涤棉混纺织物的阻燃整理yd7704

戴姗姗  赵敏  周翔  东华大学化学与化工学院

原载：2006/6全国特种印花和特种整理学术交流会论文集；91-97

 

    【摘要】在了解纯棉、纯涤纶、涤棉45/55混纺织物燃烧性的基础上，采用涤纶阻燃剂DFR、棉用阻燃剂Provatex CP new及阻燃剂SFR对上述二种织物进行整理，比较整理品的燃烧性能，并采用热重分析(TGA)探讨不同阻燃剂的阻燃机理。DFR/CP两步法整理涤棉织物的极限氧指数(LOI)值芳25.0%，比分别用DFR或CP整理的涤棉的涤棉织物LOI值高，但阻燃效果仍不理想。CP对棉的阻燃作用主要是凝聚相机理；DFR对涤纶主要是气相机理。SFR整理棉、涤纶和涤棉织物的LOI值分别高达47.1%，51.3%和39.2%，阻燃效果显著，但整理涤棉织物的L0I值明显低于纯棉或纯涤纶的。SFR对棉主要在

凝聚相起作用，对涤纶主要在气相起作用。

    【关键词】涤棉  混纺  阻燃  整理工艺  热重分析

 

l    前言

随着人们健康、安全意识的增强，对纺织品的安全防护性愈益重视。在室内装饰、防护服等应用领域、纺织品的阻燃性能是衡量其安全性的重要指标之一。赋予纺织品良好的阻燃性对于确保安全、减少火灾发生及其造成的经济损失有着重要的现实意义。因此，阻燃纺织品的应用范围的不断扩大，需阻燃整理的纺织品也在不断增多。

    涤棉织物是当今用途较厂的纺织产品之一，不少应用场合都要求它具有优良的阻燃性能。但涤棉织物阻燃难度较大，多年来国内外对涤棉织物的燃烧性和阻燃整理已作了许多研究，迄今为止尚未研制出理想的涤棉织物耐久性阻燃剂[1-3]。本试验选择几种不同的阻燃剂对涤棉45/55混纺织物的阻燃性能进行研究。

2    实验

2·1   材料

    4040/133×72纯棉丝光半制品，涤纶布(70g/m2)4545/133×72涤棉45/55混纺丝光半制品(上海司麦脱印染有限公司提供)。本试验中分别简称为棉、涤纶和涤棉织物。

    Provatex CP new(汽巴精化公司，简称CP)，交联剂Lyofix CHN(汽巴精化公司，简称CHN)，Nupwell DFR(上海新力化学品有限公司，简称DFR)，Nupwell SDR(上海新力化学品有限公司)，磷酸85%(上海助剂厂)，渗透剂JFC(上海助剂厂)。

2·2   整理方法

    DFR整理：织物→浸入整理液(浴比1:20)→升温至90℃→l℃/min升温至130℃，保温lh→冷却至40℃→热水洗→冷水洗→皂煮lOmin→水洗

    CP整理：织物→二浸二轧工作液(带液率约70%)→预烘(90℃×3min) →焙烘(15O℃×5min)→浸轧15g/L纯碱溶液中和→热水洗→冷水洗→烘干

    SFR整理：织物→一浸一轧(带液率约90%)→烘干

2·3    织物性能测试

2·3·1增重率

    按GB9995-1997《纺织材料含水率和回潮率的测定:烘箱干燥法》，采用英国Ohaus公司AB2140型精密分析天平称重计算。

2·3·2   垂直燃烧性能

    按GB/T5455-1997《纺织品燃烧性能试验垂直法》，采用山东安丘纺织仪器厂YG818型阻燃性能测试仪测定。

2·3·3   极限氧指数（L0I值）

    按GB/T5454-1997《纺织品烧燃性能试验氧指数法》，采用意大利ATSFAAR公司高温氧指数仪进行测试。

2·3·4   热重分析(TGA)

    采用美国TAInstruments公司Q500型热重分析仪，气氛为氮气，氮气流量3Oml/mjn，升温速度1O℃/min，温度40 -600℃。

3   结果与讨论

    因未能取得与涤棉(45-55)织物同源的纯棉或纯涤纶织物，本试验比较涤棉、棉和涤纶三种织物燃烧性能的数据，可能存在因非同源而带来的些许差异。

3·1  未整理织物的燃烧性

    对涤棉45/55混纺织物进行阻燃整理之前，首先了解其燃烧性，并与棉和涤纶的纯纺织物进行比较，结果如表1表示。

表1  未整理织物的燃烧性能

样品

损毁长度(mm)

续燃时间(S)

阴燃时间(S)

L0I值(%)

