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無(wú)甲醛棉用磷系阻燃劑的合成及應(yīng)用

來(lái)源:印染在線 發(fā)布時(shí)間:2009年06月19日

作為棉用阻燃整理劑,有機(jī)磷阻燃劑一般都為液體,因其分子量低、蒸氣壓高、分解溫度低、熱穩(wěn)定性差,故在應(yīng)用過(guò)程中易揮發(fā)、分解,既使阻燃性能受損、阻燃持久性欠佳,又使棉織物的整理環(huán)境受到污染,且分子量低還使紡織品在服用過(guò)程中的耐洗滌性受到較大影響,此外,目前應(yīng)用較多的有機(jī)磷系阻燃劑四羥甲基氯化磷(THPC)阻燃劑為基礎(chǔ)的Proban和N-羥甲基-3-(二甲氧基磷酯基)丙酯胺(PyrovatexCP)在棉織物整理和服用過(guò)程中都會(huì)釋放甲醛[1]。甲醛是一種無(wú)色的刺激性氣體,可經(jīng)呼吸道吸收,被世界衛(wèi)生組織確定為可疑致癌和致畸形物質(zhì)[2-3]。因此,國(guó)內(nèi)外對(duì)紡織品中殘留甲醛的限量都作了嚴(yán)格的規(guī)定。以上這些問(wèn)題都妨礙了磷系阻燃劑作為耐久型阻燃劑在棉織物中的應(yīng)用。

本實(shí)驗(yàn)利用甲基磷酸二甲酯、五氧化二磷、乙二醇和丙三醇為主要原料,經(jīng)過(guò)兩步反應(yīng)得到分子量在600以上,阻燃性和熱穩(wěn)定性良好的元甲醛磷系阻燃劑,研究了合成反應(yīng)條件,并在織物上進(jìn)行了阻燃整理實(shí)驗(yàn)。

1實(shí)驗(yàn)

1·1阻燃劑合成

1·1·1藥品與設(shè)備

藥品:甲基磷酸二甲酯、五氧化二磷為化學(xué)純;乙二醇,丙三醇為分析純。

儀器:HH-2數(shù)顯恒溫水浴鍋(江蘇省金壇市宏華儀器廠);85-2恒溫磁力攪拌器(常州國(guó)華電器有限公司);JI390強(qiáng)力電動(dòng)攪拌機(jī)(上海標(biāo)本模型廠)。

1·1·2合成工藝

在裝有攪拌器,溫度計(jì),直形滴管,氮?dú)馊肟诘乃目跓恐屑尤爰谆姿岫柞?DMMP),升溫至50℃采用減量法分批加入P2O5,升溫到90℃后保持6h。冰浴降溫至5O℃加入多元醇混合物(乙二醇、丙三醇的混合物),于80℃保溫2h。得

到產(chǎn)物為高粘度的淡黃色透明液體,能與水及多種有機(jī)溶劑互溶,阻燃劑名為FRC-F合成反應(yīng)方程式如下:

1·1·3阻燃劑FRC-F的紅外分析

傅利葉紅外光譜法是一種

有效表征聚合物化學(xué)結(jié)構(gòu)的測(cè)試方法,它具有特征性高、所用樣品量少、分析時(shí)間短、測(cè)定方便等特點(diǎn)。本文所做的所有紅外譜圖均是用Nicolet5lOPFI-IR紅外光譜儀測(cè)得的。儀器規(guī)格:400-400Ocm-1,分辨率0.3Ocm-1,使用KBr分束器(7400-35Ocm-1),光學(xué)臺(tái)可以連續(xù)動(dòng)態(tài)調(diào)整,DTGS檢測(cè)器(7600-35Ocm-1),EVER-GLOIR光源。

1·1·4阻燃劑FRC-F的性能指標(biāo)測(cè)試

1·1·4·1酸值的測(cè)定

以丙酮為溶劑,溴酚藍(lán)為指示劑,用KOH的乙醇溶液滴定,滴至溶液由黃色變?yōu)樗{(lán)色。

1·1·4·2含固量的測(cè)定

準(zhǔn)確稱量一定量的阻燃劑置于洗凈稱重的燒杯中,放于烘箱中于105℃烘至恒重后稱重。根據(jù)下式計(jì)算含固量:

含固量=

烘至恒重后試樣的質(zhì)量

×100%

烘前試樣的質(zhì)量

1·1·4·3磷含量的測(cè)定

采用磷鉑酸唾琳質(zhì)量法測(cè)量阻燃劑FRC-F的磷含量。

1·1·4·4粘度的測(cè)定

采用NDJ-l型旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)測(cè)量阻燃劑FRC-F的粘度。

1·2織物阻燃整理

1·2·1藥品與設(shè)備

材料:21×21,60×50漂白純棉平布。

藥品:交聯(lián)劑BTCA,催化劑NaH2PO2·H2O、三乙醇胺均為分析純。

儀器:101A-2干燥箱(上海試驗(yàn)儀器總廠);EL-400型氣動(dòng)小軋車(上海朗高紡織設(shè)備有限公司);YG7O1N型全自動(dòng)水洗機(jī)(南

