新型磷氮阻燃劑的合成及工藝研究

汪季娟，陳曜揚(yáng)，楊蘭花

（義烏檢驗(yàn)檢疫科學(xué)技術(shù)研究院，浙江義烏 322000）

近年來(lái)，隨著人們對(duì)阻燃要求的提高和環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，磷氮系阻燃劑因具有磷氮協(xié)同作用，可以有效克服單一磷阻燃劑和氮阻燃劑存在的缺陷，具有低煙、低毒、高效等優(yōu)點(diǎn)，從而成為當(dāng)前研究的熱門[1-2]。其阻燃機(jī)理是磷氮阻燃劑在受熱時(shí)生成均勻致密的炭質(zhì)層，起到隔熱、隔氧、阻燃和抑煙的作用，并可有效阻止滴落現(xiàn)象，制止火焰的傳播和蔓延[3]。磷氮系阻燃劑是目前最具有發(fā)展前途的新型無(wú)鹵阻燃劑。

棉織物因其優(yōu)異的物理機(jī)械性能，較好的吸濕性，穿著舒適等優(yōu)點(diǎn)，受到了人們的青睞。但棉的LOI值僅為18%左右，屬于易燃纖維。因此，對(duì)棉織物的阻燃研究一直是紡織界的熱點(diǎn)[4]。本實(shí)驗(yàn)以三聚氯氰、羥乙基磺酸鈉和磷類化合物DOPO為原料，合成了具有反應(yīng)活性的磷氮阻燃劑YW-612，YW-612的氯原子可以被纖維素纖維中的陰離子取代，類似于發(fā)生活性染料的固色反應(yīng)，從而達(dá)到耐久性阻燃的目的。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

棉織物：全棉織物（紗卡）。

藥品：三聚氯氰，分析純,廣東翁江化學(xué)試劑有限公司；羥乙基磺酸鈉，化學(xué)純，廣東翁江化學(xué)試劑有限公司；9、10-二氫-9-氧雜-10-磷雜菲-10-氧化物（簡(jiǎn)稱DOPO）化學(xué)純,廣東翁江化學(xué)試劑有限公司；無(wú)水硫酸鈉，分析純，浙江三鷹化學(xué)試劑有限公司；無(wú)水碳酸鈉，分析純，浙江三鷹化學(xué)試劑有限公司；氫氧化鈉，分析純，浙江三鷹化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器

C-MAG S25電動(dòng)攪拌器（艾卡儀器），GM0.5真空泵（天津津騰），XMTD-702恒溫水浴鍋（金壇市精工儀器），AL204-Ic電子天平（梅特勒-托利多），fd53恒溫干燥箱（德國(guó)賓德），YG813D數(shù)顯氧指數(shù)測(cè)定儀（常州二紡儀），F(xiàn)OM71CLS縮水率試驗(yàn)機(jī)（瑞典伊萊克斯）。

1.3 磷-氮阻燃劑YW-612的合成

磷-氮阻燃劑YW-612的合成途徑為：

一氯均三嗪類化合物和纖維素離子Cell-O-在水中的反應(yīng)過(guò)程為：

其中氯原子被纖維素陰離子取代，類似于染料的固色反應(yīng)。

1.4 磷氮阻燃劑YW-612的整理工藝

用制備的磷氮阻燃劑YW-612作為整理劑，對(duì)純棉織物采用浸漬法整理，具體工藝過(guò)程如下：室溫條件下，在溢流染色機(jī)中配好工作液（整理劑0～20%，o.w.f），然后加入織物，浴比1∶20，并以2 ℃/min的速率升溫至50～70 ℃，然后加入無(wú)水硫酸鈉，保溫20～40 min；保溫結(jié)束后加入無(wú)水碳酸鈉，并繼續(xù)以2 ℃/min的速率升溫至70～90 ℃，保溫20～40 min；保溫結(jié)束后排液，室溫下清水洗2次，然后烘干。

1.5 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

氧指數(shù)法阻燃性能：根據(jù)GB/T 5454-1997《紡織品燃燒性能試驗(yàn)氧指數(shù)法》測(cè)試。

整理織物洗滌條件：按照GB/T 8629-2017《紡織品 試驗(yàn)用家庭洗滌和干燥程序》程序5N，懸掛晾干進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 整理工藝正交實(shí)驗(yàn)

