滌棉混紡織物阻燃劑PN-1與PN-2阻燃性能的比較

滌棉混紡織物阻燃劑PN-1與PN-2阻燃性能的比較
前言
滌棉混紡織物由于服用性能優良和結實耐用，深受消費者歡迎，然而，由于它們易于燃燒造成火災事故，并導致巨大損失，因此阻燃整理的研究受到普遍關注［1］。至今為止，人們發現對滌棉織物的阻燃遠比對其中任一組份的阻燃要困難。其原因主要有：，因為棉是一種不熔融不收縮的易燃性纖維，當滌棉制品燃燒時，棉纖維發生炭化，對滌綸起了一種類似乎燭芯的支架作用，從而阻礙了滌綸的熔滴脫離火源；第二，滌綸和棉兩種聚合物或它們的裂解產物的相互熱誘導，加速了裂解產物的溢出，因此滌棉織物的著火速度比純滌綸和純棉要快得多；第三，在燃燒過程中，阻燃劑能在滌和棉二種組分間遷移。因此，也給滌棉織物的阻燃帶來了困難。同時，滌棉混紡織物受熱時，受熱熔融的滌綸組份會覆蓋在滌纖維表面，而滌纖維及其裂解生成的炭會形成骨架，阻止織物收縮，致使熔融的滌綸成為著火區的一種燃料，使織物燃燒更加劇烈［2］。
因此，要降低滌棉混紡物的可燃性，要做到以下幾點：(1)混紡織物中每一組份都進行阻燃化。(2)混紡織物阻燃整理時，采用各自合適的阻燃劑，其中作用好能互補或互不干擾。(3)消除骨價效應和兩組份的干擾作用。
磷氮系阻燃劑在純棉織物上是有效的阻燃劑之一，同時，由于磷氮二者之間的協同效應，使其在滌棉混紡織物的應用上也有很大的發展。本文采用四羥甲基氯化磷(THPC)與酰胺類化合物和氨反應，形成了一種溶于水的預縮體作為阻燃劑PN-1和PN-2。阻燃劑PN-1和PN-2是利用了磷氮阻燃體系對纖維素纖維的固相阻燃有明顯的協效作用。因為含氮化合物的加入可減少磷系阻燃劑的用量，提高了阻燃效果。同時，氮與磷會首先形成磷酰胺類結構，然后生成P-N鍵，這樣可增強與纖維伯羥基發生磷酰化的反應能力，抑制了左旋葡萄糖的生成。當織物引燃后，阻燃聚合物中的磷，便與空氣中的氧起反應，生成五氧化二磷(P2O5)，五氧化二磷是一種強脫水劑，能從纖維中奪出水分子，五氧化二磷遇到水后，就生成了聚磷酸，聚磷酸將會把纖維中的水繼續除去，實際上是把纖維素還原成為不燃的炭，同時聚磷酸也很容易包覆在纖維的外面，從而抑制與氧的反應，避免生成可燃性氣體一氧化碳。當棉纖維炭化后，相當于炭纖維，它就成為合成纖維的骨架，合成纖維分布在炭纖維中間，此時合成纖維大部分也隨著纖維炭化而無法燃燒，結果便阻止了織物的燃燒.｛3｝。
本文主要就阻燃劑PN—1和PN—2對滌棉混紡織物的阻燃性能和整理條件進行了比較研究。
1.實驗材料與方法
1.1實驗材料
1.1.1阻燃劑
滌棉混紡織物阻燃劑PN—1與PN—2(自制)。
1.1.2助劑
有機硅柔軟劑SR，JFC滲透劑等，助劑均為工業級。
1.1.3試劑
甲醛，尿素，三聚氰胺，三乙醇胺，NaOH，H2O2，Na2SiO3，NaAc，Na2CO3等，試劑均為市售AR和CP級。
1.1.4織物
試驗用織物均為65/35滌棉平布，規格45s×45s，110×76，經退漿，煮練和漂白處理。
1.2織物阻燃整理工藝過程
工作液組成：PN，TMM，尿素，NaAC，柔軟劑等。
工藝流程：二浸二軋(軋液率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主要測試方法：
織物性能指標均在溫度20±2℃，相對濕度65±5％的條件下，平衡24小時后測試。
1.3.1阻燃性能：垂直織物阻燃性能測試儀。包括：損毀長度，余燃時間，陰燃時間等.