通宏大實(shí)驗(yàn)儀器有限公司);LAF-l0型垂直法織物阻燃性能測(cè)試儀(山東安邱紡織儀器廠);SC-80C型全自動(dòng)色差計(jì)(北京康光儀器有限公司);LFY-2O1D型多功能織物強(qiáng)力儀(山東省紡織科學(xué)研究院)。

1·2·2阻燃整理工藝

工藝流程:浸軋(二浸二軋,軋余率75%)→烘干(1OO℃,3min)→焙烘(175℃,2min)→中和水洗(Na2CO350g/L,室溫,3min)→皂洗(Na2CO3,2g/L,皂片3g/L,60±2℃,3min)→烘干。

工藝處方:阻燃劑用量300g/L,交聯(lián)劑用量50g/L,催化劑用量30g/L,柔軟劑用量3g/L,pH值為3-4。

1·2·3阻燃整理織物的性能測(cè)定

斷裂強(qiáng)度:斷裂強(qiáng)度采用GB/T3923·1-1997《織物拉伸性能斷裂強(qiáng)力和斷裂延伸率的測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn);燃燒性能測(cè)試:采用GB/T5455-1997《燃燒性能試驗(yàn)垂直法》標(biāo)準(zhǔn);手感采用分檔評(píng)分法,主要對(duì)整理后織物基本手感特性(光滑度、硬挺度、豐滿度)進(jìn)行總體評(píng)分并分檔,其中末整理織物手感定位為5,每塊試樣平行五次試驗(yàn),最后取平均值為試樣手感值,添加柔軟劑的整理液整理的織物亦符合此評(píng)價(jià)方法。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2·1阻燃劑的紅外圖譜分析

使用Nicolet5lOPFI-IR型紅外光譜儀對(duì)FRC-F阻燃劑進(jìn)行了紅外光譜分析,產(chǎn)物的紅外譜圖見(jiàn)圖1。

從圖1可以看出,1047.3cm-1處的很強(qiáng)吸收峰是磷酸酯(雙酯)基團(tuán)P-O-C的伸展振動(dòng)吸收峰;1217.Ocm-1處強(qiáng)吸收峰是磷酸酯(雙酯)基團(tuán)P=O的伸展振動(dòng)吸收峰;2931.6和2856cm-1處強(qiáng)吸收峰以及1419.5cm-1處中強(qiáng)吸收峰是-(CH2-CH2)n-上C-H伸展振動(dòng)吸收峰,且吸收峰都有所加強(qiáng),說(shuō)明

產(chǎn)物中增加了C-H基團(tuán),在362Ocm-1處增加了羥基吸收峰,說(shuō)明產(chǎn)物中增加了羥基基團(tuán),在721.3cm-1處吸收峰說(shuō)明n值小于3,說(shuō)明FRC-F含有-(CH2-CH2)n-(CH3)P(O)-(CH2-CH2)-骨架,這與FRC-F理論結(jié)構(gòu)式相符合。

眾所周知,利用有機(jī)磷酸酯(如DMMP)、五氧化二磷和環(huán)氧羥就可以合成有機(jī)磷酸酯的低聚物。另外,為了賦予產(chǎn)物親水性,在反應(yīng)末期可以加入另一種含羥基反應(yīng)物(如水、酒精、乙二醇和季戊四醇)。同時(shí),這類含羥基反應(yīng)物還有調(diào)節(jié)低聚物分子量的作用[4]。本實(shí)驗(yàn)利用乙二醇和丙三醇代替環(huán)氧化合物作為主要聚合反應(yīng)物,經(jīng)過(guò)兩步反應(yīng)得到一種無(wú)甲醛阻燃劑FRC-F,在含磷量變化不大的基礎(chǔ)上使產(chǎn)物羥基含量大大增加,理論上增加了其與多元酸交聯(lián)劑及纖維素的反應(yīng)幾率,從而為將其應(yīng)用于棉纖維阻燃整理提供了有利條件。FRC-F阻燃劑分子中含有烷氧基和羥基,在酸性條件下可以和丁烷四羧酸的羧基成酯,亦可和纖維素大分子上的羥基成醚,多羧酸的羧基亦可和纖維素大分子上的羥基成酯,從而在織物上形成網(wǎng)狀交聯(lián),使阻燃效果具有耐洗性。

2·2阻燃劑FRC-F,性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

密度:1.60g/cm3

羥值:1O9mgKOH/g

酸值:0·6mgKOH/g

含固量:>85%

含磷量:20%-24%

粘度:2.6pa·s

2·3阻燃整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照1·2·2阻燃整理工藝進(jìn)行了最佳工藝條件研究(1·2·2所列阻燃整理工芝條件是根據(jù)研究結(jié)果確定的),阻燃整理織物測(cè)試結(jié)果為:續(xù)燃時(shí)間1s,陰燃時(shí)間0s,緯向斷裂強(qiáng)度為247.35N,損毀長(zhǎng)度4cm,手感為3(試驗(yàn)用試樣緯向斷裂強(qiáng)度為310.62N)。將阻燃織物皂洗(Na2CO32g/L,皂片3g/L,60±2℃,3min)、烘干(l

