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涤棉混纺织物阻燃剂PN-1与PN-2阻燃性能的比较

涤棉混纺织物阻燃剂PN-1与PN-2阻燃性能的比较
涤棉混纺织物由于服用性能优良和结实耐用,深受消费者欢迎,然而,由于它们易于燃烧造成火灾事故,并导致巨大损失,因此阻燃整理的研究受到普遍关注[1]。至今为止,人们发现对涤棉织物的阻燃远比对其中任一组份的阻燃要困难。其原因主要有:第一,因为棉是一种不熔融不收缩的易燃性纤维,当涤棉制品燃烧时,棉纤维发生炭化,对涤纶起了一种类似乎烛芯的支架作用,从而阻碍了涤纶的熔滴脱离火源;第二,涤纶和棉两种聚合物或它们的裂解产物的相互热诱导,加速了裂解产物的溢出,因此涤棉织物的着火速度比纯涤纶和纯棉要快得多;第三,在燃烧过程中,阻燃剂能在涤和棉二种组分间迁移。因此,也给涤棉织物的阻燃带来了困难。同时,涤棉混纺织物受热时,受热熔融的涤纶组份会覆盖在涤纤维表面,而涤纤维及其裂解生成的炭会形成骨架,阻止织物收缩,致使熔融的涤纶成为着火区的一种燃料,使织物燃烧更加剧烈[2]。
因此,要降低涤棉混纺物的可燃性,要做到以下几点:(1)混纺织物中每一组份都进行阻燃化。(2)混纺织物阻燃整理时,采用各自合适的阻燃剂,其中作用最好能互补或互不干扰。(3)消除骨价效应和两组份的干扰作用。
磷氮系阻燃剂在纯棉织物上是最有效的阻燃剂之一,同时,由于磷氮二者之间的协同效应,使其在涤棉混纺织物的应用上也有很大的发展。本文采用四羟甲基氯化磷(THPC)与酰胺类化合物和氨反应,形成了一种溶于水的预缩体作为阻燃剂PN-1和PN-2。阻燃剂PN-1和PN-2是利用了磷氮阻燃体系对纤维素纤维的固相阻燃有明显的协效作用。因为含氮化合物的加入可减少磷系阻燃剂的用量,提高了阻燃效果。同时,氮与磷会首先形成磷酰胺类结构,然后生成P-N键,这样可增强与纤维伯羟基发生磷酰化的反应能力,抑制了左旋葡萄糖的生成。当织物引燃后,阻燃聚合物中的磷,便与空气中的氧起反应,生成五氧化二磷(P2O5),五氧化二磷是一种强脱水剂,能从纤维中夺出水分子,五氧化二磷遇到水后,就生成了聚磷酸,聚磷酸将会把纤维中的水继续除去,实际上是把纤维素还原成为不燃的炭,同时聚磷酸也很容易包覆在纤维的外面,从而抑制与氧的反应,避免生成可燃性气体一氧化碳。当棉纤维炭化后,相当于炭纤维,它就成为合成纤维的骨架,合成纤维分布在炭纤维中间,此时合成纤维大部分也随着纤维炭化而无法燃烧,结果便阻止了织物的燃烧.{3}。
本文主要就阻燃剂PN—1和PN—2对涤棉混纺织物的阻燃性能和整理条件进行了比较研究。
1.实验材料与方法
1.1实验材料
1.1.1阻燃剂
涤棉混纺织物阻燃剂PN—1与PN—2(自制)。
1.1.2助剂
有机硅柔软剂SR,JFC渗透剂等,助剂均为工业级。
1.1.3试剂
甲醛,尿素,三聚氰胺,三乙醇胺,NaOH,H2O2,Na2SiO3,NaAc,Na2CO3等,试剂均为市售AR和CP级。
1.1.4织物
试验用织物均为65/35涤棉平布,规格45s×45s,110×76,经退浆,煮练和漂白处理。
1.2织物阻燃整理工艺过程
工作液组成:PN,TMM,尿素,NaAC,柔软剂等。
工艺流程:二浸二轧(轧液率75%-80%)→焙烘(150℃/4min)→氧化(0.1%H2O2,0.02%NaOH,40℃)→皂洗(2g/1NA2CO3,4g/1肥皂)→水洗→烘干。
1.3主要测试方法:
织物性能指标均在温度20±2℃,相对湿度65±5%的条件下,平衡24小时后测试。
1.3.1阻燃性能:垂直织物阻燃性能测试仪。包括:损毁长度,余燃时间,阴燃时间等.
