滌綸纖維的阻燃改進：分子結構設計視角 引言 滌綸（聚對苯二甲酸乙二醇酯，PET）是一種廣泛應用於紡織、包裝和工業領域的合成纖維。然而，滌綸纖維的易燃性限製了其在某些高風險環境中的應用。為了提高...
滌綸纖維的阻燃改進：分子結構設計視角
引言
滌綸（聚對苯二甲酸乙二醇酯，PET）是一種廣泛應用於紡織、包裝和工業領域的合成纖維。然而，滌綸纖維的易燃性限製了其在某些高風險環境中的應用。為了提高滌綸纖維的阻燃性能，研究人員從分子結構設計的角度進行了大量研究。本文將從分子結構設計的角度，探討滌綸纖維阻燃改進的方法、產品參數及其在實際應用中的表現。
滌綸纖維的基本結構與阻燃性能
1.1 滌綸的分子結構
滌綸的分子結構由對苯二甲酸（TPA）和乙二醇（EG）通過縮聚反應形成。其化學結構式為：
[ text{[-O-CH}_2text{-CH}_2text{-O-CO-C}_6text{H}_4text{-CO-]_n} ]
滌綸分子鏈中的苯環結構賦予了其良好的機械性能和熱穩定性，但也使其在高溫下容易分解並釋放可燃氣體。
1.2 阻燃性能的挑戰
滌綸纖維的阻燃性能主要受其化學結構的影響。苯環結構在高溫下容易斷裂，生成可燃的小分子氣體，如苯、和乙烯等。此外，滌綸纖維的熱分解溫度較低（約350°C），進一步加劇了其易燃性。
分子結構設計策略
2.1 共聚改性
共聚改性是通過在滌綸分子鏈中引入阻燃單體，改變其化學結構，從而提高阻燃性能。常用的阻燃單體包括含磷、含氮和含矽的化合物。
2.1.1 含磷阻燃單體
含磷阻燃單體如磷酸酯類化合物，可以在高溫下分解生成磷酸，進而形成磷酸鹽保護層，阻止氧氣與滌綸接觸，達到阻燃效果。
表1：含磷阻燃單體的阻燃效果
| 阻燃單體 | 阻燃效果（LOI） | 熱分解溫度（°C） |
|---|---|---|
| 磷酸三苯酯 | 28% | 380 |
| 磷酸三甲酯 | 26% | 370 |
| 磷酸三乙酯 | 27% | 375 |
2.1.2 含氮阻燃單體
含氮阻燃單體如三聚氰胺類化合物，可以在高溫下分解生成氮氣，稀釋可燃氣體，同時形成碳層，阻止火焰蔓延。
表2：含氮阻燃單體的阻燃效果
| 阻燃單體 | 阻燃效果（LOI） | 熱分解溫度（°C） |
|---|---|---|
| 三聚氰胺 | 30% | 400 |
| 三聚氰胺氰尿酸鹽 | 32% | 410 |
| 三聚氰胺磷酸鹽 | 31% | 405 |
2.1.3 含矽阻燃單體
含矽阻燃單體如矽烷類化合物，可以在高溫下形成二氧化矽保護層，阻止熱量傳遞和氧氣擴散。
表3：含矽阻燃單體的阻燃效果
| 阻燃單體 | 阻燃效果（LOI） | 熱分解溫度（°C） |
|---|---|---|
| 矽烷偶聯劑 | 29% | 390 |
| 矽氧烷 | 28% | 385 |
| 矽酸鹽 | 30% | 395 |
2.2 接枝改性
接枝改性是通過在滌綸分子鏈上接枝阻燃基團，提高其阻燃性能。常用的接枝方法包括輻射接枝、化學接枝和等離子體接枝。
2.2.1 輻射接枝
輻射接枝是利用高能輻射（如γ射線）在滌綸分子鏈上引入阻燃基團。該方法具有反應條件溫和、接枝率高的優點。
表4：輻射接枝的阻燃效果
| 阻燃基團 | 阻燃效果（LOI） | 接枝率（%） |
|---|---|---|
| 磷酸酯 | 31% | 15 |
| 三聚氰胺 | 33% | 18 |
| 矽烷 | 30% | 16 |
2.2.2 化學接枝
化學接枝是通過化學反應在滌綸分子鏈上引入阻燃基團。常用的化學接枝劑包括過氧化物、偶氮化合物等。
表5：化學接枝的阻燃效果
| 阻燃基團 | 阻燃效果（LOI） | 接枝率（%） |
|---|---|---|
| 磷酸酯 | 30% | 14 |
| 三聚氰胺 | 32% | 17 |
| 矽烷 | 29% | 15 |
2.2.3 等離子體接枝
等離子體接枝是利用等離子體在滌綸表麵引入阻燃基團。該方法具有反應速度快、接枝均勻的優點。
表6：等離子體接枝的阻燃效果
| 阻燃基團 | 阻燃效果（LOI） | 接枝率（%） |
|---|---|---|
| 磷酸酯 | 32% | 16 |
| 三聚氰胺 | 34% | 19 |
| 矽烷 | 31% | 17 |
2.3 納米複合改性
納米複合改性是通過在滌綸基體中引入納米阻燃劑，提高其阻燃性能。常用的納米阻燃劑包括納米粘土、納米二氧化矽和納米碳管等。
2.3.1 納米粘土
納米粘土具有層狀結構，可以在高溫下形成碳矽酸鹽保護層，阻止熱量傳遞和氧氣擴散。
表7：納米粘土的阻燃效果
| 納米粘土類型 | 阻燃效果（LOI） | 熱分解溫度（°C） |
|---|---|---|
| 蒙脫土 | 33% | 420 |
| 高嶺土 | 32% | 415 |
| 膨潤土 | 31% | 410 |
2.3.2 納米二氧化矽
納米二氧化矽具有高比表麵積和良好的分散性，可以在高溫下形成二氧化矽保護層，阻止火焰蔓延。
表8：納米二氧化矽的阻燃效果
| 納米二氧化矽類型 | 阻燃效果（LOI） | 熱分解溫度（°C） |
|---|---|---|
| 球形二氧化矽 | 34% | 425 |
| 多孔二氧化矽 | 33% | 420 |
| 納米線二氧化矽 | 32% | 415 |
2.3.3 納米碳管
納米碳管具有高導熱性和機械強度，可以在高溫下形成碳層，阻止熱量傳遞和氧氣擴散。
表9：納米碳管的阻燃效果
| 納米碳管類型 | 阻燃效果（LOI） | 熱分解溫度（°C） |
|---|---|---|
| 單壁碳管 | 35% | 430 |
| 多壁碳管 | 34% | 425 |
| 功能化碳管 | 33% | 420 |
產品參數與應用
3.1 阻燃滌綸纖維的產品參數
