纯棉篷盖布涂料染色拒水拒油阻燃复合涂层

张广知，黄小华

(安徽工程大学 安徽省纺织面料重点实验室，安徽 芜湖 241000)

随着篷盖布应用范围不断扩大，传统功能单一的篷盖布难以满足军用、产业用、民用等使用要求，篷盖布的发展趋向于多功能性。涂层法是实现纺织品多功能的重要方法，多功能化［1］、智能化［2］、绿色环保化是纺织品涂层整理［3-5］研究的热门课题。徐旭凡［4］采用转移涂层法，在聚氨酯涂层浆中加入壳聚糖，制得了具有防水透湿、抗菌效果的多功能织物。马晓光等［6］以T/C高强平纹织物为基布，采用改性的聚丙烯酸酯TP为涂层整理剂，制得具有阻燃、防水透湿、拒油、耐化学腐蚀、耐老化、防近红外探测等多种功能的涂层织物。张健飞等［7］在聚氨酯涂层剂中加入阻燃剂对涤纶基布进行涂层整理，制得具有防水透湿和阻燃效果的多功能涂层织物。郑今欢等［8］结合抗紫外线屏蔽剂，采用多种涂层剂对纯棉漂白布和尼丝纺织物进行涂层加工，制成了具有防水透湿和良好紫外线防护性能的多功能涂层织物。而结合涂料染色的同浴复合功能涂层整理研究未见文献报道。

另外，随着全球对环保、节能减排的关注，传统的“先染料染色再单一防水整理”分步生产技术受到了严重的挑战，本文采用同浴涂层法对纯棉篷盖布进行涂料染色、拒水拒油整理、阻燃整理等复合多功能加工，大大缩短生产工序，节约用水，降低能耗，减少污水排放，具有较好的实用价值。

1 实验部分

1.1 实验材料与试剂

纯棉篷盖布，经纬纱线密度均为27.8 tex×2，经纬密为232根/10cm×200根/10cm(芜湖强力纺织品有限公司)。

无光涂层剂PU-801(工业品，辽宁恒星精细化工有限公司);阻燃剂 PES-M、阻燃粉 PD(工业品，杭州伊联化工有限公司);TG-435(工业品，上海大金);水性聚氨酯黏合剂(自制)。

1.2 实验仪器与设备

MATHISLTF型涂层机(瑞士)，JMU型针板拉幅热定型机(北京纺织机械器材研究所)，M214型表面抗湿性能试验仪(山东省纺织仪器有限公司)，YG815A型织物阻燃性能测试仪、YG812D型织物渗水性测定仪(温州方圆仪器有限公司)，S-4800型冷场发射扫描电子显微镜及附件 X-射线能谱分析仪(日本日立)，DTG-60H热重分析仪(日本岛津)，YG815垂直法织物燃烧性能测试仪。

1.3 同浴涂层法复合功能整理工艺

涂层配方：涂层浆65份，涂料(自配军绿色)8份，自制黏合剂20份，加水适量合成100份。

工艺流程：篷盖布半制品→ 涂层 → 烘干(100℃)→涂层→烘干(100℃)→焙烘(160℃/3 min)→ 测试。

涂层浆组成：主要由涂层剂 PU-801、阻燃剂PES-M、阻燃粉PD、防水剂等组成，设计5种组分不同的涂层浆，见表1。

1.4 测试方法

1.4.1 阻燃性能测试

参照GB/T 5455—1997《纺织品燃烧性能试验垂直法》进行测试。

表1 涂层浆组分设计Tab.1 Composition design of coating slurry

参照GB/T 17591—2006《阻燃机织物》的阻燃性能指标进行评价。B1级：损毁炭长≤15cm，续燃时间≤5 s，阴燃时间≤5 s。B2级：损毁炭长≤20cm，续燃时间≤15 s，阴燃时间≤10 s。

1.4.2 拒水拒油性能测试

在M214型织物沾水仪上进行拒水柜油性能测试，参照 GB/T 4745—1997《纺织织物 表面抗湿性测定 沾水试验》进行评级(拒油性能测试模仿拒水性能测试方法，以植物油代替去离子水)。

1.4.3 静水压测试

在YG812D型织物静水渗水性测定仪上，按GB/T 4744—1997《纺织织物 抗渗水性测定 静水压试验》进行测试。

1.4.4 织物表面形态表征和表面元素分析

采用日本日立公司的S-4800型冷场发射扫描电镜对织物形态进行扫描，并采用能谱附件对纤维表面成分进行分析。

1.4.5 热重分析

热重分析在日本岛津公司的DTG-60H热重分析仪上测试。测试条件：氮气气氛，气流为40 mL/min，升温速度为10℃ /min，温度范围为40～700℃，样品质量为1～5 mg。

2 结果与讨论

2.1 涂层浆组分对复合涂层效果的影响

表2 、3示出不同组分涂层浆对涂层效果的影响。可看出，不同组分涂层浆对织物的防水性能和阻燃性能影响较大，而对染色性能没有明显影响，随着涂层浆中水性聚氨酯涂层剂用量的增加，拒水拒油整理剂和阻燃整理剂用量的减少，织物耐静水压越来越好，但织物的拒水拒油指标和阻燃指标都出现了不同程度下降，因为水性聚氨酯成膜性能较好，封闭织物的空隙，因而耐水压会升高，但随着其用量增加，织物上含氟、含磷量的绝对值会有所降低，导致拒水拒油性能和阻燃性能下降。综合考虑，选择3号组分较为合适。

