環保阻燃劑對棉織物阻燃性能的研究

劉東發，李曉增

(廣州市質量監督檢測研究院，廣東 廣州 511442)

棉織物又稱棉布，是以棉紗為原料的機織物。棉織物以優良的服用性能成為最常用的面料之一，廣泛用于服裝面料、裝飾織物和產業用織物。隨著紡織印染加工的深入發展，棉織物品種日益豐富，外觀和性能及檔次也不斷提高。由于化學纖維的發展，出現了棉型化纖，其長度(一般為38 mm左右)等物理性狀符合棉紡工藝要求，在棉紡設備上純紡或與棉纖維混紡而成，這類纖維的織物以及棉織物統稱為棉型織物[1]。但其阻燃性一直是十分棘手的問題，因而限制了它的應用[2]。

目前棉織物耐久阻燃劑一般進行羥甲基化，導致含有大量的甲醛，同時為了提高阻燃效率，需添加含羥甲基反應基團的交聯劑，經過整理后，織物上游離甲醛含量過高且存在后續甲醛釋放的問題。在世界“綠色消費”浪潮的沖擊下，世界各國對生產和進口的紡織品要求不含有毒、污染物質，在紡織貿易方面設立了許多技術壁壘，嚴重制約了我國紡織品的出口，因此，研究開發、生產和使用無甲醛、無鹵素阻燃劑對棉織物進行阻燃整理，并能達到一定的可洗滌性是本文研究的重點。本文選擇的甲基膦酸二甲酯(DMMP)作為棉織物的阻燃劑，無甲醛，不含鹵素。其阻燃機理是：當阻燃織物遇到火源時，DMMP在高溫下分解，先分解成磷酸，再失去水生成焦磷酸，繼而生成偏磷酸和聚偏磷酸，從而形成不揮發性的磷酸層覆蓋于燃燒物表面上，達到隔絕空氣和熱源，以迫使燃燒停止[3-4]。

1 試驗

1.1 材料和設備

織物：純棉漂白平布21 tex×21 tex(濰坊龍都棉紡織印染有限公司)。

主要試劑：甲基膦酸二甲酯(廣州市正通化工有限公司)、五氧化二磷(廣州市化學試劑廠)、滲透劑 (季戊四醇，廣州市化學試劑廠)。

設備：電子天平(T214，北京賽多利斯儀器系統有限公司)，高低溫試驗箱(LP/GDW-010C，上海林頻儀器股份有限公司)，西門子全自動洗衣機，氧指數測定儀(HC-2C，南京上元分析儀器有限公司)，水平垂直燃燒測試儀(CFZ-3，南京市江寧區分析儀器廠)。

1.2 阻燃整理工藝

按照設計配方配制阻燃整理液，然后按浴比1 ∶10將試樣浸入阻燃整理液，30 min攪拌一次，確保阻燃劑能最大程度地附著于織物上，浸漬后脫水8 min，再在烘箱中烘干(70 ℃，30 min)，以備隨后進行的阻燃性能測試。

1.3 測試

1.3.1 阻燃性能測試

極限氧指數按GB/T 5454-1997《紡織品 燃燒性能試驗 氧指數法》[5]測試；垂直燃燒性能按GB/T5455-1997《紡織品 燃燒性能試驗垂直法》[6]測試。阻燃性能分級按GB 20286-2006《公共場所阻燃制品及組件燃燒性能要求和標識》[7]織物類進行判定(阻燃1級：氧指數≥32，損毀炭長≤150 mm，續燃時間≤5 s，陰燃時間≤5 s；阻燃2級：損毀炭長≤200 mm，續燃時間≤10 s，陰燃時間≤10 s)。

