溶胶-凝胶涂覆棉织物的制备及其阻燃性能

2020-11-18陈华钢

印染助剂 2020年10期

李静，陈华钢

（广东白云学院艺术设计学院，广东广州 510000）

棉织物是最常用的天然面料之一，因其柔软舒适、透气性良好、可生物降解，被广泛应用于服装、床上用品等［1］。棉织物的极限氧指数约为18%，属于易燃纤维，在火灾时对人身财产安全构成了极大威胁。为降低棉织物造成的火灾风险，棉织物阻燃整理越来越受重视［2-4］。溶胶-凝胶技术是利用金属醇盐水解和缩聚形成稳定的溶胶体系，经凝胶化后处理得到氧化物或其他化合物的工艺，可在织物表面形成稳定且物理化学性能优异的纳米涂层［5-6］。溶胶-凝胶涂层充当纤维基材的屏障可避免纤维被破坏，使纤维织物具备阻燃、抗菌和抗紫外等性能［7-8］。溶胶-凝胶整理织物的阻燃机理是在织物表面创建物理屏障充当隔绝保护层，从而提高织物的阻燃性能；相比传统的阻燃整理方式，溶胶-凝胶涂层反应条件温和、对环境影响小，适合大规模生产［9-10］。研究表明，含有P、Si 的有机-无机杂化工艺应用于纺织物整理可增加织物在燃烧过程中的残炭，改善热屏蔽效果［11-12］。本研究以二乙基磷酰乙基三乙氧基硅烷和单乙醇胺的硅溶胶为涂层剂，通过浸轧-焙烘结合溶胶-凝胶法制备阻燃棉织物，采用傅里叶红外光谱、热重分析、形貌分析、微尺度燃烧量热分析等进行表征，并利用极限氧指数（LOI）、垂直燃烧实验和水洗实验对整理棉织物的阻燃性能及耐久性进行测试。

1 实验

1.1 材料与仪器

织物：纯棉织物（210 g/m2，200 mm×300 mm，平纹，潍坊市高源纺织有限公司）；试剂：二乙基磷酰乙基三乙氧基硅烷（DPTES，95%，BOC Science 公司），盐酸（HCl，37.5%）、无水乙醇、单乙醇胺（MEA，99%）（国药集团化学试剂有限公司），实验用水为自制去离子水。

仪器：FTT0006 微型锥形量热仪（美国FTT 公司），TG209-F1 热重分析仪（德国Netzsch 公司），Vec⁃tor 22 型傅里叶红外光谱仪（德国Bruker 公司），QUA⁃TA200 型扫描电子显微镜（荷兰FEI 公司），极限氧指数测定仪（英国ATLAS 公司），LFY-601 垂直法织物阻燃性能测试仪（山东省纺织科学研究院），PA-O-886浸轧机（台湾Labortex 公司）。

1.2 溶胶-凝胶涂覆棉织物的制备

将1 mL DPTES 溶液加入20 mL HCl 溶液中，再加入5 mL 无水乙醇，剧烈搅拌12 h，加入50 mL 去离子水，滴加MEA 并持续搅拌，调节pH 为6，将脱浆洗涤后的棉织物浸入其中，10 min 后取出，浸轧（轧余率为70%），取出后60 ℃烘10 min，重复3 次后放置于170 ℃的烘箱中高温焙烘4 min，得到溶胶-凝胶整理棉织物。

1.3 测试

阻燃性能：通过极限氧指数测试、垂直燃烧实验和微型锥形量热测试进行研究。

LOI：参考GB/T 5454—1997《纺织品燃烧性能试验氧指数法》测定，LOI 值越高，棉织物的阻燃性能越好。

垂直燃烧实验：参考GB/T 5455—1997《纺织品燃烧性能试验垂直法》测试棉织物的阴燃时间、续燃时间和损毁长度。阴燃时间、续燃时间和损毁长度越短，棉织物的阻燃性能越好。

微型锥形量热测试（MCC）：参考ASTM E 7309-13 测试，测试前棉织物在75 ℃真空烘箱中干燥8 h，加热温度为100～750 ℃，升温速率为1 ℃/s，N2流量为80 mL/min。

