纺织品的纤维组成及结构不同导致其燃烧过程和现象也不尽相同。按照纺织品燃烧的难易程度可分为易燃、可燃、难燃、阻燃和不燃五类。纺织品燃烧需要同时具备热源、氧气和可燃性物质三个条件。一般情况下,纺织品的燃烧基本都是外部热源作用于自身,当热源提供的热量到达一定程度后,纺织品中的纤维就会发生分解或者裂解现象,并会产生一定量的可燃气体,与氧气混合使其燃烧。纺织品的阻燃整理常利用中断热交换、提高燃烧过程中所需氧气的浓度和覆盖可燃物的方法,运用的阻燃理论有表面覆盖理论、吸热作用、脱水理论、凝聚相阻燃理论、气相阻燃理论等。
1.棉织物的阻燃整理
棉织物的主要成分是纤维素,容易燃烧,提高棉织物的阻燃性能具有较为重要的实际应用价值。邓继勇等以六氯环三磷腈(HCPP)和季戊四醇磷酸酯(PEPA)为原料制备成新型氮—磷无卤阻燃剂(HCPPA)后,对棉织物进行阻燃整理,当阻燃剂添加量为28.2%时,织物极限氧指数高达35.1%,阴燃时间为0.3s,且具有良好的耐水洗性。刘子怡等通过对棉织物表面进行接枝改性,制备了含三羟甲基三聚氰胺/乙二胺/亚磷酸二甲酯的阻燃棉织物。经试验测试可知,棉织物的LOI由原来的19.5%提高到了43.1%,经多次水洗后其LOI仍可以保持在(42.6±1.0)%,保持了非常好的阻燃性能。Shuk Ying Chan等将自制的硼—氮聚合物(PEIPAs)利用一浸一轧方式对棉织物进行处理,当织物上含有质量分数为33.8%的阻燃剂时具有自熄能力,炭渣的SEM显示表面产生了大量胀破的泡状突起,具有良好的阻燃效果;TGIR分析表明,织物处理后的可燃挥发物产量明显降低。信群等采用纳米氢氧化镁(MH)为协效剂,将其添加到聚磷酸铵/三聚氰胺/季戊四醇阻燃剂中对棉织物进行处理,结果表明,当改性纳米MH的添加量为2%时,棉织物的阻燃性能达到最佳,纳米MH与膨胀型阻燃剂对棉织物的协效阻燃作用非常显著。
近年来,纺织品逐渐由经济实用型向多功能结合型转变。东华大学张玲等采用安全无毒害、无污染的整理剂,采用棉织物浸渍抗菌剂→轧液→阻燃剂浸渍→轧液→预烘焙烘工艺,探索棉织物阻燃抗菌多种功能一体的可能性。马吉宏等研究了以柠檬酸作为防皱剂,偶联剂3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)作为棉织物阻燃剂的免烫阻燃复合整理,用柠檬酸作为与棉纤维之间的交联剂,并利用APTES可与自身反应生成网状结构的特点来增加阻燃效果的耐久性。
2.毛织物的阻燃整理
羊毛燃烧过程中产生氮的氧化物、氢氰酸及二氧化硫等有害气体,在火灾中这些气体时刻危害着人类的生命安全。目前针对采用含卤素、锆、磷等元素的阻燃剂进行羊毛阻燃处理的研究较多,这些阻燃体系的生态性受到质疑,所以生态羊毛阻燃方法是羊毛阻燃的新要求。
采用金属氧化物粉末阻燃剂是生态羊毛阻燃的一个选择方向,遇到的困难是施加均匀性和耐洗涤性问题。薛日杰等采用溶胶—凝胶法利用TiO2—SnO2复合溶胶进行羊毛阻燃整理,解决了金属粉末微粒的施加均匀性问题;当C2H5OH、H2O、SnO2、TiO2、HNO3、CH3COOH各组分的量比为3:1:0.2:0.1:0.1:0.1时,阻燃效果较好;复合溶胶在羊毛表面形成一层氧化物薄膜,这层难燃的薄膜能阻止热量传递和氧气的扩散,提高了羊毛的阻燃性能。
张维等采用溶胶—凝胶法制备硅溶胶和硅/磷溶胶,并将其应用于羊毛的阻燃整理,利用纳米溶胶在纤维表面形成牢固、透明、多孔的氧化物薄膜,把硅溶胶作为载体,添加磷酸盐为阻燃剂,使之吸附于织物上达到阻燃效果。同时,硅本身作为一种环保性的阻燃元素,与含磷阻燃剂复配使用,能提高体系的阻燃效果。整理后织物的燃烧性能和热性能得到明显改善,且微型量热分析表明,硅/磷溶胶整理后的羊毛织物在燃烧时能降低热释放速率和热释放总量,这对于降低火灾发生时造成的危害十分有利。(www.daowen.com)
将磷、硅等阻燃元素通过杂化反应引入同一分子结构中,通过元素之间的相互作用,表现出良好的协效阻燃作用和互补性,且适用广泛。贾丽霞等采用合成的硅磷杂化单体DDPSi-FR对毛织物进行整理,结果表明,整理后羊毛织物的吸热降解质量损失率降低了5.3%,成炭放热温度提高约30℃,垂直燃烧损毁炭长降低了55.9%,LOI提高了10.4%,并具备较好的耐水洗性,整体效果达到装饰与防护阻燃织物的B1级标准。
