阻燃整理劑與抗菌織物的耦合作用研究

劉其思,張若璧,張 華,陳珺嫻,張?zhí)祢?

(1.北京服裝學(xué)院 材料設(shè)計(jì)與工程學(xué)院,北京 100029; 2.中國(guó)人民解放軍軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院,北京 100010)

目前,功能紡織品正由單一功能不斷向多功能一體化方向發(fā)展。由于紡織品的微孔結(jié)構(gòu)為細(xì)菌、真菌滋生提供了便利條件,且大多數(shù)紡織材料極易燃燒[1],抗菌/阻燃多功能性紡織品的研發(fā)越來越受到重視。目前,原位共聚、纖維混紡[2]、表面接枝[3]、后整理法[4-5]等多種改性方法均已被用于多功能紡織品的開發(fā),其中后整理法流程相對(duì)簡(jiǎn)單,可以同時(shí)賦予織物抗菌/阻燃性能,因此在工業(yè)應(yīng)用中受到廣泛重視。

紡織用阻燃整理劑種類很多,尤以鹵系、磷系、氮系、膨脹型阻燃劑最為常見,其中以磷、氮為主要成分的膨脹型阻燃劑具有無鹵、高阻燃性、低煙低毒等優(yōu)點(diǎn),是環(huán)保型阻燃劑之一,也是目前產(chǎn)品開發(fā)中應(yīng)用較為廣泛的阻燃劑[6]。

抗菌織物是具有抑菌和殺菌特性的織物,可以分為天然抗菌織物、原料抗菌織物及后整理抗菌織物。天然抗菌織物由具有抗菌性能的天然纖維紡織形成;原料抗菌織物是將具備抗菌性能的纖維與常用纖維紡織形成;后整理抗菌織物則是對(duì)織物進(jìn)行抗菌整理,使其具有抗菌性能,如陰離子抗菌整理、季銨鹽類抗菌整理等[7]。

目前抗菌/阻燃多功能紡織品的研發(fā)大多集中在提高抗菌及阻燃的功效或耐久性(耐洗性)上[8-11],尚未有涉及織物抗菌性能與阻燃功能之間相互作用的研究。為了能對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中多功能織物的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供一定的參考,作者選取應(yīng)用較為廣泛的2類阻燃劑分別對(duì)3種不同抗菌機(jī)理的抗菌織物進(jìn)行整理,探討阻燃劑與抗菌織物之間的耦合關(guān)系及作用原理。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料與試劑

織物:1#織物為對(duì)照試樣,100%滌綸面料;2#織物為原料抗菌織物,50/50改性滌綸/滌綸面料,改性滌綸采用金銅鋅三元異質(zhì)結(jié)抗菌劑原位聚合;3#織物為后整理抗菌織物,采用陰離子抗菌整理,100%滌綸面料;4#織物為后整理抗菌織物,采用有機(jī)硅季銨鹽抗菌整理,100%滌綸面料。4種織物均為自制。

Doher-6509阻燃劑:有機(jī)磷酸酯類,標(biāo)記為A#阻燃劑,東莞市道爾新材料科技有限公司產(chǎn);Doher-6510阻燃劑:有機(jī)磷氮類,標(biāo)記為B#阻燃劑,東莞市道爾新材料科技有限公司產(chǎn)。

營(yíng)養(yǎng)瓊脂、牛肉膏、蛋白胨:北京奧博星生物技術(shù)有限公司產(chǎn);大腸桿菌:上海魯微科技有限公司產(chǎn)。

1.2 設(shè)備與儀器

DHG-9245AL型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱:北京陸希科技有限公司制;OI-2-X氧指數(shù)分析儀:美國(guó)Deatak公司制;LRH-250生物恒溫培養(yǎng)箱:北京陸希科技有限公司制。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

