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无卤阻燃聚乙烯醇缩甲醛纤维的制备与表征

来源:独旅网
研究与开发 C合成纤维工业,HINA SYNTHETIC FIB2E0R12 I,3N5D(U1S)T:R3Y1 无卤阻燃聚乙烯醇缩甲醛纤维的制备与表征 付兴伟,王斌,葛卫兵,姜猛进,徐建军 ,叶光斗 (I ̄t)il大学高分子科学与工程学院高分子材料与工程国家重点实验室,四川成都610065) 摘 要:以新戊二醇和三氯硫磷为原料,一步法合成了无卤膨胀型阻燃剂二硫代焦磷酸双新戊二醇酯(BG- DTP);采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、核磁共振氢谱( H—NMR)对BGDTP的结构进行了表征。将BGDTP 添加到聚乙烯醇(PvA)中进行共混纺丝,制备了阻燃聚乙烯醇缩甲醛(PVFM)纤维,并对其力学性能、阻燃 性能和热性能进行了表征。结果表明:一步法合成BGDTP的收率为82%;随着纤维中BGDTP添加量的增 加,PVFM纤维的极限氧指数(LOI)、高温下的最大分解速率温度和残炭量均增大,但其断裂强度略有下降; 当W(BGDTP)为20%时,阻燃PVFM纤维的LOI为30.8%,断裂强度为5.42 cN/dtex,最大热分解温度和残 炭率比纯PVFM纤维均有较大幅度增加,燃烧形成连续致密的膨胀炭层。 关键词:聚乙烯醇缩甲醛纤维阻燃纤维二硫代焦磷酸双新戊二醇酯无卤阻燃 中图分类号:TQ342 .42 文献标识码:A 文章编号:1001.0041(2012)01.0031 04 聚乙烯醇缩甲醛(PVFM)纤维具有耐水、耐 油、耐酸碱和电绝缘等性能,且价格低廉,在服装、 室内装璜和工业上应用广泛。但是PVFM纤维 易燃的缺点限制了在许多重要领域的应用¨-3]。 因此,PVFM纤维的阻燃改性研究日益受到关注。 限公司产;PVA1799:工业级,四川维尼纶厂产; Na:S0 :工业级,四川芒硝厂产。 1.2 BGDTP的合成 在四颈烧瓶中加入一定量的惰性溶剂、三乙 胺和20.8 g(0.2 too1)新戊二醇,然后加人33.9 g 通常,通过加入十溴联苯醚或与氯乙烯共聚来改 善PVFM纤维的阻燃性。但是,卤素阻燃纤维在 (0.2 mo1)PSC1 ,控制反应温度45—75℃,反应 1.5~3 h后,再加人催化剂和蒸馏水,反应5—8 燃烧过程中会产生有毒气体,危害人体健康 ]。 近年来,无卤膨胀型阻燃剂由于阻燃效率高、毒性 低、价格低廉等优点,发展迅速 ]。无卤膨胀型 阻燃剂二硫代焦磷酸双新戊二醇酯(BGDTP)具 有优异的耐水解、耐酸碱性能 卜引,具有广阔的应 h。反应完成后,过滤,水洗,烘干,得白色针状晶 体产物BGDTP,收率82%。 1.3阻燃PVFM纤维的制备 将PVA1799与一定量的蒸馏水加入三颈瓶 中,在95 oC下搅拌溶解,制成 (PVA)为15%一 用前景。但是,BGDTP的传统合成方法是采用两 步法生产,中间体的分离提纯导致流程繁琐,生产 成本偏高。目前,国内还未见BGDTP的工业化报 道。因此,改进其合成方法,降低成本,对推进其 工业化应用具有重要意义。作者采用一步法合成 了BGDTP,将其与聚乙烯醇(PVA)纺丝原液共混 后进行湿法纺丝,制备了阻燃性能良好的PVFM 纤维,研究了阻燃剂的加入对PVFM纤维的力学 性能、热性能和阻燃性能的影响。 l 实验 1.1主要原料及试剂 18%的PVA溶液,再将经过球磨粉碎的BGDTP 按设定的量加人到PVA溶液中,经搅拌混合均匀 作为纺丝原液。采用湿法加硼纺丝工艺-9 制 得初生纤维。初生纤维经拉伸、定型及醛化处理 得到W(BGDTP)为0,5%,10%,15%,20%,25% 的PVFM纤维,试样编号为0 ~5 ,BGDTP为试 样6 。 1.4分析与测试 红外光谱(FTIR)分析:采用美国Nicolet公司 Nicolet Magna IR 560型傅里叶变换红外光谱仪测 试,KBr压片,分辨率2 cm~,扫描波数400一 收稿日期:2011—06.02;修改稿收到日期:2011-11・l8。 新戊二醇、硼酸、NaOH、浓H sO 、质量分数 37%~40%的甲醛水溶液:成都市科龙化工试剂 厂产;三氯硫磷(PSCI,):工业级,江苏新沂农药有 作者简介:付兴伟(1986一),男,硕士研究生,研究方向为 高性能纤维。E—mail:fuxingwei1986@163.con。r 女通讯联系人。E—mail: ̄ujj@SCU.edu.CI1。 32 合成纤维工业 2012年第35卷 4 000 cm~。 核磁共振氢谱分析( H-NMR):采用瑞士 Broker公司AVANCE-600型核磁共振仪测试。 力学性能:采用江苏太仓纺织仪器厂 YG001 A纤维强力仪测试。 燃烧性能:采用南京市江宁区分析仪器厂JF一 3型氧指数仪测试。 热稳定性能:采用美国TA公司Q500型热分 析仪测试。空气氛围,温度40—800℃,升温速率 1O /min。 燃烧残炭形貌:采用荷兰FEI公司Inspect F 场发射扫描电子显微镜观察。 2结果与讨论 2.1 BGDTP的合成及表征 2.1.1 BGDTP的化学结构分析 由图1可看出,2 971 cm 和1 367 Cm 处 为一CH,和一cH 一伸缩振动吸收峰,根据在 1 367 cm 附近有一吸收峰,可知--CH,一和一 \ CH,为对称基团,1 477 cm 处为'c(CH ):的弯 / 曲振动吸收峰,l 051 elll 处为P—O—C的伸缩 振动吸收峰,967 cm 处为P—O~P伸缩振动吸 收峰,679 cm 处为P—s的弯曲振动吸收峰。 图1 BGDTP的FTIR Fig.I FTIR of BGDTP 由图2可知,化学位移(6)0.912和1.323 有两个单峰,是环外一cH 的质子峰,因空间取向 各异而不等价;6为3.910~3.969,4.526~4.543 两组峰对应的是一cH 一的质子峰,因为环外基 团的位阻效应而使亚甲基质子不等价而出现两组 多重峰。