1.3.2断裂强度:YG026-250型织物强力仪
1.3.3撕破强度:Elmendorf法.
2.实验结果分析
2.1PN-1与PN-2阻燃剂结构比较
阻燃剂PN-1和PN-2的可能结构为:
表1为阻燃剂PN-1与PN-2分子结构中氮磷元素的含量情况。表1数据表明,阻燃剂PN-1与PN-2的P/N之比大约相等。这说明它们的氮磷协同效应大致相同,都能与涤棉混纺织物形成网状结构.[4]。PN-2的磷含量高于PN-1。但其分子的单元结构比PN-1小,易透入到纤维内部。使织物的增重较大;而PN-1分子的单元结构大,容易固着在纤维上,使织物阻燃后的损毁长度要比PN-2低。
表1:阻燃剂PN-1与PN-2中的氮磷元素含量
2.2阻燃工作液中主要成份对织物阻燃性能的影响
2.2.1阻燃剂PN-1,PN-2用量对阻燃性能的影响
一般在整理过程中阻燃剂的用量越多,即在织物上的含量越大,则织物的阻燃性能越好。
注:处理条件PN-1TMM用量3.0%,尿素1.0%;
PN-TMM用量5~6%,尿素3%。
由图1可见随着阻燃剂PN-1和PN-2的浓度提高。其损毁长度都下降,而织物增重却上升。对PN-1来说,当阻燃剂浓度为35%时,其损毁长度和织物增重分别达到一定值,以后随着浓度进一步提高,损毁长度和织物增重也没什么变化。而对PN-2来说,当阻燃剂浓度为23%时,其损毁长度和织物增重就不再变化。由于PN-1的单元结构要比PN-2大,渗透较难,用量要比PN-2大,以致损毁长度比PN-2低;而PN-2易渗透,虽阻燃剂用量比PN-1低,除在处理浴中,TMM和尿素的用量均高于PN-1外,可能PN-2的反应性也较活泼,导致织物增重要高于PN-1。同时在相同的用量情况下,阻燃剂PN-1处理后的涤棉混纺织物,其织物增重和损毁长度均要低于PN-2。另外由图1(a)和(b)可见,当阻燃剂PN-1和PN-2的用量分别在35%和25%时,织物增重的提高和损毁长度的下降逐渐趋向平衡。因此,用此浓度处理后的涤棉织物均能获得良好的阻燃效果。
2.2.2TMM树脂浓度对PN-1和PN-2阻燃剂的阻燃效果影响
TMM树脂由于能与阻燃剂PN-1和PN-2反应,形成网状的聚合物固着在纤维上,从而提高了阻燃整理织物的耐洗性能,但用量须适当控制。PN-1和PN-2阻燃剂与TMM可能反应机理如下.[5]:
图2(a)和(b)是在不同TMM浓度下涤棉混纺织物经PN-1和PN-2阻燃剂整理后的增重和损毁长度变化。
从图2可知,TMM用量较低时,织物的阻燃效果很差。随着TMM用量的逐渐提高,经阻燃剂PN-2和PN-2整理后的涤棉混纺织物,其增重、阻燃性能和耐洗涤性也随之提高。但当TMM用量太多时,织物的手感变硬,机械性能下降。对PN-1而言,比较适当的TMM浓度应选择在3%-4%,而对PN-2来说,TMM浓度应选择在5%-6%之间。
2.2.3尿素及柔软剂的作用
尿素结构中含有高量的氮元素,能与阻燃剂PN-1和PN-2中的磷元素起协调作用,从而提高织物阻燃性能与降低阻燃剂的用量。但尿素加入的量应与阻燃剂的用量相适应。图3为尿素用量对阻燃剂PN-1和PN-2的阻燃性能影响。FL)
从图3(a)和(b)可知,PN-1的尿素用量应选择在1%-2%之间,而PN-2的尿素用量应选择在3%左右。
为了改善阻燃产品的柔软性,须添加适量的柔软剂。但在阻燃整理中,阻燃剂的加入往往会降低阻燃织物的阻燃性,故应控制其种类和用量。通常选用的柔软剂是有机硅类,一般来说,阻燃剂PN-1整理时,柔软剂的用量应在0.5%~2%之间,而PN-2整理时的柔软剂用量为1%,此时整理后的织物手感较好,对阻燃性能也无明显的影响。
