微波化学技术在阻燃合成纤维/织物中的应用

Phosphorus and nitrogen containing reactive flame retardant monomers will be synthesized by microwave chemical technology, and then grafted on the surface of both polyester and polyamide fiber/fabric in order to improve the fire performance of synthetic fiber/fabric. The flame retardant surfactant will also be synthesized by microwave chemical technology and then used for the preparation of enhanced flame retardant nanoparticles which include montmorillonite and halloysite. The flame retardant fiber will be prepared by melt spinning at the presence of microwave which is expected to improve the dispersion of nano-particles in the polymer substrate. The chemical structure and properties of the reactive monomers and nanoparticles treated by flame retardant surfactant will be characterized and analyzed. The key factors and conditions which will affect related chemical reactions will be investigated. The fire performance and thermal behavior of both the grafted fiber/fabric and melt-spinning fiber will be characterized and discussed. The effect of the grafting monomers and enhanced flame retardant nanoparticles on the thermal degradation and burning behavior of polyester/polyamide will be investigated. The possible flame retardant mechanism will also be proposed and discussed. It is suggested that this is the first time to use microwave technology to synthesize flame retardants and to enhance the flame retardancy of synthetic fiber/fabric.

本项目将首次使用微波化学技术合成含有磷、氮元素的阻燃单体，并使用微波化学将阻燃单体接枝到合成纤维的表面，制备综合性能优良的耐久阻燃合成纤维织物;同时将使用微波化学技术合成具有阻燃功效的表面处理剂，利用微波技术对无机纳米粒子进行表面处理，制备增强阻燃型无机纳米粒子，包括纳米粘土和埃洛石等；最后将在微波技术的辅助作用下，通过熔融纺丝，制备具有良好分散性含有阻燃增强无机纳米粒子的阻燃合成纤维。将对合成产物进行结构和性能的表征分析，探讨微波合成的影响因素、技术条件和工艺路线,对制备的阻燃接枝样品和熔融纺丝阻燃纤维织物进行燃烧行为和热性能的表征分析，研究微波的存在对无机纳米粒子分散性的影响，分析阻燃接枝单体、阻燃表面处理剂对合成纤维的燃烧性能和降解历程的影响，分析燃烧过程的改变，提出相关的阻燃机理。微波技术在阻燃剂合成和织物阻燃接枝改性、纳米粒子的表面处理、以及熔融纺丝过程等方面的应用未见文献报道。

本项目首次使用微波化学将多种阻燃单体，包括甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）、乙烯基三甲氧基硅烷（VTMS）、丙烯酰胺（AM）和烯丙基硫脲（ATU）等接枝到合成纤维的表面，制备了综合性能优良的耐久阻燃合成纤维织物;同时采用微波化学技术合成具有阻燃功效的表面处理剂，利用微波技术对碳纳米管、水滑石等无机纳米粒子进行表面处理，制备了增强阻燃型无机纳米粒子；最后在微波技术的辅助作用下，通过熔融纺丝，制备了具有良好分散性含有阻燃增强无机纳米粒子的尼龙6合成纤维。.对合成产物进行结构和性能的表征分析，探讨微波引发反应的影响因素、技术条件和工艺路线，确定了引发剂浓度、单体浓度、预引发时间和反应时间等最佳反应条件。对制备的阻燃接枝样品和熔融纺丝阻燃纤维织物进行燃烧行为和热性能的表征分析，发现阻燃单体成功接枝到织物表面后对纤维的热降解过程产生明显影响，可以显著提高织物的阻燃性能，大幅度降低热释放速率、促进成炭量、消除或者明显降低熔融滴落现象。例如接枝AM可以有效的改善尼龙66织物的阻燃性能。当接枝率为24.6%时，其氧指数由20.2提 升到了27.0；当接枝率为23.5%时，损毁长度由17.0cm下降到了11.5 cm。力学性能研究 发现接枝AM可以改善尼龙66织物的力学性能，当接枝率为27.3%时，其断裂强力由503N上 升到617N，断裂伸长率由26.56%上升到45.32%。.研究了微波的存在对无机纳米粒子分散性的影响，分析了阻燃接枝单体、阻燃表面处理剂对合成纤维的燃烧性能和降解历程的影响，分析燃烧过程的改变，提出了相关的阻燃机理。研究表明改性织物表面覆盖有大量接枝单体或者低聚物，当改性织物受热时，接枝链首先分解生成大量惰性小分子气体，这些惰性小分子气体不仅可以稀释织物燃烧层周围的可燃物、氧气浓度 ，还可以形成气体保护层，隔绝氧气与织物接触，阻碍织物分子链的热氧化断链反应进行。