相變儲能阻燃復合織物的研究.pdf

1、隨著戶外運動的發(fā)展和普及，開發(fā)功能性更強的紡織品，增加服用材料的功能性已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)在紡織行業(yè)的發(fā)展方向。本文欲研發(fā)一種新型相變儲能阻燃復合織物，主要針對相變儲能纖維的調(diào)溫功能、對紅外波的干擾、阻燃能力以及其吸濕透氣等特性進行分析考察。設(shè)計并制備固-固相變儲能材料和適用于粘膠纖維的天然大分子阻燃劑，分別通過熔融紡絲和濕法紡絲進一步制得相變儲能熱紅外干擾化纖和阻燃粘膠纖維，利用包芯紗的形式將二者混紡制備具有相變儲能熱紅外干擾效果和良好服用

2、性能的相變儲能阻燃復合織物，對其各種功能的機理進行深入的研究，并探索性研究了該復合織物的回收及再利用行為，具體描述如下。
　　使用二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI）、聚乙二醇（PEG）、1,4丁二醇（BDO）、乙二胺（EDA）、二月桂酸二丁基錫（DBTDL）、三乙胺（TEA）、納米二氧化硅（NS）等為主要原料制備了在聚酯纖維中有良好分散性的聚氨酯相變儲能熱紅外干擾材料（PUIJPCM）。考察了不同分子量的PEG的相變性能，通過曲線擬合

3、，分析了分子量對于PEG相變溫度之間的關(guān)系，同時確定了分子量最為適合的PEG。之后應(yīng)用正交試驗法以及單因素法，以R值、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、NS含量等為影響因素，以PUIJPCM的粒徑分布為評價指標，對制備工藝進行評價，確定了PUIJPCM的最佳制備方案。傅里葉變換紅外光譜（FTIR）測試結(jié)果表明，本實驗成功合成了 PUIJPCM，且 NS的加入對 PUIJPCM的紅外光譜產(chǎn)生了一定的干擾。差示掃描量熱（DSC）測試表明，由于分子鏈中有硬

4、段束縛，PUIJPCM的相變焓和相變溫度較對應(yīng)的PEG均有所降低，但不影響其在PCM領(lǐng)域的應(yīng)用；熱失重測試（TGA）結(jié)果表明PUIJPCM的熱分解溫度較高，適合于大部分化纖的熔融紡絲，且在其相變溫度范圍內(nèi)具有很好的熱穩(wěn)定性；PUIJPCM的相變過程是可逆的，其熱循環(huán)穩(wěn)定性很好；TG-FTIR測試表明PUIJPCM的熱分解產(chǎn)物在300℃之前主要為CO2，300~500 ℃的溫度區(qū)間為小分子烷烴和CO2，而這些小分子可燃性氣體在該溫度下未發(fā)

5、生進一步的氧化分解，直至500 ℃之后后才氧化為CO2。
　　通過雙螺桿擠出機對 PUIJPCM和滌綸（PET）母粒進行共混造粒，成功制備了相變儲能熱紅外干擾滌綸（TRIJPET）母粒。通過傅里葉紅外光譜分析發(fā)現(xiàn)，PUIJPCM與PET之間并未發(fā)生酯交換反應(yīng)。通過DSC和偏光顯微鏡測試，確定了TRIJPET的紡絲工藝。通過熔融紡絲法成功制備了TRIJPET纖維，PUIJPCM的加入并未對纖維的可紡性產(chǎn)生大的影響，切片的成纖性良好，

6、且TRIJPET纖維具有良好的相變儲能熱紅外干擾功能；PUIJPCM的加入略微降低了PET的氧化熱分解溫度，且使得TRIJPET纖維在超過400℃后產(chǎn)生分子鏈的裂解而不是直接氧化，直到562℃時才逐漸由自身裂解轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯友趸?，最終全部氧化為CO2和H2O；PUIJPCM的加入并未提高PET纖維的阻燃性能；PUIJPCM的加入對PET纖維的機械強度產(chǎn)生了一定的影響，降低其單纖強力，略微提高了其斷裂伸長率；TRIJPET纖維與 PET纖維的

7、回潮率以及手感相差不大，依然存在吸濕性能較差的缺點。
　　為了完善所制備的 TRIJPET纖維在阻燃及吸濕性能上的不足，以六氯環(huán)三磷腈（HCCTP）和膠原蛋白（CG）為原料制備大分子磷腈衍生物膠原蛋白交聯(lián)改性磷腈（CGCP），并通過粘膠纖維（VF）的濕法紡絲制備阻燃粘膠纖維（FRVF），以期通過共混紡紗的方式將兩種纖維復合制備相變儲能熱紅外干擾阻燃復合材料。傅里葉紅外光譜分析結(jié)果表明，得到了磷腈與膠原蛋白的交聯(lián)共聚物CGCP，熱分

8、析表明CGCP可以在較低的溫度分解，并隨之生成了可以使得有機物脫水碳化的聚偏磷酸，在對其自身產(chǎn)生碳化反應(yīng)的同時也可以對其他有機物（如纖維素）進行碳化，從而生產(chǎn)碳化層阻止其進一步分解，是一種合格阻燃劑。將CGCP通過紡前共混的方式加入到粘膠纖維的濕法紡絲之中，制備了阻燃粘膠纖維。LOI測試結(jié)果表明當CGCP與甲纖含量的比例達到1:8時所制備的纖維具有良好的阻燃性能，可以稱為FRVF；紅外光譜分析表明CGCP與VF之間發(fā)生大分子纏結(jié)的現(xiàn)象，