四组峰的积分面积比为3:3:2:2。 由以上分析可以得出结论:采用一步法成功合成 了目标产物 卜 “ 。 6 h.6为0~7.5 图2 BGDTP的 H.NMR Fig.2 H—NMR ofBGDTP 2.2 阻燃PVFM纤维的分析与表征 2.2.1 力学性能 从表1可看出,随 (BGDTP)的增加,阻燃 PVFM纤维的断裂强度呈下降趋势,断裂伸长率 变化不大。与纯PVFM纤维相比,当 (BGDTP) 小于等于20%时,纤维的断裂强度下降小于等于 14%;但 (BGDTP)为25%,断裂强度下降高达 35%。故BGDTP的 (BGDTP)不宜超过20%。 表1不同BGDTP含量的阻燃PVIFM纤维的力学性能 Tab.1 Mechanical praoerties of lfame retardant pVFM fiber with di仃erent BGDTP content 2.2.2阻燃性能 从表2可看出,∞(BGDTP)低于20%时,随 W(BGDTP)的增加,阻燃PVFM纤维的LOI提高 显著,从19.8%提高到30.8%,之后增加平缓。 燃烧过程中纤维不产生明显的收缩,且不会熔滴。 第1期 付兴伟等.无卤阻燃聚乙烯醇缩甲醛纤维的制备与表征 33 表2不同BGDTP含量的阻燃PVFM纤维的LOI Tab.2 LOl of lfame retardant PⅦ’M fiber with diferent BGDTP content 试样LOI,% 试样LOI,% 0 19.8 3 28.3 1 23.8 4 30.8 2 25.7 5# 31.1 2.2.3热性能 从图3和表3可见,空气中阻燃PVFM纤维 (0 )的起始分解温度(To ) 为261℃,热分解 分为两个阶段261~443℃和443—580 oC;第一 阶段的最大分解速率温度(rm ,)为321 oC,第二 阶段的最大分解速率温度( 也)为519 ℃¨ 一 。阻燃剂的加入使纤维的 和 有 所降低, 升高,且纤维的残炭量明显增加。 W(BGDTP)为20%时(4 ),纤维的 和 分 别降低10℃和53 oC; 升高25 oC,700℃和 800 oC时的残炭量分别增加17.83%和15.73%。 图3试样的热失重曲线 Fig.3 Thermogravimetric CUITeS of ifber samples 表3试样的热失重数据 Tab.3 Thermogravimetric data of ifber samples BGDPT(6 )的 )低于阻燃PVFM纤维,在 热的作用下先发生分解,分子中较弱的P—s断 裂,并在空气中氧和水蒸气的作用下生成H SO 。 随着温度的进一步升高,阻燃剂的P一0键断裂, 生成磷酸、偏磷酸和聚磷酸¨ l7_。分解生成的酸 与PVFM上的羟基发生酯化反应,进而使其脱水 炭化。同时,生成的水蒸气使炭层剧烈膨胀,覆盖 在纤维表面,降低传热速率,隔热、隔氧,抑制可燃 性物挥发。具体表现为阻燃PVFM纤维(4 )在 第一阶段的失重速率变快, 降低;但 升 高,残炭量明显增加。 2.2.4 PVFM纤维残炭的形貌分析 从图4可见:纯PVFM纤维燃烧后表面炭层 蓬松且存在较多裂缝;内部有很多大的孔洞,也未 观察到明显的膨胀;从图4还可见,添加 彬(BGDTP)20%BGDTP的试样燃烧后形成的炭 层表面连续致密,内部膨胀明显。 一一 a.O 残炭表面 b.O 残炭内部 图4 O 和4 试样残炭表面和内部的SEM Fig.4 SEM images of char residue surface and interior of samples 0 and 4 在燃烧过程中,为了有效地隔绝氧气与阻燃 PVFM纤维分解产生的可燃性挥发物的接触,炭 层的外表面必须足够致密。虽然纯PVFM纤维燃 烧时也能成炭,但炭层内部存在的较大的孑L洞,为 阻燃PVFM纤维分解产生的可燃性挥发物向表面 迁移提供了通道,蓬松的外表面存在较多的裂缝, 不能有效的阻止可燃性挥发物的逸出和氧气向基 体材料的渗透 J。因此,纯PVFM纤维的LOI 较低,只有19.8%。4 试样的炭层具有连续致密 的外表面,且内部剧烈膨胀使形成的炭层快速覆 盖在纤维表面,从而有效地降低传热速率,对可燃 性挥发物和氧气起到良好的阻隔作用。因此,其 LOI达30.8%,800 oC下的残炭量增加15.73%。 3结论 a.FTIR分析和 H.NMR分析说明,采用新戊 二醇和PSC1 一步法成功合成了BGDTP。 b.BGDTP对PVFM纤维具有良好的阻燃效 果,对纤维力学性能影响较小。 (BGDTP)为 合成纤维工业 2012年第35卷 20%时,纤维的LOI达30.8%,断裂强度降低 『7] Koutu B B,Sharma R K.Synthesis of a flame—retardant dope additive dithiopyrophosphate and its effect on viscose rayon fi— 14%,为5.42 cN/dtex,断裂伸长率变化不大。 c.BGDTP可以有效提高纤维燃烧时的成炭 能力。w(BGDTP)为20%时,PVFM纤维 量从0.33%提高到16.06%。 和 ber[J].Indian Fibre TextRes,1996,21:140—142. [8] Wolf R.Flame retardant viscose rayon containing a pyrophos・ phate[J].Ind Eng Chem Prod Res Dev,1981,20(3):413— 420. 有所下降;但 也升高25 oC,800 oC下残炭 d.BGTDP能改善PVFM燃烧形成的炭层结 构。