２０１３年第２期 玻璃钢／复合材料 ６５
聚酯纤维的阻燃及力学性能研究
高卫卫 ，曹海建 ，钱坤 ，承永刚
（１．江南大学生态纺织教育部重点实验室，江苏无锡 ２１４１２２； ２．江苏旷达汽车织物集团股份有限公司，江苏常州 ２１３１７９） 摘要：本文以微胶囊红磷为主要阻燃剂，纳米ＳｉＯ２为增韧剂，采用共混熔融法制备阻燃型聚酯纤维样条，并研究阻燃剂 及增韧剂用量对聚酯的阻燃性能和力学性能的影响。结果表明，微胶囊红磷能明显增强聚酯纤维的阻燃性能，纳米ＳｉＯ 的加 入能改善聚酯纤维样条的力学性能；微胶囊红磷含量为５％时，聚酯纤维样条的极限氧指数（ＬＯＩ）值为３３，拉伸强度为 １７．９９ＭＰａ，弯曲强度为２６．７５ＭＰａ，冲击强度为１．９７ｋＪ／ｍ ，材料力学性能下降严重；微胶囊红磷含量为３％、纳米ＳｉＯ：含量为
２％时，聚酯纤维样条的ＬＯＩ值为２９，拉伸强度为３５．５１Ｎ／ｍｍ ，弯曲强度为３１．５４ＭＰａ，冲击强度为２．０３ｋＪ／ｍ ，材料的综合性 能最佳。 关键词：微胶囊红磷；纳米ＳｉＯ ；聚酯；阻燃性能；力学性能；极限氧指数（ＬＯＩ） 中图分类号：ＴＢ３３２；ＴＱ３１４．２４８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００３—０９９９（２０１３）０２—００６５—０４
聚酯是重要的纤维、塑料制品的原料之一，其综
合性能优异，应用广泛。但由于它的可燃性，许多国 家对其在交通、建筑、专业服等领域的应用均有严格
的阻燃要求。用于聚酯阻燃的材料主要包括卤系、
磷系以及新型的阻燃聚酯／无机纳米复合材料¨ Ｊ。
红磷是一种性能优良的无机阻燃剂，具有高效、抑 烟、低毒的阻燃效果，但在实际应用中存在许多弊
端，如易吸潮、易爆炸，放出剧毒的磷化氢（ＰＨ ）气 体，粉尘易爆炸，在大量贮存时会因内部高热而自燃 等。此外红磷对热、摩擦和冲击等相当敏感，作为阻
燃剂在与树脂混炼、模塑等加工过程中存在火灾、爆
炸等隐患，且与树脂的相容性差，不易均匀分散在树 脂材料中，导致材料的物理性能下降 ｌ５ Ｊ。因此，红
磷作为阻燃剂，只有经过表面处理后才有实用价值。
近年来，国内外均采用对红磷进行微胶囊化来消除
上述的性能缺点，并可改善与基材的相容性，减小对 基材的力学性能影响－ｏ 。
目前，阻燃剂的一大发展方向是多功能化，如混 合阻燃剂的使用以使材料阻燃的同时兼具增塑作
用。增塑剂通常采用纳米级微粒，如纳米ＳｉＯ：，为无
定形白色粉末，是一种无毒无味的非金属材料，微结
构为球形，呈絮状和网状的准颗粒结构，表面含有大
量的羟基 。由于其微粒尺寸小，比表面积大，表面 原子数、表面能和表面张力随粒径的减小急剧增大， 表现出小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观 量子隧道效应等特点，从而使纳米粒子具有一些特
殊的性能 。 本文分别采用单一的微胶囊红磷为阻燃剂，以 及采用微胶囊红磷与纳米ＳｉＯ 的混合助剂为阻燃 剂对聚酯进行阻燃和增韧改性，制备阻燃聚酯纤维 样条，并测试其阻燃性能和力学性能。根据实验结 果分析微胶囊红磷的阻燃机理和纳米ＳｉＯ 的增韧 机理，并得出最佳的配比。
１ 实验
１．１原材料 半消光聚酯切片，中国石化仪征化纤股份有限 公司提供；微胶囊红磷（１５００目），广州市银塑阻燃 材料公司提供；纳米ＳｉＯ：，杭州万景新材料有限公司 提供；液体石蜡，温州市大华石油化工贸易有限公司 提供。 ’ １．２仪器 ＫＳ－２０型双螺杆挤出机，苏州科信塑机； ＨＹＦ６００型注塑机，浙江海鹰塑机；ＪＦ．３型氧指数 仪，南京市江宁区分析仪器厂；３３８５Ｈ型万能材料试
验机，美国Ｉｎｓｔｒｏｎ公司。 １．３工艺流程 阻燃聚酯纤维样条的制备工艺流程如图１所示。
收稿日期：２０１２－０８－２２ 本文作者还有徐文新和李雅。 基金项目：江苏省科技支撑计划项目（ＢＥ２０１１０１４） 作者简介：高卫卫（１９８９－），女，硕士研究生，研究方向为纤维的制备及阻燃改性。 通讯作者：曹海建（１９７９－），男，博士，副研究员，研究方向为纺织复合材料，ｃａｏｈａ￣ｉａｎ２００１０＠１６３．ｅｏｍ。
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２ 聚酯纤维的阻燃及力学性能研究
图１ 阻燃聚酯纤维样条的制备工艺 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｆｌａｍｅ ｒｅｔａｒｄａｎｔ ｐｏｌｙｅｓｔｅｒ ｆｉｂｅｒ ｓｐｌｉｎｅｓ
