環(huán)保阻燃劑對棉織物阻燃性能的研究

劉東發(fā)，李曉增

(廣州市質(zhì)量監(jiān)督檢測研究院，廣東 廣州 511442)

棉織物又稱棉布，是以棉紗為原料的機織物。棉織物以優(yōu)良的服用性能成為最常用的面料之一，廣泛用于服裝面料、裝飾織物和產(chǎn)業(yè)用織物。隨著紡織印染加工的深入發(fā)展，棉織物品種日益豐富，外觀和性能及檔次也不斷提高。由于化學纖維的發(fā)展，出現(xiàn)了棉型化纖，其長度(一般為38 mm左右)等物理性狀符合棉紡工藝要求，在棉紡設(shè)備上純紡或與棉纖維混紡而成，這類纖維的織物以及棉織物統(tǒng)稱為棉型織物[1]。但其阻燃性一直是十分棘手的問題，因而限制了它的應(yīng)用[2]。

目前棉織物耐久阻燃劑一般進行羥甲基化，導致含有大量的甲醛，同時為了提高阻燃效率，需添加含羥甲基反應(yīng)基團的交聯(lián)劑，經(jīng)過整理后，織物上游離甲醛含量過高且存在后續(xù)甲醛釋放的問題。在世界“綠色消費”浪潮的沖擊下，世界各國對生產(chǎn)和進口的紡織品要求不含有毒、污染物質(zhì)，在紡織貿(mào)易方面設(shè)立了許多技術(shù)壁壘，嚴重制約了我國紡織品的出口，因此，研究開發(fā)、生產(chǎn)和使用無甲醛、無鹵素阻燃劑對棉織物進行阻燃整理，并能達到一定的可洗滌性是本文研究的重點。本文選擇的甲基膦酸二甲酯(DMMP)作為棉織物的阻燃劑，無甲醛，不含鹵素。其阻燃機理是：當阻燃織物遇到火源時，DMMP在高溫下分解，先分解成磷酸，再失去水生成焦磷酸，繼而生成偏磷酸和聚偏磷酸，從而形成不揮發(fā)性的磷酸層覆蓋于燃燒物表面上，達到隔絕空氣和熱源，以迫使燃燒停止[3-4]。

1 試驗

1.1 材料和設(shè)備

織物：純棉漂白平布21 tex×21 tex(濰坊龍都棉紡織印染有限公司)。

主要試劑：甲基膦酸二甲酯(廣州市正通化工有限公司)、五氧化二磷(廣州市化學試劑廠)、滲透劑 (季戊四醇，廣州市化學試劑廠)。

設(shè)備：電子天平(T214，北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司)，高低溫試驗箱(LP/GDW-010C，上海林頻儀器股份有限公司)，西門子全自動洗衣機，氧指數(shù)測定儀(HC-2C，南京上元分析儀器有限公司)，水平垂直燃燒測試儀(CFZ-3，南京市江寧區(qū)分析儀器廠)。

1.2 阻燃整理工藝

按照設(shè)計配方配制阻燃整理液，然后按浴比1 ∶10將試樣浸入阻燃整理液，30 min攪拌一次，確保阻燃劑能最大程度地附著于織物上，浸漬后脫水8 min，再在烘箱中烘干(70 ℃，30 min)，以備隨后進行的阻燃性能測試。

1.3 測試

1.3.1 阻燃性能測試

極限氧指數(shù)按GB/T 5454-1997《紡織品 燃燒性能試驗 氧指數(shù)法》[5]測試；垂直燃燒性能按GB/T5455-1997《紡織品 燃燒性能試驗垂直法》[6]測試。阻燃性能分級按GB 20286-2006《公共場所阻燃制品及組件燃燒性能要求和標識》[7]織物類進行判定(阻燃1級：氧指數(shù)≥32，損毀炭長≤150 mm，續(xù)燃時間≤5 s，陰燃時間≤5 s；阻燃2級：損毀炭長≤200 mm，續(xù)燃時間≤10 s，陰燃時間≤10 s)。

