微胶囊技术在棉织物阻燃整理中的应用yd11514

花金龙 李文霞   北京服装学院，北京市服装材料研究开发与评价重点实验室  北京100029

来稿日期：2009-04-08

作者简介：花金龙(1983-)男，硕士研究生，主要从事纺织品阻燃剂的研究开发和生态纺织品后整理

原载:染整技术2009/8;5-8

 

    【摘要】以二乙烯三胺和环氧氯丙烷为原料，利用界面聚合的方法，制备了聚磷酸酯阻燃剂微胶囊，借助红外光谱仪、生物显微镜等对微胶囊制备的过程进行分析，确定了最佳制备条件。利用制备的阻燃剂微胶囊与丁烷四羧酸联用，对棉织物进行阻燃整理，对阻燃整理后棉织物进行了热分析(TG)和阻燃性能测试。阻燃性能优异，且织物白度和吸湿性保留率良好。

    【关键词】阻燃剂；微胶霞；棉；应用研究

【中图分类号】TSl95.24文献标志码： A文章编号：1005-9350(2009)08-0005-04

 

    微胶囊作为一门新型技术，纺织工业对微胶囊技术反应比较迟缓，直至上世纪90年代才有一些研究和开发乃至商业化，近年来迅速发展[1-6]。进入2l世纪，人们意识到微胶囊在纺织品上的功效，尤其发达国家，如日本、美国以及一些欧洲国家，微胶囊技术迅速发展，引导纺织品功能性、时尚性、先进性技术创新。

    现有的众多微胶囊化方法中，界面聚合法[7-9],和原位聚合法[10],是以单体作为原料，利用合成高分子材料做壳材的方法。具有工艺简单、壳材选择面广等优点被广泛应用。

    本文以环氧氯丙烷和二乙烯三胺为原料，在自制阻燃剂表面通过界面聚合法生成壳材，包覆在阻燃剂的表面，形成阻燃剂的微胶囊[11]。研究了界面聚合法制备微胶囊时的乳化分散剂用量、反应温度、搅拌速度、壳芯质量比等因素对微胶囊粒径大小和分布的影响规律，确立了最佳的制备条件。利用制备的阻燃剂微胶囊对棉织物进行整理[12]，整理后的棉织物阻燃耐洗性获得了较大提高。

l  实验部分

1.1  实验原料及仪器

    实验原料：自制阻燃剂、二乙烯三胺、环氧氯丙烷，BTCA，次亚磷酸钠，均为分析纯(市售)；预处理纯棉平纹白布。

    实验仪器：美国Nicolet Nexus670型FT-IR光谱仪，DF-10lS集热式恒温加热磁力搅拌器，LCK-08织物阻燃性能测定仪，生物显微镜，热重(TG)分析仪，SBDY-2便携式白度仪。

1.2  阻燃剂的制备

    以乙二醇和磷酸三甲酯为原料，在催化剂存在的条件下，制备了缩合的磷酸酯阻燃剂,其结构式为：

        

1.3  阻燃剂微胶囊的制备方法

    将一定比例的自制阻燃剂和环氧氯丙烷加入到含有平平加的溶液里，乳化形成O／W型乳液；逐渐升温至一定温度，将含有分散剂NNO的二乙烯三胺溶液逐滴加入乳液中：环氧氯丙烷与二乙烯三胺发生界面聚合，将阻燃剂包覆，形成微胶囊。

1.4  棉织物的阻燃整理

    浸轧整理液(二浸二轧，轧余率85％)→预烘(85℃，4 min) →焙烘(170℃，90s)→皂洗。

1.5  测试分析

1.5.1  阻燃剂红外谱图分析

    利用美国Nicolet Nexus670型FT-lR光谱仪对合成阻燃剂进行官能团的分析，确认阻燃剂的结构。

1.5.2  阻燃剂微胶囊壳厚与平均粒径的测试

将微胶囊样品进行抽样观察，由生物显微镜观察微胶囊形成的数日。每个试样统计200个数据，每个数据的观测均在同一放大倍数下进行，通过两次聚焦，直接观测得到微胶囊的内径d和外径D，壳厚h按下式计算得到：

    微胶囊壳厚(µm)=微胶囊外径-微胶囊内径

    采用HPPS高性能纳米粒度分析仪，测试并计算制备微胶囊的平均粒径。计算公式为：

        dn=∑(ni×di)/∑ni

    其中，dn为平均粒径，ni为具有相同粒径的微胶囊数目，di为单个微胶囊粒径。

1.5.3  阻燃整理后织物阻燃性能的测试

    用LCK-08织物阻燃性能测定仪对整理前后棉织物进行阻燃性能测试，按照GB/T 5455-1997《纺织品燃烧性能试验垂直法》标准。续燃、阴燃时间越短，损毁长度越短，阻燃性能越好。

