环保阻燃剂对棉织物阻燃性能的研究

2012-01-04刘东发李晓增

化纤与纺织技术 2012年3期

刘东发，李晓增

(广州市质量监督检测研究院，广东广州 511442)

棉织物又称棉布，是以棉纱为原料的机织物。棉织物以优良的服用性能成为最常用的面料之一，广泛用于服装面料、装饰织物和产业用织物。随着纺织印染加工的深入发展，棉织物品种日益丰富，外观和性能及档次也不断提高。由于化学纤维的发展，出现了棉型化纤，其长度(一般为38 mm左右)等物理性状符合棉纺工艺要求，在棉纺设备上纯纺或与棉纤维混纺而成，这类纤维的织物以及棉织物统称为棉型织物[1]。但其阻燃性一直是十分棘手的问题，因而限制了它的应用[2]。

目前棉织物耐久阻燃剂一般进行羟甲基化，导致含有大量的甲醛，同时为了提高阻燃效率，需添加含羟甲基反应基团的交联剂，经过整理后，织物上游离甲醛含量过高且存在后续甲醛释放的问题。在世界“绿色消费”浪潮的冲击下，世界各国对生产和进口的纺织品要求不含有毒、污染物质，在纺织贸易方面设立了许多技术壁垒，严重制约了我国纺织品的出口，因此，研究开发、生产和使用无甲醛、无卤素阻燃剂对棉织物进行阻燃整理，并能达到一定的可洗涤性是本文研究的重点。本文选择的甲基膦酸二甲酯(DMMP)作为棉织物的阻燃剂，无甲醛，不含卤素。其阻燃机理是：当阻燃织物遇到火源时，DMMP在高温下分解，先分解成磷酸，再失去水生成焦磷酸，继而生成偏磷酸和聚偏磷酸，从而形成不挥发性的磷酸层覆盖于燃烧物表面上，达到隔绝空气和热源，以迫使燃烧停止[3-4]。

1 试验

1.1 材料和设备

织物：纯棉漂白平布21 tex×21 tex(潍坊龙都棉纺织印染有限公司)。

主要试剂：甲基膦酸二甲酯(广州市正通化工有限公司)、五氧化二磷(广州市化学试剂厂)、渗透剂 (季戊四醇，广州市化学试剂厂)。

设备：电子天平(T214，北京赛多利斯仪器系统有限公司)，高低温试验箱(LP/GDW-010C，上海林频仪器股份有限公司)，西门子全自动洗衣机，氧指数测定仪(HC-2C，南京上元分析仪器有限公司)，水平垂直燃烧测试仪(CFZ-3，南京市江宁区分析仪器厂)。

1.2 阻燃整理工艺

按照设计配方配制阻燃整理液，然后按浴比1 ∶10将试样浸入阻燃整理液，30 min搅拌一次，确保阻燃剂能最大程度地附着于织物上，浸渍后脱水8 min，再在烘箱中烘干(70 ℃，30 min)，以备随后进行的阻燃性能测试。

1.3 测试

1.3.1 阻燃性能测试

极限氧指数按GB/T 5454-1997《纺织品燃烧性能试验氧指数法》[5]测试；垂直燃烧性能按GB/T5455-1997《纺织品燃烧性能试验垂直法》[6]测试。阻燃性能分级按GB 20286-2006《公共场所阻燃制品及组件燃烧性能要求和标识》[7]织物类进行判定(阻燃1级：氧指数≥32，损毁炭长≤150 mm，续燃时间≤5 s，阴燃时间≤5 s；阻燃2级：损毁炭长≤200 mm，续燃时间≤10 s，阴燃时间≤10 s)。

1.3.1.1 定义

极限氧指数：在规定的试验条件下，氧氮混合物中材料刚好保持燃烧状态所需要的最低氧浓度。

续燃时间：在规定的试验条件下，移开(点)火源后材料持续有焰燃烧的时间。

阴燃时间：在规定的试验条件下，当有焰燃烧终止后，或者移开(点)火源后，材料持续无焰燃烧的时间。

损毁长度：在规定的试验条件下，在规定方向上材料损毁面积的最大距离。

氧指数越高、续燃时间越短、阴燃时间越短、损毁长度越小，则阻燃性越好。

1.3.1.2 原理

氧指数试验：用氧指数测定仪装置进行试验，气源用的是工业用氧气和氮气。试样从纵向和横向至少各取15块试样，试样尺寸为(150×58) mm。试样在温度(20±2) ℃，相对湿度为(65±4)%处理8～24 h，试验在10～30 ℃和相对湿度30%～80%的大气中进行试验，试样点燃后续燃、阴燃时间不到2 min，或者损毁长度不到40 mm时，氧浓度过低。反之，试样点燃后续燃、阴燃时间超过2 min，或者损毁长度超过40 mm时，氧浓度过高。通过系列试验之后，计算得出试样的极限氧指数。

