三乙醇胺磷酸酯铵盐阻燃整理织物的性能研究

2020-12-24徐爱玲王春梅

棉纺织技术 2020年12期

徐爱玲王春梅

（南通大学，江苏南通，226019）

棉织物作为一种天然纺织纤维，具有可生物降解、柔软以及透气性好等优点［1⁃2］，因此广泛应用于床上用品、服装等，但是棉织物极易燃烧，其极限氧指数仅为18%左右［3］，阻燃剂的应用可以减缓棉织物的燃烧并提高其安全性，阻燃棉织物燃烧时的现象可以由迅速燃烧转变为稳定炭化。因此，赋予棉织物阻燃性能具有重要意义［4］。

三乙醇胺是一种无色至淡黄色透明黏稠液体，化学性质与其他胺类化合物相似，氮原子上存在孤对电子，孤对电子结合水中的H+，从而使水电离出OH－，因此三乙醇胺具有弱碱性，能够与无机酸或有机酸反应生成盐。磷⁃氮型阻燃剂以磷和氮为阻燃剂的有效活性成分，提高了棉织物的阻燃效果。磷、氮两种元素对棉织物具有协同阻燃作用，在高温下促进炭的生成，覆盖在织物表面，从而中断燃烧的连锁反应，达到阻燃效果［5⁃6］。三乙醇胺磷酸酯铵盐与常规磷⁃氮型阻燃剂相比，阻燃剂中磷和氮的含量较高且制备工艺高效简单。该阻燃剂几乎为中性，具有自缓冲性能，是一种高效、环保、耐用的棉织物阻燃剂［7］。本试验采用三乙醇胺、磷酸以及尿素反应得到阻燃剂三乙醇胺磷酸酯铵盐（以下简称TEAPEA），采用浸轧焙烘的方法对棉织物进行整理，研究TEAPEA 对棉织物性能的影响。

1 试验部分

1.1 材料、药品

材料：棉织物（ 19.7 tex×19.7 tex ，236 根/10 cm×236 根/10 cm），由南通金仕达超微阻燃材料有限公司提供。

药品：三乙醇胺、磷酸、尿素（分析纯，广东西陇化工厂），双氰胺（化学纯，上海凌峰化学试剂有限公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 TEAPEA 的合成

采用三乙醇胺、磷酸和尿素合成磷⁃氮型阻燃剂。首先将三乙醇胺和磷酸进行酯化反应，其次加入尿素进行铵化反应，反应物三乙醇胺、磷酸、尿素的摩尔比为1∶3∶3。具体过程如下：将三乙醇胺和磷酸混合于四口瓶中，在140 ℃下酯化反应2 h，得到黏稠的浅黄色液体三乙醇胺磷酸酯，待酯化产物冷却后加入相应量的尿素，升高温度至100 ℃，反应2 h 得到阻燃剂三乙醇胺磷酸酯铵盐。

1.2.2 棉织物的阻燃整理

配方：TEAPEA 的浓度为250 g/L，双氰胺用量为75 g/L。

工艺流程：配制整理液→二浸二轧（浸渍25 min，带液率100%）→预烘（80 ℃，3 min）→焙烘（170 ℃，5 min）。

1.3 测试方法

织物白度：参照GB/T 17644—2008《纺织纤维白度色度试验方法》，采用WSB⁃3 型智能式数字白度计进行测试。

拉伸断裂强力：参照GB/T 3923.1—2013《纺织品织物拉伸性能第1 部分：断裂强力和断裂伸长率的测定（条样法）》在电子织物强力仪上进行测定。

柔软度：参照GB/T 18318.1—2009《纺织品弯曲性能的测定第1 部分：斜面法》，采用织物硬挺度试验仪在室温下测定织物的抗弯长度。抗弯长度越小，柔软度越好。

垂直燃烧：参照GB/T 5455—2014《纺织品燃烧性能垂直方向损毁长度、阴燃和续燃时间的测定》，对整理织物进行燃烧试验和测试。

热稳定性能：采用TG 209 F1 型热重分析仪，将样品在氮气的氛围下进行测试，测试温度范围为30 ℃～600 ℃，升温速率为20 K/min。

耐水洗性能：根据AATCC 61—2013《耐洗色牢度：加速法》，使用耐洗牢度测试仪测定经阻燃整理织物的耐水洗牢度。洗涤剂浓度为3.7 g/L，水洗温度为40 ℃，水洗45 min。洗涤时放入10 颗钢珠，相当于家庭洗涤5 次。