2.2.4焙烘条件和氧化对阻燃效果的影响
阻燃剂PN-1,PN-2与TMM树脂和纤维反应完全,能提高阻燃整理织物的阻燃性能,故而焙烘条件的控制相当重要。图4为阻燃剂PN-1和PN-2处理涤棉织物时的焙烘温度和焙烘时间对织物损毁长度的影响。
图4焙烘时间和培烘温度对阻燃剂处理织物的损毁长度
注:处理条件PN-1用量35%,TMM3%—4%,尿素1%;PN—2用量25%,TMM5%—6%,尿素3%
从图4可知,随着焙烘时间的延长,由于阻燃剂,TMM等与织物的反应程度提高,织物的损毁长度均逐渐下降。但时间过长,会使织物变脆和手感发硬。因此,时间不能过长,而在相同的焙烘时间下,在140℃焙烘时,由于温度太低,阻燃剂与TMM和纤维反应不够完全,耐洗性较差,影响织物的阻燃性能。当焙烘温度大于160℃时,反应能力增加,阻燃性能好,但会伴随着织物的断裂强度下降,手感变硬。因而焙烘时间应与焙烘温度相适应,即焙烘温度不能过多,时间不宜过长。阻燃剂PN-1和PN-2比较适宜的焙烘为:温度150℃,时间3~4分钟;
焙烘后,经适度的氧化水洗,能将阻燃聚合物中可能含有的低价状况的磷全部氧化成+5价高价磷,并均能提高阻燃剂PN-1和PN-2处理后织物的阻燃性能和耐洗性。
2.3阻燃剂PN-1和PN-2处理涤棉混纺织物的阻燃效果比较
表2为涤棉混纺织物经阻燃剂PN-1和PN-2处理后其各种性能情况。从表2中可知,经阻燃剂PN-1和PN-2处理织物后,它们的余燃时间和阴燃时间皆为0。这说明磷氮阻燃剂具有良好的协同效应。由于PN-2分子结构的单元相对较小,它的渗透性好,容易透入纤维内部,因此易与织物生成聚合物。而PN-1处理织物其用量高于PN-2,但损毁长度要比PN-2低。在TMM和尿素用量均低于PN-2的情况下,织物的增重要比PN-2小,这表明可能其阻燃剂主要附着在纤维表面。另外阻燃剂PN-1和PN-2经20次洗涤后,其损毁长度和织物的增重都变化不大。这也反映出它们具有良好的耐洗性。
用阻燃剂PN-1和PN-2处理织物后,其断裂强度,撕破强度,手感均下降不多,尤其是手感。由于用这二种阻燃剂处理织物后的织物增重均小于30%,因此织物处理后的手感变化不大。其中用PN-2处理织物后机械性能和手感均要好于PN-1。这是由于PN-1的结构要比PN-2大,容易与织物生成分子量较大的网状结构的聚合物。而PN-2分子量较PN-1小,易透入纤维内部,生成聚合物,故其机械性能和手感均比PN-1好。
表2阻燃剂PN-1和PN-2处理织物后阻燃综合效果比较
3.结论
1.利用THPC与酰胺类化合物和氨反应,生成的阻燃剂PN-1,PN-2具有磷、氮协同效应,能提高阻燃效果。其中PN-2的含磷和含氮量要高于PN-1。
2.阻燃剂PN-1和PN-2处理涤棉混纺织物皆能取得较好的阻燃效果。阻燃剂PN-1分子的单元结构比PN-2大,容易在织物上生成分子量较大的网状结构的聚合物。而PN-2分子的单元结构相对较小,渗透性好,容易透入到纤维内部生成聚合物。因此在本实验条件下,用阻燃剂PN-1和PN-2处理织物,PN-1的损毁长度和织物增要低于PN-2,而PN-2的断裂强度,撕破强度及手感均要好于PN-1。6P8XO9c


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