将聚酯切片、微胶囊红磷和纳米ＳｉＯ：分别干燥，
以不同的配比共混（为使阻燃剂粉体均匀粘在聚酯 切片表面，加入１％的液体石蜡），制备混合阻燃剂；
然后将混合阻燃剂与聚酯切片熔融共混，以制备不
同规格的聚酯纤维样条，其中微胶囊红磷与纳米
ＳｉＯ 的配比见表１（考虑到聚酯切片纺丝的用途，阻 燃剂的总量以不超过聚酯切片的７％为宜）。
表１微胶囊红磷和纳米ＳｉＯ 配比 Ｔａｂｌｅ １ Ｔｈｅ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｍｉｃｒｏｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ ｒｅｄ ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ ａｎｄ ｎａｎｏ．ＳｉＯ，
红磷０ ３％ ４％ ５％ ６％ ３％ ３％ ３％ ＳｉＯ２ ０ ０ ０ ０ ０ ２％ ３％ ４％
将混合均匀的聚酯切片通过双螺杆挤出机，适
当调节Ｉ区、Ⅱ区、Ⅲ区、Ⅳ区和Ｖ区的温度（如表２
所示），挤出成条，然后将阻燃聚酯通过注塑机制备 成标准尺寸的样条。 表２不同配比的五区温度 Ｔａｂｌｅ ２ Ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒａｔｉｏ’Ｓ ｆｉｖｅ ａｒｅａｓ
１．４性能测试
（１）阻燃性能
聚酯纤维样条的阻燃性能测试参考ＧＢ ２４０６．８０
（塑料燃烧性能试验方法氧指数法）的标准进行，样 品尺寸为１３０×６×３．５ｍｍ，测试条件要求试件表面
平整光滑，无气泡，每组６个样条。
（２）拉伸性能 聚酯纤维样条的拉伸性能测试参考ＧＢ １０４０－７９
（塑料拉伸试验方法）的标准进行，样品尺寸为２００
×１５×５ｍｍ，测试条件为１０±５ｍｍ／ｍｉｎ的空载速
度，１００±１０ｍｍ／ｍｉｎ的实验速度，每组６个样条。
ｎ，＿Ｐ／ｍ ２Ｄ 胁ｌ２ （３）弯曲性能
聚酯纤维样条的弯曲性能测试参考ＧＢ／Ｔ ９３４１－２００８（塑料弯曲性能的测定）的标准进行，样品
尺寸为８０×１０×４ｍｍ，测试条件为２０±１０ｍｍ／ｍｉｎ 的实验速度，每组６个样条。
（４）冲击性能
聚酯纤维样条的冲击性能测试参考ＨＧ／Ｔ ３８４１－２００６（塑料冲击性能小试样试验方法）的标准
进行，样品尺寸为４０×３×２ｍｍ，测试条件为支撑线
间距离为２０ｍｍ，采用无缺口试样，每组１０个样条。
２结果及讨论
２．１阻燃性能 聚酯纤维样条的阻燃性能如图２所示。由图２ 可知：
（１）仅以微胶囊红磷为阻燃剂制备的聚酯纤维 样条的ＬＯＩ随着微胶囊红磷含量的增加先增大然后
趋缓（如图２中的组１～组５）。微胶囊含量为５％
时ＬＯＩ最大，为３３。这是由于加入微胶囊红磷的聚 酯在燃烧时，红磷经历一系列的变化生成聚偏磷酸，
形成又黏又薄的膜，紧紧包裹在聚合物的表面，隔绝 空气中的氧使之停止燃烧。另外，聚偏磷酸是一种
强酸，它可以按形成的碳正离子模式，对聚合物（尤 其是含氧聚合物）进行脱水成碳，提高阻燃作用¨ 。
（２）以微胶囊红磷和纳米ＳｉＯ：的混合阻燃剂制
备的聚酯纤维样条比仅以微胶囊红磷为阻燃剂制备 的聚酯纤维样条的ＬＯＩ有所下降（如图２中的组６
～组８）。微胶囊红磷含量为３％、纳米ＳｉＯ 含量为
２％时，聚酯纤维样条的ＬＯＩ为２９，阻燃效果不如单
一的微胶囊红磷。这是因为纳米ＳｉＯ：会影响微胶囊
红磷正常发挥阻燃作用。纳米ＳｉＯ，由于热稳定性
好，粒径超细，能覆盖在聚合物表面，从而影响红磷
在燃烧过程中产生的聚偏磷酸发挥阻燃作用。
１ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ 组别
图２氧指数值 Ｆｉｇ．２ Ｏｘｙｇｅｎ ｉｎｄｅｘ ｖａｌｕｅ
如聚酯纤维的阻燃及力学性能研究 ２０１３年３月
４・０ ３・５ ３‘２ ２。５ ｚ－０ 懵１．５ 是１．０ ０．５ ０．０ ｌ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ 组别
图７冲击强度 Ｆｉｇ．７ Ｉｍｐａｃｔ ｓｔｒｅｎｇｔｈ
３结论