2 结果与讨论

2.1 表征

2.1.1 FT-IR

如图1a 所示，未整理棉织物在3 335 cm-1附近的宽峰和在2 900 cm-1附近的吸收峰对应—OH 的伸缩振动和—CH2—的伸缩振动，在1 635 cm-1处的吸收峰对应—OH 的弯曲振动，表明棉织物纤维中存在一定的水分，在1 000～1 500 cm-1处连续的特征峰对应C—O—C 的伸缩振动，属于棉织物纤维的典型纤维素峰。如图1b 所示，除棉织物本身的特征峰外，溶胶-凝胶整理棉织物在3 500～3 000 cm-1处较宽的峰对应MEA 的N—H 伸缩振动，在1 635、1 520 cm-1处的峰分别对应MEA 的N—H 对称以及非对称弯曲振动，在1 055、776 cm-1处的峰分别对应Si—O 的伸缩振动和Si—O—Si 的对称伸缩振动，表明Si—O—Si 结构成功附着于棉织物中［13］。

图1 未整理棉织物(a)和溶胶-凝胶整理棉织物(b)的FT-IR 图谱

2.1.2 TG

如图2 所示，未整理棉织物的热解分为3 个阶段：（1）100 ℃附近的初始分解阶段，质量损失主要归因于棉织物中水分的蒸发；（2）300～400 ℃的主要热解阶段，棉织物质量损失最快，主要为纤维素裂解生成左旋葡萄糖和小分子可燃性气体；（3）400 ℃以上的焦炭分解阶段，脱水炭化反应更加明显。溶胶-凝胶整理棉织物的热解起始温度相比未整理棉织物降低，残炭量显著提高，这是由于加入MEA 后，棉织物纤维素可在较低的温度下发生降解，此外，DPTES 分解产生磷酸，促进纤维素脱水碳化，MEA 和DPTES 的加入促进了残炭的形成，减少了挥发性可燃成分的形成，从而达到阻燃效果［14］。

图2 未整理棉织物(a)和溶胶-凝胶整理棉织物(b)的TG 图

2.1.3 SEM 和EDX

如图3 所示，未整理棉织物表面无明显附着物，棉织物纤维之间存在明显的分界；溶胶-凝胶整理棉织物表面覆盖致密的薄膜，棉织物纤维之间通过薄膜粘连在一起，纤维之间的分界消失，表明溶胶已经成功附着在棉织物表面。

图3 未整理棉织物(a)和溶胶-凝胶整理棉织物(b)的SEM 图

2.1.4 MCC

由图4 可以看出，温度低于300 ℃时，未整理棉织物开始分解并产生可燃性气体，最大热释放速率（pHRR）为235 W/g，最大热释放速率对应温度为（Tmax）385 ℃，总热释放量（THR）为12 kJ/g。溶胶-凝胶整理后，棉织物的THR、pHRR 和Tmax显著降低，残留率增加；此外棉织物的热释放速率（HRR）曲线在250 ℃附近存在较宽的峰，表明在棉织物表面形成了阻燃剂。HRR 曲线在346～349 ℃出现第二个峰，且峰的强度明显低于未整理棉织物，表明溶胶-凝胶整理棉织物的正常热降解明显减少。

图4 未整理棉织物(a)和溶胶-凝胶整理棉织物(b)的HRR 曲线

2.2 阻燃性能

由表1可以看出，未整理棉织物的LOI仅为18%，属于易燃纤维，溶胶-凝胶整理后，棉织物的LOI提升到31%，属于自熄纤维。在垂直燃烧测试中，未整理棉织物立即被点燃，火焰迅速蔓延直至整个样品被烧尽，续燃时间和阴燃时间分别为10 s 和26 s，损毁长度为300 mm；溶胶-凝胶整理后，棉织物离开火焰即迅速熄灭，续燃时间和阴燃时间均为0 s，损毁长度为58 mm。表明溶胶-凝胶整理的棉织物具有良好的阻燃性能。

表1 未整理棉织物和溶胶-凝胶整理棉织物的阻燃性能

2.3 耐水洗性能

由表2 可知，未水洗溶胶-凝胶整理棉织物的阻燃性能最佳；随着水洗次数的增加，棉织物的续燃时间、阴燃时间和损毁长度明显增加，水洗10 次后，棉织物的续燃时间、阴燃时间和损毁长度分别变为1 s、3 s 和80 mm，表明水洗降低了溶胶-凝胶整理棉织物的阻燃性能。但水洗10次后的棉织物仍达到GB 8965—2009《防护服装阻燃防护阻燃服》的C 级标准，表明溶胶-凝胶整理棉织物具有较好的耐水洗性能。