壳聚糖纤维的热稳定性和燃烧性能

闫红芹， 凤 权， 彭 祥， 谢 飞

(安徽工程大学 安徽省高等学校纺织面料重点实验室， 安徽 芜湖 241000)



壳聚糖纤维的热稳定性和燃烧性能

闫红芹， 凤 权， 彭 祥， 谢 飞

(安徽工程大学 安徽省高等学校纺织面料重点实验室， 安徽 芜湖 241000)

为了解壳聚糖纤维的热稳定性和燃烧性能，采用热重(TG)法测试了纤维的热学特征，对纤维耐热性能和极限氧指数进行了测试，用红外光谱法分析了受热后纤维结构的变化。结果表明：壳聚糖纤维的TG曲线有3个失重台阶，在270 ℃左右开始热分解，900 ℃分解完全，残炭量为8.6%；纤维热稳定性好，耐湿热性优于耐干热性，随干热和湿热处理温度和时间的增加，纤维性能呈下降趋势，断裂伸长率下降幅度大于断裂强力；壳聚糖纤维极限氧指数为38%，燃烧特征属于难燃纤维。

壳聚糖纤维； 热稳定性； 燃烧性能； 极限氧指数

壳聚糖纤维是以壳聚糖为原料通过湿法纺丝制备而成的纤维，其规格多样，可供各类纺纱系统选用，用于生产各种功能性纺织品。原料来源充足，具有优异的特性，在纺织、生物医学领域应用前景广阔[1-3]。

纺织品在染整加工及使用中会处于不同的温度，其纤维结构和性能会在热作用下发生变化，因此，本文采用热重法研究壳聚糖纤维的热学性能，探讨不同干热和湿热处理条件对纤维力学性能的影响，以期为壳聚糖纤维生产加工及制品的使用温度范围提供理论参考。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

壳聚糖纤维，由山东华兴海慈新材料有限公司提供，规格为1.2 dtex×38 mm，脱乙酰度为96%。

LY-06B型电子单纤维强力测试仪、DHG-9053型电热恒温鼓风烘箱、HH-6数显恒温水浴锅、电子天平(0.001 g)，日本岛津DTG-60H微机差热天平、日本岛津IRPrestige-21傅里叶变换红外光谱仪、YG(B)-832型自动氧指数仪。

1.2 实验方法

1.2.1 热失重测试

采用微机差热天平对纤维进行热失重(TG)测试，氮气保护，氮气流速为50 mL/min，升温速率为10 ℃/min，升温范围为常温至900 ℃。

1.2.2 热处理实验

用烘箱在无张力状态下对纤维进行干热处理，处理温度为100、120、150、180、200 ℃，处理时间分别为5、10、30、60 min；用水浴锅对纤维在无张力状态下进行湿热处理，处理温度为50、60、80、100 ℃，处理时间同干热。各试样处理前后均在温度为(20±2) ℃、相对湿度为(65±5)%的环境下平衡24 h，供测试用。

在规定条件下称量处理前后试样的质量，计算纤维的质量损失率w。

式中m和m0分别为处理前后壳聚糖纤维的质量。

1.2.3 纤维力学性能测试

纤维夹持距离为10 mm，拉伸速度为10 mm/min，预加张力为150 mg，测试样本50个。计算断裂强力损失率p和断裂伸长损失率e。

式中，f、ε和0、ε0分别为处理前后壳聚糖纤维的断裂强力和断裂伸长率。

1.2.4 傅里叶红外光谱测定

将纤维剪成粉末后用KBr压片法制样，采用傅里叶变换红外光谱仪进行测试。测试范围为4 000～400 cm-1。

1.2.5 燃烧性能测试

按照GB/T 5454—1997《纺织品 燃烧性能试验 握拳指数法》，采用自动氧指数测定仪测试阻燃性能。

2 结果与分析

2.1 壳聚糖纤维的热重分析

壳聚糖纤维的热失重曲线如图1所示。

图1 壳聚糖纤维的TG曲线Fig.1 TG curve of chitosan fiber

由图可知，壳聚糖纤维有3个失重阶段，初始质量为6.941 mg，开始分解温度约为270 ℃。第1个失重阶段不明显，发生在63 ℃附近，主要为纤维内部结合水的散失，质量损失率为12.77%，这与纤维良好的吸湿性有关。随着温度升高到100 ℃，失重曲线逐渐平缓，一直延续到200 ℃左右，此阶段主要为结晶水、小分子助剂的散失和部分糖苷键的断裂。第2个失重阶段发生在270～310 ℃，失重台阶显著，此时质量损失率为63.7%，失重原因为壳聚糖分子链的热氧分解，糖苷键进一步断裂，有中间产物生成，相邻羟基脱水并进一步碳化，此时纤维分子质量降低，链长变短，结晶区发生变化使得结晶度降低，因此体系质量下降较大[4]，此阶段一直延续到560 ℃。第3个失重阶段发生在560～900 ℃，质量损失率为14.9%，碳化物进一步分解。600 ℃时残炭量为29.4%，900 ℃时，纤维降解完全，质量残余为0.596 mg，残炭率为8.6%。这是由于在较低温度时壳聚糖纤维分解释放出难燃的气体，稀释可燃性气体，并能阻挡外部氧气进入，升高温度后在纤维表面形成致密的炭层，阻止纤维的进一步氧化分解[5]，另外分子链热分解后残余的碳不能进一步氧化成CO2散去，因此壳聚糖纤维的残炭量较大。壳聚糖纤维较大的残炭量说明其阻燃性好[6-7]。

