CN102286799A - 一种阻燃粘胶纤维及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阻燃粘胶纤维及其制备方法，所述阻燃粘胶纤维中含有硅、铝复合阻燃剂，所述阻燃纤维的制备方法是以纤维素浆粕为原料，包括黄化、溶解、脱泡和过滤步骤制得纺丝原液，将纺丝原液在凝固浴中纺丝成型，再经水洗、脱硫的后处理步骤，在所述溶解至纺丝前的任一工序的纤维素粘胶溶液中，加入适量的偏硅酸钠和偏铝酸钠溶液，并混合均匀。本发明使用硅、铝复合阻燃剂，制备的阻燃粘胶纤维不仅阻燃效果大大提高，而且阻燃粘胶的耐高温性能、耐碱性能都大大提高，可在高温环境下，如高温滤材、滤料等领域推广应用。

Description

一种阻燃粘胶纤维及其制备方法

技术领域

本发明涉及阻燃粘胶纤维，尤其涉及一种以硅、铝作为复合阻燃剂的阻燃粘胶纤维及其制备方法。

背景技术

随着人民生活水平的提高和以人为本的安防意识的增强，纤维制品的阻燃性能越来越受到人们的关注。已经有很多国家和地区制定产品标准，规定交通工具、公共场所、老人、儿童等使用的某些纤维制品必须具备阻燃性能。随着阻燃纤维技术的发展，进一步要求阻燃纤维在绿色环保、耐温、利于纺织加工、舒适性等方面有更好的性能，以满足社会发展的需要。

目前国内外再生纤维素纤维的阻燃改性主要使用磷酸酯类有机阻燃剂和硅酸盐类无机阻燃剂，已经工业化生产的阻燃再生纤维素纤维的代表产品，一是奥地利lenzing公司的Viscosa FR阻燃粘胶纤维,国内吉林化纤、唐山三友等公司也有小批量生产，均是在纺前原液中加入含磷、氮、硫阻燃元素的磷酸类阻燃剂；该阻燃剂主要是焦磷酸酯类有机化合物，阻燃元素是磷和硫，是一种有效的用于粘胶纤维的添加共混型阻燃剂，其阻燃粘胶纤维的极限氧指数大于27，并有良好的可纺性。二是芬兰的凯米拉公司（Kemira）生产的Visil系列复合阻燃粘胶纤维，主要是含聚硅酸的Visil纤维，国内山东海龙也有开发， Visil阻燃粘胶纤维具有较高的耐高温和阻燃效果，同时在燃烧时又不会产生有毒气体，只产生少量的烟雾、CO和CO₂气体。

但上述两种阻燃再生纤维素纤维的缺点是，前者在纤维燃烧时放出大量有毒浓烟，环保效果差，且易使人窒息，而且阻燃剂成本很高，产品主要用于军队、消防等特种领域，在民用领域推广应用难度大，其发展前景并不乐观；后者存在主要问题是纺织加工困难，耐碱性能差，主要用于产业用纺织品，在纺织领域应用困难，同时其耐高温处理能力也较差，难以在高温下，如高温滤材、滤料等领域推广应用，存在较大的局限性。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是：针对现有技术存在的不足，提供一种阻燃效果好、且耐高温、耐碱性能好的阻燃粘胶纤维。

本发明所要解决的第二个技术问题是：针对现有技术存在的不足，提供一种阻燃效果好、且耐高温、耐碱性能好的阻燃粘胶纤维的制备方法。

为解决上述第一个技术问题，本发明的技术方案是：

一种阻燃粘胶纤维，所述阻燃粘胶纤维中含有硅、铝复合阻燃剂。

优选的，所述阻燃粘胶纤维主要由硅、铝和纤维素按下述重量份组成：

硅（以SiO₂计）      20～40份

铝（以Al₂O₃计）     0.5～10份

纤维素               50～65份。

为解决上述第二个技术问题，本发明的技术方案是：

以纤维素浆粕为原料，包括黄化、溶解、脱泡和过滤步骤制得纺丝原液，将纺丝原液在凝固浴中纺丝成型，再经水洗、脱硫的后处理步骤，在所述溶解至纺丝前的任一工序的纤维素粘胶溶液中，加入适量的偏硅酸钠和偏铝酸钠溶液，并混合均匀。

