植酸對滌綸織物的阻燃整理

肖文成，關(guān)晉平，陳國強(qiáng)

(蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021

滌綸具有優(yōu)良的性能，如高強(qiáng)、高保形性、化學(xué)穩(wěn)定性、耐磨等，在裝飾用及家居用領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]。滌綸極限氧指數(shù)(LOI)在21%左右，屬于易燃纖維，燃燒會(huì)引起火災(zāi)，造成人民生命財(cái)產(chǎn)的損失[2-4]，因此往往需要進(jìn)行阻燃整理。用于滌綸改性的阻燃劑以磷系為主[5]，近年生物質(zhì)來源的阻燃劑成為研究熱點(diǎn)。

植酸(PA)又稱肌醇六磷酸酯，是一種環(huán)境友好、無毒的天然含磷有機(jī)化合物，其較高的含磷量(28%)賦予其優(yōu)良的阻燃性能[6]。程等人[7]將PA作為聚乳酸非織造布的生物磷阻燃劑，發(fā)現(xiàn)當(dāng)磷含量為2%時(shí)，其LOI高達(dá)36.1%，阻燃性能顯著提高，且整理后的斷裂強(qiáng)力手感沒有明顯的下降，但其耐水性能不能令人滿意。張等人[8]以PA與聚乙烯亞胺(PEI)為原料，制備了一種聚電解質(zhì)復(fù)合物，整理后的聚丙烯其熱氧化穩(wěn)定性和阻燃性表現(xiàn)良好，PP/20PEC的殘?zhí)扛枬M、致密，表面覆蓋有良好的膨脹層。

本實(shí)驗(yàn)采用植酸對滌綸織物進(jìn)行阻燃整理，探討工藝影響因素，得到優(yōu)化的阻燃整理工藝條件，并探討滌綸的阻燃性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

1.1.1 織物

白色滌綸梭織物(200 g/m2，蘇州兆海紡織科技有限公司)

1.1.2 試劑

植酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)70%，上海麥恪林生化科技有限公司)，三羥甲基氨基甲烷(生物試劑，生工生物工程股份有限公司)。

1.1.3 儀器

pHS-25型精密pH計(jì)，DNG-9123A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，JJ200型電子天平(上海丹納赫西特傳感工業(yè)控制有限公司)，EL-400型立式小軋車，LD-400型小型定形烘干機(jī)(上海朗高紡織設(shè)備有限公司)，YG026A型電子織物強(qiáng)力機(jī)(常州第二紡機(jī)廠)，全自動(dòng)白度計(jì)，YG(B)022D型自動(dòng)織物硬挺度試驗(yàn)儀(溫州大榮紡織儀器有限公司)，F(xiàn)TT0080型氧指數(shù)測定儀，F(xiàn)TT0001型微型量熱儀(英國FTT公司)，SDT Q600型熱分析儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

整理工藝：配制植酸工作液，用三羥甲基氨基甲烷(Tris)調(diào)節(jié)工作液pH值。二浸二軋(阻燃劑質(zhì)量濃度50、100、150、200、250、300 g/L，軋余率80%)→預(yù)烘(90 ℃，180 s)→焙烘(溫度150 ℃、160℃、170 ℃、180 ℃、190 ℃，時(shí)間60，120，180、240，300 s)。

1.3 測試方法

1.3.1 極限氧指數(shù)(LOI)

采用FTT0080型自動(dòng)氧指數(shù)測定儀，參照GB/T 5454-2014 《紡織品燃燒性能試驗(yàn)——氧指數(shù)法》，測試織物的極限氧指數(shù)。

1.3.2 白度

按GB/T 17644-2008《紡織纖維白度——色度試驗(yàn)方法》，采用白度儀進(jìn)行測定。

1.3.3 斷裂強(qiáng)力

按GB/T 3923.1-1997《紡織品——織物拉伸性能第1部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測定-條樣法》，采用YG026A型電子織物強(qiáng)力機(jī)進(jìn)行測定。

1.3.4 硬挺度

按GB/T18318-2001《紡織品織物彎曲長度的測定》，等效于標(biāo)準(zhǔn)ISO9073-7；采用YG(B)022D型自動(dòng)織物硬挺度試驗(yàn)儀進(jìn)行測定。

1.3.5 微燃燒測試(MCC)

剪取0.005 g織物試樣于小坩堝中，采用FTT0001型微型量熱儀進(jìn)行測定，包含：熱釋放總量、最高裂解溫度、熱釋放能力和熱釋放速率峰值。

1.3.6 熱重分析(TG)

