酪蛋白/聚磷酸銨整理棉織物的阻燃和服用性能

李西熙，何柳斌

（1.柳州工學(xué)院，廣西柳州 545000；2.柳鳴錯(cuò)資產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理有限責(zé)任公司，廣西柳州 545000）

棉織物柔軟舒適、透氣性好，廣泛應(yīng)用于服裝、床品、毛巾、窗簾、地毯等，但棉織物纖維的極限氧指數(shù)僅為18%，點(diǎn)燃后火焰會(huì)迅速蔓延，很難熄滅，大大限制其應(yīng)用范圍［1-2］，因此棉織物的阻燃改性越來(lái)越受到人們的關(guān)注。為了提高棉織物的熱穩(wěn)定性和阻燃性，鹵素、氮、磷、硅以及部分金屬化合物阻燃劑被用于棉織物的阻燃整理［3-4］。鹵素阻燃劑整理可有效降低棉織物的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，但會(huì)產(chǎn)生有毒和腐蝕性氣體，嚴(yán)重危害人體健康［5］。含氮化合物和硅系阻燃劑阻燃效率較低，通常作為其他阻燃劑的協(xié)同劑［6］。金屬化合物熱穩(wěn)定性好、價(jià)格低廉，但整理后織物性能下降。所以，阻燃效率高、無(wú)腐蝕性的含磷阻燃劑成為研究熱點(diǎn)［7］。目前常用的含磷阻燃劑整理織物多為逐層處理工藝，工藝流程長(zhǎng)，不適合工業(yè)應(yīng)用；另外對(duì)含磷阻燃劑整理織物的服用性能研究較少［8］。膨脹型阻燃劑體系在燃燒過程中可形成比較蓬松的泡沫炭層，通過隔熱、絕氧泡沫炭層達(dá)到阻燃效果，符合環(huán)保阻燃的要求［9］。本研究以酪蛋白為氣源發(fā)泡劑，聚磷酸銨為酸源脫水劑和炭化促進(jìn)劑，采用雙層涂覆方法制備阻燃棉織物，研究酪蛋白/聚磷酸銨對(duì)棉織物阻燃性能和服用性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與儀器

材料：純棉平紋漂白機(jī)制物（150 g/m2，華紡股份有限公司），酪蛋白（精一級(jí)，浙江華天精細(xì)化工有限公司），聚磷酸銨（聚合度為50，太豐新型阻燃劑有限公司），鹽酸、氫氧化鈉（分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司），實(shí)驗(yàn)用水為自制去離子水。儀器：TG50 熱重分析儀（瑞士梅特勒-托利多儀器有限公司），CZF-2 垂直燃燒試驗(yàn)儀（南京市江寧區(qū)分析儀器廠），EQUINX55 傅里葉紅外光譜儀（FTIR，德國(guó)Bruker 公司），S4800掃描電子顯微鏡（日本日立公司），YG461E-Ⅲ全自動(dòng)透氣測(cè)量?jī)x、YG207 型織物硬挺度試驗(yàn)儀、YG026B電子織物強(qiáng)度機(jī)（寧波紡織儀器廠）。

1.2 酪蛋白/聚磷酸銨整理棉織物的制備

稱取5 g 酪蛋白顆粒，加入100 mL 去離子水中持續(xù)攪拌，用1 mol/L HCl 溶液調(diào)節(jié)pH 為3，放入80 ℃恒溫水浴中持續(xù)攪拌30 min，得溶液A；將10 g 聚磷酸銨加入100 mL 去離子水中持續(xù)攪拌，用1 mol/L NaOH 溶液調(diào)節(jié)pH 為10，持續(xù)攪拌30 min，得溶液B。將棉織物浸入溶液A 中，兩浸兩軋，將酪蛋白整理到棉織物上，90 ℃烘3 min；將烘干的棉織物浸入溶液B中，兩浸兩軋，將聚磷酸銨整理到酪蛋白整理棉織物上，100 ℃烘3 min，得酪蛋白/聚磷酸銨整理棉織物。

1.3 測(cè)試

紅外光譜：用傅里葉紅外光譜儀測(cè)試，測(cè)試范圍為4 000～500 cm-1，分辨率為2.0 cm-1。

表面形貌：用掃描電子顯微鏡測(cè)試（測(cè)試前對(duì)樣品進(jìn)行噴金處理）。

熱穩(wěn)定性：用熱重分析儀測(cè)試，溫度為室溫～600 ℃，升溫速率10 ℃/min，N2氛圍，氣體流速50 mL/min。

阻燃性能：用垂直燃燒試驗(yàn)儀參考GB/T 5455—1997《紡織品燃燒性能試驗(yàn)垂直法》測(cè)試。

透氣性：用全自動(dòng)透氣測(cè)量?jī)x參考GB/T 5453—1997《紡織品織物透氣性的測(cè)定》測(cè)試。

柔軟性：用織物硬挺度試驗(yàn)儀參考ZB W04003《織物硬挺度試驗(yàn)方法斜面懸臂法》測(cè)試。

撕破強(qiáng)力：用電子織物強(qiáng)度機(jī)參考GB/T 3917.1—2009《紡織品織物撕破性能第1 部分：沖擊擺錘法撕破強(qiáng)力的測(cè)定》測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 表征