作为一种优选，以SiO₂计，偏硅酸钠的加入量为粘胶中甲纤重量的40～60wt%；以Al₂O₃计，偏铝酸钠的加入量为粘胶中甲纤重量的0.8～15wt%。

所述凝固浴的组成为硫酸100～150g/L,硫酸锌5～50g/L，硫酸钠250～350g/L，酸浴温度为30～60℃。

作为一种改进，所述脱硫时的脱硫剂为亚硫酸钠。

作为一种优选，所述偏硅酸钠的模数为1～4.5，硅酸钠的模数可分为高、中、低三种，根据不同的混合工艺可做不同选择。

纤维素粘胶的常规制备工艺，作为本领域技术人员是公知的技术问题，以纤维素浆粕为原材料，经过浸渍、压榨、粉碎、老成、黄化、溶解、过滤、熟成、脱泡、纺丝、塑化牵伸、切断、包括水洗、脱硫、上油等的精炼、烘干等步骤制备。其中，在纤维素粘胶制备过程中，粘胶的组成可以控制为α-纤维素含量7～10%，碱含量（以NaOH计）4～7%，粘胶粘度可以控制为30～80s(落球法)。

本发明中，偏硅酸钠、偏铝酸钠溶液加入到纤维素粘胶中可以在溶解至纺丝前的任一工序实施，例如：一是在纤维素粘胶黄化结束后与溶解水一同加入，偏硅酸钠、偏铝酸钠溶液与粘胶混合均匀后，经过滤、脱泡、熟成等工序，进入纺丝。二是在粘胶纺丝前经注射泵注入，通过静态、动态或动静态混合的方式，达到与粘胶混合均匀的目的，与粘胶混合后，立即进入纺丝工序。此外，也可以在纤维素粘胶制备过程中的其他环节，如ⅡF过滤后加入。

由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明采用偏硅酸钠和偏铝酸钠作为阻燃剂，由于偏硅酸钠、偏铝酸钠的水溶液均呈碱性，与碱性的纤维素粘胶相同，故三者有较好的相容性，偏硅酸钠、偏铝酸钠与纤维素粘胶三者的混合溶液，进入含硫酸、硫酸锌、硫酸钠的凝固浴后，偏硅酸钠在硫酸的作用下，聚合成一定聚合度的聚硅酸，偏铝酸钠与硫酸作用，迅速生成氢氧化铝，氢氧化铝是一种具有环境安全性和使用安全性的无毒、无公害的无机阻燃剂，是使用量最大的一种无机阻燃剂，在国外被誉称为无公害阻燃剂，在塑料、橡胶阻燃领域应用十分广泛，其阻燃机理是氢氧化铝阻燃剂中含有可生成水的氢氧根，氢氧化铝分解温度为200℃ ，它在从245～300℃范围内已基本上完成了脱水反应，释放出结晶水，吸收潜热，降低温度，受热分解放出大量的水蒸气，是强吸热反应，起到冷却聚合物的作用，反应产生的水蒸气可以稀释聚合可燃气体，抑制燃烧蔓延，新生成的氧化铝还具有较高的活性，能吸附烟尘颗粒，起到抑烟作用，而且氢氧化铝脱水后在可燃物表面生成耐火性能很好的均匀分布的金属氧化物，可与其它炭化物一起形成一道致密阻燃屏障，隔绝空气，降低燃烧速率，从而降低了分解产物的质量损失速率，防止火焰蔓延。因此，本发明经硅、铝的复合作用，阻燃粘胶纤维的阻燃效果大大提高，阻燃粘胶纤维的高温灼烧残渣量比单独使用聚硅酸时显著提高，下表为本发明制备的阻燃粘胶纤维在800℃、聚硅酸的加入量为甲纤的50wt%时的灼烧残渣含量：

铝对甲纤的加入量（以Al2O3计）	纤度（dtex）	灰份（wt%）
			0（对甲纤wt%）	3.44	29.47
2.3（对甲纤wt%）	3.24	33.26
			4.6（对甲纤wt%）	3.17	32.09
6.9（对甲纤wt%）	3.10	31.31