1.3.2斷裂強度：YG026－250型織物強力儀
1.3.3撕破強度：Elmendorf法.
2.實驗結果分析
2.1PN-1與PN-2阻燃劑結構比較
阻燃劑PN-1和PN-2的可能結構為：
表1為阻燃劑PN-1與PN-2分子結構中氮磷元素的含量情況。表1數據表明，阻燃劑PN-1與PN-2的P／N之比大約相等。這說明它們的氮磷協同效應大致相同，都能與滌棉混紡織物形成網狀結構.［4］。PN-2的磷含量高于PN-1。但其分子的單元結構比PN-1小，易透入到纖維內部。使織物的增重較大；而PN-1分子的單元結構大，容易固著在纖維上，使織物阻燃后的損毀長度要比PN-2低。
表1：阻燃劑PN-1與PN-2中的氮磷元素含量
2.2阻燃工作液中主要成份對織物阻燃性能的影響
2.2.1阻燃劑PN-1，PN-2用量對阻燃性能的影響
一般在整理過程中阻燃劑的用量越多，即在織物上的含量越大，則織物的阻燃性能越好。
注：處理條件PN-1TMM用量3.0%，尿素1.0%；
PN-TMM用量5～6%，尿素3%。
由圖1可見隨著阻燃劑PN-1和PN-2的濃度提高。其損毀長度都下降，而織物增重卻上升。對PN-1來說，當阻燃劑濃度為35％時，其損毀長度和織物增重分別達到一定值，以后隨著濃度進一步提高，損毀長度和織物增重也沒什么變化。而對PN-2來說，當阻燃劑濃度為23%時，其損毀長度和織物增重就不再變化。由于PN-1的單元結構要比PN-2大，滲透較難，用量要比PN-2大，以致損毀長度比PN-2低；而PN-2易滲透，雖阻燃劑用量比PN-1低，除在處理浴中，TMM和尿素的用量均高于PN-1外，可能PN-2的反應性也較活潑，導致織物增重要高于PN-1。同時在相同的用量情況下，阻燃劑PN-1處理后的滌棉混紡織物，其織物增重和損毀長度均要低于PN-2。另外由圖1(a)和(b)可見，當阻燃劑PN-1和PN-2的用量分別在35%和25%時，織物增重的提高和損毀長度的下降逐漸趨向平衡。因此，用此濃度處理后的滌棉織物均能獲得良好的阻燃效果。
2.2.2TMM樹脂濃度對PN-1和PN-2阻燃劑的阻燃效果影響
TMM樹脂由于能與阻燃劑PN-1和PN-2反應，形成網狀的聚合物固著在纖維上，從而提高了阻燃整理織物的耐洗性能，但用量須適當控制。PN-1和PN-2阻燃劑與TMM可能反應機理如下.［5］：
圖2(a)和(b)是在不同TMM濃度下滌棉混紡織物經PN-1和PN-2阻燃劑整理后的增重和損毀長度變化。
從圖2可知，TMM用量較低時，織物的阻燃效果很差。隨著TMM用量的逐漸提高，經阻燃劑PN-2和PN-2整理后的滌棉混紡織物，其增重、阻燃性能和耐洗滌性也隨之提高。但當TMM用量太多時，織物的手感變硬，機械性能下降。對PN-1而言，比較適當的TMM濃度應選擇在3％－4%，而對PN-2來說，TMM濃度應選擇在5%-6%之間。
2.2.3尿素及柔軟劑的作用
尿素結構中含有高量的氮元素，能與阻燃劑PN-1和PN-2中的磷元素起協調作用，從而提高織物阻燃性能與降低阻燃劑的用量。但尿素加入的量應與阻燃劑的用量相適應。圖3為尿素用量對阻燃劑PN-1和PN-2的阻燃性能影響。FL)
從圖3(a)和(b)可知，PN-1的尿素用量應選擇在1%-2%之間，而PN-2的尿素用量應選擇在3%左右。
為了改善阻燃產品的柔軟性，須添加適量的柔軟劑。但在阻燃整理中，阻燃劑的加入往往會降低阻燃織物的阻燃性，故應控制其種類和用量。通常選用的柔軟劑是有機硅類，一般來說，阻燃劑PN-1整理時，柔軟劑的用量應在0.5%～2%之間，而PN-2整理時的柔軟劑用量為1%，此時整理后的織物手感較好，對阻燃性能也無明顯的影響。