1.3.1.1 定義

極限氧指數(shù)：在規(guī)定的試驗條件下，氧氮混合物中材料剛好保持燃燒狀態(tài)所需要的最低氧濃度。

續(xù)燃時間：在規(guī)定的試驗條件下，移開(點)火源后材料持續(xù)有焰燃燒的時間。

陰燃時間：在規(guī)定的試驗條件下，當有焰燃燒終止后，或者移開(點)火源后，材料持續(xù)無焰燃燒的時間。

損毀長度：在規(guī)定的試驗條件下，在規(guī)定方向上材料損毀面積的最大距離。

氧指數(shù)越高、續(xù)燃時間越短、陰燃時間越短、損毀長度越小，則阻燃性越好。

1.3.1.2 原理

氧指數(shù)試驗：用氧指數(shù)測定儀裝置進行試驗，氣源用的是工業(yè)用氧氣和氮氣。試樣從縱向和橫向至少各取15塊試樣，試樣尺寸為(150×58) mm。試樣在溫度(20±2) ℃，相對濕度為(65±4)%處理8～24 h，試驗在10～30 ℃和相對濕度30%～80%的大氣中進行試驗，試樣點燃后續(xù)燃、陰燃時間不到2 min，或者損毀長度不到40 mm時，氧濃度過低。反之，試樣點燃后續(xù)燃、陰燃時間超過2 min，或者損毀長度超過40 mm時，氧濃度過高。通過系列試驗之后，計算得出試樣的極限氧指數(shù)。

垂直燃燒試驗：用垂直燃燒試驗儀進行試驗，氣源是丙烷或丁烷氣體，樣品縱向和橫向各取五塊試樣，尺寸為300 mm×80 mm，試樣在溫度(20±2)℃，相對濕度(65±3)%放置8～24 h。試驗在10～30 ℃及相對濕度30%～80%的大氣中進行。點燃時間設(shè)定為12 s，記錄續(xù)燃時間和陰燃時間，讀數(shù)精確到0.1 s，測量試樣撕裂長度即是損毀長度，精確到1 mm，分別計算縱向和橫向五個試樣的續(xù)燃時間、陰燃時間和損毀長度的平均值作為試驗的結(jié)果。

1.3.2 耐洗性能測試

2 結(jié)果與討論

2.1 阻燃劑質(zhì)量濃度對織物阻燃性能的影響

阻燃劑質(zhì)量濃度對織物阻燃性能的影響如表1、圖1。

表1 阻燃劑質(zhì)量濃度對織物垂直燃燒性能的影響

注：季戊四醇15 g/L，浸漬溫度60 ℃，浸漬時間3 h。

圖1 阻燃劑質(zhì)量濃度對織物氧指數(shù)的影響

由表1、圖1可以看出: 隨著阻燃劑質(zhì)量濃度的增加，停留在織物內(nèi)的阻燃元素(磷 )的量也增大，阻燃性能也隨之提高，但阻燃劑質(zhì)量濃度增加到250 g/L時阻燃效果反而下降。阻燃效果先增強后減弱可能是因為阻燃劑質(zhì)量濃度較低時，隨阻燃劑質(zhì)量濃度的增大，阻燃劑熔融吸熱帶走了一部分燃燒環(huán)境的能量，隨著溫度的升高，阻燃劑的熱分解釋放的不燃性氣體覆蓋在織物表面，起到了氣相阻燃作用，并稀釋了可燃氣體；同時由于阻燃劑的良好成炭作用，使棉提前熔融分解成炭，造成隔熱或隔氧的情況，阻止了棉的進一步分解，起到了固相阻燃作用，兩者的共同作用使阻燃性能迅速提高。但是當阻燃劑質(zhì)量濃度超過一定值后，使得一部分阻燃劑沒有很好地結(jié)合到織物上，造成了實際阻燃劑含量的減少；另外，阻燃劑質(zhì)量濃度的加大，雖然可起到氣相與固相阻燃作用，但由于阻燃劑分解所釋放的熱量會反饋到被阻材料中，多元羧酸、纖維素大分子的反應(yīng)基團是一定的，此時阻燃劑已能充分與多元羧酸、纖維素大分子反應(yīng)，再增加阻燃劑質(zhì)量濃度，阻燃性能不再增加而有所下降。因此，阻燃劑的最佳質(zhì)量濃度以200 g/L左右為宜。