1.5.4  阻燃织物热分析(TG)

    用热重分析仪对阻燃前后织物进行热分析，理论上阻燃整理后各阶段的理想温度均有所降低，且裂解残渣量会增加。

1.5.5  阻燃织物白度测试

    采用SBDY-2便携式白度仪对阻燃织物白度进行测试，测试五次取平均值。

2  结果与讨论

2.1  阻燃剂红外谱图分析结果

对合成的阻燃剂进行红外光谱测试，其红外谱图如图l所示。

图l  阻燃剂的IR谱图

图中3310/cm处的峰为-OH的伸缩振动吸收峰，2940/cm,2880/cm处的峰为-CH3的反对称和对称伸缩振动峰。1460/cm处的峰为-CH2的平面剪式振动峰，1230/cm处的峰为P=O的伸缩振动峰。1020/cm处的峰为P-0-C的伸缩振动蜂。88l/cm～810/cm处的峰为C-H的面外弯曲振动峰，上述各特征峰均与合成的目标产物相符。

2.2  影响微胶囊制备的各因素分析

2.2.1  反应温度

    根据原料界面聚合的条件，将反应的温度确定为20～70℃。反应温度对微胶囊性能的影响，如表1。

    表1  反应温度对徽胶囊性能的影响

反应温度／℃

20

30

40

50

60

70

微胶囊壳厚／µm

O.2

0.36

0.45

0.33

0.25

0.17

    注：其它条件分别为搅拌速度1000r／min，m壳材:m芯

材=1.5:1，乳化分散剂用量4％(owf)

    由表l可知，在温度低于40℃时壳材高分子运动较弱。不能很好地包覆芯材。微胶囊壳厚较薄，易破裂；随着温度的升高，壳材高分子运动加剧，但在50℃以后微胶囊的壳厚随着温度的升高而减小，说明温度太高不利于壳材在芯材周围的凝聚。40℃时的微胶囊壳厚最大，为最佳反应条件。

2.2.2  搅拌速度

    由表2知，阻燃剂微胶囊的粒径随着搅拌速率的增加减小明显，说明在搅拌速度较大的情况下,阻燃剂微胶囊不易聚集成较大粒子：微胶囊的壳厚却先增大后减小，说明在搅拌速率较小时，壳材和芯材的相互分散度较小，从而减少了壳材和芯材接触的概率：搅拌速度过大，不利于壳材在芯材周围形成凝聚相，也易导致囊壳被打破，搅拌速率应选择在900 r/min左右为宜。

表2  搅拌速度对微胶囊性能的影响

搅拌速度r/min

Dn/µm

微胶囊壳厚µm

500

1.73

0.08

700

1.52

0.11

800

0.96

0.19

900

0.71

0.32

1000

0.54

0.18

1100

0.49

0.11

注：反应温度40℃，m壳材:m芯材=1.5:1 乳化分散剂用量4％(owf)

2.2.3  壳芯质量比

表3  壳芯质量比对微胶囊性能的影响

m芯材:m壳材

dn/µm

微胶囊壳厚/µm

1:1.5

0.37

0.48

1:1

0.61

0.31

1.5:1

1.04

0.20

2:1

1.35

0.16

2.5:1

1.66

0.11

    注：反应温度40℃，搅拌速率900r／min，乳化分散剂用量4％(owf)

    由表3知，提高芯壳材的质量比，阻燃剂微胶囊的粒径明显增加，粒径太大在织物阻燃整理时将会在织物表面涂膜，影响织物的其他性能：但是壳厚却有所下降，易造成微胶囊的破裂，因此芯壳材质量比应选择在1.5:l为宜。

2.2.4  乳化分散剂的用量

    阻燃剂微胶囊的粒径和分布受乳液稳定性的影响，乳化分散剂的用量较少时，它不能包住所有的液滴，液滴间易发生合并；随着乳化分散剂用量的增加，液滴间合并的机会变小，但是当乳化分散剂过量时，多余的部分起不到作用，会造成浪费。由表4知，当乳化分散剂用量大于4％，微胶囊的粒径基本维持不变，因此，乳化分散剂的用量为4％。

    表4  乳化分散剂用量对微胶囊性能的影响

乳化分散剂用量／％

2

3

4

5

6

7

粒径d／µm

0.83

0.61

0.53

0.51

0.54

0.51

    注：反应温度40℃，m壳材:m芯材=15:1，搅拌速率900 r/min

综上各种因素，阻燃剂微胶囊制备的最佳工艺为：反应温度为40℃，搅拌速率为900 r／min，芯壳材质量比为1.5:1，乳化分散剂的用量为4％，在最佳工艺条件下，制备阻燃剂微胶囊，其生物显微镜下的外观形态见图2。

