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聚乙烯亚胺/植酸层层自组装阻燃涤/棉混纺织物制备及其性能

2021-11-29刘新华刘海龙方寅春侯广开

纺织学报 2021年11期
关键词:阻燃性织物试样

刘新华, 刘海龙, 方寅春, 严 鹏, 侯广开

(1. 安徽工程大学 纺织服装学院, 安徽 芜湖 241000; 2. 安徽省纺织行业科技公共服务平台, 安徽 芜湖 241000)

涤/棉混纺织物具有尺寸稳定性好,缩水率小,不易产生折皱,易洗快干等优点,广泛应用于服装、家庭窗帘、床上用品以及工业纺织布等领域[1-2]。然而,涤/棉混纺织物属于易燃材料,其极限氧指数(LOI值)仅为18%左右,且由于其存在特殊的“烛芯效应”[3],阻燃难度更大,研究改善涤/棉混纺织物的阻燃性能尤为重要。

近年来,国内外对植酸生物基材料的阻燃研究不断深入。刘会亮等[8]以植酸、丙三醇和尿素组成新型膨胀型阻燃剂,对棉织物进行阻燃整理。整理后织物的LOI值明显提高、热释放速率下降,但耐久性能差。陈威等[9]采用层层自组装方法将壳聚糖和植酸钠整理到多巴胺改性后的涤/棉混纺织物上,整理后涤/棉混纺织物的LOI值明显提高,但织物经过10次水洗后LOI值下降至22.1%。Barbalin等[10]以四乙氧基硅烷(TEOS)和植酸为原料,采用溶胶-凝胶法在纯棉织物表面构建阻燃涂层。当TEOS与PA质量比为70∶30,阻燃涂层质量增加率为16%时,表现出良好的阻燃效果,但耐久性较差。

为提高植酸基阻燃剂的耐久性能,本文以植酸(PA)和聚乙烯亚胺(PEI)为原料,采用层层自组装法在涤/棉混纺织物表面构建PEI/PA阻燃涂层。研究PEI/PA阻燃剂对涤/棉混纺织物阻燃性能和物理力学性能的影响,并探讨其阻燃耐久性。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

材料:涤/棉(65/35)混纺平纹织物(经、纬密分别为524、284根/(10 cm),面密度为120 g/m2,深圳市龙岗市鸿伟布料批发行);聚乙烯亚胺(PEI,重均分子量为1万,质量分数为99%,上海麦克林生物化学试剂有限公司);植酸(PA,质量分数为50%,黄山市歙县兴诚植酸有限公司);洗衣粉(自购)。

仪器:JF-3型极限氧指数测试仪,南京江宁分析仪器有限公司;YG815A型垂直燃烧测试仪,温州方圆仪器有限公司;DHG-9070A型电热恒温鼓风干燥箱,上海一恒科学仪器有限公司;THZ-82型水浴恒温振荡器,金坛市精达仪器制造有限公司;YG(B)022 D型织物硬挺度测试仪,温州市大荣纺织仪器有限公司;WSB-3A型智能式数字白度计,温州市鹿东仪器厂;IRPrestige-21型傅里叶变换红外光谱仪,日本岛津公司;S-4800型场发射扫描电子显微镜,日本日立公司;DTG-60H型热重分析仪,日本岛津公司;HF-2型压片模具,天津博天胜达科技发展有限公司。

1.2 样品制备

1.2.1 PEI和PA溶液制备

称取3.0 g PEI置于一定量去离子水中,配制成质量分数为3%的PEI溶液;另称取一定量PA(质量分数为50%)置于500 mL烧杯中,加入适量去离子水中配制成质量分数分别为1.5%、2%、3%的PA溶液,待用。

1.2.2 阻燃涤/棉混纺织物制备

将涤/棉混纺织物先浸入3%PEI溶液中15 min,取出后于80 ℃烘干;然后浸入不同质量分数的PA溶液中15 min,取出后于80 ℃烘干,此为完成1层PEI/PA组装,重复以上组装过程,所有试样完成4次组装后用去离子水洗2 min,然后于80 ℃烘干[11-12]。在层层自组装过程中PEI质量分数保持不变,层层组装PA溶液质量分数如表1所示。将经过1#~5#PA溶液组装的织物分别编号为PA-a,PA-b,PA-c,PA-d和PA-e。将未经整理的织物编号为PA-0。

表1 层层组装PA溶液质量分数Tab.1 Mass fraction of PA solution during layer-by-layer assembly

1.3 测试方法

1.3.1 涂层涤/棉混纺织物的质量增加率测试

测试阻燃整理前后涤/棉混纺织物的质量,则整理后涤/棉混纺织物的质量增加率为

式中,m0和m1分别为未整理和整理后涤/棉混纺织物的质量,g。

1.3.2 化学结构表征

将充分干燥至质量恒定的试样剪碎与溴化钾混合,经压片模具制成薄片后,采用傅里叶变换红外光谱仪对试样化学结构进行表征,测试范围为4 000~500 cm-1[13]。