磷氮阻燃劑YW-612結(jié)構(gòu)中含有活性氯，在一定條件下能夠與纖維織物結(jié)構(gòu)中的羥基發(fā)生反應(yīng)，從而賦予織物阻燃耐久性。本文以織物的極限氧指數(shù)LOI為測(cè)試指標(biāo)，選擇純棉紗卡為測(cè)試織物，整理劑用量為10%織物重，浴比1∶20，采用6因素5水平正交實(shí)驗(yàn)，研究了吸附溫度（A）、吸附時(shí)間（B）、固著溫度（C）、固著時(shí)間（D）、無(wú)水硫酸鈉用量（E）和無(wú)水碳酸鈉用量（F）等因素對(duì)整理工藝的影響。正交實(shí)驗(yàn)因素水平表和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)表1和表2。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表

由表2可以看出，整理過(guò)程中影響織物極限氧指數(shù)LOI的因素由高到低的順序?yàn)闊o(wú)水硫酸鈉用量（E）＞固著溫度（C）＞無(wú)水碳酸鈉用量（F）＞固著時(shí)間（D）＞吸附溫度（A）＞吸附時(shí)間（B）。其中5#工藝效果最好，得到的極限氧指數(shù)LOI為30.2，即優(yōu)化條件為A1B5C5D5E5F5，與之對(duì)應(yīng)的整理工藝為：吸附溫度50 ℃，吸附時(shí)間40 min，固著溫度90 ℃，固著時(shí)間40 min，無(wú)水硫酸鈉用量40 g/L，無(wú)水碳酸鈉用量35 g/L。

2.2 阻燃劑用量對(duì)織物阻燃性能的影響

按優(yōu)化的整理工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，考察了阻燃劑用量對(duì)織物阻燃性能的影響，結(jié)果見(jiàn)圖1。

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1 阻燃劑用量和極限氧指數(shù)LOI關(guān)系圖

一般認(rèn)為，材料的氧指數(shù)＜22%屬于易燃材料，22≤氧指數(shù)≤27屬于緩燃材料，＞27屬于阻燃材料。

由圖1可以看出，極限氧指數(shù)LOI與阻燃劑用量成正比，極限氧指數(shù)LOI越高，表示織物阻燃性能越好。當(dāng)用量達(dá)到15%o.w.f以上時(shí)，隨著用量的增加，阻燃效果無(wú)明顯改善。且當(dāng)用量較大時(shí)，整理后織物的強(qiáng)力損傷較大、手感較差，綜合考慮，確定阻燃劑最佳用量為15%o.w.f。

2.3 整理織物阻燃耐久性能

選取阻燃劑濃度為15%o.w.f，按照正交試驗(yàn)所得的優(yōu)化工藝對(duì)純棉織物進(jìn)行阻燃整理，考察洗滌次數(shù)對(duì)織物阻燃性能的影響。結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 水洗次數(shù)對(duì)織物阻燃性能的影響

從圖2實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隨著水洗次數(shù)的增加，極限氧指數(shù)開(kāi)始下降比較快，當(dāng)次數(shù)達(dá)到30次以上時(shí)，變化趨于平緩。經(jīng)20次水洗后，極限氧指數(shù)為27.9，屬于難燃織物；經(jīng)50次水洗后織物的極限氧指數(shù)仍可達(dá)到26.0，具有一定的阻燃性能，說(shuō)明整理后織物具有較好的耐久性，同時(shí)也驗(yàn)證了該磷氮阻燃劑YW-612為耐久性阻燃劑。

3 結(jié)論

（1）以三聚氯氰、羥乙基磺酸鈉和磷類化合物DOPO為原料合成了具有反應(yīng)活性的磷氮阻燃劑YW-612，YW-612的氯原子可以和纖維素纖維中的羥基發(fā)生反應(yīng)，從而達(dá)到耐久性阻燃的目的。

（2）用合成的阻燃劑YW-612對(duì)純棉織物進(jìn)行阻燃整理，通過(guò)6因素5水平正交實(shí)驗(yàn)確定了最佳整理工藝，其對(duì)應(yīng)的最佳整理工藝參數(shù)為：吸附溫度50 ℃，吸附時(shí)間40 min，固著溫度90 ℃，固著時(shí)間40 min，無(wú)水硫酸鈉用量40 g/L，無(wú)水碳酸鈉用量35 g/L。

（3）采用優(yōu)化的整理工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，考察阻燃劑濃度對(duì)整理滌綸織物的阻燃性能影響，確定整理最佳濃度為15%o.w.f。

（4）通過(guò)對(duì)阻燃整理后的織物進(jìn)行一定次數(shù)水洗并測(cè)試極限氧指數(shù)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)50次水洗后織物仍具有一定的阻燃性能，說(shuō)明整理后織物具有較好的耐久性，該磷氮阻燃劑YW-612為耐久性阻燃劑。