂I为聚乙烯吡络烷酮(PVP)的乙醇溶液，浓度为3-9wt％。

进一步的，所述步骤A2中，液喷纺丝法的参数为：喷嘴直径为1-5mm，所用气体为氦气或氮气，气流喷吹速率为8-12mm/s，气体压力为0.4-0.6MPa，接收距离为1-10cm。

进一步的，所述步骤A3中，通过高温烧结去除残余极性溶剂I，高温烧结的温度为450℃-500℃；采用粉碎机进行粉碎，具体的，粉碎机器可以为滚筒型双刀陶瓷纤维粉碎机，批次加料量设定为4000mL，转刀转动速度为1500r/min，驱动功率为1.1kW。

进一步的，所述形状记忆聚氨酯中空纤维(聚氨酯中空纤维)由以下步骤制备得到：

B1、将形状记忆聚氨酯和低熔点聚酯分别溶于极性溶剂II，得到聚氨酯纺丝液和低熔点聚酯纺丝液；

B2、以所述聚氨酯纺丝液作为皮层纺丝液，所述低熔点聚酯纺丝液作为芯层纺丝液，进行同轴液喷纺丝，得到皮芯纤维；

B3、对所述皮芯纤维进行煅烧去除残余极性溶剂II和芯层，得到所述聚氨酯中空纤维。

具体的，所述形状记忆聚氨酯来自于AslanS,KaplanS.Thermomechanical andshapememoryperformancesofthermo-sensitivepolyurethanefibers[J].FibersandPolymers,2018,19(2):272-280.，该材料在温度变化的环境下能够自发的收缩和回复，也称为热敏性聚氨酯。

进一步的，所述极性溶剂II为N,N-二甲基甲酰胺(DMF)的水溶液，浓度为2-9wt％。

进一步的，所述步骤B2中，同轴液喷纺丝的参数为内喷嘴直径为0.5-1.5mm；外喷嘴直径为2.5-3.5mm，所用气体为氦气或氮气，气流喷吹速率为8-12mm/s；气体压力为0.4-0.6MPa；接受距离为1-10cm。

进一步的，所述步骤B3中，煅烧温度为170℃-190℃。

进一步的，所述内层织物由静电纺丝法制备得到。

具体的，所述内层织物的由聚乳酸和氧化碳化的聚丙烯腈加入极性溶剂IV中，过滤后静电纺丝制得。

进一步的，按所述氧化炭化的具体操作如下：高温环境中静置，氧化温度为180℃-300℃，氧化后形成耐热梯形的高分子结构；低温碳化温度为300℃-1000℃，以分离氮、氧等非碳元素；高温碳化过程温度为1000℃-1500℃，高温碳化在惰性气体的环境中进行，形成六角形层状堆叠结构。

进一步的，聚乳酸与氧化碳化的聚丙烯腈的摩尔比为4-6：1。

进一步的，所述极性溶剂IV为二甲基甲酰胺(BMA)的水溶液，浓度为4-8wt％。

进一步的，静电纺丝的参数如下：电源电压工作范围为正高压：0-50kV，电流为0-2mA；负高压：0-50kV，电流为0-1mA，转速为20-200r。

综上，本发明先利用液喷纺丝法制备陶瓷纤维，经过烧结后粉碎到微米级的陶瓷纤维颗粒，再加入超高分子量的聚乙烯的纺丝液中，二者共混纺丝，制备共混纤维后再进行Al(OH)₃溶液浸泡整理后纺纱，得到共混纤维纱；再与形状记忆聚氨酯和低熔点聚酯纤维同轴液喷纺，并进行Al(OH)₃溶液浸泡整理制备的中空纤维纱共同织造成热敏性防火耐高温材料，即外层织物。内层的聚乳酸及经过氧化碳化处理的聚丙烯腈共混静电纺丝，制得高吸水性柔性层，即内层织物。碳纤维的存在改善了PLA纤维本身的强度，同时对产品的质量影响较小。二者通过以低浓度的抗坏血酸溶液为水刺材料的水刺的方法复合成联系更紧密的双层结构。