1.3.1.1 定義

極限氧指數：在規定的試驗條件下，氧氮混合物中材料剛好保持燃燒狀態所需要的最低氧濃度。

續燃時間：在規定的試驗條件下，移開(點)火源后材料持續有焰燃燒的時間。

陰燃時間：在規定的試驗條件下，當有焰燃燒終止后，或者移開(點)火源后，材料持續無焰燃燒的時間。

損毀長度：在規定的試驗條件下，在規定方向上材料損毀面積的最大距離。

氧指數越高、續燃時間越短、陰燃時間越短、損毀長度越小，則阻燃性越好。

1.3.1.2 原理

氧指數試驗：用氧指數測定儀裝置進行試驗，氣源用的是工業用氧氣和氮氣。試樣從縱向和橫向至少各取15塊試樣，試樣尺寸為(150×58) mm。試樣在溫度(20±2) ℃，相對濕度為(65±4)%處理8～24 h，試驗在10～30 ℃和相對濕度30%～80%的大氣中進行試驗，試樣點燃后續燃、陰燃時間不到2 min，或者損毀長度不到40 mm時，氧濃度過低。反之，試樣點燃后續燃、陰燃時間超過2 min，或者損毀長度超過40 mm時，氧濃度過高。通過系列試驗之后，計算得出試樣的極限氧指數。

垂直燃燒試驗：用垂直燃燒試驗儀進行試驗，氣源是丙烷或丁烷氣體，樣品縱向和橫向各取五塊試樣，尺寸為300 mm×80 mm，試樣在溫度(20±2)℃，相對濕度(65±3)%放置8～24 h。試驗在10～30 ℃及相對濕度30%～80%的大氣中進行。點燃時間設定為12 s，記錄續燃時間和陰燃時間，讀數精確到0.1 s，測量試樣撕裂長度即是損毀長度，精確到1 mm，分別計算縱向和橫向五個試樣的續燃時間、陰燃時間和損毀長度的平均值作為試驗的結果。

1.3.2 耐洗性能測試

2 結果與討論

2.1 阻燃劑質量濃度對織物阻燃性能的影響

阻燃劑質量濃度對織物阻燃性能的影響如表1、圖1。

表1 阻燃劑質量濃度對織物垂直燃燒性能的影響

注：季戊四醇15 g/L，浸漬溫度60 ℃，浸漬時間3 h。

圖1 阻燃劑質量濃度對織物氧指數的影響

由表1、圖1可以看出: 隨著阻燃劑質量濃度的增加，停留在織物內的阻燃元素(磷 )的量也增大，阻燃性能也隨之提高，但阻燃劑質量濃度增加到250 g/L時阻燃效果反而下降。阻燃效果先增強后減弱可能是因為阻燃劑質量濃度較低時，隨阻燃劑質量濃度的增大，阻燃劑熔融吸熱帶走了一部分燃燒環境的能量，隨著溫度的升高，阻燃劑的熱分解釋放的不燃性氣體覆蓋在織物表面，起到了氣相阻燃作用，并稀釋了可燃氣體；同時由于阻燃劑的良好成炭作用，使棉提前熔融分解成炭，造成隔熱或隔氧的情況，阻止了棉的進一步分解，起到了固相阻燃作用，兩者的共同作用使阻燃性能迅速提高。但是當阻燃劑質量濃度超過一定值后，使得一部分阻燃劑沒有很好地結合到織物上，造成了實際阻燃劑含量的減少；另外，阻燃劑質量濃度的加大，雖然可起到氣相與固相阻燃作用，但由于阻燃劑分解所釋放的熱量會反饋到被阻材料中，多元羧酸、纖維素大分子的反應基團是一定的，此時阻燃劑已能充分與多元羧酸、纖維素大分子反應，再增加阻燃劑質量濃度，阻燃性能不再增加而有所下降。因此，阻燃劑的最佳質量濃度以200 g/L左右為宜。

2.2 季戊四醇質量濃度對阻燃性能的影響

季戊四醇質量濃度對織物阻燃性能的影響如表2、圖2。

表2 季戊四醇質量濃度對織物垂直燃燒性能的影響

注：阻燃劑200 g/L，浸漬溫度60 ℃，浸漬時間3 h。

圖2 季戊四醇質量濃度對織物氧指數的影響

由表2、圖2可以看出，隨著季戊四醇質量濃度的增加，阻燃性能也隨之提高，當季戊四醇質量濃度15 g/L時，阻燃性能最好，繼續增加季戊四醇質量濃度，阻燃性能變化不大。這種現象的原因是在甲基膦酸二甲酯與五氧化二磷完全反應的情況下，季戊四醇本身添加量的多少并不給阻燃劑體系顏色帶來變化。但季戊四醇質量濃度增加使得阻燃劑中的羥基含量增加，提高阻燃劑與交聯劑和纖維素的反應幾率，使得阻燃效果增加；當季戊四醇質量濃度為15 g/L時，體系內反應完全。在含磷量一定的基礎上，繼續提高季戊四醇的質量濃度，不會提高阻燃劑體系內的羥基含量，所以阻燃效果變化不大。因此，選擇季戊四醇的最佳質量濃度為15 g/L。