棉

完全

1.3

24.7

I7.9

涤纶

l76

0

O

29.3

涤棉

完全

8.1

5.9

17.7

    表1数据表明，未整理棉和涤棉织物在垂直燃烧试验中均完全损毁，棉的续燃时间较短，阴燃持续时间较长;两者的LOI值均于18%。试验中还发现，在12sec的点火时间内，棉织物的燃烧比涤棉织物更加剧烈。未整理涤纶织物的L0I值已达29.3%，在垂直燃烧试验中火焰较小，有熔滴，无续燃、阴燃。

    为了进一步了解棉、涤纶和涤棉织物的燃烧性能，对三种织物进行热重分析[4]，其热重(TG)曲线和差示热重(DTG)曲线如图1所示，相关数据见表2

图l未整理棉、涤纶和涤棉(45/55)织物的TG曲线(a)与DTG曲线(b)

表2   未整理棉、涤纶和涤棉(45/55)织物的热重分析数据

样品

最大分解速率(%/min)

最大分解速率的温度(℃)

600℃残渣量(%)

棉

28.3

355

6.6

涤纶

19.7

426

40.l

涤棉

棉a

涤b

棉a

涤b

实验值

实验值c

实验值

实验值c

实验值

实验值c

15.1

15.6

7.1

8.8

363

421

9.0

21.7

注：a图l(b)DTG曲线3中(1)峰

b图l(b)DTG曲线3中(2)峰

c以纯棉或纯涤纶的实验值乘混纺比(商品值，未经实验室分析)分别计算而得

   从TG曲线(图1(a))知，试样1(棉)和2（涤纶）分别在不同的温度区域内有一次明显的失重，而试样3有两次失重。对应的DTG曲线(图1(b))中试样3的(1)峰应主要是棉的，(2)主要是涤纶的。表2列出了上述三个试样失重峰的最大分解速率及其温度、残渣量等主要参数，表中数据表明涤棉织物中两个组份的分解峰温度与试样1和2相比都有一定程度的位移，棉组份向偏高方向移动，涤纶组份向偏低方向移动，反映两组份分解过程中存在相互影响。再从600℃残渣量的数据来看，实验值明显低于计算值，表明两组份有相互促进热分解的作用。因此涤棉混纺织物热分解过程较复杂，要达到期望的阻燃效果，难度较大。

3·2  涤棉织物的DFR/CP阻燃整理

    本试验选用涤纶耐久阻燃剂DFR和棉耐久阻燃剂CP分别对涤棉织物中的涤纶和棉组份进行整理。为便于分析，先单独采用DFR或CP对涤棉织物进行整理，并与纯棉或纯涤纶织物的整理效果比较。在此基础上，再对涤棉织物进行DFR/CP两步法阻燃整理。

3·2·1棉和涤棉织物的CP整理

    本试验所用混纺织物中棉组分含量为55%，先观察棉用含磷阻燃剂CP在棉和涤棉织物上的整理效果。

    l)CP整理(无交联剂)

      整理液配方(g/L)

      CP             310-360

      85%磷酸        24

      JFC            2

    整理后的棉和涤棉织物不经水洗，测定其垂直燃烧试验的损毁长度，如图2所示。

图2   CP布整理棉及涤棉织物的垂直燃烧损毁长度(无交联剂，未经水洗)

    棉和涤棉织物经310-360g/L的CP整理后，均能在点火时间内停止燃烧，无续燃、阴燃。CP浓度为340和350g/L时，两种织物的损毁长度都小于l00mm。说明棉和涤棉经适量的CP整理后可以获得较好的阻燃效果。

   2）CP整理(有交联剂)

      整理液配方(g/L)

       CP             310-400

       交联剂 CHN       60

       85%磷酸          24

       JFC               2

    涤棉整理品均有续燃和阴燃并完全损毁。整理棉织物垂直燃烧试验的损毁长度见图3。

图3   CP整理棉织物的垂直燃烧损毁长度

(有交联剂，经水洗)

    从图3可以看出，CP浓度从310g/L增大至370g/L时，整理棉织物的损毁长度逐渐减小;CP浓度继续增大，整理品的损毁长度已不再减小。整理品燃烧时均无续燃和阴燃。

3·2·2   涤纶和涤棉织物的DFR整理[6]

    采用不同浓度的涤纶阻燃剂DFR以高温高压法分别对涤纶和涤棉织物进行整理。整理效果如表3所示。

表3   不同浓度DFR整理后涤纶和涤棉织物的垂直燃烧性能

DFR浓度(g/L)

涤纶织物

涤棉织物

损毁长度(mm)

续燃时间(S)

阴燃时间(S)

LOI值(%)

损毁长度(mm)

续燃时间(S)

阴燃时间(S)

LOI值(%)

