溶膠-凝膠涂覆棉織物的制備及其阻燃性能

李 靜，陳華鋼

（廣東白云學院藝術設計學院，廣東廣州 510000）

棉織物是最常用的天然面料之一，因其柔軟舒適、透氣性良好、可生物降解，被廣泛應用于服裝、床上用品等［1］。棉織物的極限氧指數(shù)約為18%，屬于易燃纖維，在火災時對人身財產(chǎn)安全構(gòu)成了極大威脅。為降低棉織物造成的火災風險，棉織物阻燃整理越來越受重視［2-4］。溶膠-凝膠技術是利用金屬醇鹽水解和縮聚形成穩(wěn)定的溶膠體系，經(jīng)凝膠化后處理得到氧化物或其他化合物的工藝，可在織物表面形成穩(wěn)定且物理化學性能優(yōu)異的納米涂層［5-6］。溶膠-凝膠涂層充當纖維基材的屏障可避免纖維被破壞，使纖維織物具備阻燃、抗菌和抗紫外等性能［7-8］。溶膠-凝膠整理織物的阻燃機理是在織物表面創(chuàng)建物理屏障充當隔絕保護層，從而提高織物的阻燃性能；相比傳統(tǒng)的阻燃整理方式，溶膠-凝膠涂層反應條件溫和、對環(huán)境影響小，適合大規(guī)模生產(chǎn)［9-10］。研究表明，含有P、Si 的有機-無機雜化工藝應用于紡織物整理可增加織物在燃燒過程中的殘?zhí)浚纳茻崞帘涡Ч?1-12］。本研究以二乙基磷酰乙基三乙氧基硅烷和單乙醇胺的硅溶膠為涂層劑，通過浸軋-焙烘結(jié)合溶膠-凝膠法制備阻燃棉織物，采用傅里葉紅外光譜、熱重分析、形貌分析、微尺度燃燒量熱分析等進行表征，并利用極限氧指數(shù)（LOI）、垂直燃燒實驗和水洗實驗對整理棉織物的阻燃性能及耐久性進行測試。

1 實驗

1.1 材料與儀器

織物：純棉織物（210 g/m2，200 mm×300 mm，平紋，濰坊市高源紡織有限公司）；試劑：二乙基磷酰乙基三乙氧基硅烷（DPTES，95%，BOC Science 公司），鹽酸（HCl，37.5%）、無水乙醇、單乙醇胺（MEA，99%）（國藥集團化學試劑有限公司），實驗用水為自制去離子水。

儀器：FTT0006 微型錐形量熱儀（美國FTT 公司），TG209-F1 熱重分析儀（德國Netzsch 公司），Vec?tor 22 型傅里葉紅外光譜儀（德國Bruker 公司），QUA?TA200 型掃描電子顯微鏡（荷蘭FEI 公司），極限氧指數(shù)測定儀（英國ATLAS 公司），LFY-601 垂直法織物阻燃性能測試儀（山東省紡織科學研究院），PA-O-886浸軋機（臺灣Labortex 公司）。

1.2 溶膠-凝膠涂覆棉織物的制備

將1 mL DPTES 溶液加入20 mL HCl 溶液中，再加入5 mL 無水乙醇，劇烈攪拌12 h，加入50 mL 去離子水，滴加MEA 并持續(xù)攪拌，調(diào)節(jié)pH 為6，將脫漿洗滌后的棉織物浸入其中，10 min 后取出，浸軋（軋余率為70%），取出后60 ℃烘10 min，重復3 次后放置于170 ℃的烘箱中高溫焙烘4 min，得到溶膠-凝膠整理棉織物。

1.3 測試

阻燃性能：通過極限氧指數(shù)測試、垂直燃燒實驗和微型錐形量熱測試進行研究。

LOI：參考GB/T 5454—1997《紡織品 燃燒性能試驗氧指數(shù)法》測定，LOI 值越高，棉織物的阻燃性能越好。

垂直燃燒實驗：參考GB/T 5455—1997《紡織品燃燒性能試驗垂直法》測試棉織物的陰燃時間、續(xù)燃時間和損毀長度。陰燃時間、續(xù)燃時間和損毀長度越短，棉織物的阻燃性能越好。

微型錐形量熱測試（MCC）：參考ASTM E 7309-13 測試，測試前棉織物在75 ℃真空烘箱中干燥8 h，加熱溫度為100～750 ℃，升溫速率為1 ℃/s，N2流量為80 mL/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 表征

2.1.1 FT-IR

如圖1a 所示，未整理棉織物在3 335 cm-1附近的寬峰和在2 900 cm-1附近的吸收峰對應—OH 的伸縮振動和—CH2—的伸縮振動，在1 635 cm-1處的吸收峰對應—OH 的彎曲振動，表明棉織物纖維中存在一定的水分，在1 000～1 500 cm-1處連續(xù)的特征峰對應C—O—C 的伸縮振動，屬于棉織物纖維的典型纖維素峰。如圖1b 所示，除棉織物本身的特征峰外，溶膠-凝膠整理棉織物在3 500～3 000 cm-1處較寬的峰對應MEA 的N—H 伸縮振動，在1 635、1 520 cm-1處的峰分別對應MEA 的N—H 對稱以及非對稱彎曲振動，在1 055、776 cm-1處的峰分別對應Si—O 的伸縮振動和Si—O—Si 的對稱伸縮振動，表明Si—O—Si 結(jié)構(gòu)成功附著于棉織物中［13］。