（１）微胶囊红磷对聚酯纤维样条有明显的阻燃 作用。随着微胶囊红磷含量的增加，聚酯纤维样条 的阻燃性能先增大然后趋缓，纳米ＳｉＯ 能改善聚酯 纤维样条的力学性能； （２）纯聚酯纤维样条的ＬＯＩ为２５，拉伸强度为 ４６．９３Ｎ／ｍｍ ，弯曲强度为３３．１９ＭＰａ，冲击强度为 ３．７５ｋＪ／ｍ 。单独使用微胶囊红磷，其含量为５％ 时，聚酯纤维样条的ＬＯＩ最高，为３３，拉伸强度为 １７．９９Ｎ／ｍｍ ，弯曲强度为２６．７５ＭＰａ，冲击强度为 １．９７ｋＪ／ｍ ，力学性能下降严重； （３）使用混合阻燃剂，阻燃聚酯纤维具有良好 的阻燃性，且纤维的力学性能下降较少。微胶囊红磷 的含量为３％、纳米ＳｉＯ：的含量为２％时，聚酯纤维样 条的ＬＯＩ为２９，拉伸强度为３５．５１Ｎ／ｍｍ ，弯曲强度为 ３１．５４ＭＰａ，冲击强度为２．０３ｋＪ／ｍ ，其综合性能最佳。 参考文献 ［１］欧育湘．实用阻燃技术［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００２． ４４Ｏ．４４４． ［２］李明禹，张英杰．阻燃聚酯及其短纤维的技术开发［Ｊ］．聚酯工 业，２００７，２０（１）：２３＿２４． ［３］吴全才，樊小辉，陈新．磷系阻燃聚酯性能的研究［Ｊ］．化工技 术与开发，２００７，３６（１）：１４一ｌ６． ［４］舒万根，熊联明，刘又年．微胶囊红磷阻燃剂的研究进展［Ｊ］． 中国塑料，２００２，１６（１）：１２一ｌ３． ［５］林超，陈凤，袁莉等．智能复合材料研究进展［Ｊ］．玻璃钢／复 合材料，２０１２，（３）：７５－７６． ［６］舒均杰，易思红．微胶囊红磷阻燃剂的研究进展［Ｊ］．无机盐工 业，２００９，４１（１）：５－８． ［７］徐国财，张力德．纳米复合材料［Ｍ］．北京：化学工业出版社， ２ｏ０２．４６—１０２． ［８］陈勰，李黎，王明枝等．纳米二氧化硅对阻燃中密度纤维板性 能的影响研究［Ｊ］．材料导报，２０１１，２５（５）：３２－３３． ［９］尤丽虹，惠雪梅．氰酸酯增韧技术研究进展［Ｊ］．玻璃钢／复合 材料，２００９，（２）：８２—８６． ［１０］邱军，王宗明．无机功能材料改性双马来酰亚胺树脂的研究进 展［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１１，（４）：６３－６６． ［１１］葛世成．红磷阻燃剂在塑料中的应用及阻燃配方设计［Ｊ］．塑 料工业，２００６：２２７－２２８． ［１２］陈旭东，毛妮娜，王冠海等．具有笼形结构的倍半硅氧烷纳米 增强剂［Ｊ］．功能材料，２００４，（ｓ１）：２０５１－２０５６． ［１３］羊海棠，杨瑞成，冯辉霞等．纳米二氧化硅粒子增韧聚丙烯的 研究［Ｊ］．甘肃工业大学学报，２００３，２９（２）：３４＿３６． ［１４］赵贵哲，刘亚青．纳米ＳｉＯ２增强增韧聚丙烯（ＰＰ）的研究［Ｊ］． 吉林大学学报，２００５，３５（２）：２０５－２０９． ［１５］赵神程，姚军燕．聚丙烯／纳米二氧化硅复合材料研究进展 ［Ｊ］．中国塑料，２０１０，２４（１１）：ｌ２一ｌ３．
ＲＥＳＥＡＲＣＨ Ｕ ’ ’ＬＡＭＥ－ＲＥＳＩＳＴＡＮＴ ＡＮＤ ＭＥ（：ＨＡ ＩＣＡＬ ＰＲｏＰＥＲＴＩＥＳ ｏＦ ＰｏＬＹＥＳＴＥＲ ＦｍＥＲ ＧＡＯ Ｗｅｉ—ｗｅｉ ，ＣＡＯ Ｈａｉ－ｊｉａｎ ，ＱＩＡＮ Ｋｕｎ ，ＣＨＥＮＧ Ｙｏｎｇ—ｇａｎｇ （１．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｅｃｏ－Ｔｅｘｔｉｌｅ ｏｆ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｊｉａｎｇｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｘｉ ２１４１２２，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｊｉａｎｇｓｕ Ｋｕａｎｇｄａ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ Ｔｅｘｔｉｌｅ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ ２１３１７９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ， ｉｔ ｕｓｅｓ ｍｉｅｒｏｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ ｒｅｄ ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ｔｈｅ ｆｌａｍｅ ｒｅｔａｒｄａｎｔｓ ａｎｄ ｎａｎｏ— ＳｉＯ２ ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ｔｈｅ ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｚｅｒｓ ｔｏ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ ｆｌａｍｅ—ｒｅｔａｒｄａｎｔ ｐｏｌｙｅｓｔｅｒ ｆｉｂｅｒ ｓｐｌｉｎｅｓ ｂｙ ｍｅｌｔ ｂｌｅｎｄｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｆｌａｍｅ ｒｅｔａｒｄａｎｔｓ ａｎｄ ｔｏｕｇｈｅｎｅｒｓ ｔｏ ｔｈｅ ｆｌａｍｅ－ｒｅｓｉｓｔａｎｔ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｐｏｌｙｅｓｔｅｒ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｍｉｃｒｏｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ Ｒｅｄ Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ ｃａｎ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｅｎｈａｎｃｅ ｔｈｅ ｆｌａｍｅ ｒｅｔａｒｄａｎｔ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｐｏｌｙｅｓｔｅｒ ｆｉｂｅｒｓ ｓｐｌｉｎｅｓ，ａｎｄ ｎａｎｏ—ＳｉＯ２ ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｌｙｅｓｔｅｒ ｆｉｂｅｒ ｓｐｌｉｎｅｓ；Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｍｉｃｒｏｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ ｒｅｄ ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ ｗａｓ ５％，ｔｈｅ ｐｏｌｙｅｓｔｅｒ ｆｉｂｅｒ ｓｐｌｉｎｅｓ ｅｘｈｉｂｉｔｅｄ ａ ＬＯＩ ｖａｌｕｅ ｏｆ ３３，ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ １７．９９ＭＰａ，ｆｌｅｘｕｒａｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ２６．７５ＭＰａ，ａｎｄ ｉｍｐａｃｔ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ １．９７ｋＪ／ｍ。，ａｎｄ
ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｄｅｃｌｉｎｅｄ ｓｅｒｉｏｕｓｌｙ．Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｍｉｃｒｏｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ ｒｅｄ ｐｈｏｓｐｈｏｒ・ ｕｓ ｗａｓ ３％ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｎａｎｏ—ＳｉＯ２ ｗａｓ ２％，ｔｈｅ ｐｏｌｙｅｓｔｅｒ ｓｐｌｉｎｅｓ ｅｘｈｉｂｉｔｅｄ ａ ＬＯＩ ｖａｌｕｅ ｏｆ ２９，ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ３５．５１ＭＰａ，ｆｌｅｘｕｒａｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ３１．５４ＭＰａ，ａｎｄ ｉｍｐａｃｔ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ２．０３ｋＪ／ｍ ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ ｒｅｄ ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ；ｎａｎｏ—ＳｉＯ２；ｐｏｌｙｅｓｔｅｒ；ｆｌａｍｅ ｒｅｔａｒｄａｎｔｓ；ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｚｅｒ；ｌｉｍｉｔｉｎｇ ｏｘｙｇｅｎ ｉｎｄｅｘ（ＬＯＩ）
ＦＲＰ／ＧＭ ｌ力刀３－
２