割絨棉/滌地毯如果毛圈密度很低,一旦被點(diǎn)燃,將擴(kuò)及整個(gè)面積。利用纖維素纖維的酯化進(jìn)行的化學(xué)改性可以限制其燃燒性能,并使其達(dá)到阻燃測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。僅需經(jīng)5%~10%聚羧酸和適當(dāng)?shù)拇呋瘎﹪姙⑻幚淼暮薜靥?/span>,就可獲得優(yōu)良的壓燃性能。適用的聚羧酸為1、2、3、4-丁烷四甲酸(BTCA)、檸檬酸和馬來(lái)酸;催化劑如次磷酸鈉、磷酸鈉和部分起中和作用的鹽。本文提供了使含棉地毯達(dá)到阻燃效果的化學(xué)反應(yīng)和工藝條件。
表面起絨,規(guī)格大于1·2m×1·8m的地毯若要投入市場(chǎng),必須通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)甲胺阻燃測(cè)試,以獲得管理機(jī)構(gòu)的證書。毛圈密度足夠大的含棉地毯不需任何處理就可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)可燃性測(cè)試,但是表層纖維受到機(jī)械作用,往往改變了纖維密度,就無(wú)法進(jìn)行該項(xiàng)測(cè)試。
纖維素纖維的阻燃性能可以通過(guò)許多化學(xué)處理方法獲得,但是對(duì)于特殊用途的產(chǎn)品,要考慮到化學(xué)整理的耐久性、產(chǎn)品的美觀性、健康和安全等方面,因此需要最合適的工藝條件。某些紡織材料經(jīng)特殊處理后阻燃效果很好,但由于成本因素,其使用價(jià)值十分昂貴。
用磷酸銨和脲素進(jìn)行阻燃整理成本低,在某些具體應(yīng)用方面效果極好。但是由于處理過(guò)程中纖維強(qiáng)力損失,基布熱固化時(shí)褪色,遇硬水會(huì)降低阻燃耐久性或者固化后需要轉(zhuǎn)移未反應(yīng)的化學(xué)試劑等不足,因此這種處理方法不適合于特殊用途的產(chǎn)品。類似的處理還會(huì)使纖維素紡織材料具有彈性變形和拒染性能。
纖維素材料的阻燃程度可以通過(guò)如二羥甲基二羥基乙撐脲(DMDHEU)或二羥乙撐脲這樣的交聯(lián)劑獲得,但是阻燃性能有限,有潛在的甲醛釋放現(xiàn)象,不適宜處理最終產(chǎn)品。最理想的地毯阻燃整理要選用無(wú)甲醛釋放的化學(xué)試劑。在工藝配方中加入添加劑,如鏈烷醇胺與乙二醇,可以使甲醛釋放量降到最小,但是對(duì)于地毯來(lái)說(shuō)不是很理想。另外,限于能量與加工時(shí)間要求,整理后的洗滌工序也是不現(xiàn)實(shí)的。
含有聚磷酸和磷基催化劑的無(wú)甲醛交聯(lián)劑體系對(duì)于棉織物的耐久性整理有明顯的效果。聚磷酸鈉鹽的催化酯化反應(yīng)使化學(xué)固化不污染
本研究提供了使用聚磷酸壓燃工藝減少棉/滌地毯火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臄?shù)據(jù)。根據(jù)限氧指數(shù)(LOI)數(shù)據(jù)所示,它們可能不是最好的阻燃整理劑,但是這種體系增加了燃燒時(shí)炭化形成物,使含棉地毯具有壓燃性能。
1實(shí)驗(yàn)
樣品:割絨地毯
原料:90/10棉/低熔滌綸紗;50/40/10棉/滌/低熔滌綸紗
規(guī)格:1)聚丙烯底布:1400g/cm2,厚度0·3cm,毛圈高度0·7cm2)印花棉布:123g/cm2,經(jīng)退漿、洗凈、
漂白和絲光整理
試劑:聚磷酸:1、2、3、4-BTCA、檸檬酸、馬來(lái)酸,4,5-二羥基-1,3-二甲基-2-咪唑啉酮(DHD-MI)
催化劑:NaH2PO4·H2O、NaH2PO2·H2O、(NaPO3)6、TSC、TSP中和羧酸根離子,加速纖維素酯化試劑:
NaHCO3、Na2CO3、NaOH、MgCl2·6H2O(DHDMI酯化交聯(lián)劑)
潤(rùn)濕劑:非離子型表面活性劑TritonX-100
工藝條件:不同濃度的BTCA、檸檬酸、Tri-tionX-100
①地毯樣品(12·7cm×12·7cm):吸液率15%,使用噴灑設(shè)備。100℃烘干10min,然后在150℃固化12min~15min
