Mg(OH)2阻燃棉織物的制備及阻燃性能

臧莉靜，張 靜

（邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北邢臺(tái) 054035）

棉纖維是最常用的天然纖維，具有來源豐富、柔軟、吸濕透氣、隔熱耐熱的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于服裝面料和裝飾織物等。但棉織物具有易燃性，極限氧指數(shù)約為18%，限制了其在阻燃功能紡織品中的應(yīng)用，因此，賦予棉織物一定的阻燃性能對(duì)于擴(kuò)展其應(yīng)用范圍和保障人身安全具有重要意義［1-3］。常用的棉織物阻燃劑可分為有機(jī)阻燃劑和無機(jī)阻燃劑，有機(jī)阻燃劑可能會(huì)釋放甲醛、二氯甲醚等有害氣體，整理后的棉織物手感較差。相比之下，無機(jī)阻燃劑具有不揮發(fā)、不產(chǎn)生有毒有害氣體的特點(diǎn)，因而成為較常用的環(huán)保型阻燃劑［4-7］。為了更好地實(shí)現(xiàn)無機(jī)阻燃劑與有機(jī)纖維材料結(jié)合，常用方法為制備超細(xì)無機(jī)阻燃劑后再進(jìn)行表面改性，以提高無機(jī)納米材料的分散性能，然后加入聚合物紡絲液中或涂覆在紡織品上，但這種制備工藝成本較高、過程復(fù)雜，分散性較差或不能有效地實(shí)現(xiàn)阻燃效果等［8-9］。Mg(OH)2是一種無毒無害、具有抑煙能力的無機(jī)環(huán)保阻燃劑，因較高的分解溫度而具有良好的阻燃性能［10］。

本研究以MgCl2為原料制備Mg(OH)2晶種，采用二次生長(zhǎng)法得到Mg(OH)2負(fù)載棉織物（阻燃棉織物），并測(cè)試阻燃棉織物的表面形貌和阻燃性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與儀器

材料：棉織物（400 mm×100 mm），六水氯化鎂，氨水，乙醚，檸檬酸，次亞磷酸鈉。

儀器：D2 PHASER 型X 射線衍射儀（XRD），Q500型熱重分析儀（TG），SU1510 型掃描電鏡（SEM），CCT型錐形量熱儀（CONE），YG815型垂直燃燒儀（VET）。

1.2 Mg(OH)2晶種溶液的配制

將200 mL 去離子水加入燒瓶并置于40 ℃恒溫水浴中，利用氨水調(diào)節(jié)pH 為10，按體積比1∶1 逐滴滴入0.1 mol/L MgCl2溶液和0.2 mol/L 氨水溶液，滴加結(jié)束后繼續(xù)攪拌陳化2 h，得到Mg(OH)2晶種溶液。

1.3 棉織物改性

利用乙醚洗滌棉織物，以去除棉織物上的油脂；稱取一定量檸檬酸和次亞磷酸鈉溶解在燒杯中，將洗滌后的棉織物浸沒其中，取出后在80 ℃下烘干10 min，再在160 ℃下焙烘5 min，用去離子水清洗3 次，烘干后備用。

1.4 Mg(OH)2負(fù)載棉織物

將晶種溶液稀釋后加入燒杯中，并置于40 ℃恒溫水浴振蕩器中，加入氨水調(diào)節(jié)pH 為10，將改性棉織物浸沒其中，保溫30 min 后用去離子水清洗3 遍。將帶有Mg(OH)2晶種的棉織物浸沒于0.1 mol/L MgCl2溶液中，加入一定量氨水，在40 ℃水浴恒溫振蕩器中反應(yīng)2 h，取出后在80 ℃下烘干，得到Mg(OH)2負(fù)載棉織物。

1.5 測(cè)試

阻燃性能：按GB/T 5455—1997《紡織品 燃燒性能試驗(yàn)垂直法》測(cè)試。

耐水洗性能：按AATCC 124—2001《多次家庭洗燙后織物的外觀》測(cè)試，洗衣粉用量2 g/L，浴比1∶30，洗滌溫度45 ℃，洗滌時(shí)間30 min，烘干溫度60 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 表征

2.1.1 XRD

圖1b 中，棉織物在2θ=14.8°、16.3°、22.6°和34.3°處的衍射峰分別對(duì)應(yīng)于纖維素Ⅱ晶體的(101)、(101ˉ)、(002)和(040)晶面。圖1c 中，除了棉織物的衍射峰外，在2θ=18.7°、33.1°、38.1°、50.7°、58.6°、61.9°和68.4°處還出現(xiàn)新的衍射峰，分別對(duì)應(yīng)于Mg(OH)2的(001)、(100)、(101)、(102)、(110)、(111)和(103)晶面，表明成功制備出六方結(jié)構(gòu)的Mg(OH)2負(fù)載到棉織物表面，并且棉織物和Mg(OH)2的特征峰沒有明顯變化，說明兩種成分在晶體結(jié)構(gòu)上基本不受對(duì)方影響。

圖1 Mg(OH)2(a)、棉織物(b)和Mg(OH)2負(fù)載棉織物(c)的XRD 圖譜

2.1.2 SEM

由圖2 可知，棉織物纖維表面較光滑，無明顯附著物；經(jīng)過Mg(OH)2整理后，棉織物纖維表面凹凸不平，存在明顯的附著物，附著物幾乎完全包覆棉織物纖維，結(jié)合XRD 圖譜分析，Mg(OH)2成功附著在棉織物纖維表面。