0

176

0

0

29.3

完全

8.1

5.9

17.7

10

121

0

0

35.1

完全

6.3

2.0

17.7

20

115

0

0

37.6

完全

6.4

1.1

17.9

30

108

0

0

38.3

完全

6.4

0

l8.0

    未整理涤纶织物在垂直燃烧试验中无续燃、阴燃，但有熔滴：经DFR整理后，既无续燃、阴燃，也无熔滴，损毁长度明显减小，LOI值增大。涤棉织物在DFR整理前后均完全损毁，LOI值变化很小，DFR浓度为30g/L时只增至18.0。在测试过程中观察到未整理涤棉织物燃烧后残留有少量黑色网状物质。说明DFR虽然对涤纶织物的阻燃效果显著，但对涤棉45/55织物基本无效。

3·2·3   涤棉织物的DFR/CP整理

    分两步对涤棉织物中涤纶和棉组份进行整理，先进行DFR(高温高压法)整理，再进行CP(浸轧焙烘法)整理。其中，DFR整理液浓度为30g/L，CP整理液配方(g/L)如下:

    CP                350

    交联剂 CHN         55

    85% 磷酸           24

    JFC                 2

    对CP整理棉和涤棉织物、DFR整理涤纶和涤棉织物以及DFR/CP整理涤棉织物进行热重分析。图4是上述整理织物的DTG曲线，相关热分解数据及织物的LOI值列于表4。

图4   棉、涤纶和涤棉织物阻燃

整理前后的DTG曲线

表4   棉、涤纶和涤棉织物在阻燃整理前后的热分析数据及LOI值

织物

棉组份分解蜂

涤组份分解峰

600℃

LOI值

最大速率(%/min)

温度(℃)

最大速率(%/min)

温度(℃)

残渣量(%)

%

棉

未整理

28.3

355

-

-

6.6

17.9

CP整理

12.6

316

-

-

40.1

29.7

涤纶

未整理

-

-

19.7

426

l2.7

29.3

DFR整理

-

-

18.6

426

13.7

38.7

涤棉

未整理

l5.l

363

7.1

42l

9.0

17.7

DFR整理

7.5

338

6.7

423

10.8

l8.0

CP整理

7.8

3l4

8.1

432

27.2

22.9

DFR/CP整理

7.7

313

7.9

432

26.3

25.0

  分析图4中曲线1和2及表4中数据可知，棉织物经CP整后，分解温度明显降低，分解峰温度降低了39℃，分解速率减小，整理品在600℃时的残渣量大大增加，LOI值明显提高。CP为含磷阻燃剂，通过对棉纤维的磷酸化作用，改变棉纤维大分子链的热裂解反应历程，使分解速率降低，并主要向生成焦炭的方向进行，从而减少可燃性气体的产生。显然，整理剂CP对棉纤维的阻燃作用主要是凝聚相机理。

由曲线3、4和表4数据可知，DFR整理涤纶织物的LOI值明显增大，阻燃效果明显。涤纶织物整理前后的几个热重分析变量，如最大分解速率及其分解温度，以及600℃残渣量都无明显变化，说明DFR对涤纶的热裂解过程无明显影响，主要通过气相阻燃机理获得阻燃效果。比较DFR整理前后涤棉织物的DTG曲线5和6可知，整理后织物中涤组份的分解速率、分解峰温度、残渣量和LOI值均无明显变化，说明DFR对涤纶组份的热裂解基本无影响。DFR对棉组份热裂解的影响大于对涤组份的，DFR整理品中棉组份的最大分解速率降低了50%左右，分解峰温降低了25℃ 。

    曲线5和7的比较则表明，CP对涤棉的影响比DFR明显。涤棉织物经CP整理后其中棉组份分解峰的温度降低了49℃，比CP整理纯棉织物的变化更明显。另外，整理后的残渣量明显增加，表明CP主要在凝聚相起作用。CP对涤纶的分解也起作用，便混纺织物中的涤纶分解温度提高ll℃，分解速率加快。

    从表4及曲线7、8可以看到，DFR/CP整理涤棉织物的LOI值比单独CP整理品的高2.1个百分点，除此之外其余变量都与CP整理涤棉织物接近。表明DFR/CP体系中起作用的主要是CP，DFR的加入似乎只对LOI值的提高起了一些作用。

3·3  SFR整理

     将阻燃剂SFR分别浸轧到棉、涤纶和涤棉织物上，烘干。整理品的燃烧性如表5所示。

表5    SFR整理品的性能

织物

增重率(%)

损毁长度(mm)

LOI值(%)

白度(%)

