纯棉织物阻燃整理的工艺优化

王月华，范佳慧，欧卫国，徐山青

(1.南通金仕达超微阻燃材料有限公司，江苏 南通 226009；2.南通大学 纺织服装学院,江苏 南通 226019)

纯棉织物阻燃整理的工艺优化

王月华1，范佳慧2，*，欧卫国1，徐山青2

(1.南通金仕达超微阻燃材料有限公司，江苏 南通 226009；2.南通大学 纺织服装学院,江苏 南通 226019)

以磷酸三甲苯酯(TCP)及水性聚氨酯(PU)为原料制备阻燃剂，用于纯棉织物的阻燃整理，探讨了阻燃剂覆盖量，阻燃剂与聚氨酯的用量，焙烘温度和时间对阻燃效果的影响。通过正交实验得到的最佳整理工艺为：阻燃剂覆盖量175 g/m2，阻燃剂与聚氨酯的比例4∶1，焙烘温度160 ℃，焙烘时间2 min。整理后织物阻燃指标达到了国家标准(GB/T 5455-1997)的B1级，具有较好的阻燃效果。

纯棉织物；磷酸三甲苯酯；阻燃整理；正交试验

近年来，纺织行业不断发展，各式各类纺织品已经融入我们的生活，但随之而来的问题也不断发生。据国外不完全统计，40%的火灾是由纺织品所引起的[1]，造成了大量的人员伤亡与经济损失，其中由棉织物引起的火灾占很大一部分。棉织物是由棉纤维织造而成，属于绿色产品，其手感柔软、光泽柔和、具有良好的吸湿性，深受广大消费者的喜爱[2]，但也特别易燃，因此要对其进行阻燃处理。如何使棉织物保持原有的优良性能，同时具有阻燃性能，且不会造成环境污染，一直是研究的难点。研究表明，磷是提高聚氨酯阻燃性的有效元素，磷化物、磷氧化物、磷酸酯[3]、磷酸盐等含磷化合物是重要的环保阻燃剂，有释放低毒或无毒气体，燃烧过程中产生较少烟雾等特点，磷化合物作为促进炭化的试剂，也可以减少易燃气体产生[4]。因而，含磷化合物阻燃剂应用前景十分广阔。

使用磷酸三甲苯酯阻燃剂(TCP)与聚氨酯(PU)复配作为阻燃剂，研究了阻燃剂覆盖量，阻燃剂中TCP的浓度，焙烘温度、焙烘时间对阻燃效果的影响，优化了阻燃整理工艺。

1 试验部分

1.1 材料和仪器

材料：纯棉织物，经纬线密度为27.8 tex×27.8 tex，经纬密为425根/10 cm×228根/10 cm，经纬断裂强力分别为675、423 N(垂直燃烧测试均燃烧殆尽)。

试剂：磷酸三甲苯酯(天津利海石化有限公司)，聚氨酯(万华化学集团股份有限公司)。

仪器：DT-500B电子天平(常熟市金羊砝码仪器有限公司)；SXJQ-1型数显直流无极调速搅拌器(郑州长城科工贸有限公司)；LLY-07垂直燃烧性能测试仪(莱州市电子仪器)；RAPID自动定型烘干机(厦门瑞比精密机械有限公司)；YGH065/PC电子织物强力仪(莱州市电子仪器有限公司)等。

1.2 工艺流程

首先将阻燃剂TCP和聚氨酯分别称取一定质量后倒入烧杯，再用磁力搅拌器对阻燃剂进行充分搅拌2 h，搅拌结束后对其密封以方便后续的涂层整理。

纯棉织物→涂层→预烘(100 ℃，2 min)→焙烘(155～165 ℃)→烘干→冷却→测试。

1.3 性能测试

1.3.1 燃烧性能

垂直燃烧法阻燃性能按GB/T 5455-1997《纺织品燃烧性能试验垂直法》测试。将一定尺寸的试样置于燃烧器下，测定试样的续燃、阴燃时间及损毁长度。B1级别续燃时间≤5 s，阴燃时间≤5 s，损毁长度≤15 cm，B2级别续燃时间≤15 s，阴燃时间≤15 s，损毁长度≤20 cm。

1.3.2 断裂强力

阻燃整理后纯棉织物断裂强力根据国标GB/T 3932.1-1997《织物拉伸性能第1部分：断裂强力和断裂延伸率的测定条样法》测定，每块试样测试5次，取平均值，并按下式计算织物的断裂强力损失率：

(1)

式中，ω0代表整理后织物的断裂强力；ω1代表整理前织物的断裂强力。

1.4 正交试验

根据前期单因素水平试验，初步确定TCP浓度在75%至85%之间(客户提供)，焙烘温度155～165 ℃，焙烘时间1～3min时，织物具有良好的阻燃性。因此选择阻燃剂中TCP浓度、焙烘温度和焙烘时间为正交试验的主要因素，探讨其对纯棉织物阻燃性能的影响。设计了3因素3水平的正交试验，经向与纬向各做一次正交试验，因素和水平如表1所示。