阻燃劑溶液配制:根據(jù)阻燃劑的使用說明書要求,將A#阻燃劑配制成濃度為150 g/L的溶液,B#阻燃劑配置成濃度為350 g/L的溶液。

織物整理:將對(duì)照織物與抗菌織物浸入阻燃劑溶液中,浸泡2.5 h后取出,放入干燥箱中在120 ℃下烘烤10 min。

1.4 分析與測(cè)試

極限氧指數(shù)(LOI):按照GB/T 5454—1997《紡織品 燃燒性能試驗(yàn) 氧指數(shù)法》的規(guī)定要求,測(cè)試試樣在氧、氮混合氣流中進(jìn)行有焰燃燒所需的最低氧濃度,以氧氣百分含量表示最低氧濃度值。通常LOI越大,織物燃燒所需氧含量越多,阻燃效果越好。

垂直燃燒性能:按照GB/T 5455—2014《紡織品 燃燒性能 垂直方向損毀長(zhǎng)度、陰燃和續(xù)燃時(shí)間的測(cè)定》的規(guī)定,測(cè)試試樣經(jīng)向與緯向的續(xù)燃時(shí)間、陰燃時(shí)間及損毀長(zhǎng)度,然后計(jì)算其平均續(xù)燃時(shí)間、陰燃時(shí)間和損毀長(zhǎng)度。

抑菌率:按照GB/T 20944.2—2007《紡織品 抗菌性能的評(píng)價(jià) 第2部分:吸收法》的規(guī)定進(jìn)行測(cè)試,分別使用實(shí)驗(yàn)菌液對(duì)試樣與對(duì)照樣進(jìn)行接種、培養(yǎng),再分別進(jìn)行立即洗脫和培養(yǎng)后洗脫,測(cè)定洗脫液中的細(xì)菌數(shù),計(jì)算抑菌率,以此評(píng)估試樣的抗菌效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 阻燃性能

2.1.1 LOI

3種抗菌織物及對(duì)照織物阻燃整理前后的LOI測(cè)試結(jié)果如表1所示。從表1可以看出,1#純滌綸織物整理前LOI為18.4%,經(jīng)A#和B#阻燃劑整理后阻燃性能有了明顯的提高,LOI分別提高了20.7%和28.3%,說明A#和B#阻燃劑及整理工藝對(duì)滌綸織物適用、有效。A#阻燃劑屬于有機(jī)磷酸酯類阻燃劑,阻燃機(jī)理是凝聚相和氣相綜合作用。凝聚相阻燃是通過降低聚合物的降解速率或者減少可燃性氣體的產(chǎn)生來發(fā)揮阻燃作用。氣相阻燃機(jī)理是產(chǎn)生大量不燃性揮發(fā)物,不燃性揮發(fā)物起到稀釋作用,并且降低表面熱量;同時(shí),氣相阻燃可以捕捉活性大的自由基HO·和H·,從而抑制自由基發(fā)生連鎖反應(yīng)[12]。B#阻燃劑屬于膨脹型阻燃劑,受熱分解生成偏磷酸或聚偏磷酸,酸性物質(zhì)可促進(jìn)聚合物脫水形成炭,并且玻璃狀的薄層聚偏磷酸也會(huì)覆蓋在殘?zhí)繉颖砻?抑制炭層進(jìn)一步氧化;分解出的不燃性氣體則可稀釋可燃性氣體,減緩燃燒的蔓延,促進(jìn)膨松炭層的形成[13]。

表1 阻燃整理前后織物的LOI

從表1還可以看出:2#、3#、4#抗菌織物整理前的LOI均略高于純滌綸織物,為20.0%～20.2%,這可能是抗菌整理劑在纖維之間的填充效應(yīng)引起的變化,也可能是由于金屬離子類抗菌成分起到了一定的阻燃作用;經(jīng)A#和B#阻燃劑整理后,2#、3#、4#抗菌織物的LOI均有不同程度的提高,其中最為突出的是2#織物,經(jīng)B#阻燃劑整理后其LOI提高了50.7%,表現(xiàn)出明顯的協(xié)同作用,其原因是2#織物中含有金銅鋅三元異質(zhì)結(jié)抗菌成分,在燃燒過程中金屬離子對(duì)B#阻燃劑中有機(jī)磷的降解起到了催化作用[11],加速其脫水成炭,從而大幅提高了織物的阻燃性能;3#與4#織物經(jīng)阻燃整理后,LOI的提高程度較小,低于對(duì)照織物的變化率,這可能是因?yàn)槎呓詾楹笳砜咕椢?再進(jìn)行阻燃整理時(shí),纖維和紗線的吸附能力受限,固著的阻燃劑較少,從而無法大幅提高阻燃效果。