圖2 棉織物(a)和Mg(OH)2負(fù)載棉織物(b)的SEM 圖

2.1.3 熱失重

由圖3、表1 可以看出，棉織物的初始分解溫度為314.1 ℃（質(zhì)量損失10%），最快分解溫度為361.9 ℃，分解溫度區(qū)間主要為300～380 ℃，600 ℃時(shí)棉織物的殘?zhí)柯蕿?1.2%。Mg(OH)2負(fù)載棉織物在100 ℃時(shí)存在一定的質(zhì)量損失，這是由于棉織物表面Mg(OH)2吸收的水分蒸發(fā)，初始分解溫度降低為253 ℃（質(zhì)量損失10%），最快分解溫度為313 ℃，分解溫度區(qū)間集中在230～350 ℃，600 ℃時(shí)Mg(OH)2負(fù)載棉織物的殘?zhí)柯蔬_(dá)到23.7%。相比純棉織物，Mg(OH)2負(fù)載棉織物的分解溫度區(qū)間增大［11］，且主要分解溫度降低，這是由于Mg(OH)2受熱分解，生成MgO 和水覆蓋在棉織物纖維表面，達(dá)到隔熱隔氧效果，抑制了棉織物分解，棉織物的降解難度增大。另外，Mg(OH)2受熱分解產(chǎn)生的MgO和水使棉織物的主要分解溫度提前到230～350 ℃，棉織物的成炭率提高，殘?zhí)柯侍岣?，說明Mg(OH)2負(fù)載棉織物具有良好的熱穩(wěn)定性。

圖3 棉織物(a)和Mg(OH)2負(fù)載棉織物(b)的TG 和DTG 曲線

2.2 燃燒性能

由表1 可看出，純棉織物的峰值熱釋放速率和總熱釋放量分別為211.2 kW/m2和6.73 mJ/m2，Mg(OH)2負(fù)載棉織物的峰值熱釋放速率和總熱釋放量分別為73.4 kW/m2和4.78 mJ/m2。Mg(OH)2負(fù)載棉織物的阻燃機(jī)理：在高溫環(huán)境下，Mg(OH)2分解成水和MgO，水在高溫下快速蒸發(fā)，能夠吸收大量熱量并隔絕織物燃燒產(chǎn)生的可燃?xì)怏w，避免可燃?xì)怏w與外界氧氣接觸，抑制燃燒；MgO 耐高溫，生成的MgO 快速覆蓋在棉織物表面，避免火焰直接接觸棉織物而使之燃燒。此外，Mg(OH)2負(fù)載棉織物的二氧化碳平均釋放量由純棉織物的3.1 kg/kg 降低為0.4 kg/kg，表明棉織物負(fù)載Mg(OH)2后抑煙性能大大提高，這是由于Mg(OH)2在預(yù)燃區(qū)和燃燒區(qū)的阻燃作用較小，阻燃作用主要集中在固體降解區(qū)，可減少可燃物和煙霧的生成［12］。

表1 棉織物和Mg(OH)2負(fù)載棉織物的燃燒性能

2.3 阻燃性能

由圖4、表2 可以看出，純棉織物的損毀長(zhǎng)度為13 cm，Mg(OH)2負(fù)載棉織物的損毀長(zhǎng)度明顯減小，僅為5 cm；燃燒結(jié)束后，棉織物表面均勻地覆蓋著致密的阻燃層，在纖維表面存在顆粒狀物質(zhì)，這可能是因?yàn)镸g(OH)2在高溫下分解生成MgO，棉織物纖維較好地保存了原有的形貌結(jié)構(gòu)?；鹧嬉崎_后，純棉織物的明火燃燒持續(xù)6 s，火焰熄滅后，陰燃時(shí)間為5 s，燃燒測(cè)試結(jié)束后基本無殘留；而Mg(OH)2負(fù)載棉織物在火焰移開后無明火燃燒，陰燃時(shí)間僅為2 s，燃燒測(cè)試結(jié)束后，燃燒部分成炭并基本保持了原有形貌。

圖4 棉織物(a)和Mg(OH)2負(fù)載棉織物(b)燃燒實(shí)物圖

表2 棉織物和Mg(OH)2負(fù)載棉織物的阻燃性能

2.4 耐水洗性能

由表3 可知，未水洗Mg(OH)2負(fù)載棉織物的阻燃性能最佳，隨著水洗次數(shù)的增加，損毀長(zhǎng)度、續(xù)燃時(shí)間和陰燃時(shí)間均明顯增加，阻燃性能逐漸下降，水洗10 次后損毀長(zhǎng)度為8 cm，續(xù)燃時(shí)間和陰燃時(shí)間分別為1 s 和4 s，達(dá)到GB 8965.1—2009《防護(hù)服裝 阻燃防護(hù)第1部分：阻燃服》的C 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，水洗后仍具有一定的阻燃性能，表明Mg(OH)2負(fù)載棉織物具有較好的耐水洗性能。

表3 Mg(OH)2負(fù)載棉織物水洗不同次數(shù)后的阻燃性能

3 結(jié)論

（1）以MgCl2為原料制備Mg(OH)2晶種，采用二次生長(zhǎng)法得到Mg(OH)2阻燃棉織物。

（2）Mg(OH)2為六方結(jié)構(gòu)，在棉織物表面均勻附著。Mg(OH)2負(fù)載棉織物具有良好的阻燃性能，火焰移開后無明火燃燒，陰燃時(shí)間僅為2 s，燃燒部分成炭并基本保持原有形貌，同時(shí)具有較好的耐水洗性能。