將樣品烘干剪碎至粉末狀，在N2保護(hù)下，采用SDT Q600型熱分析儀進(jìn)行測定，分析樣品的熱穩(wěn)定性。溫度范圍：30 ℃～600 ℃，升溫速率為10 ℃/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 植酸整理工藝

2.1.1 pH值對極限氧指數(shù)(LOI)和白度的影響

植酸質(zhì)量百分比濃度為200 g/L，軋余率80%，90 ℃下預(yù)烘180 s，180 ℃下焙烘180 s的條件下處理滌綸織物，分別選取pH值為0.56、4、5、6、7，考察pH值對LOI值和白度的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 工作液pH值對織物L(fēng)OI值和白度的影響

由圖1可知，當(dāng)調(diào)節(jié)植酸溶液的pH值時(shí)，滌綸織物的白度有明顯的提升，而隨著pH值的增加，氧指數(shù)存在一個(gè)峰值，當(dāng)pH值=5時(shí)，LOI值最大為29.1。綜合考慮滌綸織物的LOI值和白度值，確定工作液pH值為5比較適合。

2.1.2 焙烘溫度對極限氧指數(shù)(LOI)和白度的影響

圖2 焙烘溫度對織物L(fēng)OI值和白度的影響

植酸200 g/L，pH值5，軋余率80%，90 ℃下預(yù)烘180 s的條件下，分別在150 ℃、160 ℃、170 ℃、180 ℃、190 ℃下焙烘180 s，考察焙烘溫度對LOI值及白度的影響，結(jié)果如圖2所示。 由圖2可知，隨著焙烘溫度的升高，滌綸織物的LOI值增大，即阻燃性提高。焙烘溫度170 ℃時(shí)，LOI值達(dá)到30.7，阻燃效果達(dá)到最佳，超過170 ℃反而下降。而隨著焙烘溫度的升高，滌綸織物的白度逐漸降低，超過170 ℃下降趨勢明顯。綜合考慮滌綸織物的LOI值和白度值，選擇焙烘溫度為170 ℃。

2.1.3 焙烘時(shí)間對極限氧指數(shù)(LOI)和白度的影響

植酸200 g/L，pH值5，軋余率80%，90 ℃下預(yù)烘180s，焙烘溫度170 ℃的條件下，焙烘時(shí)間分別選取60、120、180、240、300 s，考察焙烘時(shí)間對LOI值和白度的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 焙烘時(shí)間對織物L(fēng)OI值和白度的影響

由圖3可知，焙烘時(shí)間對LOI值的影響較小，隨著焙烘時(shí)間的增加，滌綸織物的LOI值增大，當(dāng)焙烘時(shí)間為180 s時(shí)LOI值最大為30.7；繼續(xù)增加時(shí)間，LOI值反而下降。而隨著焙烘時(shí)間的增加，滌綸織物的白度逐漸降低，超過180 s下降趨勢明顯。綜合考慮滌綸織物的LOI值和白度值，選擇焙烘時(shí)間為180 s。

2.1.4 植酸質(zhì)量濃度對極限氧指數(shù)(LOI)和白度的影響

pH值5，軋余率80%，90 ℃下預(yù)烘180 s，170 ℃下焙烘180 s的條件下處理，分別選取植酸質(zhì)量濃度50、100、150、200、250、300 g/L，考察植酸質(zhì)量濃度對LOI值的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 植酸質(zhì)量濃度對織物L(fēng)OI值和白度的影響

由圖4可知，隨著植酸質(zhì)量濃度的增加，LOI值增加；當(dāng)植酸質(zhì)量濃度達(dá)到200 g/L時(shí)，LOI值從21.5提升到30.7，阻燃效果較好。當(dāng)植酸質(zhì)量濃度>200 g/L時(shí)，LOI值上升曲線趨于平緩。而隨著植酸質(zhì)量濃度的增加，滌綸織物的白度基本沒有變化。綜合考慮滌綸織物的LOI值和白度值，選擇植酸質(zhì)量濃度為200 g/L。

綜上所述，植酸阻燃整理滌綸織物的優(yōu)化工藝為：植酸質(zhì)量濃度200 g/L，工作液pH值5，預(yù)烘溫度90 ℃，預(yù)烘時(shí)間180 s，焙烘溫度170 ℃，焙烘時(shí)間180 s。

2.2 阻燃滌綸織物的性能

2.2.1 燃燒性能

采用上述優(yōu)化工藝對滌綸織物進(jìn)行阻燃整理，采用氧指數(shù)測定儀和垂直燃燒試驗(yàn)儀測定其相關(guān)數(shù)據(jù)，測試結(jié)果如表1所示。