1.3.3 表面形貌观察

将阻燃整理前后涤/棉混纺织物用导电胶固定在样品台上,然后喷金处理。采用日立扫描电子显微镜(SEM)观察织物的表面微观形貌。

1.3.4 极限氧指数测试

参照GB/T 5454—1997《纺织品 燃烧性能试验 氧指数法》,采用极限氧指数测试仪测试试样的极限氧指数。

1.3.5 垂直燃烧测试

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》,采用垂直燃烧测试仪测试试样的垂直燃烧性能。

1.3.6 物理力学性能测试

将所有测试试样在恒温恒湿(温度为(20±2) ℃,相对湿度为(65±5)%)条件下平衡24 h以上,根据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)》测定涤/棉混纺织物的断裂强力。断裂强力保留率r根据下式计算:

式中,N0、N1分别为未整理和整理后涤/棉混纺织物的断裂强力,N。

涤/棉混纺织物的硬挺度通过织物的抗弯长度来衡量,参照GB/T 18318.1—2009《纺织品 弯曲性能的测定 第1部分:斜面法》测定,以评价整理后涤/棉混纺织物的手感。参照GB/T 17644—2008《纺织纤维白度色度试验方法》测定织物的白度。

1.3.7 耐久性能测试

参照AATCC 61—2006《耐家庭和商业洗涤色牢度:快速法》,对整理后的涤/棉混纺织物进行洗涤。测定洗后涤/棉混纺织物的阻燃性能,评价其阻燃耐久性。洗涤条件:洗涤剂质量浓度为2 g/L,于49 ℃洗涤45 min,浴比为1∶50[14]。

1.3.8 热性能测试

采用热重分析仪测试试样随着温度的升高质量发生变化的过程,得到质量损失曲线。测试条件:氮气流速为20 mL/min,升温速率为10 ℃/min,温度范围为室温~600 ℃。

2 结果与讨论

2.1 涤/棉混纺织物化学结构

图1 阻燃整理前后涤/棉混纺织物的红外光谱Fig.1 FT-IR spectra of polyester/cotton fabric before and after flame retardant finishing

2.2 涤/棉混纺织物表面形态

阻燃整理前后涤/棉混纺织物的SEM照片如图2所示。由图可知:未整理涤/棉混纺织物(PA-0)纤维表面光滑干净;经PEI/PA阻燃剂整理后涤/棉混纺织物表面变得粗糙,说明PEI/PA已被成功地整理到涤/棉混纺织物上。

图2 阻燃整理前后涤/棉混纺织物的SEM照片(×3 000)Fig.2 SEM images of polyester/cotton fabrics before and after flame retardant finishing (×3 000)

2.3 涤/棉混纺织物阻燃性能

阻燃整理前后涤/棉混纺织物的燃烧数据如表2所示,垂直燃烧后的试样如图3所示。由表2可知:未整理涤/棉混纺织物在垂直燃烧测试时,损毁长度为300.0 mm;经PEI/PA整理后,涤/棉混纺织物的损毁长度随着质量增加率的增加而逐渐减小,当质量增加率为67.56%时,损毁长度为98.0 mm;且整理后所有试样的续燃时间和阴燃时间均为0 s。如图3可知,整理后涤/棉混纺织物的损毁长度比未整理涤/棉混纺织物明显减小。整理后涤/棉混纺织物的LOI值也与质量增加率呈正比关系。整理后涤/棉混纺织物的LOI值由17.7%提升到32.3%,也说明涤/棉混纺织物被赋予优异的阻燃性能。

表2 阻燃整理前后涤/棉混纺织物的阻燃性能Tab.2 Flame retardant propertie of polyester/cotton fabrics before and after flame retardant finishing

图3 阻燃整理前后涤/棉混纺织物垂直燃烧图Fig.3 Vertical combustion images of polyester/cotton fabrics before and after flame retardant finishing

2.4 涤/棉混纺织物物理力学性能

整理前后涤/棉混纺织物的物理力学性能如表3所示。可以看出,经PEI/PA整理后的涤/棉混纺织物,白度和断裂强力有所下降,抗弯长度增加,手感变差。整理后涤/棉混纺织物白度降低的原因,可能是聚乙烯亚胺中氨基被氧化。整理后涤/棉混纺织物断裂强力降低,其原因是植酸的强酸性导致纤维素纤维部分降解。

表3 阻燃整理前后涤/棉混纺织物的物理力学性能Tab.3 Physical and mechanical properties of polyester/cotton fabrics before and after flame retardant finishing

2.5 涤/棉混纺织物阻燃耐久性能

经不同次数洗涤后整理涤/棉混纺织物的阻燃性能如表4所示,经20次洗涤后试样的垂直燃烧图如图4所示。由表4可知:洗涤5次后,除PA-a外,其余样品的LOI值均在28%以上;经10次洗涤后,整理涤/棉混纺织物的LOI值均大于26%;经20次洗涤后,PA-d的LOI值约为27.0%,表明其仍具有阻燃性能。