本发明的另一方面提供了上述制备方法制得的双层结构热敏性防火阻燃非织造材料。

本发明的技术方案相比现有技术具有以下优点：

1、发明通过液喷纺丝法制备陶瓷纤维及一系列共混纤维，使其本身均匀度高，直径细。切割更为容易，与PE制得的共混纤维均匀度高，所得产品强度高。

2、本发明选用外层材料包括经阻燃整理的超高分子量聚乙烯，内层材料包括碳纤维，二者熔点均较高，并且保型性好，使产品具有质量轻、高温条件下性质稳定，不易产生形变而导致强力下降的特点，拓宽了产品的应用范围，提高了产品的承受能力，使其具有更良好的耐用性。

3、本发明使用的外层纤维包括形状记忆聚氨酯制备的中空纤维纱，其材料本身能够在高温下收缩，使纱线直径变小，纱线之间的孔隙变大，在高温下提升了产品的透气性能，同时中空纤维的结构也在一定程度上改善了产品的厚度和质量以及透气性能。

4、本发明内层与外层的结合方式是用以低浓度的抗坏血酸为水针的水刺法。抗坏血酸能够作用于PLA、聚氨酯，使内外层之间的结构更紧密的结合，同时增加了层内部和表面的孔隙，透气性增强。

附图说明

图1为本发明制备方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

以下各实施例和对比例中涉及的测试方法如下：

1、纤维吸水率A，定义为试样在水中完全浸润后取出至无滴水时，试样吸收的水分和原始质量的百分比；水分蒸发率E，定义为浸润后滴水的某一时刻，纤维已经滴落的水的质量和原始质量的百分比，二者为均参考自标准《GB/T21655.1-2008纺织品吸湿速干性的评定》，其中，

式中，m(g)表示式样浸湿并开始滴水后的质量，m₀表示试样原本的质量，mi表示试样在润湿后滴水过程中某一时刻的质量；

2、透气率R(mm/s)，定义为在规定的试样面积、压强和时间条件下，气流垂直通过试样的速率。

其中，q_v(L/min)表示平均气流量，A(cm²)表示试样面积，167为换算系数，参考自标准《GB-T5453-1997纺织品织物透气性的测定》，本发明中，分别测定室温下和高温环境下，织物的透气率；

3、燃烧损毁长度(L)、阴燃时间(t)，定义为织物点燃12s后离开火源，在阴燃停止后的损毁长度。来表征织物的耐火阻燃性能。参考自标准《GB17591阻燃织物等级》；

4、损坏温度(T)，定义为试样在规定的温度、压力和受压时间下，试样出现明显损坏迹象(熔融、胶粘、泛黄、收缩等)时的温度，参考自标准《GB/T13767-1992纺织品耐热性能的测定方法》；

5、单位面积织物试样的质量(M)表示该材料的轻便程度，选用试样的大小为1cm²；

6、采用等速伸长法测定试样的断裂伸长率(ΔL)来表征试样的的断裂强度，即将试样固定在等速伸长(CRE)试验仪上，向两侧拉伸至断裂时，试样的伸长量和试样原本长度的比值；参考自标准《GB/T3923.1-2013断裂强力和断裂伸长的测定(条样法)》。

如图1所示，双层结构热敏性防火阻燃非织造材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将硅酸铝和/或钛酸钡溶于3-9wt％的聚乙烯吡络烷酮的乙醇溶液制成纺丝液前驱体；

(2)纺丝液前驱体经过过滤后，以液喷纺丝法纺丝成型，得到陶瓷纤维；喷嘴直径为1-5mm，所用气体为氦气或氮气，气流喷吹速率为8-12mm/s，气体压力为0.4-0.6MPa，接收距离为1-10cm；