②印花布(36cm×43cm):吸液率85%~90%,使用雙輥軋染機(jī)。85℃~100℃烘干2·5min~3min,然后在180℃固化1·5min~2min
③地毯樣品(36cm×43cm):條件同印花布設(shè)備及標(biāo)準(zhǔn):實(shí)驗(yàn)室用壓力通風(fēng)烘箱(烘干和固化所有樣品):Instron張力測(cè)試儀(按照ASTMD5035-95標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試斷裂強(qiáng)力);DataColorSpetraFlash500分光計(jì)(按照CIE白度指標(biāo)測(cè)試樣品白度);甲胺阻燃測(cè)試:ASTMD2859-96標(biāo)準(zhǔn);限氧指數(shù)(LOI):ASTMD-2863;TA熱分析儀:進(jìn)行熱量分析(TGA)。在氮?dú)饬髯饔孟?/span>,15min內(nèi)從室溫加熱到250℃,再在5min內(nèi)從250℃<
2結(jié)果與討論
一般來(lái)說(shuō),纖維素材料的磷基阻燃整理是有效的,因?yàn)槔w維素的降解溫度明顯降低,炭化殘?jiān)黾?。?duì)于不嚴(yán)格的燃燒性能測(cè)試,如割絨地毯阻燃測(cè)試,服用紡織品的45°測(cè)試,降低基布的降解溫度不是先決條件,重要的是不揮發(fā)性殘留物的數(shù)量,這可通過(guò)熱量分析儀測(cè)得。
2·1經(jīng)BTCA和次磷酸鈉整理的改性棉的熱量分析
經(jīng)BTCA和次磷酸鈉整理的印花棉布的熱量分析表明,整理前后棉的降解峰值溫度沒(méi)有變化;用15%的BTCA和7·5%的次磷酸鈉整理的限氧指數(shù)也沒(méi)有增加。纖維素纖維阻燃性能的常規(guī)測(cè)試表明:僅用聚磷酸整理體系不能使棉地毯獲得足夠的壓燃性能,一旦燃燒,在纖維素高溫降解期間將產(chǎn)生大量的CO2、H2O和灰燼。但是阻
燃整理劑的使用限制了揮發(fā)性燃燒產(chǎn)物的數(shù)量,僅用4%BTCA和次磷酸鈉整理的織物樣品殘留率為16·2%~17·1%,而未經(jīng)整理織物只有9·2%。
2·2經(jīng)BTCA和磷酸鈉鹽整理的棉/滌地毯
次磷酸鈉是有效的棉酯化催化劑,但成本比其他磷基整理劑高。而且由于次磷酸鈉還原性強(qiáng),在固化染色產(chǎn)品時(shí)易形成色緯檔,因此需要用其他催化劑來(lái)代替次磷酸鈉,如表1所示。經(jīng)一元磷酸鈉作催化劑整理的90/10棉/滌和50/50棉/滌地毯在150℃下固化12min~15min后,阻燃效果顯著。雖然在實(shí)驗(yàn)室固化時(shí),縮短固化時(shí)間也能達(dá)到效果,但不要輕易降低固化條件,如果聚磷酸的固化溫度低,會(huì)導(dǎo)致意料不到的壓燃界限不清,在150℃下固化10min~12min是獲得固色和耐洗效果的合適條件。考慮到阻燃測(cè)試中允許的炭化面積是直徑為15cm的溫和的固性能的可靠性,應(yīng)該把炭化區(qū)域限制在小范圍內(nèi)。
經(jīng)BTCA和(NaPO3)6催化劑整理的地毯火焰?zhèn)鞑ニ俣蕊@著減慢。這種混合物不僅是有效的酯化催化劑,也是顯示纖維素脲素含量的磷酸化試劑。90/10棉/滌地毯的炭化面積大于50/50棉/滌地毯。
2·3經(jīng)BTCA和各種催化劑整理的棉/滌地毯
對(duì)于染色棉原料的整理,工藝配方的pH值不要低于3·5~4·0,因?yàn)樵诠袒瘯r(shí),隨著溫度的升高,pH值過(guò)低會(huì)引起色緯檔。為了使含BTCA和一元磷酸鈉催化劑的溶液pH值從2·6左右升到3·7~4·5,我們加入了Na2CO3或NaOH中和部分磷酸根離子,磷酸鹽和其他酸鹽加速了酯化反應(yīng)。注意中和磷酸根離子后,碳酸轉(zhuǎn)變成CO2、H2O,另外,我們用TSC和TSP作催化劑與BT-CA作用也能獲得較高的pH值,如表2所示,但會(huì)影響織物的白度。
結(jié)果表明,用Na3PO4和NaH2PO2作催化劑,在低pH值下進(jìn)行整理時(shí)出現(xiàn)的副作用可以通過(guò)磷酸根離子的中和減少。