圖1 未整理棉織物(a)和溶膠-凝膠整理棉織物(b)的FT-IR 圖譜

2.1.2 TG

如圖2 所示，未整理棉織物的熱解分為3 個階段：（1）100 ℃附近的初始分解階段，質(zhì)量損失主要歸因于棉織物中水分的蒸發(fā)；（2）300～400 ℃的主要熱解階段，棉織物質(zhì)量損失最快，主要為纖維素裂解生成左旋葡萄糖和小分子可燃性氣體；（3）400 ℃以上的焦炭分解階段，脫水炭化反應更加明顯。溶膠-凝膠整理棉織物的熱解起始溫度相比未整理棉織物降低，殘?zhí)苛匡@著提高，這是由于加入MEA 后，棉織物纖維素可在較低的溫度下發(fā)生降解，此外，DPTES 分解產(chǎn)生磷酸，促進纖維素脫水碳化，MEA 和DPTES 的加入促進了殘?zhí)康男纬?，減少了揮發(fā)性可燃成分的形成，從而達到阻燃效果［14］。

圖2 未整理棉織物(a)和溶膠-凝膠整理棉織物(b)的TG 圖

2.1.3 SEM 和EDX

如圖3 所示，未整理棉織物表面無明顯附著物，棉織物纖維之間存在明顯的分界；溶膠-凝膠整理棉織物表面覆蓋致密的薄膜，棉織物纖維之間通過薄膜粘連在一起，纖維之間的分界消失，表明溶膠已經(jīng)成功附著在棉織物表面。

圖3 未整理棉織物(a)和溶膠-凝膠整理棉織物(b)的SEM 圖

2.1.4 MCC

由圖4 可以看出，溫度低于300 ℃時，未整理棉織物開始分解并產(chǎn)生可燃性氣體，最大熱釋放速率（pHRR）為235 W/g，最大熱釋放速率對應溫度為（Tmax）385 ℃，總熱釋放量（THR）為12 kJ/g。溶膠-凝膠整理后，棉織物的THR、pHRR 和Tmax顯著降低，殘留率增加；此外棉織物的熱釋放速率（HRR）曲線在250 ℃附近存在較寬的峰，表明在棉織物表面形成了阻燃劑。HRR 曲線在346～349 ℃出現(xiàn)第二個峰，且峰的強度明顯低于未整理棉織物，表明溶膠-凝膠整理棉織物的正常熱降解明顯減少。

圖4 未整理棉織物(a)和溶膠-凝膠整理棉織物(b)的HRR 曲線

2.2 阻燃性能

由表1可以看出，未整理棉織物的LOI僅為18%，屬于易燃纖維，溶膠-凝膠整理后，棉織物的LOI提升到31%，屬于自熄纖維。在垂直燃燒測試中，未整理棉織物立即被點燃，火焰迅速蔓延直至整個樣品被燒盡，續(xù)燃時間和陰燃時間分別為10 s 和26 s，損毀長度為300 mm；溶膠-凝膠整理后，棉織物離開火焰即迅速熄滅，續(xù)燃時間和陰燃時間均為0 s，損毀長度為58 mm。表明溶膠-凝膠整理的棉織物具有良好的阻燃性能。

表1 未整理棉織物和溶膠-凝膠整理棉織物的阻燃性能

2.3 耐水洗性能

由表2 可知，未水洗溶膠-凝膠整理棉織物的阻燃性能最佳；隨著水洗次數(shù)的增加，棉織物的續(xù)燃時間、陰燃時間和損毀長度明顯增加，水洗10 次后，棉織物的續(xù)燃時間、陰燃時間和損毀長度分別變?yōu)? s、3 s 和80 mm，表明水洗降低了溶膠-凝膠整理棉織物的阻燃性能。但水洗10次后的棉織物仍達到GB 8965—2009《防護服裝阻燃防護阻燃服》的C 級標準，表明溶膠-凝膠整理棉織物具有較好的耐水洗性能。

表2 溶膠-凝膠整理棉織物經(jīng)不同次數(shù)水洗后的阻燃性能

3 結(jié)論

以二乙基磷酰乙基三乙氧基硅烷和單乙醇胺的硅溶膠為涂層劑，經(jīng)浸軋-焙烘結(jié)合溶膠-凝膠法制備阻燃棉織物。阻燃棉織物的熱解溫度相比未處理棉織物降低，殘?zhí)苛吭黾?，極限氧指數(shù)達到31%，續(xù)燃時間、陰燃時間和損毀長度分別為0 s、0 s和58 mm，水洗10次后仍然具有較好的阻燃性能。