阻燃劑PTA的制備以及在腈綸上的應(yīng)用研究

劉 群，丁 斌，郝鳳嶺，關(guān) 昶，李 祥，王海東

(吉林化工學(xué)院石油化工學(xué)院，吉林吉林132022)

腈綸的蓬松、卷曲、柔軟等性能與羊毛相似，具有類(lèi)似羊毛的手感和保暖性.此外，腈綸織物易洗易干，護(hù)理簡(jiǎn)單，具有耐光性、耐氣候性、耐霉菌性和優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性.但腈綸屬易燃性纖維，其極限氧指數(shù)在合成纖維中最低，并且燃燒時(shí)放出毒性較大的氰化物和氨氣等［1］.因而，對(duì)腈綸織物的阻燃研究具有重要意義.

目前腈綸的阻燃整理方法主要有共聚、共混、化學(xué)改性、阻燃后整理等［1］.共聚、共混、化學(xué)改性等方法可以使纖維獲得永久的阻燃性，但加工成本較高，纖維的力學(xué)性能也受到了相應(yīng)的影響，并且已工業(yè)化的阻燃纖維以含鹵阻燃元素為主［2-3］.阻燃后整理法相對(duì)工藝簡(jiǎn)單，容易操作，加工靈活［3］.

膨脹型阻燃劑具有無(wú)鹵、低煙、低毒、防熔滴和無(wú)腐蝕性氣體的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)酸源、炭源、氣源“三源”的協(xié)同作用，對(duì)材料進(jìn)行阻燃，已成為阻燃劑無(wú)鹵化的重要途徑之一［4-6］.

本工作以季戊四醇磷酸酯、三乙醇胺為原料，合成了多組分膨脹型阻燃劑(PTA).確定了最佳合成工藝，并探討了在腈綸織物上的后整理工藝條件.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

織物材料:腈綸.化學(xué)藥品:季戊四醇磷酸酯，參照文獻(xiàn)［4］自制;三乙醇胺，質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞85%，天津市大茂化學(xué)試劑廠.主要儀器:R-3自動(dòng)定型烘干機(jī)，廣州志順機(jī)械設(shè)備有限公司;YGB815A織物阻燃性能測(cè)試儀，溫州方圓儀器有限公司.

1.2 合成方法

按一定的比例將季戊四醇磷酸酯、三乙醇胺、甲苯加入到裝有溫度計(jì)、攪拌器、分水器和球形冷凝管的250 mL四口瓶中，攪拌、加熱升溫，達(dá)到80℃時(shí)加入對(duì)甲苯磺酸，并開(kāi)始計(jì)時(shí)，在沸騰的狀態(tài)下，將反應(yīng)生成的水與甲苯共沸蒸出，在分水器中分出水相，甲苯回流.反應(yīng)一定時(shí)間，結(jié)束反應(yīng).在真空度0.07 MPa以上，100℃下，對(duì)濾液進(jìn)行減壓蒸餾，蒸出帶水劑甲苯(循環(huán)使用)，得到阻燃劑PTA為黃色稠狀物.并對(duì)腈綸織物進(jìn)行阻燃整理，做垂直燃燒測(cè)試.

1.3 整理工藝

整理液處方:PTA，300 g·L－1.

整理工藝:浸軋整理液(二浸二軋，軋余率100%)→預(yù)烘(80℃，3 min)→焙烘(160℃，2 min)→成品.

1.4 阻燃性能測(cè)試

參照GB/T5455-1997《織物燃燒性能試驗(yàn)垂直法》標(biāo)準(zhǔn)，用YG2815A型織物阻燃性能測(cè)試儀平行測(cè)試3次，取平均值.

B1級(jí):損毀炭長(zhǎng)≤15 cm，續(xù)燃時(shí)間≤5 s，陰燃時(shí)間≤5 s;

B2級(jí):損毀炭長(zhǎng)≤20 cm，續(xù)燃時(shí)間≤10 s，陰燃時(shí)間≤10 s.

2 結(jié)果與討論

2.1 三乙醇胺與季戊四醇磷酸酯的質(zhì)量比對(duì)腈綸織物損毀炭長(zhǎng)的影響

對(duì)甲苯磺酸用量為季戊四醇磷酸酯和三乙醇胺總質(zhì)量的1%，m(甲苯)m(酯/胺)=0.91，沸騰狀態(tài)(136℃)下，反應(yīng)4 h，按1.3整理腈綸織物，考察三乙醇胺與季戊四醇磷酸酯的質(zhì)量比對(duì)腈綸織物損毀炭長(zhǎng)的影響，結(jié)果見(jiàn)圖1.

圖1 三乙醇胺與季戊四醇磷酸酯的質(zhì)量比對(duì)腈綸織物損毀炭長(zhǎng)的影響

由圖1可知，隨著三乙醇胺與季戊四醇磷酸酯質(zhì)量比的增加，織物損毀炭長(zhǎng)降低，當(dāng)質(zhì)量比達(dá)到1.7時(shí)，損毀炭長(zhǎng)最小為8.5 cm.繼續(xù)增大摩爾比損毀炭長(zhǎng)增大.選取三乙醇胺與季戊四醇磷酸酯質(zhì)量比為1.7 1.

2.2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)腈綸織物損毀炭長(zhǎng)的影響

三乙醇胺與季戊四醇磷酸酯質(zhì)量比為1.7 1，對(duì)甲苯磺酸用量為季戊四醇磷酸酯和三乙醇胺總質(zhì)量的 1%，m(甲苯)m(酯/胺)=0.91，沸騰狀態(tài)(136℃)下反應(yīng)，按1.3整理腈綸織物，考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)腈綸織物損毀炭長(zhǎng)的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2.