2.1.2 垂直燃燒性能

3種抗菌織物及對(duì)照織物阻燃整理前后的垂直燃燒性能列于表2。從表2可以看出:2#織物經(jīng)B#阻燃劑整理后,損毀長(zhǎng)度明顯減少,續(xù)燃時(shí)間亦大幅縮短,變化顯著,表現(xiàn)出明顯的協(xié)同阻燃效果;2#織物經(jīng)A#阻燃劑整理后,也表現(xiàn)出較短的續(xù)燃時(shí)間和較小的損毀長(zhǎng)度,與其具有較高的LOI(24.1%)一致;3#和4#織物整理前后燃燒性性能均沒有明顯改善。

表2 不同類型阻燃劑整理后織物的垂直燃燒性能

2.2 抗菌性能

以吸收法測(cè)得的抗菌織物阻燃整理前后的大腸桿菌抑菌率列于表3。

表3 不同類型阻燃劑整理后織物的抑菌率

從表3可以看出:1#純滌綸織物經(jīng)A#阻燃劑整理后,抑菌率仍為0,說明有機(jī)磷酸酯類阻燃劑無抗菌功能,但經(jīng)B#阻燃劑整理后,織物抑菌率達(dá)到92.2%,說明有機(jī)磷氮類阻燃劑同時(shí)具有顯著的抗菌作用,這是由于有機(jī)磷氮類阻燃劑中含有一定量帶正電荷的N+離子,吸附在細(xì)菌表面可破壞細(xì)胞壁,導(dǎo)致細(xì)胞死亡[14-15];2#、3#、4#織物均為抗菌織物,本身即具有較高的抑菌率,分別為98.2%、95.3%、96.3%,但2#織物經(jīng)B#阻燃劑整理后,抑菌率出現(xiàn)異常,降至42.3%,二者在抗菌性能方面表現(xiàn)出較大的拮抗作用,其原因是2#織物中的抗菌活性來源于纖維中金銅鋅三元異質(zhì)結(jié)所產(chǎn)生的特殊微電場(chǎng),而B#阻燃劑主要成分為有機(jī)磷氮化合物,P—N元素可填補(bǔ)電子空穴,破壞原微電場(chǎng),從而導(dǎo)致織物的抑菌能力下降。

由于有機(jī)磷氮類阻燃劑與金銅鋅三元抗菌織物之間同時(shí)存在協(xié)同阻燃效應(yīng)和抑菌性的拮抗作用,二者結(jié)合并不能得到滿意的阻燃、抗菌產(chǎn)品。綜合比較整理后織物的阻燃和抗菌效果,可以看出,經(jīng)有機(jī)磷酸酯類阻燃劑整理的金銅鋅三元抗菌織物具有較高的LOI和較好的垂直燃燒性能,同時(shí)還能保持較高的抑菌率,成為優(yōu)選的復(fù)合功能織物,說明有機(jī)磷酸酯類阻燃劑與金銅鋅三元抗菌織物具有較好的配合效果。

3 結(jié)論

a.有機(jī)磷氮類阻燃劑對(duì)金銅鋅三元抗菌改性滌綸織物進(jìn)行處理可以顯著提高織物的LOI和垂直燃燒性能,二者存在顯著的協(xié)同阻燃效應(yīng)。

b.有機(jī)磷氮類阻燃整理劑能賦予純滌綸織物抗菌功能,但對(duì)金銅鋅三元抗菌改性滌綸織物進(jìn)行整理時(shí),會(huì)使織物的抗菌性大幅下降,兩者之間存在針對(duì)抗菌功能的拮抗作用。