3.涤纶织物的阻燃整理
制备阻燃涤纶常用的三种方法主要是共聚、共混以及表面后整理。
(1)共聚。共聚方法可制备本征阻燃聚酯,采用的主要是磷系阻燃单体DOPO、CEPPA、DDP或它们的环状酸酐与PET单体共聚而成。国内外均有成功商业化生产的品种,已报道的有德国的Trevira CS®、美国DuPont公司的Dacro-900F纤维、日本东洋纺公司的GH471和GH478纤维;我国阻燃PET市场上占主导地位的Gospring®系列阻燃共聚酯及其纤维(四川大学)已达到国际先进水平。共聚方法阻燃效果好且耐久,不会对织物的力学性能产生很大的影响,但工艺相对比较复杂,而且开发成本较高。采用磷系阻燃剂制备的阻燃涤纶燃烧时存在熔滴引发二次燃烧的风险,使得该类阻燃涤纶在电子、防护服、汽车装饰等领域的应用受到限制。
(2)共混。共混纺丝方法就是在纺丝液中加入难溶或不溶物质,然后进行纺丝,如磷酸铝、磷酸酯、三聚氰胺磷酸盐、酚醛树脂、聚四氟乙烯、氧化锑、硼酸锌、包覆红磷、二氧化硅等。无机物质的加入虽然能取得一定的抗熔滴效果,但总添加量往往较大而严重影响了纺丝工艺,限制了PET作为纺织纤维的应用,只能用作工程塑料。共混方法操作费用低、简单易行,对于共混方法的改进主要是寻找合适的添加型阻燃剂,需要兼顾界面相容性以及分散性等问题,因此聚合物/无机纳米复合材料的研究受到了广泛的关注,添加无机纳米颗粒可以大大提高聚合物的热性能、力学性能和阻隔性能。例如,研究者将石墨化程度较高的碳微球(TCMSs)加入熔融纺丝液中共混制备阻燃复合材料,发现石墨化程度的提高,使得TCMSs在PET基体中的分散性以及制备的复合材料拉伸强度都能得到改善。研究者也尝试了将无机纳米粒子CaCO3、BaSO4和ZnO添加到PET中制备无机纳米涤纶阻燃复合材料,纳米无机离子的加入,既可以改善PET的热稳定性,有助于提高PET的初始分解温度和最大分解温度,也阻碍了PET分解所产生的挥发性产物从体系中逸出,还可以节省成本,减缓化石资源的消耗速率,一举多得。但是无机纳米粒子在聚合物中相容性和分散性一直制约着此领域的发展,还需深入研究。
(3)表面后整理。该法是将涤纶织物浸轧或浸渍在含有阻燃剂的溶液里,然后高温焙烘,有的阻燃剂自身交联,有的阻燃剂靠黏合剂在织物外层形成一层薄膜以达到阻燃效果。由于磷、氮系阻燃剂在燃烧过程中不易释放腐蚀性气体,且具有良好的抑烟性能,具有广阔的应用前景。
丁放等以氯磷酸二乙酯、甲基丙烯酰胺为反应物,合成磷氮阻燃剂二乙基-甲基丙烯酰胺磷酸酯(DMPP),通过浸渍方法整理到涤纶织物上,燃烧后整理织物炭长由大于30cm,下降到7.7cm;极限氧指数提高到28.7%;对整理织物进行10次水洗后其极限氧指数仍达27.4%;整理织物的强力损失控制在5%以内,满足服用要求。卢声等用2,4-二羟乙基胺-6-氯-1,3,5-三嗪与苯基磷酰二氯制备了含三嗪环的苯基磷酸酯结构的P-N型阻燃整理剂BPAT,并采用二浸二轧整理工艺对涤纶织物进行阻燃整理。结果表明,BPAT可提高涤纶织物的残炭率超过3倍,降低织物燃烧的阴燃和续燃时间到0.2s和6.2s,对涤纶织物具有较好的阻燃效果;经10次水洗后,整理织物的阻燃性略有降低,但降低程度不大,说明整理织物具有一定的阻燃耐久性;整理后涤纶织物的润湿性能明显改善。李禹等以磷酸三钠、环氧氯丙烷、三乙胺为原料合成了一种新型磷氮型阻燃整理剂,采用碱减量工艺对涤纶织物进行预处理,浸渍所合成的整理剂溶液,研究整理后织物阻燃性能的变化情况。最佳的处理工艺为:减量率为18%左右,阻燃整理剂浓度为200g/L,浸渍时间为1h,焙烘温度为160℃。通过阻燃整理,涤纶织物的LOI值可从20.4%升高到28.3%。方寅春等将实验室制备的9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(DOPO)环磷腈衍生物(DOPO-TPN)制备成阻燃分散液,用高温高压法或热熔法对涤纶织物进行阻燃整理;整理品的阻燃性能通过极限氧指数(LOI)和垂直燃烧进行测定。结果显示,DOPO-TPN能赋予涤纶织物较好的阻燃性和阻燃效果耐洗性,极限氧指数(LOI)可达31%以上。
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