采用NICOLET IS10 型傅里叶红外光谱仪对试样进行光谱扫描。扫描范围为4 000 cm-1～500 cm-1，分辨率为2.0 cm-1。

采用GeminiSEM 300 型超高分辨率场发射扫描电子显微镜，观察在不同放大倍数下织物的表面形貌。

2 结果与讨论

2.1 整理前后织物化学结构分析

图1 为棉织物阻燃整理前后的红外光谱图。

图1 未整理与整理后织物的红外光谱图

由图1 可知，未整理棉织物的红外光谱中，在3 340 cm-1附近的峰为—OH 的伸缩振动峰，在2 905 cm-1附近的峰为—CH 的吸收振动峰，在1 050 cm-1附近的峰为C—O 的吸收振动峰，在1 658 cm-1附近的峰为C=O 的吸收振动峰，这些是纤维素纤维常见的特征吸收峰。由整理后棉织物的红外光谱曲线可知，在3 160 cm-1附近为—NH2的吸收振动峰，在1226cm-1附近为P=O的吸收振动峰，在930cm-1附近为P—O—C 的振动吸收峰，在770 cm-1附近为P—N 的振动吸收峰。将未整理棉织物与阻燃整理织物进行比较，可以明显地观察到由TEAPEA引起的新特征峰，而且P—O—C 键的出现证实了三乙醇胺磷酸酯胺盐接枝在棉织物上。

2.2 织物的热稳定性分析

图2 为阻燃整理前后棉织物的热重曲线图。

图2 阻燃整理前后棉织物的热重曲线

由图2 可知，未整理棉织物的主要裂解温度范围为283 ℃～400 ℃，此时棉织物分解最快，600 ℃时残余炭量只有21.81%；整理棉织物的主要裂解温度范围为180 ℃～317 ℃，起始裂解温度和终止裂解温度与未整理棉织物相比都有所降低，这是因为织物上的阻燃剂分解温度较低，600 ℃时织物的残余炭量为46.96%，比未整理棉织物提高25.15 个百分点；整理织物经20 次水洗后，仍保持着较好的热稳定性，主要裂解温度范围介于未整理棉织物与整理织物之间，且600 ℃时的残余炭量高达40.30%，具有较好的成炭性能。由此可以说明，TEAPEA 可以提高棉织物的热稳定性，延缓织物裂解。

2.3 阻燃整理前后织物表面形貌

2.3.1 整理前后棉织物的扫描电镜照片

图3 为棉织物整理前后的扫描电镜照片。

图3 阻燃整理前后棉织物的扫描电镜照片（×3 000）

由图3 可以观察到，未整理的棉纤维呈不规则的卷曲状，且纤维表面有明显的沟壑；阻燃整理后，纤维表面附着了一层均匀致密的阻燃剂，纤维之间有明显的阻燃剂交联；而整理织物经20次标准洗涤之后，织物表面的阻燃剂有些许脱落，但是仍有大量的阻燃剂附着在织物上。

由X 射线能谱分析可知，整理前棉织物含有86.1%的C 元素和13.9%的O 元素，经阻燃整理的织物上除了含有棉织物最基本的C 元素（30.0%）、O 元素（28.3%）外，还包含了大量阻燃剂的P 元素（24.9%）和N 元素（16.9%），整理织物经20 次水洗后仍含有大量的P 元素（15.8%）和N 元素（3.0%），同时还增加了洗涤剂中所含的Na 元素（3.1%）和Mg 元素（1.1%），C 元素和O 元素占比分别为49.3%和27.7%。由此可以推断阻燃剂进入到织物内部，与棉纤维产生了交联，有一定的耐水洗性能。

2.3.2 整理棉织物燃烧残渣的扫描电镜照片

图4 为整理织物燃烧残渣的扫描电镜照片。

图4 棉织物燃烧残渣的扫描电镜照片（×3 000）

由图4 可知，整理织物燃烧后的纤维形态保持完整，表面有紧致的炭层。而普通未整理棉织物燃烧时续燃时间长，纤维燃烧后化为灰烬，无完整纤维残留。同时由X 射线能谱测试结果可知，整理织物的燃烧残渣含有大量的P 元素（12.9%）和N 元素（8.9%），C 元素和O 元素占比分别为55.5%和22.7%；整理织物经20 次水洗后，燃烧残渣含有的C 元素、O 元素、P 元素、N 元素、Na 元素和Mg 元素分别为44.0%、32.5%、13.9%、1.2%、7.5%和0.9%。整理织物燃烧时纤维表面有大量气泡产生，这是因为整理织物含有N 元素，在织物燃烧过程中形成氨气释放，燃烧炭层覆盖在纤维上有效保护了纤维，由此可知经TEAPEA 阻燃整理的棉织物具有较好的阻燃性能和耐水洗性能。

2.4 整理织物的物理性能

整理前后织物的物理机械性能如下。

从此可以看出，经阻燃整理后棉织物的白度、抗弯长度和断裂强力均有所下降，但下降不多，可以满足服用要求。

2.5 整理织物的耐水洗性能

按照标准水洗工艺，对阻燃整理棉织物依次进行5 次、10 次、15 次、20 次、25 次水洗，测定织物的阻燃性能，试验结果见表1。

表1 阻燃整理棉织物耐水洗性能

由表1 可知，随着水洗次数的增加，棉织物的碳长增加，阻燃效果逐渐下降，水洗25 次后的棉织物没有阻燃效果。这是因为三乙醇胺磷酸酯铵盐含有亲水性基团，水洗过程中基团解离导致阻燃剂溶解在水中，织物上的阻燃剂含量下降，导致阻燃性能下降。由此可知，三乙醇胺磷酸酯铵盐可以作为一种半耐久性阻燃剂对织物进行整理。