2.2.4焙烘條件和氧化對阻燃效果的影響
阻燃劑PN-1，PN-2與TMM樹脂和纖維反應完全，能提高阻燃整理織物的阻燃性能，故而焙烘條件的控制相當重要。圖4為阻燃劑PN-1和PN-2處理滌棉織物時的焙烘溫度和焙烘時間對織物損毀長度的影響。
圖4焙烘時間和培烘溫度對阻燃劑處理織物的損毀長度
注：處理條件PN-1用量35%，TMM3%—4%，尿素1%；PN—2用量25%，TMM5%—6%，尿素3%
從圖4可知，隨著焙烘時間的延長，由于阻燃劑，TMM等與織物的反應程度提高，織物的損毀長度均逐漸下降。但時間過長，會使織物變脆和手感發硬。因此，時間不能過長，而在相同的焙烘時間下，在140℃焙烘時，由于溫度太低，阻燃劑與TMM和纖維反應不夠完全，耐洗性較差，影響織物的阻燃性能。當焙烘溫度大于160℃時，反應能力增加，阻燃性能好，但會伴隨著織物的斷裂強度下降，手感變硬。因而焙烘時間應與焙烘溫度相適應，即焙烘溫度不能過多，時間不宜過長。阻燃劑PN-1和PN-2比較適宜的焙烘為：溫度150℃，時間3～4分鐘；
焙烘后，經適度的氧化水洗，能將阻燃聚合物中可能含有的低價狀況的磷全部氧化成＋5價高價磷，并均能提高阻燃劑PN-1和PN-2處理后織物的阻燃性能和耐洗性。
2.3阻燃劑PN-1和PN-2處理滌棉混紡織物的阻燃效果比較
表2為滌棉混紡織物經阻燃劑PN-1和PN-2處理后其各種性能情況。從表2中可知，經阻燃劑PN-1和PN-2處理織物后，它們的余燃時間和陰燃時間皆為0。這說明磷氮阻燃劑具有良好的協同效應。由于PN-2分子結構的單元相對較小，它的滲透性好，容易透入纖維內部，因此易與織物生成聚合物。而PN-1處理織物其用量高于PN-2，但損毀長度要比PN-2低。在TMM和尿素用量均低于PN-2的情況下，織物的增重要比PN-2小，這表明可能其阻燃劑主要附著在纖維表面。另外阻燃劑PN-1和PN-2經20次洗滌后，其損毀長度和織物的增重都變化不大。這也反映出它們具有良好的耐洗性。
用阻燃劑PN-1和PN-2處理織物后，其斷裂強度，撕破強度，手感均下降不多，尤其是手感。由于用這二種阻燃劑處理織物后的織物增重均小于30%，因此織物處理后的手感變化不大。其中用PN-2處理織物后機械性能和手感均要好于PN-1。這是由于PN-1的結構要比PN-2大，容易與織物生成分子量較大的網狀結構的聚合物。而PN-2分子量較PN-1小，易透入纖維內部，生成聚合物，故其機械性能和手感均比PN-1好。
表2阻燃劑PN-1和PN-2處理織物后阻燃綜合效果比較
3.結論
1.利用THPC與酰胺類化合物和氨反應，生成的阻燃劑PN-1，PN-2具有磷、氮協同效應，能提高阻燃效果。其中PN-2的含磷和含氮量要高于PN-1。
2.阻燃劑PN-1和PN-2處理滌棉混紡織物皆能取得較好的阻燃效果。阻燃劑PN-1分子的單元結構比PN-2大，容易在織物上生成分子量較大的網狀結構的聚合物。而PN-2分子的單元結構相對較小，滲透性好，容易透入到纖維內部生成聚合物。因此在本實驗條件下，用阻燃劑PN-1和PN-2處理織物，PN-1的損毀長度和織物增要低于PN-2，而PN-2的斷裂強度，撕破強度及手感均要好于PN-1。vIZ7DxRvP

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