w(BGDTP)为20%时,燃烧时能形成连续致 [9]吴建亭.高强高模聚乙烯醇纤维的生产工艺初探[J].合 成纤维工业,2010,33(5):54—59. [1O]黄平.高强高模聚乙烯醇纤维的研究进展[J].合成纤维工 业,2001,24(5):26—28. 密的膨胀炭层,有效地提高了纤维的阻燃性能。 参考文献 [11]Edmundson R S.Cyclic organophosphoms compounds In.Some sterically hindered pyrophosphates【J].Tetrahedron,1965,21 (9):2379—2387. Wang Delong,Liu Ya,Wang Deyi,et 1.A novela intumescent lame—rfetardant system containing metal chelates for polyvinyl [12]Stec W,Zwierzak A.Cyclic organophospboms componds II. Some sterically hindered cyclic hypophosphate systems and m— alcohol[J].Polym Degrad Stab,2007,92(8):1555—1564. [2] Zhao Chunxia,Liu Ya,Wang Deyi,et a1.Syner ̄stic effect of polyphosphate and layered double hydroxide on lated compounds[J].Can J Chem,1967,45:2513—2520. 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Preparation and characterization of halogen-free lame retfardant polyvinyl formal fibers Fu Xingwei,Wang Bin,Ge Weibing,Jiang Mengjin,Xu Jianjan,Ye Guangdou (State Key Laboratory ofPolymer Materials and Engineering,College of Polymer Science&Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065) Abstract:A kind of intumescent halogen—free lfame retardant,bisneopentyl glycol dithiopyrophosphate(BGDTP),was synthe— sized by one—step method via using neopentyl glycol and thiophosphoryl chloride as raw materials.The structure of BGDTP was characterized by Fourier transform infrared spectrometry(FrIR)and H neclear magnetic resonnance spectrometry( H NMR). A flame retardant polyvinyl fomarl(PVFM)fiber was prepared by blend spinning process using BGDTP as flame retardant and polyvinyl alcohol(PVA)as the ifber matirx.The mechanical properties,flame retardancy and thermal properties of lfame retard— ant PVFM fiber were characterized.The results showed that one.step method yielded 82%BGDTP;the limiting oxygen index (LOI),the temperature corresponding to the maximum degradation rate at high temperatures and char residue were all increased, but the breaking strength of PVFM fiber was slightly decreased as the amount of BGDTP was increased in the fiber;the flame re— tardant PVFM iferb with w(BGDTP)of 20%had the LOI of 30.8%,the breaking strength 5.42 cN/dtex and the maximum deg‘ radation temperature and char residue greatly increased as compared with pure PVFM fiber,and formed a continuous,compact and swelling char layer after burning. Key words:polyviny formal fiber;flme retaardant fiber;bisneopentyl glycol dithiopyrophosphate;halogen’free flme raetardant 

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