并进行高温烧结，以去除有机物残留；再切割粉碎，得到陶瓷纤维颗粒；切割用设备为滚筒型纤维粉碎机，粉碎机批次加料量设定为4000mL，转刀转动速度为1500r/min，驱动功率为1.1kW，最终出料粒度<300μm；

(3)用浓度为2-9wt％、温度为70-80℃的DMF溶液制备超高分子量聚乙烯纤维的纺丝液，将陶瓷纤维颗粒和PE纤维纺丝液共混，用液喷纺丝法制备共混纤维，喷嘴直径为1-10mm，所用气体为氦气或氮气，气流喷吹速率为8-12mm/s，气体压力为0.4-0.6MPa，接收距离为1-10cm；

用浸渍法进行阻燃整理后，纺纱制得共纺纤维纱(陶瓷纤维混合聚乙烯纱)，阻燃整理的阻燃剂为浓度为0.3-0.8wt％的Al(OH)₃溶液；

(4)由形状记忆聚氨酯和低熔点聚酯分别溶于浓度为2-9wt％的DMF溶液，制成纺丝液，两种纺丝液经过同轴液喷纺，制得皮芯纤维后，170-190℃高温煅烧，去除芯层，制得形状记忆聚氨酯中空纤维；阻燃整理后纺纱制得聚氨酯中空纤维纱；

(5)将共纺纤维纱和聚氨酯中空纤维纱复合成外层织物，所用方法为机织，花纹为平纹，得到外层织物；

(6)将聚乳酸和经过氧化碳化的聚丙烯腈加入浓度为4-8wt％的二甲基甲酰胺(BMA)溶液中配置成纺丝液，纺丝液经过滤后，通过静电纺丝制备成内层材料，清洗干燥后，经过高吸湿性整理，制得内层织物(高吸湿柔性层)；

(7)将外层织物和内层织物以水刺法复合加固，得到成品；水刺后的溶液循环再利用，通过向循环溶液中加入较高浓度的抗坏血酸溶液来保证其浓度不变。

实施例1

将1.5molAl₂SiO₅溶解于120mL6wt％的PVP溶液中，搅拌混合均匀12h，将纺丝液在室温下静置8h，过滤纺丝液。用干燥的氦气作为推动力，采用液喷纺丝法在0.5MPa压力下使纺丝液从直径为2mm的喷头挤出，通过2.0cm的接收距离，形成陶瓷纤维，并保存在接收器上。待凝固成型后，放入滚筒型纤维粉碎机中进行粉碎，重复多次直到颗粒在微米级，得到陶瓷纤维颗粒。

将3mol超高分子聚乙烯加入150mL浓度为6wt％、温度为70℃的丙三醇溶液中，搅拌混合均匀，待冷却后加入陶瓷纤维颗粒，以干燥的氦气为推动力，在0.5MPa压力下使纺丝液从直径为2mm的喷头挤出，通过2.0cm的接收距离，纺纱后，制得共混纤维。

将1.0mol聚氨酯和低熔点聚酯分别溶于100mL浓度为6wt％的二甲基甲酰胺(DMF)溶液，所用内喷嘴直径为1.0mm；外喷嘴直径为3.0mm，所用气体为氦气，气流喷吹速率为10mm/s；气体压力为0.5MPa；接受距离为5cm。煅烧去除残留的极性溶剂和芯层，煅烧温度为170℃。制得聚氨酯中空纤维。

待冷却后共混纤维和聚氨酯中空纤维共同浸泡在0.5wt％的Al(OH)₃溶液中进行阻燃整理，再进行方法，得到共混纤维纱和中空纤维纱；将两种纱线用机织的方法复合成外层织物；

将1.5mol聚乳酸和0.2mol经过氧化碳化的聚丙烯腈(PAN)混合加入150mL浓度为6wt％的二甲基甲酰胺溶液(BMA)，搅拌均匀后用静电纺丝法纺丝，得到内层织物，电源电压工作范围为正高压：20kV，电流为1mA；负高压：20kV，电流为0.5mA；转速为50r；