从上表可以看出，仅加入少量的铝盐，阻燃粘胶纤维的灼烧残渣便有明显提高，而且在其他燃烧温度以及聚硅酸加入量的情况下所做的实验均呈现相同的规律。

2、本发明采用硅、铝复合阻燃剂，制得的阻燃纤维的耐高温性能显著提高。这是由于一方面铝盐和硅酸钠与纤维素粘胶的混合溶液在凝固浴中，会发生化学键合作用，铝离子进入聚硅酸的网络结构与聚硅酸发生化学键合作用，水铝石消失，而形成聚铝硅酸盐，聚铝硅酸盐的耐高温性远高于聚硅酸，另一方面聚铝硅酸盐及硅、铝以网状分布结构生成于纤维素大分子中，以分子键牢固结合，提高了阻燃纤维的耐高温性能，能够显著抑制纤维素在340℃附近分解成为气体而导致的易燃现象发生，其阻燃机理主要为形成碳层阻碍氧气与纤维素基体的接触从而达到阻止燃烧的目的。本发明制备的阻燃粘胶纤维在燃烧时，纤维只碳素化，不熔融，即使在800℃高温中进行3h以上的连续焚烧，阻燃剂在纤维中的网状结构依旧不变。

3、本发明中使用的阻燃剂偏硅酸钠、铝酸钠和纤维素粘胶都是碱性胶体，故三者有较好的相容性，胶体体系的稳定保证了阻燃粘胶纤维制备过程中纺丝液的过滤和纺丝性能，使阻燃粘胶纤维生产过程稳定，工艺容易控制；且纤维素粘胶在凝固浴中成型成为纤维素大分子链状结构的同时，硅、铝以网状分布结构生成于纤维素大分子中，以分子键牢固结合，提高了纤维的耐碱性，有助于阻燃粘胶纤维的纺纱、织造和加工过程的工艺稳定。

4、本发明在后处理步骤的脱硫工序中采用亚硫酸钠作为脱硫剂，防止了常规粘胶纤维生产中采用氢氧化钠脱硫对聚硅酸、氢氧化铝阻燃成分的破坏，保证了阻燃效果。

5、本发明以天然纤维素为主要原材料，原材料可再生，废弃物可自然降解，且采用的阻燃剂硅、铝都是无公害阻燃剂，对环境不产生污染，因而本发明的阻燃粘胶纤维是一种绿色环保纤维。

具体实施方式

下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例 1   2.22dtex×51mm阻燃粘胶纤维 

以棉浆粕为原材料，经过浸渍、压榨、粉碎、老成等工艺步骤制得5kg碱纤维素，碱纤维素中含碱16.5%，α-纤维素30.5%，将偏硅酸钠（Na₂SiO₃·5H₂O）3.0kg和偏铝酸钠（NaAlO₂）0.05kg加入到12L软水中充分溶解，并加入到碱纤维素黄化后的纤维素磺酸钠中，与纤维素磺酸钠混合溶解为阻燃纤维素粘胶，经过滤、熟成、脱泡、过滤步骤后在凝固浴中进行纺丝，凝固浴中硫酸浓度为105g/L,硫酸锌浓度为30g/L，硫酸钠浓度为280g/L，温度为45℃，再经塑化牵伸、切断、水洗、使用亚硫酸钠脱硫剂脱硫、上油、烘干制备出2.22dtex×51mm阻燃粘胶纤维。

实施例 2   1.67dtex×38mm阻燃粘胶纤维 

以木浆粕为原材料，经过浸渍、压榨、粉碎、老成等工艺步骤制得5kg碱纤维素，碱纤维素中含碱16.5%，α-纤维素30.3%，将偏硅酸钠（Na₂SiO₃·9H₂O）3.3kg和偏铝酸钠（NaAlO₂）0.10kg加入到12L软水中充分溶解，并加入到碱纤维素黄化后的纤维素磺酸钠中，与纤维素磺酸钠混合溶解为阻燃纤维素粘胶，经过滤、熟成、脱泡、过滤步骤后在凝固浴中进行纺丝，凝固浴中硫酸浓度为145g/L,硫酸锌浓度为50g/L，硫酸钠浓度为350g/L，温度为58℃，再经塑化牵伸、切断、水洗、使用亚硫酸钠脱硫剂脱硫、上油、烘干制备出1.67dtex×38mm阻燃粘胶纤维。