2.2 季戊四醇質(zhì)量濃度對阻燃性能的影響

季戊四醇質(zhì)量濃度對織物阻燃性能的影響如表2、圖2。

表2 季戊四醇質(zhì)量濃度對織物垂直燃燒性能的影響

注：阻燃劑200 g/L，浸漬溫度60 ℃，浸漬時間3 h。

圖2 季戊四醇質(zhì)量濃度對織物氧指數(shù)的影響

由表2、圖2可以看出，隨著季戊四醇質(zhì)量濃度的增加，阻燃性能也隨之提高，當季戊四醇質(zhì)量濃度15 g/L時，阻燃性能最好，繼續(xù)增加季戊四醇質(zhì)量濃度，阻燃性能變化不大。這種現(xiàn)象的原因是在甲基膦酸二甲酯與五氧化二磷完全反應(yīng)的情況下，季戊四醇本身添加量的多少并不給阻燃劑體系顏色帶來變化。但季戊四醇質(zhì)量濃度增加使得阻燃劑中的羥基含量增加，提高阻燃劑與交聯(lián)劑和纖維素的反應(yīng)幾率，使得阻燃效果增加；當季戊四醇質(zhì)量濃度為15 g/L時，體系內(nèi)反應(yīng)完全。在含磷量一定的基礎(chǔ)上，繼續(xù)提高季戊四醇的質(zhì)量濃度，不會提高阻燃劑體系內(nèi)的羥基含量，所以阻燃效果變化不大。因此，選擇季戊四醇的最佳質(zhì)量濃度為15 g/L。

2.3 浸漬溫度和時間對阻燃性能的影響

浸漬是為了把阻燃整理液充分并均勻地施加于織物上，浸漬溫度越高，浸漬時間長，可使阻燃整理液充分浸透。由表3、圖3可知，隨著浸漬溫度的升高，阻燃效果相應(yīng)提高。由表4、圖4可見, 隨著浸漬時間的延長，阻燃效果也會增強，但溫度過高、時間過長，增強效果并不明顯。出現(xiàn)這些現(xiàn)象的原因是纖維素大分子和阻燃劑在浸漬過程中發(fā)生酯化反應(yīng)，相互之間建立了分子間酯鍵。當阻燃劑質(zhì)量濃度較低時，阻燃劑充分與纖維素大分子建立分子間酯鍵，固著于織物上，使得阻燃性隨著質(zhì)量濃度的增加有所提高。當體系內(nèi)反應(yīng)完全后，提高浸漬溫度和浸漬時間，不會產(chǎn)生新的反應(yīng)，所以阻燃性能變化不大。綜合分析，最佳浸漬條件是以 80 ℃、3 h為宜。

表3 浸漬溫度對織物垂直燃燒性能的影響

注：阻燃劑200 g/L，季戊四醇15 g/L，浸漬時間3 h。

圖3 浸漬溫度對織物氧指數(shù)的影響

表4 浸漬時間對織物垂直燃燒性能的影響

注：阻燃劑200 g/L，季戊四醇15 g/L，浸漬溫度60 ℃。

圖4 浸漬時間對織物氧指數(shù)的影響

2.4 阻燃整理的耐水洗性能

選取最佳工藝條件對棉織物進行整理，分析洗滌次數(shù)對阻燃性能的影響，從而判別該阻燃整理的耐水洗性。

表5 水洗次數(shù)對織物垂直燃燒性能的影響

注：阻燃劑200 g/L，季戊四醇15 g/L，浸漬溫度60 ℃，浸漬時間3 h。

圖5 水洗次數(shù)對織物氧指數(shù)的影響

根據(jù)表5可以看出阻燃性能隨著水洗次數(shù)的增加而降低，在水洗至20次時，阻燃性能驟降且達不到阻燃性能的技術(shù)指標。原因是水洗次數(shù)增加，破壞了阻燃劑與纖維素分子的結(jié)合，阻燃劑會失去，從而失去阻燃效果。

3 結(jié) 論

(1)DMMP阻燃劑對棉織物有阻燃作用，且這類阻燃劑無鹵素、不含甲醛，對環(huán)境無污染，屬于環(huán)保型阻燃劑。

(2)通過實驗得出的最佳阻燃處理工藝為：阻燃劑200 g/L，滲透劑15 g/L，浸漬溫度80 ℃，浸漬時間3 h。

(3)經(jīng)阻燃整理的織物水洗15次后，其阻燃性能仍能達到GB 20286-2006標準中的阻燃1級。

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[6] 國家技術(shù)監(jiān)督局.GB/T 5455-1997紡織品燃燒性能試驗垂直法[S].中國紡織總會標準化研究所.北京：中國標準出版社，1997.

[7] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB 20286-2006公共場所阻燃制品及組件燃燒性能要求和標識[S]. 全國消防標準化技術(shù)委員會防火材料分委會.北京：中國標準出版社，2006.

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