垂直燃烧试验：用垂直燃烧试验仪进行试验，气源是丙烷或丁烷气体，样品纵向和横向各取五块试样，尺寸为300 mm×80 mm，试样在温度(20±2)℃，相对湿度(65±3)%放置8～24 h。试验在10～30 ℃及相对湿度30%～80%的大气中进行。点燃时间设定为12 s，记录续燃时间和阴燃时间，读数精确到0.1 s，测量试样撕裂长度即是损毁长度，精确到1 mm，分别计算纵向和横向五个试样的续燃时间、阴燃时间和损毁长度的平均值作为试验的结果。

1.3.2 耐洗性能测试

2 结果与讨论

2.1 阻燃剂质量浓度对织物阻燃性能的影响

阻燃剂质量浓度对织物阻燃性能的影响如表1、图1。

表1 阻燃剂质量浓度对织物垂直燃烧性能的影响

注：季戊四醇15 g/L，浸渍温度60 ℃，浸渍时间3 h。

图1 阻燃剂质量浓度对织物氧指数的影响

由表1、图1可以看出: 随着阻燃剂质量浓度的增加，停留在织物内的阻燃元素(磷 )的量也增大，阻燃性能也随之提高，但阻燃剂质量浓度增加到250 g/L时阻燃效果反而下降。阻燃效果先增强后减弱可能是因为阻燃剂质量浓度较低时，随阻燃剂质量浓度的增大，阻燃剂熔融吸热带走了一部分燃烧环境的能量，随着温度的升高，阻燃剂的热分解释放的不燃性气体覆盖在织物表面，起到了气相阻燃作用，并稀释了可燃气体；同时由于阻燃剂的良好成炭作用，使棉提前熔融分解成炭，造成隔热或隔氧的情况，阻止了棉的进一步分解，起到了固相阻燃作用，两者的共同作用使阻燃性能迅速提高。但是当阻燃剂质量浓度超过一定值后，使得一部分阻燃剂没有很好地结合到织物上，造成了实际阻燃剂含量的减少；另外，阻燃剂质量浓度的加大，虽然可起到气相与固相阻燃作用，但由于阻燃剂分解所释放的热量会反馈到被阻材料中，多元羧酸、纤维素大分子的反应基团是一定的，此时阻燃剂已能充分与多元羧酸、纤维素大分子反应，再增加阻燃剂质量浓度，阻燃性能不再增加而有所下降。因此，阻燃剂的最佳质量浓度以200 g/L左右为宜。

2.2 季戊四醇质量浓度对阻燃性能的影响

季戊四醇质量浓度对织物阻燃性能的影响如表2、图2。

表2 季戊四醇质量浓度对织物垂直燃烧性能的影响

注：阻燃剂200 g/L，浸渍温度60 ℃，浸渍时间3 h。

图2 季戊四醇质量浓度对织物氧指数的影响

由表2、图2可以看出，随着季戊四醇质量浓度的增加，阻燃性能也随之提高，当季戊四醇质量浓度15 g/L时，阻燃性能最好，继续增加季戊四醇质量浓度，阻燃性能变化不大。这种现象的原因是在甲基膦酸二甲酯与五氧化二磷完全反应的情况下，季戊四醇本身添加量的多少并不给阻燃剂体系颜色带来变化。但季戊四醇质量浓度增加使得阻燃剂中的羟基含量增加，提高阻燃剂与交联剂和纤维素的反应几率，使得阻燃效果增加；当季戊四醇质量浓度为15 g/L时，体系内反应完全。在含磷量一定的基础上，继续提高季戊四醇的质量浓度，不会提高阻燃剂体系内的羟基含量，所以阻燃效果变化不大。因此，选择季戊四醇的最佳质量浓度为15 g/L。

2.3 浸渍温度和时间对阻燃性能的影响

浸渍是为了把阻燃整理液充分并均匀地施加于织物上，浸渍温度越高，浸渍时间长，可使阻燃整理液充分浸透。由表3、图3可知，随着浸渍温度的升高，阻燃效果相应提高。由表4、图4可见, 随着浸渍时间的延长，阻燃效果也会增强，但温度过高、时间过长，增强效果并不明显。出现这些现象的原因是纤维素大分子和阻燃剂在浸渍过程中发生酯化反应，相互之间建立了分子间酯键。当阻燃剂质量浓度较低时，阻燃剂充分与纤维素大分子建立分子间酯键，固着于织物上，使得阻燃性随着质量浓度的增加有所提高。当体系内反应完全后，提高浸渍温度和浸渍时间，不会产生新的反应，所以阻燃性能变化不大。综合分析，最佳浸渍条件是以 80 ℃、3 h为宜。