9、并沒有其他形式的化學交聯(lián)出現(xiàn)；熱分解研究發(fā)現(xiàn)CGCP的熱分解產(chǎn)物增加了纖維素在第二階段的直接成碳反應(yīng)，生成了碳化層，保護纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而阻止了活性纖維素分解為生物油和小分子可燃性氣體的反應(yīng)，大大提高了VF的熱穩(wěn)定性，使得殘重增加，纖維結(jié)構(gòu)得以保留，而且熱分解所產(chǎn)生的氣體為 CO2和 H2O，不會產(chǎn)生二次傷害，是一種安全阻燃纖維產(chǎn)品；SEM觀察纖維燃燒前后的表面形貌發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)RVF表面更為粗糙，燃燒后則具有明顯的膨脹碳化現(xiàn)象，復合覆蓋層

10、膨脹阻燃機理；單纖強力儀對纖維的強度進行了測試結(jié)果顯示，CGCP的加入使得粘膠纖維的強度略有下降；手感和回潮率測試結(jié)果則表明，CGCP的加入帶來了更好的手感以及更高的回潮率。
　　采用包芯紗的方式將TRIJPET纖維與FRVF纖維進行混紡，制備混紡紗線。該紗線使用TRIJPET纖維長絲為芯，外覆FRVF纖維來彌補TRIJPET纖維在吸濕透氣性和阻燃性上的缺點，制備相變儲能熱紅外干擾阻燃紗線。其中FRVF纖維經(jīng)過開、清、梳、并、粗工

11、序紡成粗紗后，在細紗環(huán)節(jié)加入TRIJPET纖維長絲，共同牽伸加捻，最終制成相變儲能熱紅外干擾阻燃包芯紗。通過調(diào)整TRIJPET的加入量（TRIJPET：FRVF=6:4；5.5:4.5；5:5）制備不同比例的三種包芯紗（BXS-a，BXS-b，BXS-c）。阻燃性能測試發(fā)現(xiàn)，水洗前后BXS-c的LOI值始終保持在27％以上，具有持久耐水洗的阻燃效果；調(diào)溫功能測試發(fā)現(xiàn)，在TRIJPET的相變點附近，隨著溫度的升高BXS-c的升溫速率逐漸降

12、低，隨著溫度的降低BXS-c的降溫速率也在逐漸降低，在測試完成后BXS-c與BXS的溫度差為5℃左右；機械強度測試說明BXS-c是一種具有良好織造性能的紗線；回潮率測試表明，BXS-c的回潮率已經(jīng)逐漸接近棉纖維，其具有較好的服用性能。
　　通過 TGA，DSC，SEM，TG-FTIR等測試手段分析復合紗線相變儲能的性能及其阻燃現(xiàn)象，通過與前文中所述的TRIJPET纖維和FRVF纖維的性能進行比對發(fā)現(xiàn)：紡紗的整個工藝過程不會對TRI

13、JPET纖維的相變儲能能力產(chǎn)生影響，在紗線中起到相變儲能能力的PUIJPCM的性能穩(wěn)定。若想進一步增大相變焓，提高復合紗線的相變儲能熱紅外干擾能力的同時不降低其阻燃性能，可從合成PUPCM的原料出發(fā)，通過增大軟段長度的方式增加相變焓，再通過添加其他添加劑調(diào)整相變溫度，最終得到相變溫度合適，相變焓更高的相變儲能熱紅外干擾阻燃復合紗線；采用包芯紗的紡紗方式，TRIJPET纖維處于BXS-c的內(nèi)部，受熱后TRIJPET從紗線內(nèi)部開始熔融，熔融

14、的TRIJPET根據(jù)導流作用流向溫度較高的紗線外層，迅速被外層的FRVF所產(chǎn)生的聚偏磷酸一同碳化，碳化層的包覆作用使得BXS-c的失重率減慢，殘重增加，并且在BXS-c燃燒產(chǎn)物的表面形成大量不規(guī)則的凸起結(jié)構(gòu)；TRIJPET中所含的NS在熱分解時會被氣流帶入氣氛中，在一定程度上說明了含有大量納米添加劑的化纖、塑料等材料在燃燒會大大加劇空氣中可吸入顆粒物的含量，造成嚴重的空氣污染，因此在研發(fā)一種含有納米顆粒的新材料的同時應(yīng)對其回收處理進行前

15、瞻性研究。
　　使用濃磷酸水解的方法對所制備的復合紗線進行回收及再利用，為解決滌粘混紡織物的污染問題進行探索性研究。分析結(jié)果顯示，固液比為1:10，溫度為80℃，反應(yīng)時間為60min的工藝對混紡紗線進行分離處理最為合適。FTIR測試結(jié)果顯示，濾渣為TRIJPET，沒有粘膠纖維的殘余物出現(xiàn)。碳化產(chǎn)物的 FTIR光譜表明其中含有大量的苯環(huán)結(jié)構(gòu)，這解釋了纖維素在濃磷酸中的水解及碳化主要是纖維素首先水解為葡萄糖、果糖、阿拉伯糖等多種糖類，

16、進一步加熱后聚偏磷酸極強的脫水碳化作用使得小分子糖類相互之間發(fā)生脫水聚合，形成芳香環(huán)結(jié)構(gòu)；SEM照片顯示碳化產(chǎn)物粒徑較為均勻，相互粘結(jié)堆積在一起，整體上形成了較多空洞，這可能在結(jié)構(gòu)上增加其作為活性炭類材料的吸附能力。使用粒徑分析軟件對碳化產(chǎn)物進行粒徑分析，平均粒徑為346.94nm。對純油的吸附能力測試結(jié)果顯示，碳化產(chǎn)物的吸油能力好于棉花和活性炭，但弱于膨脹石墨；水面油污的吸附能力測試結(jié)果顯示碳化產(chǎn)物對于水面機油的吸附能力同樣達到了55