从图1可看出，温度高于200 ℃时，壳聚糖纤维的各项性能才出现变化，而在常规纺织加工和正常使用中，纺织品可能遇到的最高温度要低于200 ℃[8]，因此壳聚糖纤维生产加工中具有较好的热稳定性。

2.2 热处理对纤维性能影响

2.2.1 干热处理对纤维性能影响

表1示出壳聚糖纤维在100、120、150、180、200 ℃不同时间处理后强伸性及质量变化情况。随着处理时间和处理温度的增加，壳聚糖纤维的强伸性能和质量的损失均呈上升趋势，断裂伸长率比断裂强力损失大，各温度短时间处理和低温较长时间处理对纤维性能影响不大，而高温长时间处理后纤维性能变化较大。180 ℃处理30 min纤维强伸性能损失明显增加，此时纤维开始发黄。200 ℃处理5 min纤维强力和伸长率分别损失了6.5%和22.1%，而处理60 min强力损失了63.9%，纤维脆断，呈深黄色。另外从表1可看出，处理温度不超过180 ℃，壳聚糖纤维的质量损失率在3.7%～10.8%范围内，200 ℃处理5 min质量损失率为18%，处理60 min则达到了30%。因此壳聚糖纤维生产加工中干热处理的温度界限为180 ℃，处理时间以不超过30 min为宜。

表1 干热处理后纤维性能变化

2.2.2 湿热处理对纤维性能影响

表2示出壳聚糖纤维在50、60、80、100 ℃热水中处理不同时间后强伸性能及质量变化情况。壳聚糖纤维的性能随热水温度和处理时间的增加而逐渐变差。热水对纤维强力和质量影响不大，除100 ℃沸水处理60 min后强力损失14%外，其余各温度水浴处理强力损失均小于10%，失重率在1.4%～7.1%范围内。热水对纤维伸长率影响较强力要大得多，伸长率损失在5%～32.9%。通过与干热处理后的性能对比得出，壳聚糖纤维耐湿热性优于耐干热性，故生产加工中可对纤维及制品进行高温水浴处理。

表2 湿热处理后纤维性能变化

2.3 壳聚糖纤维的红外光谱

图2 壳聚糖纤维红外光谱图Fig.2 Infrared spectrum curves of chitosan fiber

2.4 壳聚糖纤维的燃烧性能

壳聚糖纤维及几种常见纤维的极限氧指数[13]如表3所示。壳聚糖纤维的极限氧指数与氯纶的相近，为38%，比棉、粘胶、羊毛、涤纶等普通纺织纤维高，说明其较难燃烧，具有自阻燃性。

对壳聚糖纤维的燃烧实验发现：纤维靠近火焰时，不熔融不软化；在火焰中燃烧缓慢，火焰较小，有青烟产生；离开火焰后立即熄灭，纤维燃烧时有烧纸与烧毛发的混合气味，燃烧后剩余的残渣较多且呈深黑色。壳聚糖纤维燃烧特征属于难燃纤维，即有火源可燃，无火源自熄。

表3 壳聚糖纤维及几种常见纤维的极限氧指数

3 结 论

壳聚糖纤维的TG曲线有3个失重阶段，第1个失重阶段不明显，热分解温度为270 ℃，900 ℃时分解完全，残炭量为8.6%。松弛干热和湿热处理，随处理温度和时间的增加纤维性能均有所降低，干热处理温度超过180 ℃时间超过30 min后下降幅度显著，湿热处理后纤维强伸性能下降不大，断裂伸长率下降幅度大于断裂强力。壳聚糖纤维的极限氧指数为38%，远高于棉、粘胶、羊毛、涤纶等纺织纤维，燃烧特征属于难燃纤维。

FZXB

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2015年香港桑麻纺织科技奖获奖名单

Thermal stability and combustion behavior of chitosan fiber

YAN Hongqin， FENG Quan， PENG Xiang， XIE Fei

(KeyLaboratoryofTextileScience&Technology(Anhui),AnhuiPolytechnicUniversity,Wuhu,Anhui241000,China)

TG was used to analyze the thermal stability and combustion behavior of chitosan fiber, heat-resistance and limiting oxygen index of chitosan fiber were tested, the microstructure change of the heated fiber was investigated by infrared spectrometry. The result showed that three weight loss steps appear in the TG curves of the chitosan fiber, showing it begins to decompose at about 270 ℃and decomposes completely at 900 ℃, and the amount residual carbon is 8.6%.The thermal stability of the fiber is also good, and its wet heat resistance is better than dry heat resistance. Properties of the fiber decrease with the increase of heating temperature and time, and the decrease in breaking elongation is greater than that in tensile strength. The limiting oxygen index of chitosan fiber is 38%, and the combustion behavior are similar with that of refractory fiber

chitosan fiber; thermal stability; combustion behavior; LOI

10.13475/j.fzxb.20141004905

2014-10-17

2015-04-18

安徽省自然科学基金计划资助项目(1408085ME87)

闫红芹(1978—)，女，讲师，硕士。研究方向为新型纺织材料及纺纱技术的开发与应用。E-mail:yanhongqin2004@sina.com。

TS 102.212

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