OO℃,3min)、水洗50次后,織物損毀長(zhǎng)度為9cm。

有關(guān)研究表明要使纖維素纖維獲得優(yōu)良的耐久阻燃性,需使織物上的含磷量至少達(dá)到3%,而處理后織物增重至少20%-30%,否則難以獲得理想的阻燃效果。在本實(shí)驗(yàn)中,綜合阻燃效果、強(qiáng)力及手感等因素考慮,阻燃劑用量以300g/L為宜,此時(shí)織物的含磷量為2.0%-2.4%(按織物重計(jì))。

由于羥基之間(纖維素分子、阻燃劑分子中均帶羥基)的反應(yīng)對(duì)反應(yīng)溫度和反應(yīng)催化劑的要求比較嚴(yán)格,所以織物對(duì)用阻燃劑進(jìn)行整理時(shí)一般都加入交聯(lián)劑進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng),在阻燃劑和纖維之間進(jìn)行架橋作用,提高纖維與阻燃劑之間的交聯(lián)度。本實(shí)驗(yàn)采用丁烷四羧酸作為交聯(lián)劑,整理后織物的手感、白度和機(jī)械強(qiáng)力的損失都完全符合整理要求,其用量對(duì)阻燃效果有很大影響。丁烷四羧酸在阻燃整理過(guò)程中既可以和阻燃劑反應(yīng),亦可以和纖維反應(yīng),起到架橋作用。

多元羧酸首先在焙烘過(guò)程中脫水形成一元或二元的分子內(nèi)環(huán)狀酸酐,然后這個(gè)環(huán)狀酸酐在弱堿性物質(zhì)的催化下與纖維素羥基形成酯交聯(lián)。在整理過(guò)程中,交聯(lián)劑自身縮合成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),也可與纖維素大分子中的羥基交聯(lián),同時(shí)可以與阻燃劑縮合形成一種穩(wěn)定的化學(xué)鍵合并固著于纖維,增大了分子量,提高了耐洗性。

為了使阻燃劑、交聯(lián)劑在焙烘過(guò)程中迅速與纖維素大分子反應(yīng)交聯(lián),在阻燃配方中加入適量催化劑。在高溫焙烘時(shí),起到催化作用。

焙烘的目的是加速阻燃劑、交聯(lián)劑與纖維素大分子反應(yīng),生成穩(wěn)定的共價(jià)鍵。阻燃整理后若不經(jīng)焙烘,水洗1次,阻燃效果將損失殆盡。焙烘溫度和時(shí)間取決于阻燃劑、交聯(lián)劑的性質(zhì)和催化劑的類型。提高焙烘溫度有利于改善織物阻燃的耐洗性,對(duì)提高交聯(lián)反應(yīng)的速度也有明顯作用。然而溫度高阻燃織物的斷裂強(qiáng)度會(huì)大幅度下降,色變加重和手感發(fā)硬,因?yàn)樵谶^(guò)高溫度下,各種可能發(fā)生的反應(yīng)都在加快,包括一時(shí)未能反應(yīng)消耗的酸對(duì)纖維素分子的降解,同時(shí)由于高溫下阻燃劑隨水的蒸發(fā)而產(chǎn)生的泳移現(xiàn)象明顯加劇,造成表面交聯(lián)

增加,帶來(lái)織物手感的粗糙化,故在滿足固著率的前提下,應(yīng)盡量降低焙烘溫度,縮短焙烘時(shí)間。

在用BTCA作為交聯(lián)劑的整理中,對(duì)pH值有很強(qiáng)的依賴性,隨著整理液pH值的提高,整理的效果下降,但在一定的范圍內(nèi),整理效果基本保持穩(wěn)定不變。對(duì)于強(qiáng)力的影響,隨pH值的升高,織物強(qiáng)力提高。在pH=3-4時(shí),整理既有較高的交聯(lián)效果,又有較高的織物強(qiáng)力保留率。

3結(jié)論

(1)本阻燃劑為淺淡黃色,利用國(guó)產(chǎn)原料合成,工藝簡(jiǎn)單,可利用普通的軋、烘、焙工藝整理棉織物,阻燃性能優(yōu)良。

(2)該阻燃劑與多元梭酸及酸性催化劑構(gòu)成阻燃整理體系,在織物上形成網(wǎng)狀交聯(lián),使阻燃效果具有耐洗性,從而得到無(wú)甲醛耐久阻燃棉織物。

(3)合成的阻燃劑不含甲醛,整理過(guò)程中也無(wú)甲醛類交聯(lián)劑加入,為環(huán)保型阻燃劑。經(jīng)其整理后的織物在水洗50次后,炭長(zhǎng)為9cm,阻燃性能仍滿足阻燃紡織品要求,可作為耐久阻燃劑使用。

(4)該阻燃劑可大大降低棉織物的熱裂解溫度,應(yīng)用時(shí)不需要特殊工藝和設(shè)備,可滿足多領(lǐng)域?qū)徔椘返淖枞家蟆?/p>

4參考文獻(xiàn)

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