表1 滌綸織物燃燒的相關(guān)數(shù)據(jù)

由表1可知，經(jīng)植酸處理的滌綸織物的LOI值有明顯的提高。由于未處理滌綸織物燃燒后生成大量融滴，續(xù)燃時(shí)間明顯增加，而阻燃整理滌綸織物燃燒時(shí)生成的融滴量較少，續(xù)燃時(shí)間為0 s。未處理滌綸織物和阻燃整理滌綸織物在垂直燃燒試驗(yàn)雖然損毀長度(炭長)沒有明顯的降低，但整理織物的燃燒面積明顯小于未處理織物的燃燒面積。LOI和垂直燃燒試驗(yàn)均表明，PA作為阻燃劑能顯著改善滌綸織物的阻燃性能。

2.2.2 熱釋放速率

采用上述優(yōu)化工藝對滌綸織物進(jìn)行阻燃整理，其熱釋放速率曲線和相應(yīng)的燃燒數(shù)據(jù)分別如圖5和表2所示。

圖5 滌綸織物的熱釋放速率曲線

樣品熱釋放能力//(g·K)熱釋放速率峰值/(W/g)熱釋放總量/(kJ/g)未處理滌綸438.343520.5阻燃整理滌綸191.319614.1

由圖5可知，經(jīng)植酸整理的滌綸織物的熱釋放速率峰值明顯降低，與未處理滌綸織物的熱釋放速率峰值435 W/g相比，阻燃整理的滌綸織物的熱釋放速率峰值為196 W/g。如表2所示，阻燃整理滌綸織物的熱釋放能力和熱釋放總量均顯著下降，大大降低了火災(zāi)危險(xiǎn)性。

2.2.3 熱重分析

采用上述優(yōu)化工藝對滌綸織物進(jìn)行阻燃整理，在氮?dú)馇闆r下，對阻燃整理滌綸織物進(jìn)行熱失重分析，未處理滌綸和阻燃整理滌綸的TG曲線如圖6所示，其熱重分析數(shù)據(jù)如表3所示。

圖6 整理前后滌綸織物的熱重(TG)曲線

樣品T5%/℃Tmax/℃炭渣含量(600℃)/%未處理滌綸3904435.35阻燃整理滌綸37643123.33

由表3可知，未處理滌綸織物在390 ℃開始分解，之后失重迅速增加，最大降解速率發(fā)生在443 ℃；而阻燃整理滌綸織物的開始失重溫度為376 ℃，最大失重率時(shí)的溫度為431 ℃，較未處理滌綸都提高了，這是由于植酸的P-C鍵受熱易分解，可以捕捉滌綸織物在高溫降解時(shí)產(chǎn)生的活性自由基。由圖6可知，阻燃整理滌綸織物在100 ℃左右有一失重峰，這可能是由于PA脫水所致；在260 ℃左右有一失重峰，歸因于PA熱分解，碳化。TG分析結(jié)果表明，PA是一種有效的成炭劑，具有改善滌綸織物阻燃性能的作用，阻燃整理后的滌綸織物的成炭率高達(dá)23.33%，而未處理滌綸織物的成炭率僅為5.35%。

2.2.4 物理性能

采用上述優(yōu)化工藝對滌綸織物進(jìn)行阻燃整理，其物理性能見表4。

表4 植酸阻燃滌綸織物的物理性能

由表4可知，與未處理滌綸織物相比，阻燃整理滌綸織物的斷裂強(qiáng)力下降百分比僅為4.8%，白度下降百分比為14.69%，硬挺度下降百分比為10.4%，均無明顯影響。

3 結(jié)論

(1)植酸對滌綸織物進(jìn)行阻燃整理的優(yōu)化工藝為：植酸質(zhì)量百分比濃度200 g/L，工作液pH值5，預(yù)烘溫度90 ℃，預(yù)烘時(shí)間180 s，焙烘溫度170 ℃，焙烘時(shí)間180 s。

(2)經(jīng)優(yōu)化工藝處理后的滌綸織物表現(xiàn)出良好的阻燃性能，阻燃滌綸織物的極限氧指數(shù)達(dá)到30.7，炭長為12.2，燃燒面積明顯減小；通過MCC測試和TG分析，植酸能降低滌綸織物的熱分解速度和減少總熱釋放量，促進(jìn)織物殘?zhí)康男纬?；且對織物的物理性能無明顯影響。