棉

未整理

-

完全

l7.9

84.5

SFR

16.47

71

47.1

79.5

涤纶

未整理

-

l76

29.3

94.8

SFR

18.42

60

51.3

85.6

涤棉

未整理

-

完全

17.7

82.5

SFR

16.53

88

39.2

78.l

    整理品在垂直燃烧性能测定中均无明显燃烧，烟雾较小，无刺激性气味。与相应的未整理织物相比，三种织物的损毁长度都显著降低，L0I值均增加20个百分点以上，其中棉织物的L0I值增加近30个百分点。整理织物的手感无明显变化，白度略有下降。

    对经SFR整理的棉、涤纶及涤棉织物进行热重分析，并与未整理织物进行比较。DTG曲线如图5所示，相关热分解数据及织物的LOI值列于表6。

图5  SFR整理前后棉、涤纶和涤棉

织物的DTG曲线

    从图5和表6可以看到，曲线1与2比较，SFR整理棉织物的分解温度比整理前明显降低,分解速率也明显越小，600℃残渣量增加量超过30个百分点，L0I值高达47.1%。说明SFR改变了棉的热裂解历程，主要在凝聚相起作用。

    涤纶织物经SFR整理后，热裂解温度变化不大，最大分解速率变小，但残渣量变化很小，说明涤纶织物在整理前后热裂解过程没有明显变化，L0I值从整理前的29.3%升高为51.3%。可见SFR对涤纶主要在气相起作用。

表6   SFR整理前后棉、涤纶和涤棉织物的热分析数据与LOI值

织物

棉组份分解峰

涤组份分解峰

600℃残渣量(%)

LOI值(%)

分解速率(%/min)

温度(℃)

分解速率(%/min)

温度(℃)

棉

未整理

28.3

355

-

-

6.6

l7.9

SFR

6.7

218

-

-

37.2

47.1

涤纶

未整理

-

-

19.7

426

12.7

29.3

SFR

-

-

14.0

429

12.1

5l.3

涤棉

未整理

15.1

363

7.1

42l

9.0

17.7

SFR

5.3

215

7.4

432

25.1

39.2

    SFR整理涤棉织物中棉组份的热裂解速率明显减小，对应的分解峰温度低了约15O℃。涤纶组份分解峰向低温方向移动，且速率略有增大。整理织物在600℃时的残渣量增大，略低于计算值25.9%(SFR整理棉织物残渣×55%SFR整理涤纶织物残渣量×45%)。L0I值增大为39.2%，阻燃效果优异。说明

SFR改变了棉的热分解历程，主要在凝聚相对棉起作用，对涤纶主要在气相起作用。但值得注意的是SFR整理涤棉织物的LOI值明显低于纯棉或纯涤纶的。

4    结论

    从未整理织物的L0I值和垂直燃烧试验可知，本试验中涤棉45/55混纺织物的可燃性明显大于棉或涤纶的纯纺织物。热分析结果表明棉和涤组份在升温过程中有相互作用，因而加剧了织物的热裂解，阻燃整理难度较大。

    采用DFR/CP整理，发现CP对棉和涤棉织物中的棉组份主要在凝聚相起作用;DFR对涤纶和涤棉中的涤纶组分的热裂解历程基本无影响，属气相阻燃机理。DFR/CP整理涤棉织物的LOI值为25.0%，比单独进行DFR或CP整理的涤棉织物LOI值高，说明DFR与CP的联合应用起了一定的作用，但阻燃效果仍不理想。

    SFR整理的棉、涤纶和涤棉织物在垂直燃烧试验中均无续燃、阴燃，损毁长度低于l00mm，LOI值分别高达47.1%，51.3%和39.2，阻燃效果显著。但整理涤棉织物的L0I值明显低于纯棉或纯涤纶的。整理品的手感无明显变化，断裂强度有所增加，热分析结果表明，SFR对棉主要在凝聚相起作用，对涤纶主要在气相起作用。

致谢

感谢上海新力化学品有限公司及汽巴精化有限公司为本试验提供化学品，感谢中国人民解放军防化研究所提供分析测试，并感谢课题组及东华大学染整实验室老师的热心帮助!

参考文献

[1]Juliusp. Neumeyer, James 1. Wadsworth, Nestor B. Knoepfler, et al. Thermogravimetric Analysis of polyester/Cotton Breated with thpc-Urea-Poly(vinyl Bromide),Themochimica Acta.16(1976);133-148.

[2]张济邦等,织物的阻燃整理,纺织工业出版社，1987

[3]杨栋梁等,织物的阻燃整理,纺织工业出版社，1987

[4]李余增,热分析，清华大学出版社1987

 [5]Menacham Lewin, Flame Retardance of Fabrics of functional finishes Part B. Handbook of Fiber Science and Technology Volume II Chemical Processing of Fiber and Fabrics,1984;109-117

[6]周翔等,阻燃剂DFR在涤纶阻燃整理中的应用,印染，1997(6);23-25