表1 正交试验因素与水平

2 结果和分析

2.1 覆盖量

将样布按要求裁成相同的5块试样，对其进行不同覆盖量(织物上涂覆的阻燃剂重量换算成平方米克重，覆盖量越大，阻燃剂涂得越多)的涂层整理后进行垂直燃烧测试。从表2可见，随着覆盖量的增加，棉织物的续燃时间和损毁长度都有明显减少(由于阴燃时间为0未标注)，说明在棉织物上涂覆的阻燃剂量越重，阻燃效果越好。当棉织物上覆盖量达到150g/m2以上时，阻燃效果已经达到了国家标准的B1级。但考虑到棉织物经过涂层整理后，覆盖量越多，其织物手感会越硬以及成本等多方面因素，最终选取覆盖量为175g/m2。

表2 棉织物上阻燃剂的覆盖量对阻燃效果的影响

2.2 影响因素

为了得出纯棉织物最佳的阻燃整理工艺，将阻燃整理后棉织物的经向、纬向阻燃性能分别进行测试分析，结果如表3、表4所示。因所有测试样的阴燃时间均为0，故未在表中列出。

表3 正交试验结果

表4 正交试验极差分析

2.2.1 续燃时间

续燃时间数值越小其阻燃效果越好。由试验结果发现，经过整理后的棉织物阻燃效果明显比未整理之前得到提高。由极差可得3因素对续燃效果的影响，经向：C>B>A；纬向：A>C>B。从极差上分析，经向极差差距不是很大，而纬向却很好地反应了3因素对棉织物阻燃效果的影响，所以取浓度A(阻燃剂中TCP的浓度)为主要因素。

图1为TCP浓度对续燃时间的影响。如图1所示，无论经向还是纬向，随着阻燃剂中TCP的含量增加，续燃时间明显减小，但当TCP含量超过80%之后，阻燃效果基本达到了一个顶点，含量继续增加经向阻燃效果反而有减小的趋势，而纬向阻燃效果基本保持不变。这是因为磷酸三甲苯醋类阻燃剂，受热的时候会分解生成覆盖在棉织物表面的磷酸，磷酸固化在棉织物的表面，形成炭化层，这样不仅阻碍了空气与棉织物的直接接触，还能抑制可燃性气体的挥发，使棉织物周围氧气浓度不足，因而从根本上阻止了棉织物的燃烧。这与试验的燃烧过程，涂层后的棉织物在接触火源时，织物底部变黑，火焰缓缓而上，当火焰离开织物后，一会就自己熄灭了这一现象相符合。而且这一燃烧过程会促使纤维素分子链在断裂前进行脱水反应，脱水的过程会吸收大量的热，降低棉织物周围的热量，减少提供棉织物燃烧所需的热能[5]。

图1 TCP浓度对续燃时间的影响

图2为焙烘温度对续燃时间的影响。如图2所示，续燃时间随焙烘温度的升高有一个先减小再增大的趋势，特别是纬向增大的趋势更为明显。这是因为磷酸三甲苯酯与纤维素大分子和聚氨酯之间的交联反应会更充分，阻燃效果才能达到最佳。

图2 焙烘温度对续燃时间的影响

图3为焙烘时间对续燃时间的影响。如图3所示，续燃时间随焙烘时间的改变，经纬向有不同的变化。经向的续燃时间随焙烘时间的增大而增大，纬向则先减小后增大的趋势。同样是因为磷酸三甲苯酯与纤维素大分子和聚氨酯之间的交联反应只有在合适的焙烘时间下才能充分反应，焙烘时间偏短偏长都会影响织物的阻燃效果。

图3 焙烘时间对续燃时间的影响

2.2.2 阴燃时间

阴燃时间也是其值越小阻燃效果越好。经过整理以后的棉织物，阴燃时间全部为0，这是因为磷酸三甲苯酯在燃烧过程中使纤维素分子产生脱水反应，吸收热量的同时，在棉织物表面形成一层炭化层，阻止了织物与空气的接触，从而有效阻止了织物的持续自燃，所以阴燃时间为0。

2.2.3 损毁长度

损毁长度其数值越小阻燃效果越好。通过正交试验结果可知经过整理后的织物与未经处理的织物相比，损毁长度明显得到减小，大部分阻燃效果已达到B1级。从极差分析表4来看，经向对损毁长度的影响作用大小是B>C>A；纬向对损毁长度的影响作用大小是A>B>C。