表2 涂层浆组分对拒水拒油、染色效果的影响Tab.2 Influence of composition of coating slurry on effect of water-and oil-repellence and dyeing

2.2 涂层量对复合涂层效果的影响

表4 、5示出涂层量对涂层效果的影响。可以看出，涂层量大小明显影响涂层织物耐水压、阻燃性能和拒油性，而对拒水性能、染色性能几乎无影响。随着涂层量增大，织物耐水压也增大，主要是由于涂层量增大，织物表面形成的膜厚度和交联程度增大，抗水渗透性能增强，所以织物耐水压增大;随着涂层量增大，织物表面含磷量、含氟量的绝对值也会随着增大，因而阻燃性能、拒油性能都有所提高。综合考虑，选用涂层量为197g/m2较为合适。

表4 涂层量对拒水拒油、染色性能的影响Tab.4 Influence of coating quantity on effect of water-and oil-repellent finishing and dyeing

表5 涂层量对阻燃性能的影响Tab.5 Influence of coating quantity on effect of flame retardant finishing

综上，纯棉篷盖布复合功能涂层整理优化工艺为：涂层浆65份(其中涂层剂PU-801 60份;阻燃剂PES-M 20份;防水剂TG-435 20份;阻燃粉20%(对涂层浆));自制黏合剂 20份;加适量水;涂层量197g/m2;焙烘温度160℃;焙烘时间3 min。

2.3 同浴复合功能涂层织物表面形态

图1 示出纯棉篷盖布复合功能涂层前后的SEM照片。可以看到，与未处理棉纤维相比，经过复合功能涂层后，纯棉篷盖布表面覆盖了一层薄膜，同时可以看到有一些微粒附着(可能为阻燃粉)，纤维之间存在一些相互黏连，这说明阻燃剂、拒水拒油整理剂、黏合剂等和纤维素之间可能形成了共价交联，在织物表面形成网状结构的薄膜包覆在纤维表面，封闭织物组织点之间的空隙，表面光滑性略有提高。

图1 纯棉蓬盖布SEM照片Fig.1 SEM images of cotton canvas.(a)Original sample;(b)Composite coating sample

2.4 同浴复合功能涂层织物表面元素分析

表6 示出采用扫描电镜的能谱附件(XPS)对纯棉篷盖布涂层前后表面元素分析的结果。可以看出，同浴涂层法复合功能加工后，纤维表面氟元素的相对含量达到12.17%，而纤维表面磷元素的相对含量达到8.88%。织物拒水拒油性能好坏取决于其表面拒水拒油整理剂含量，即纤维上氟含量，纤维表面氟含量的多少，也反映了纤维上总的氟含量的多少［9］;同样，阻燃性能好坏取决于织物表面阻燃整理剂含量，即取决于纤维上磷含量，纤维表面磷含量的多少，也反映了纤维上总的磷含量的多少［10］。因此，涂层法复合功能整理后，织物上含有一定量的氟、磷，因此织物拒水拒油效果均达4级以上，静水压达到18.0 kPa以上，阻燃效果都达国标B1级。

表6 纯棉篷盖布表面元素Tab.6 Surface elements of cotton canvas

2.5 同浴复合功能涂层热重分析

图2 示出复合功能涂层前后织物的TGA热谱图。由图可知，同浴涂层法复合功能加工前后棉织物热裂解都存在3个裂解阶段：初始裂解、主要裂解和残渣裂解阶段［11］。复合功能涂层后，初始裂解阶段温度为40～249.14℃，失重率约为7.86%;主要裂解阶段温度为249.14～332.13℃，失重率约为37.78%;332.13℃以后裂解属于残渣裂解阶段，失重率为26.73%，且整理后各阶段裂解温度比未整理的出现均有明显降低，主要裂解阶段更为显著，由未整理时的279.17～390.31℃降为整理后的249.14～332.13℃，在700℃时残渣量由未整理时的17.67%提高到整理后的27.63%。主要是含磷阻燃剂在高温时分解产生的磷酸、聚偏磷酸对棉纤维具有强烈的催化和脱水作用，促使棉纤维炭化，抑制左旋葡萄糖生成，说明纤维素阻燃属于凝聚相阻燃机制。

图2 纯棉篷盖布TGA热谱图Fig.2 TGA of cotton canvas

3 结论

1)同浴涂层法复合功能整理后，纤维表面氟元素的相对含量达到12.17%;磷元素的相对含量达到8.88%，因而具有较好的拒水拒油和阻燃性能。同时涂层剂以及黏合剂等在织物表面形成膜结构，封闭织物表面纱线组织空隙，纤维表面也有一些固体附着物，具有较高的静水压和较佳的染色湿摩擦牢度。

2)同浴涂层法复合功能整理后，各阶段裂解温度都比未整理有所降低，主要裂解阶段更为显著，700℃时残渣量明显提高。

3)纯棉篷盖布复合功能涂层整理优化工艺为：涂层浆65份(其中涂层剂 PU-801 60份;阻燃剂PES-M 20份;防水剂TG-435 20份;阻燃粉20%(对涂层浆));黏合剂 20份;加适量水;涂层量197g/m2;焙烘温度160℃;焙烘时间3 min。

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