将内层织物和外层织物用水刺的方式结合，洗涤烘干得到成品；水刺参数为：水射流压力为2.0MPa，水流喷射速度为10mm/s，喷嘴直径为5mm，所用的水刺液体为1wt％的抗坏血酸溶液。

实施例2

在实施例1的基础上将共混纤维制备过程中喷头的直径调整为8mm。

实施例3

在实施例1的基础上将共混纤维制备过程中接收距离调整为10mm。

实施例4

在实施例1的基础上将Al₂SiO₅替换成BaTiO₃。

对比例1

在实施例1的基础上，将陶瓷纤维的制备方法替换成静电纺丝，纺丝液从直径为2mm的喷头挤出，通过2.0cm的接收距离，形成陶瓷纤维。

对比例2

在实施例1的基础上，粉碎陶瓷纤维至亚微米级。

对比例3

在实施例1的基础上，将水刺针所用液体改为蒸馏水。

对比例4

在实施例1的基础上，将内层织物和外层织物结合方式调整为针刺，针刺参数为：刺针种类为槽型针，针刺频率为40下/min，植针密度为10/cm²。

结果分析

对上述实施例和对比例所得成品进行检测，其测试结果如表1所示。

表1

结果显示，本发明实施例成品具有更好的强度、高温稳定性、透气性，同时质量轻、耐用性高；当更换制备陶瓷纤维的材料、提高细度、削弱取向后，均会使产品的性能下降；对比例中更换纺丝方法、提高陶瓷纤维颗粒的粒径、更换水刺液体后，各方面性能都存在不同程度的下降。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种双层结构热敏性防火阻燃非织造材料的制备方法，其特征在于，由外层织物和内层织物经水刺法复合加固得到；

所述外层织物由共混纤维纱和中空纤维纱复合形成；所述共混纤维纱由超高分子量聚乙烯纤维与陶瓷纤维颗粒共混纺丝形成共混纤维，再经阻燃整理后纺纱得到；所述中空纤维纱由形状记忆聚氨酯中空纤维经阻燃整理后纺纱得到；

所述内层织物由聚乳酸和氧化碳化的聚丙烯腈共混纺丝得到。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述外层织物和内层织物经水刺法复合前，还包括吸湿性整理的操作。

3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述吸湿性整理为表面粗糙化整理。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述水刺法中，水刺液体为0.8-1.2wt％的抗坏血酸溶液。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述阻燃整理采用浸渍法，阻燃剂为Al(OH)₃溶液。

6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述共混纤维由液喷纺丝法制备得到。

7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述陶瓷纤维颗粒由以下步骤制备得到：

A1、将硅酸铝和/或钛酸钡溶于极性溶剂I，得到纺丝液前驱体；

A2、对所述纺丝液前驱体进行过滤后，以液喷纺丝法纺丝成型，得到陶瓷纤维；

A3、去除所述陶瓷纤维中的残留极性溶剂I，粉碎至粒径＜300μm，得到所述陶瓷纤维颗粒。

8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述形状记忆聚氨酯中空纤维由以下步骤制备得到：

B1、将形状记忆聚氨酯和低熔点聚酯分别溶于极性溶剂II，得到形状记忆聚氨酯纺丝液和低熔点聚酯纺丝液；

B2、以所述形状记忆聚氨酯纺丝液作为皮层纺丝液，所述低熔点聚酯纺丝液作为芯层纺丝液，进行同轴液喷纺丝，得到皮芯纤维；

B3、对所述皮芯纤维进行煅烧去除残余极性溶剂II和芯层，得到所述形状记忆聚氨酯中空纤维。

9.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述内层织物由静电纺丝法制备得到。

10.一种权利要求1-9中任一所述制备方法制得的双层结构热敏性防火阻燃非织造材料。

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