2·4經(jīng)BTCA和Na2CO3整理的改性棉的熱量分析
印花棉布經(jīng)5%或10%的BTCA與Na2CO3整理后,所有樣品都進(jìn)行了熱量分析。表3中數(shù)據(jù)表明,加入足量的Na2CO3可以獲得的pH值大約為2·6。盡管處理前后棉的降解溫度沒(méi)有變化,但是經(jīng)處理后棉的殘留率要遠(yuǎn)大于處理前的棉。
如表4所示,炭化形成有助于棉/滌地毯提高壓燃性能,用5%BTCA整理使90/10和50/50棉/滌地毯都能獲得明顯的壓燃性能,但是10%的BTCA對(duì)90/10棉/滌地毯更合適。當(dāng)基布在清洗過(guò)程中經(jīng)受反復(fù)機(jī)械作用后,濃度為5%的BTCA對(duì)90/10棉/滌地毯的處理效果不佳。
一般認(rèn)為,BTCA是聚磷酸中最好的棉酯化劑,但是要考慮兩個(gè)主要的因素:化學(xué)成本和商業(yè)用途。在本次實(shí)驗(yàn)中,15%的吸液率就可以減少割絨基布火焰的蔓延速度,所以成本因素并不是主要障礙。但是商業(yè)用途是有限的,因?yàn)閷?duì)這種化學(xué)藥品的需求不是很多。檸檬酸雖然成本低,而整理效果卻較好,但是交聯(lián)效率不如BTCA。
2·5
表5記錄了使用各種聚磷酸作為壓燃整理劑的效果。濃度5%的BTCA對(duì)90/10棉/滌和50/50棉/滌地毯阻燃性能均有效,但對(duì)滌含量高的樣品效果更好。經(jīng)10%的BTCA整理效果更顯著。5%的檸檬酸對(duì)90/10棉/滌的整理效果不佳(表中未列),但對(duì)50/50棉/滌地毯整理效果很好。經(jīng)10%檸檬酸整理后的50/50棉/滌地毯的炭化面積小于經(jīng)5%檸檬酸整理后的炭化面積。除馬來(lái)酸外,所有工藝的pH值范圍為3·8~4·1。
馬來(lái)酸是一種成本低的商業(yè)用聚磷酸,由于其官能團(tuán)結(jié)構(gòu)無(wú)法成為有效的纖維素交聯(lián)劑,但它是一種良好的酯化劑。在室溫下,加入高濃度的堿提高pH值會(huì)形成沉淀物,所以10%馬來(lái)酸與3%Na2CO3混合時(shí)必須稍作加熱(35℃~40℃)才能獲得溶液;馬來(lái)酸具有緩沖性能,所以含馬來(lái)酸的溶液pH值為1·7~2·0,而經(jīng)Na2CO3和其他堿中和后的BTCA或檸檬酸可獲得高的pH值。
水合鈉鹽也能中和聚磷酸,在出現(xiàn)沉淀之前,加入馬來(lái)酸的量十分有限,這個(gè)量遠(yuǎn)達(dá)不到合適pH值所需的量,但是對(duì)于50/50棉/滌地毯的壓燃整理很有效。即使未出現(xiàn)纖維素交聯(lián),但是燃燒時(shí)共價(jià)鍵的形成有助于促進(jìn)炭化形成,為基布提供了足夠的壓燃性能。
樣品的白度取決于整理劑/催化劑體系和基布,用BTCA整理后的樣品白度優(yōu)于經(jīng)檸檬酸或馬來(lái)酸整理的樣品。如果檸檬酸的濃度太高,會(huì)使90/10棉/滌和50/50棉/滌地毯的白度值降低,但是選擇合適的試劑/催化劑可以獲得良好的效果。某些助劑可以阻止檸檬酸在固化或使用不嚴(yán)格的固化條件時(shí)脫水,這些助劑可以用來(lái)減少檸檬酸的褪色程度,但是必須確保對(duì)于各種毛圈密度的含棉地毯充分完成酯化過(guò)程,以使其通過(guò)甲胺阻燃測(cè)試。
經(jīng)DHDMI醚化的地毯樣品表明,這種非甲醛酰胺交聯(lián)劑,即使提高DHDMI濃度,在賦予織物阻燃性能方面不如聚磷酸。經(jīng)DHDMI整理的50/50棉/滌地毯
3結(jié)論
聚磷酸和相應(yīng)催化劑體系對(duì)于棉/滌地毯的阻燃整理有優(yōu)良效果。僅含有磷基催化劑的溶液pH值很低,用Na2CO3或NaOH中和部分磷酸根離子后可以提高溶液的pH值,另外,無(wú)磷基催化劑的聚磷酸中和體系是有效的活性/催化劑體系。棉/滌毛圈原料阻燃整理pH值范圍廣,微酸性條件下的整理可以減少基布的色緯檔。熱量分析表明:殘留率增加是導(dǎo)致基布火焰蔓延速度降低的主要原因。雖然BTCA是最有效的整理劑,但是在指定條件下,用檸檬酸或馬來(lái)酸也可以控制火焰的蔓延速度。
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