过渡金属氧化物对粘胶纤维热稳定性与燃烧性能的影响

摘要

粘胶纤维是应用最广泛的再生纤维素纤维，原料来源于棉花、麻、树木、植物秸秆等天然纤维素，具有穿着舒适、染色性好、吸湿性好、可生物降解等优点。但是其极限氧指数只有20，遇火极易燃烧，因而有必要对其进行阻燃改性。
　　本文中选择几种过渡金属氧化物，通过湿法纺丝工艺制备出纤维素/过渡金属氧化物纤维。通过电感耦合等离子光谱发生仪、扫描电镜、X射线衍射分析、热重分析仪、极限氧指数仪、锥形量热仪等测试分析方法，对粘胶纤维、纤维素/ZnO纤维、纤维素/ZrO2纤维、纤维素/TiO2纤维这四种纤维材料的热性能、燃烧性能等进行了系统的研究分析。
　　通过电感耦合等离子光谱发生仪(ICP-ES)和X射线衍射分析(XRD)对纤维中的过渡金属离子的含量和化学变化进行了测试，结果表明，Zn2+在纤维制备过程中流失严重，在纤维中转化为ZnSO4·6H2O，在灼烧时锌盐分解为ZnO，最终以ZnO的形式留在剩余残渣里。ZrO2、TiO2化学性质较为稳定，在纤维制备、灼烧等过程中始终不发生变化。
　　通过热重分析仪(TG)对纤维的热降解过程进行了研究，结果表明，添加了过渡金属氧化物的粘胶纤维的热分解残余量增加，都能催化纤维素脱水炭化。纤维素/ZnO纤维热分解温度明显提前，而且生成的碳质残渣稳定性好。通过扫描电镜(SEM)观察得知，纤维素/ZnO纤维灼烧后炭化膨胀，形成较稳定的膨胀炭层。纤维素/TiO2纤维的热分解温度也明显提前，但是生成的碳质残渣易于氧化分解，纤维灼烧后残渣中含有大量的沟壑和裂隙。ZrO2对粘胶纤维的热降解催化作用影响不明显。
　　通过极限氧指数仪(LOI)和锥形量热仪(CONE)对纤维的燃烧性能进行了研究，结果表明，ZnO对粘胶纤维的氧指数提高明显。加入了过渡金属氧化物的纤维燃烧危险性降低，其中ZnO、TiO2抑烟效果显著。另一方面，添加的过渡金属氧化物也使纤维的CO生成量增加，烟气毒性有所提高。