由图4可以看出随着TCP浓度的增加，损毁长度也随着减小，当达到80%左右时，损毁长度达到最小，继续增加TCP含量反而使损毁长度增加，影响阻燃效果。

图4 TCP浓度对损毁长度的影响

由图5可以看出来损毁长度随着焙烘温度的升高都呈现出一个先下降后上升的趋势，当焙烘温度达到160 ℃左右时损毁长度到了一个最低点，说明此时的阻燃效果最好。

图5 焙烘温度对损毁长度的影响

由图6可以看出，随着焙烘时间的增加，经向和纬向出现了一个相反的趋势，经向逐渐上升，而纬向却逐渐减小。这时选取一个中间值，使经纬向阻燃效果都能达到要求。

图6 焙烘时间对损毁长度的影响

因为损毁长度与续燃时间一般是密切相关的，续燃时间短则表明织物在离开火焰后并没有持续燃烧，织物没有继续破坏，所以续燃时间越短相应的损毁长度也越小。

2.2.4 最佳工艺

(1)阻燃剂TCP的浓度A。对经纬向续燃时间、损毁长度来说，A的指标越小越好，从图4可以看出，对于经向的续燃时间与损毁长度来说，当A的指标为80%时阻燃效果最好；而对于纬向的续燃时间来说，当A的指标为85%时阻燃效果最好，对于损毁长度来说，A的指标为80%时，阻燃效果最佳。综合考虑选取TCP的浓度为80%。

(2)焙烘温度B。由图5发现，无论经向还是纬向，当焙烘温度为160 ℃时，续燃时间与损毁长度都为最小。所以选取焙烘温度为160 ℃最佳。

(3)焙烘时间C。综合考虑图6，为了使经纬向的阻燃效果达到一个合适的点，此时选取焙烘时间2min为最佳。

2.3 优化工艺整理后的织物阻燃性能

以续燃时间、阴燃时间、损毁长度为主要因素，为使织物经过整理后，阻燃效果能有明显提高，选取的最佳工艺为：覆盖量175g/m2，TCP浓度80%，焙烘温度160 ℃，焙烘时间2min。最后采用最佳工艺对纯棉织物进行整理，测试的各项性能指标如表5所示。

表5 优化工艺整理后织物阻燃和强力性能

从表5中可以看出，经过优化工艺整理后的织物，续燃时间和损毁长度都达到了B1级，具有很好的阻燃效果，且断裂强力损失率较小。

3 结论

(1)以磷酸三甲苯酯和聚氨酯作为阻燃剂，经过涂层整理后的纯棉织物具有良好的阻燃效果，最佳整理工艺优化为覆盖量175g/m2，TCP的浓度为80%，焙烘温度为160 ℃，焙烘时间为2min。

(2)经过最佳工艺整理后的织物经纬向续燃时间为1.1s与1.3s，无阴燃，损毁长度分别为6.5cm和7.6cm。

(3)经过优化工艺整理后的织物经纬强力均有所损失，经向断裂强力损失率为5.78%，纬向断裂强力损失率为6.38%。

[1]DIDANEN,GIRAUDS,DEVAUXE,etal.DevelopmentoffireresistantPETfibrousstructuresbasedonphosphinate-POSSblends[J].PolymerDegradationandStability, 2012, 97:879-885.

[2]PRICED,HORROCKSAR,AKALINM,etal.Influenceofflameretardantsonthemechanismofpyrolysisofcotton(cellulose)fabricsinair[J].JournalofAnalyticalandAppliedPyrolysis, 1997, 40 (5):511-524.

[3]PARKHS,HAHMHS,PARKEK.Preparationandcharacteristicsoftwo-componentpolyurethaneflameretardantcoatingsusing2,3-dibromomodifiedpolyesters[J].AppliedPolymerScience, 1996, 61(3):421-429.

[4] DIDANE N, GIRAVE S,DEVAUXE,etal.AcomparativestudyofPOSSassynergistswithzincphosphinatesPETfireretardancy[J].PolymerDegradationandStability,2012, 97(3):383-391.

[5] 陆宁宁.纯棉织物阻燃整理工艺探讨[J].染整技术,2003,25(6):32-33.

Optimization of Flame Retardant Finishing Process of Cotton Fabrics

WANG Yue-hua1, FAN Jia-hui2,*, OU Wei-guo1, XU Shan-qing2

(1.Nantong SunGard Advanced Micro Flame Retardant Materials Co. Ltd., Nantong 226009, China; 2. School of Textile and Clothing, Nantong University, Nantong 226019, China)

The fire retardant was prepared with tricresyl phosphate (TCP) and waterborne polyurethane (PU) as raw materials for flame retardant finishing of cotton fabric. Influence of the fire retardant coverage amount, the ratio of TCP to PU, curing temperature and curing time on the flame retardant properties of the finished fabric was studied. Through orthogonal test, the optimum finishing process was established as follow: the fire retardant coverage amount 175 g/m2, the ratio of TCP to PU was 4∶1, curing temperature 160 ℃, curing time 2 min. The flame retardant index of the finished fabric met the national standard (GB/T 5455-1997) B1level and had good flame retardant effect.

cotton fabric; tricresyl phosphate; flame retardant finishing; orthogonal experiment

2017-04-11

南通市前沿与关键技术创新计划：工业创新科技项目(GY22015026)

王月华(1967-)，男，江苏海安人，工程师，主要从事印染技术研发和生产。

*通信作者：范佳慧(1993-)，男，江苏海门人，在读硕士研究生，主要从事功能纺织品研发，E-mail:975064072@qq.com。

TS195.5

B

1673-0356(2017)06-0017-04