实施例 3   3.33dtex×60mm阻燃粘胶纤维 

以棉浆粕为原材料，经过浸渍、压榨、粉碎、老成、黄花、溶解、过滤、熟成、脱泡等步骤制得30L纤维素粘胶，纤维素粘胶中含碱4.5%，α-纤维素9.1%，将模数为2的偏硅酸钠（Na₂SiO₃·5H₂O）5.0kg和偏铝酸钠（NaAlO₂）0.30kg加入到2.7L软水中充分溶解，用注射泵加入到纺丝前的粘胶管道中的纤维素粘胶中，然后通过静态和动态混合器使纤维素粘胶与阻燃剂混合均匀制得阻燃纤维素粘胶，在凝固浴中进行纺丝，凝固浴中硫酸浓度为115g/L,硫酸锌浓度为40g/L，硫酸钠浓度为300g/L，温度为54℃，再经塑化牵伸、切断、水洗、使用亚硫酸钠脱硫剂脱硫、上油、烘干制备出3.33dtex×60mm阻燃粘胶纤维。

实施例 4   3.33dtex×60mm阻燃粘胶纤维 

以30%棉浆粕和70%木浆粕为原材料，经过浸渍、压榨、粉碎、老成、黄花、溶解、过滤、熟成、脱泡等步骤制得30L纤维素粘胶，纤维素粘胶中含碱4.7%，α-纤维素9.5%，将模数为3.5的偏硅酸钠（Na₂SiO₃·5H₂O）4.5kg和偏铝酸钠（NaAlO₂）0.35kg加入到3.0L软水中充分溶解，用注射泵加入到纺丝前的粘胶管道中的纤维素粘胶中，然后通过静态和动态混合器使纤维素粘胶与阻燃剂混合均匀制得阻燃纤维素粘胶，在凝固浴中进行纺丝，凝固浴中硫酸浓度为125g/L,硫酸锌浓度为45g/L，硫酸钠浓度为320g/L，温度为51℃，再经塑化牵伸、切断、水洗、使用亚硫酸钠脱硫剂脱硫、上油、烘干制备出3.33dtex×60mm阻燃粘胶纤维。

Claims (7)

1. 一种阻燃粘胶纤维，其特征在于：所述阻燃粘胶纤维中含有硅、铝复合阻燃剂。

2. 如权利要求1所述的阻燃粘胶纤维，其特征在于：所述阻燃粘胶纤维主要由硅、铝和纤维素按下述重量份组成：

硅（以SiO₂计）      20～40份

铝（以Al₂O₃计）     0.5～10份

纤维素               50～65份。

3. 制备如权利要求1所述的阻燃粘胶纤维的方法，以纤维素浆粕为原料，包括黄化、溶解、脱泡和过滤步骤制得纺丝原液，将纺丝原液在凝固浴中纺丝成型，再经水洗、脱硫的后处理步骤，其特征在于：在所述溶解至纺丝前的任一工序的纤维素粘胶溶液中，加入适量的偏硅酸钠和偏铝酸钠溶液，并混合均匀。

4. 如权利要求3所述的阻燃粘胶纤维的制备方法，其特征在于：以SiO₂计，偏硅酸钠的加入量为粘胶中甲纤重量的40～60wt%；以Al₂O₃计，偏铝酸钠的加入量为粘胶中甲纤重量的0.8～15wt%。

5. 如权利要求4所述的阻燃粘胶纤维的制备方法，其特征在于：所述凝固浴的组成为硫酸100～150g/L,硫酸锌5～50g/L，硫酸钠250～350g/L，酸浴温度为30～60℃。

6. 如权利要求3、4或5所述的阻燃粘胶纤维的制备方法，其特征在于：所述脱硫时的脱硫剂为亚硫酸钠。

7. 如权利要求6所述的阻燃粘胶纤维的制备方法，其特征在于：所述偏硅酸钠的模数为1～4.5。