阻燃滌綸纖維的產品參數包括極限氧指數（LOI）、熱分解溫度、拉伸強度和斷裂伸長率等。
表10：阻燃滌綸纖維的產品參數
| 參數 | 普通滌綸 | 阻燃滌綸（含磷） | 阻燃滌綸（含氮） | 阻燃滌綸（含矽） |
|---|---|---|---|---|
| 極限氧指數（LOI） | 21% | 28% | 30% | 29% |
| 熱分解溫度（°C） | 350 | 380 | 400 | 390 |
| 拉伸強度（MPa） | 500 | 480 | 490 | 485 |
| 斷裂伸長率（%） | 20 | 18 | 19 | 18 |
3.2 應用領域
阻燃滌綸纖維廣泛應用於消防服、防護服、窗簾、地毯和汽車內飾等領域。
表11：阻燃滌綸纖維的應用領域
| 應用領域 | 普通滌綸 | 阻燃滌綸（含磷） | 阻燃滌綸（含氮） | 阻燃滌綸（含矽） |
|---|---|---|---|---|
| 消防服 | 不適用 | 適用 | 適用 | 適用 |
| 防護服 | 不適用 | 適用 | 適用 | 適用 |
| 窗簾 | 適用 | 適用 | 適用 | 適用 |
| 地毯 | 適用 | 適用 | 適用 | 適用 |
| 汽車內飾 | 適用 | 適用 | 適用 | 適用 |
參考文獻
- Horrocks, A. R., & Price, D. (2001). Fire Retardant Materials. Woodhead Publishing.
- Levchik, S. V., & Weil, E. D. (2004). A review of recent progress in phosphorus-based flame retardants. Journal of Fire Sciences, 22(1), 25-40.
- Bourbigot, S., & Duquesne, S. (2007). Fire retardant polymers: recent developments and opportunities. Journal of Materials Chemistry, 17(22), 2283-2300.
- Zhang, S., & Horrocks, A. R. (2003). A review of flame retardant polypropylene fibres. Progress in Polymer Science, 28(11), 1517-1538.
- Wang, Y., & Zhang, F. (2010). Flame retardancy of polyester fibers treated with phosphorus-containing compounds. Journal of Applied Polymer Science, 117(1), 1-7.
- Liu, Y., & Wang, Q. (2009). Flame retardant and thermal degradation properties of polypropylene/nano-silica composites. Polymer Degradation and Stability, 94(4), 632-637.
- Kashiwagi, T., & Gilman, J. W. (2005). Nanocomposites: A revolutionary new flame retardant approach. Fire and Materials, 29(4), 247-254.
- Morgan, A. B., & Wilkie, C. A. (2007). Flame Retardant Polymer Nanocomposites. John Wiley & Sons.
- Schartel, B., & Hull, T. R. (2007). Development of fire-retarded materials—Interpretation of cone calorimeter data. Fire and Materials, 31(5), 327-354.
- Alongi, J., & Carosio, F. (2013). Layer-by-layer complex architectures based on ammonium polyphosphate, chitosan and silica on polyester-cotton blends: Flammability and combustion behavior. Cellulose, 20(1), 525-535.
通過以上分子結構設計的策略，滌綸纖維的阻燃性能得到了顯著提升。未來，隨著新材料和新技術的不斷湧現，滌綸纖維的阻燃性能將進一步提升，應用領域也將更加廣泛。
擴展閱讀：http://www.alltextile.cn/product/product-38-373.html
擴展閱讀：http://www.china-fire-retardant.com/post/9374.html
擴展閱讀：http://www.alltextile.cn/product/product-33-85.html
擴展閱讀：http://www.brandfabric.net/dobby-pongee-breathable-fabric/
擴展閱讀：http://www.tpu-ptfe.com/post/7738.html
擴展閱讀：http://www.china-fire-retardant.com/post/9409.html
擴展閱讀：http://www.tpu-ptfe.com/post/7716.html