2.3 浸漬溫度和時間對阻燃性能的影響

浸漬是為了把阻燃整理液充分并均勻地施加于織物上，浸漬溫度越高，浸漬時間長，可使阻燃整理液充分浸透。由表3、圖3可知，隨著浸漬溫度的升高，阻燃效果相應提高。由表4、圖4可見, 隨著浸漬時間的延長，阻燃效果也會增強，但溫度過高、時間過長，增強效果并不明顯。出現這些現象的原因是纖維素大分子和阻燃劑在浸漬過程中發生酯化反應，相互之間建立了分子間酯鍵。當阻燃劑質量濃度較低時，阻燃劑充分與纖維素大分子建立分子間酯鍵，固著于織物上，使得阻燃性隨著質量濃度的增加有所提高。當體系內反應完全后，提高浸漬溫度和浸漬時間，不會產生新的反應，所以阻燃性能變化不大。綜合分析，最佳浸漬條件是以 80 ℃、3 h為宜。

表3 浸漬溫度對織物垂直燃燒性能的影響

注：阻燃劑200 g/L，季戊四醇15 g/L，浸漬時間3 h。

圖3 浸漬溫度對織物氧指數的影響

表4 浸漬時間對織物垂直燃燒性能的影響

注：阻燃劑200 g/L，季戊四醇15 g/L，浸漬溫度60 ℃。

圖4 浸漬時間對織物氧指數的影響

2.4 阻燃整理的耐水洗性能

選取最佳工藝條件對棉織物進行整理，分析洗滌次數對阻燃性能的影響，從而判別該阻燃整理的耐水洗性。

表5 水洗次數對織物垂直燃燒性能的影響

注：阻燃劑200 g/L，季戊四醇15 g/L，浸漬溫度60 ℃，浸漬時間3 h。

圖5 水洗次數對織物氧指數的影響

根據表5可以看出阻燃性能隨著水洗次數的增加而降低，在水洗至20次時，阻燃性能驟降且達不到阻燃性能的技術指標。原因是水洗次數增加，破壞了阻燃劑與纖維素分子的結合，阻燃劑會失去，從而失去阻燃效果。

3 結 論

(1)DMMP阻燃劑對棉織物有阻燃作用，且這類阻燃劑無鹵素、不含甲醛，對環境無污染，屬于環保型阻燃劑。

(2)通過實驗得出的最佳阻燃處理工藝為：阻燃劑200 g/L，滲透劑15 g/L，浸漬溫度80 ℃，浸漬時間3 h。

(3)經阻燃整理的織物水洗15次后，其阻燃性能仍能達到GB 20286-2006標準中的阻燃1級。

[1] 喬欣，王躍強，李保梅.紡織品阻燃性能測試[J].染料與染色，2010，47(2)：57.

[2] 馬青云.淺談紡織材料的阻燃檢測[J].廣西紡織科技，2010，39(2)：21.

[3] 趙雪，朱平，張建波.無甲醛棉用阻燃劑FRC-F的制備及應用[J].印染助劑，2007，24(2)：27-30.

[4] 胡江濤，劉秀森，姚永南，等.一種新型無甲醛耐久阻燃劑的制備及應用[J].印染助劑，2008，25(6)：24-27.

[5] 國家技術監督局.GB/T 5454-1997紡織品 燃燒性能試驗 氧指數法[S].全國消防標準化技術委員會第七分委員會.北京：中國標準出版社，1997.

[6] 國家技術監督局.GB/T 5455-1997紡織品燃燒性能試驗垂直法[S].中國紡織總會標準化研究所.北京：中國標準出版社，1997.

[7] 國家質量監督檢驗檢疫總局.GB 20286-2006公共場所阻燃制品及組件燃燒性能要求和標識[S]. 全國消防標準化技術委員會防火材料分委會.北京：中國標準出版社，2006.

[8] 全國紡織品標準化技術委員會基礎分會. GB /T 8629-2001中華人民共和國國家標準[ S ] . 北京: 中國標準出版社，2001:56-62.