表4 整理后涤/棉混纺织物经不同次数洗涤后的阻燃性能Tab.4 Flame retardant properties of finished polyester/cotton fabrics after different times washing

图4 阻燃整理后经20次洗涤的涤/棉混纺织物垂直燃烧图Fig.4 Vertical combustion diagram of polyester/cotton fabrics after flame retardant finishing after 20 times washing

从表4垂直燃烧数据可知,经过20次洗涤后,涤/棉混纺织物的垂直燃烧损毁长度均增加,但是续燃时间和阴燃时间依然为0 s,这表明经过洗涤后整理涤/棉混纺织物仍然具有阻燃性能;图4表明,20次洗涤后整理涤/棉混纺织物垂直燃烧仍然可形成完整的炭,无熔滴产生,具有抗熔滴性能。

2.6 涤/棉混纺织物热稳定性能

涤/棉混纺织物在氮气氛围下的TG和DTG曲线如图5所示,氮气氛围下涤/棉混纺织物热重分析数据如表5所示。

图5 氮气氛围下涤/棉混纺织物的TG和DTG曲线图Fig.5 TG(a)and DTG(b) curves of polyester/cotton fabrics under nitrogen atmosphere

表5 氮气氛围下涤/棉混纺织物热重分析数据Tab.5 Thermogravimetric analysis data of polyester/cotton fabrics under nitrogen atmosphere

由图5可知,整理前后涤/棉混纺织物均有2个质量损失阶段,分别对应涤、棉组分的热分解[20]。由表5可知,在氮气氛围下,未整理涤/棉混纺织物的质量损失10%时的温度(T-10%)为360 ℃ ,而整理后涤/棉混纺织物的T-10%显著提前,这是由于阻燃剂催化棉组分中纤维素的裂解。未整理织物的最大热降解速率温度T1max和T2max分别为368、439 ℃,最大热降解速率R1max和R2max分别为1.16、4.27%/℃,而整理后涤/棉混纺织物的T1max和T2max分别为310、400 ℃左右,R1max和R2max分别为0.56、2.50%/℃左右。这可能是由于阻燃剂在高温条件下可以促进织物脱水成炭[21],形成的残炭覆于织物表面,隔绝热量传递,抑制织物进一步分解。整理后涤/棉混纺织物残炭量远高于未整理织物,尤其PA-e在600 ℃时的残炭量由未整理涤/棉混纺织物的5.4%提高至38.2%,说明PEI/PA涂层可以促进涤/棉混纺织物残炭的产生,提高涤/棉混纺织物的热稳定性。

2.7 涤/棉混纺织物燃烧后残炭形貌

PEI/PA整理前后涤/棉混纺织物垂直燃烧测试后残炭SEM照片如图6所示。由图可知:未整理涤/棉混纺织物残炭孔洞较多,不能起到隔氧隔热的作用;经PEI/PA整理涤/棉混纺织物炭层表面的孔洞明显减少,出现大量气泡,且成炭完整,意味着PEI/PA的引入在涤/棉混纺织物表面形成了膨胀炭层,起到了隔氧隔热的作用。因此,PEI/PA在涤/棉混纺织物表面发挥膨胀阻燃作用,可显著地提高其阻燃性能。

图6 整理前后涤/棉混纺织物残炭SEM照片(×600)Fig.6 SEM images of carbon residue before and after finishing of polyester/cotton fabrics(×600)

3 结 论

1)采用层层自组装方法,在涤/棉混纺织物表面构建PEI/PA阻燃涂层。与未整理涤/棉混纺织物相比,PEI/PA整理涤/棉混纺织物表面变得粗糙,红外光谱表明在涤/棉混纺织物表面成功构建PEI/PA阻燃涂层。

2)PEI/PA阻燃涂层可明显改善涤/棉混纺织物的阻燃性能,整理后其LOI值可提高至32.3%,损毁长度减少至98.0 mm,无续燃和阴燃,且整理后织物具有优异的抗熔滴性能。PEI/PA阻燃整理对织物断裂强力和白度影响较小。

3)PEI/PA阻燃整理后涤/棉混纺织物经过20次洗涤,LOI值可以保留在26%,20次洗涤后涤/棉混纺织物垂直燃烧损毁长度均增加,但是续燃时间和阴燃时间依然为0 s,表明PEI/PA阻燃涤/棉混纺织物具有较好的阻燃耐久性。

4)PEI/PA阻燃整理会使涤/棉混纺织物起始分解温度降低,PEI/PA可促进涤/棉混纺织物形成稳定的炭。PEI/PA可在涤/棉混纺织物表面形成膨胀炭层,发挥膨胀阻燃作用。

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