图2微胶囊外观形态图(16×100)

    由图2所示，制备的阻燃剂微胶囊数目比较多，分布均匀。利用该微胶囊阻燃剂进行整理时，微胶囊颗粒易向纤维内部渗透，可有效提高织物的阻燃效果。

2.3  最佳整理工艺的确定

    将合成的阻燃剂微胶囊用于棉织物的阻燃整理，主要考查微胶囊的用量、交联剂的用量、焙烘温度和焙烘时间四个因素的影响。通过单因素实验选取止交试验的水平因子，进行正交试验。根据织物损毁长度来确定整理的最佳工艺。

        表5  整理工艺正交试验表

试验编号

微胶囊用量(g/L)

交联剂用量(g/L)

焙烘温度  ℃

焙烘时间s

损毁长度mm

F 1

200

20

160

60

165

F 2

200

30

170

90

138

F 3

200

50

180

120

191

F 4

220

20

170

120

94

F 5

220

30

180

60

136

F 6

220

50

160

90

146

F 7

240

20

180

90

117

F 8

240

30

160

120

146

F 9

240

50

170

60

153

均值1

164.667

125.333

152.333

151.333

 

均值2

125.333

140.000

128.333

133.667

 

均值3

138.667

163.333

148.000

143.667

 

级差

39.334

38.000

24.000

17.666

 

    由表5可知，微胶囊用量和交联剂用量的极差分别为39.334和38.000，较其他因素的极差大，为影响整理效果的主要因素。但是整理剂用量达到一定量时，单纯增加整理剂的用量不能提高阻燃性能，焙烘温度太低整理剂不能很好发生交联，焙烘温度过高对织物损伤严重，交联剂用量过大影响织物的手感。由表5，综合各因素的水平因子可以得出最佳整理工艺条件为：整理剂用量为220g/L，交联剂用鲢为20g/L，焙烘温度为170℃，焙烘时间为90s。

2.4  测试结果

2.4.1  阻燃织物热分析结果

用制备的阻燃剂微胶囊，在最佳的阻燃工艺条件下对棉织物进行阻燃整理，对阻燃整理前后的棉织物进行热重(TG)分析，结果如图3所示。

图3  阻燃整理前后棉织物的TG分析

    由图3可知，整理后棉织物裂解的阶段性还是存在的。整理后的棉织物各阶段的裂解温度均降低明显，主要裂解阶段更为明显，由354.86-395.88℃降为267.89-283.84℃，失重率由5l.056％-29.132％，且残渣量由22.542％提高到35.038％，说明阻燃剂微胶囊有效地阻止了织物的裂解，阻燃性能优良。

2.4  阻燃耐洗性测试

    分别对阻燃织物进行10次、20次的皂洗，并测试其阻燃性能，皂洗条件为：纯碱2g/L，皂片2g/L，温度为50℃。

表9  阻燃织物耐洗性的测试结果

皂洗次数

续燃时间s

阴燃时间s

损毁长度cm

10

0

0

10.1

20

0

0

13.9

    由表9知，经过20次的皂洗，织物的损毁长度仍小于15 cm，续燃、阴燃时间均为零，阻燃效果仍能达到Bl级的标准。

2.4.3  阻燃整理后织物其它性能的变化

    整理后织物的白度保留率较好，吸湿性较好，褶皱回复角得到提高，均能满足应用的要求,见表10。

表l0  阻燃织物的性能变化

织物

白度%

毛细效应cm

折皱回复角°

原布

94.06

10.1

185

整理织物

83.13

9.2

242

3  结论

3.1  以二乙烯三胺与环氧氯丙烷为原料，利用界面聚合方法，制备了阻燃剂微胶囊，制备微胶囊的最佳工艺条件为：反应温度40℃，搅拌速度900r／min，m壳材:m芯材=1:1.5，乳化分散剂用量4％(owf)。

3.2  对阻燃剂微胶囊的最佳整理工艺进行了优化，最佳整理工艺为：整理剂用量为220g/L，交联剂用量为20 g/L，焙烘温度为170℃，焙烘时间为90s。

3.3  微胶囊阻燃剂和丁烷四羧酸合用，对棉织物进行阻燃整理,整理后的织物经20次皂洗后仍有良好的阻燃效果，同时织物的抗皱性能获得了提高。

3.4  对阻燃织物进行了热分析(TG)。表明阻燃剂微胶囊对纤维的脱水、炭化有催化作用，减少了可燃性裂解产物的生成，固体残渣量增多。

3.5  阻燃整理后，棉织物的白度、吸湿性保留较好，且织物的断裂强力损失不大。

4  参考文献

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