圖2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)腈綸織物損毀炭長(zhǎng)的影響

由圖2可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，織物損毀炭長(zhǎng)先降低，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間達(dá)到4 h，損毀炭長(zhǎng)為8.6 cm，繼續(xù)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間損毀炭長(zhǎng)增大.故適宜的反應(yīng)時(shí)間為4 h.

2.3 催化劑用量對(duì)腈綸織物損毀炭長(zhǎng)的影響

三乙醇胺與季戊四醇磷酸酯質(zhì)量比為1.7 1，m(甲苯)m(酯/胺)=0.9 1，沸騰狀態(tài)(136 ℃)下反應(yīng)，按1.3整理腈綸織物，考察催化劑用量對(duì)腈綸織物損毀炭長(zhǎng)的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3.

圖3 催化劑用量對(duì)腈綸織物損毀炭長(zhǎng)的影響

由圖3可知，隨著催化劑用量的增加，織物損毀炭長(zhǎng)變小，當(dāng)催化劑用量為酸醇總質(zhì)量1%的時(shí)候，織物損毀炭長(zhǎng)最小為8.4 cm，再增加催化劑用量織物損毀炭長(zhǎng)變大.適宜的催化劑用量為1%.

2.4 阻燃劑濃度對(duì)腈綸織物損毀炭長(zhǎng)的影響

按上文確認(rèn)的最佳合成工藝制備阻燃劑PTA，參照1.3的整理工藝，改變阻燃劑濃度，其他條件不變，考察阻燃劑濃度對(duì)腈綸織物損毀炭長(zhǎng)的影響，結(jié)果見(jiàn)圖4.

圖4 阻燃劑濃度對(duì)腈綸織物損毀炭長(zhǎng)的影響

由圖4可知，隨著整理液濃度增大，損毀炭長(zhǎng)逐漸變小，當(dāng)整理液濃度為250 g·L－1時(shí)，損毀炭長(zhǎng)最小為8.1 cm，整理液濃度再增加，損毀炭長(zhǎng)增大，所以較佳整理液濃度為250 g·L－1.

2.5 焙烘溫度對(duì)腈綸織物損毀炭長(zhǎng)的影響

按上文確認(rèn)的最佳合成工藝制備阻燃劑PTA，參照1.3的整理工藝，阻燃劑濃度為250 g·L－1，改變焙烘溫度，其他條件不變，考察焙烘溫度對(duì)腈綸織物損毀炭長(zhǎng)的影響，結(jié)果見(jiàn)圖5.

圖5 焙烘溫度對(duì)腈綸織物損毀炭長(zhǎng)的影響

由圖5可知，隨著焙烘溫度的增加，損毀炭長(zhǎng)逐漸減小，當(dāng)焙烘溫度為150℃、160℃時(shí)，損毀炭長(zhǎng)均為7.8 cm，焙烘溫度再增加，損毀炭長(zhǎng)增大，考慮能耗問(wèn)題，選取較佳焙烘溫度為150℃.

2.6 焙烘時(shí)間對(duì)腈綸織物損毀炭長(zhǎng)的影響

按上文確認(rèn)的最佳合成工藝制備阻燃劑PTA，參照1.3的整理工藝，阻燃劑濃度為250 g·L－1，焙烘溫度為150℃，其他條件不變，考察焙烘時(shí)間對(duì)腈綸織物損毀炭長(zhǎng)的影響，結(jié)果見(jiàn)圖6.

圖6 焙烘時(shí)間對(duì)腈綸織物損毀炭長(zhǎng)的影響

圖6可知，隨著焙烘時(shí)間的增加，損毀炭長(zhǎng)逐漸減小，當(dāng)焙烘時(shí)間為2 min時(shí)，損毀炭長(zhǎng)最小為7.9 cm，焙烘時(shí)間再增加，損毀炭長(zhǎng)增大，所以較佳焙烘時(shí)間為2 min.

3 結(jié) 論

以季戊四醇磷酸酯和三乙醇胺為原料，對(duì)甲苯磺酸為催化劑，甲苯為帶水劑，合成了膨脹型阻燃劑 PTA.確定了合成 PT的最佳反應(yīng)條件:m(TEA)m(PEPA)=1.71，催化劑用量為季戊四醇磷酸酯和三乙醇胺總質(zhì)量的1%，反應(yīng)溫度為136℃，反應(yīng)時(shí)間4 h;在阻燃劑濃度為250 g·L－1、150℃的條件下焙烘 2 min，阻燃腈綸織物的阻燃效果顯著，無(wú)熔滴，煙量小，損毀炭長(zhǎng)為7.9 cm，達(dá)到 B1 級(jí).

［1］ 曹堃，秦一秀，姚臻.腈綸阻燃研究進(jìn)展［J］.高分子材料科學(xué)與工程，2008，24(9):1-4.

［2］ 趙立新.腈綸膨體線的改性阻燃整理［J］.印染，2001，21(7):26-28.

［3］ 宋移團(tuán)，王銳，張?zhí)祢湥?改性聚丙烯腈纖維的研究進(jìn)展［J］.合成纖維，2006(2):10-13.

［4］ 郝鳳嶺，丁斌，關(guān)昶，等.季戊四醇磷酸酯三聚氰胺鹽合成工藝研究［J］.彈性體，2011，21(5):52-55.

［5］ 蔣巍，丁斌.氮-磷復(fù)合阻燃劑的制備及阻燃性能研究［J］.化學(xué)世界，2014，55(1):34-36

［6］ 劉群，丁斌，郝鳳嶺，等.硼磷氮協(xié)同阻燃劑NB-DDYP在純棉織物上的應(yīng)用［J］.吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，31(1):4-6.