2.1.1 FTIR

由圖1 可知，3 300 cm-1附近的吸收峰對(duì)應(yīng)—OH的伸縮振動(dòng)，2 900、1 425 cm-1附近的吸收峰分別對(duì)應(yīng)—CH2—的伸縮、變形伸縮振動(dòng)，1 310 cm-1附近的吸收峰對(duì)應(yīng)C—H 的彎曲振動(dòng)，這些吸收峰對(duì)應(yīng)棉織物纖維素的特征峰。此外，在1 250、885 cm-1處的吸收峰分別對(duì)應(yīng)聚磷酸銨的PO 和P—O—P 伸縮振動(dòng)，在1 625、1 529 cm-1處的吸收峰分別對(duì)應(yīng)酪蛋白的酰胺Ⅰ帶、Ⅱ帶振動(dòng)。因此可以認(rèn)為酪蛋白和聚磷酸銨已經(jīng)成功涂覆在棉織物表面［10］。

圖1 酪蛋白/聚磷酸銨整理棉織物的FTIR 譜

2.1.2 SEM

由圖2 可以看出，未整理棉織物纖維表面較光滑，纖維之間存在空隙；整理后空隙消失，表面變粗糙且較均勻地沉積大量顆粒狀物質(zhì)，表明酪蛋白和聚磷酸銨已沉積到棉織物表面。

圖2 整理前(a)后(b)棉織物的SEM 圖

2.1.3 熱穩(wěn)定性

由圖3 可以看出，棉織物的熱解分為初始分解、主要熱解和焦炭分解3 個(gè)階段。未整理棉織物的初始分解階段為300 ℃以下，主要質(zhì)量損失為棉織物的結(jié)合水；主要熱解階段為300～400 ℃，最大熱失重溫度為344 ℃，這一階段質(zhì)量損失速率較快，纖維素迅速裂解為左旋葡萄糖和可燃性氣體小分子；焦炭分解階段為400 ℃以上，這一階段質(zhì)量損失速率降低，纖維素燃燒殘?jiān)^續(xù)脫水、脫羧生成H2O 和CO2。整理后棉織物主要熱解階段起始溫度提前至265 ℃，最大熱失重溫度為298 ℃，質(zhì)量損失速率比未整理棉織物低，殘?zhí)苛恳灿?8%增至63%。這是由于聚磷酸銨的熱分解溫度比棉織物纖維低，提前分解生成多磷酸，促進(jìn)棉織物纖維素在更低溫度下分解成炭并隔絕氧氣和熱量的傳遞，抑制棉織物進(jìn)一步熱分解，減少可燃性氣體的逸出，提高棉織物的阻燃性能［11］。

圖3 整理前(a)后(b)棉織物的熱穩(wěn)定性

2.2 阻燃性能

未整理棉織物接觸火源后劇烈燃燒，續(xù)燃時(shí)間和陰燃時(shí)間分別為20 s 和0 s，損毀長(zhǎng)度為300 mm，燃燒結(jié)束后幾乎沒有灰燼。整理后棉織物的續(xù)燃時(shí)間和陰燃時(shí)間分別為4 s 和0 s，損毀長(zhǎng)度為78 mm，阻燃性能得到較大提高。由圖4 可知，整理棉織物燃燒后仍能維持本身形貌，表面出現(xiàn)大量折皺，這是由于燃燒過程中釋放的氨氣等使炭層膨脹，阻止熱量和氧氣進(jìn)入，阻止火焰蔓延，達(dá)到阻燃效果。

圖4 整理棉織物燃燒結(jié)束后的SEM 圖(a)和纖維放大圖(b)

2.3 服用性能

由表1 可知，整理后棉織物透氣性下降8.7%，表明酪蛋白/聚磷酸銨膜覆蓋后降低了棉織物的透氣性。彎曲長(zhǎng)度明顯增大，柔軟性降低，因?yàn)槌练e酪蛋白/聚磷酸銨后分子鏈運(yùn)動(dòng)困難，棉織物纖維或紗線之間的摩擦磨損增加；柔軟性降低對(duì)棉織物服用性能影響較大，需進(jìn)一步進(jìn)行柔軟整理。撕破強(qiáng)力保留率為92.4%，相比未整理棉織物略有降低，可能是由于酸性的酪蛋白懸浮液水解部分棉織物纖維，但對(duì)服用性能影響較小。因此整理后棉織物服用性能和柔軟性明顯降低，限制其在親膚服裝上的應(yīng)用。

表1 整理前后棉織物的服用性能

3 結(jié)論

以酪蛋白為氣源發(fā)泡劑，聚磷酸銨為酸源脫水劑和炭化促進(jìn)劑，采用雙層涂覆方法制備酪蛋白/聚磷酸銨阻燃棉織物。酪蛋白/聚磷酸銨較均勻地覆蓋在棉織物表面，在熱降解過程中，酪蛋白/聚磷酸銨涂層促進(jìn)棉織物提前分解成炭并產(chǎn)生泡沫阻隔層，賦予棉織物優(yōu)良的阻燃性能，續(xù)燃時(shí)間為4 s，損毀長(zhǎng)度為78 mm。酪蛋白/聚磷酸銨整理后的棉織物服用性能有所下降。