磷/硅復(fù)合整理劑對真絲織物阻燃整理的性能研究

關(guān)晉平，朱云朋，陳國強

(1.蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇蘇州215006;2.現(xiàn)代絲綢國家工程實驗室，江蘇蘇州215123)

由紡織品引起的火災(zāi)占年度總火災(zāi)數(shù)的50%，對其進行阻燃處理發(fā)達(dá)國家已立法要求[1]。絲綢這種天然紡織品以其獨特的光澤、保健性和豐富的文化內(nèi)涵聞名于世。絲綢產(chǎn)品目前廣泛用于床上用品、室內(nèi)軟裝。這些材料均要求具有不同程度的阻燃性能。

磷系阻燃劑是目前紡織品使用的主要阻燃劑，然而磷系阻燃劑也有其缺點，施加后紡織品發(fā)煙量較大，煙的主要成分是一氧化碳[2]，這對火災(zāi)過程中的逃生和施救是極為不利的。本研究采用磷阻燃劑與含硅化合物復(fù)配對真絲進行整理，以期降低真絲燃燒時的一氧化碳生成量，除阻燃性能外，還探討了阻燃后真絲織物的物理機械性能。

1 實驗

1.1 材料和儀器

材料:11206脫膠真絲電力紡，平方米質(zhì)量43g/m2(蘇州華思集團);二甲基-2-甲基丙烯酰氧基-乙基磷酸酯(DMMEP，按文獻[3]的方法合成);乙烯基三乙氧基硅烷(VETS，工業(yè)級，純度95%以上);過硫酸鉀(KPS)、甲酸、氨水(均為化學(xué)純);丙酮(分析純);中性皂片(市售)。

儀器:XW-2DR-25X12型低噪振蕩式染樣機(靖江市新旺染整設(shè)備廠);FTT氧指數(shù)測定儀(英國Fire Testing Technology公司);LYF-26型垂直法織物阻燃性能測試儀(山東紡織科學(xué)研究院);KSS-1400℃型高溫節(jié)能電爐(洛陽市永泰試驗電爐廠);Daul Analysis Calorimeter 2000型錐形量熱儀(英國Fire Testing Technology公司);Instron電子織物強力機(美國Instron公司)。

1.2 方 法

DMMEP改性真絲織物處理條件按文獻[3]，DMMEP添加量為70%(對織物質(zhì)量百分?jǐn)?shù))。DMMEP與VETS復(fù)合整理工藝為:DMMEP50%(對織物質(zhì)量百分?jǐn)?shù))，VETS50%(對織物質(zhì)量百分?jǐn)?shù))，引發(fā)劑過硫酸鉀(KPS)濃度為對單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%，浴比1︰30，反應(yīng)pH值用氨水調(diào)節(jié)至4.5，反應(yīng)溫度80℃，反應(yīng)時間40min。反應(yīng)結(jié)束后，取出布樣，用丙酮萃取去除均聚物，再皂洗，水洗，烘干。

1.3 測 試

1.3.1 增重率

增重率按下式計算:

式中:m1和m2分別為反應(yīng)前后織物的質(zhì)量，稱量前織物在恒溫恒濕間平衡24 h。

1.3.2 白 度

織物白度在WSB-3A智能式數(shù)字白度計上測定，取4次測量的平均值。

1.3.3 強 力

按GB/T 3923.1—1997《紡織品織物拉伸性能第1部分:斷裂強力和斷裂伸長率的測定 條樣法》，于Instron電子織物強力機上測定。

1.3.4 極限氧指數(shù)(LOI)

根據(jù)GB/T 5454—1997《紡織織物 燃燒性能試驗氧指數(shù)法》，采用FTT氧指數(shù)儀測定。

1.3.5 炭 長

根據(jù)GB/T 5454—1997《紡織織物 燃燒性能試驗垂直法》，在LYF-26型垂直法織物阻燃性能測試儀上測定。

1.3.6 炭渣含量

將平衡后的絲織物用電子天平稱重m1，然后將試樣放置在坩堝里于600℃的高溫節(jié)能電爐里保溫10min，取出后稱重m2，由下式計算得到炭渣含量:

1.3.7 阻燃耐水洗性

將整理過的真絲織物置于浴比為1︰50的中性皂液中，在50℃下洗滌20 min，重復(fù)以上操作，洗完一定次數(shù)后，取出水洗，熨干，并測試其燃燒性能。

1.3.8 熱釋放速率及一氧化碳生成情況

采用英國FTT公司的Analysis Calorimeter 2000型錐形量熱儀進行實驗。用鋁箔包裹樣品，放置完畢后用不銹鋼絲網(wǎng)保護，避免樣品在燃燒過程中發(fā)生卷曲膨脹。功率35 kW/m2，樣品尺寸10 cm×10 cm，厚度5mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 燃燒性能

阻燃整理后，真絲織物的燃燒性能見表1。

表1 真絲織物阻燃整理后的燃燒性能Tab.1 Flammability properties ofsilk fabric after flame-retardant finishing

由表1可看出，添加70%的DMMEP與50%/50%的磷/硅復(fù)配整理劑整理后的真絲織物有大致相當(dāng)?shù)谋碛^阻燃效果。其極限氧指數(shù)與炭長相當(dāng)，但復(fù)配整理增重率遠(yuǎn)高于DMMEP整理絲織物。灼燒后炭渣含量復(fù)配整理后的真絲織物明顯高于單獨用DMMEP整理的真絲織物，這說明添加VETS整理真絲織物后，織物燃燒時含硅組分燃燒后形成SiO2覆蓋層，從而起到絕熱、阻隔空氣的作用[4]，抑制真絲織物進一步分解，從而炭渣含量增加。

2.2 阻燃真絲織物的物理性能

阻燃真絲織物的物理性能見表2。

表2 真絲織物阻燃整理后的物理性能Tab.2 Physical properties ofsilk fabric after flame-retardant finishing

由表2可看出，真絲織物經(jīng)過阻燃整理后，白度下降。經(jīng)向斷裂強力、緯向斷裂強力都不同程度地有所下降，且緯向強力下降幅度高于經(jīng)向。DMMEP單獨整理真絲織物經(jīng)向與緯向強力分別下降4%和28.3%，復(fù)配整理劑整理后的真絲織物經(jīng)向和緯向強力下降分別為1.2%和20.7%?？梢姀?fù)配整理后真絲織物強力下降比單獨采用含磷組分DMEMP整理對強力損傷較小。整理后經(jīng)向斷裂伸長率下降，緯向基本不變。

2.3 阻燃耐水洗性

表3列出了通過DMMEP，以及DMMEP與VETS復(fù)配整理后真絲織物分別經(jīng)過1、5、15、20次洗滌后織物的極限氧指數(shù)及炭長情況。

表3 真絲織物阻燃整理后的耐水洗性Tab.3 Laundering durability ofsilk fabric after flame-retardant finishing

由表3可看出，單獨用DMMEP進行整理，織物經(jīng)過20次水洗后阻燃效果顯著下降，而采用復(fù)配技術(shù)整理的絲織物經(jīng)過20次水洗仍然具有一定的阻燃性能，極限氧指數(shù)接近27%，且可以通過垂直燃燒測試，耐水洗性能優(yōu)于單獨采用含磷組分整理的真絲織物。

2.4 熱釋放速率

熱釋放速率(HRR)是指在規(guī)定的實驗條件下，在單位時間內(nèi)材料燃燒所釋放的熱量。表達(dá)了火源釋放熱量的快慢和大小，也是火源釋放熱量的能力[5]。HRR越大，燃燒反饋給材料表面的熱量就越快(圖1)，結(jié)果造成材料熱解速度加快和揮發(fā)性可燃物生成量的增多，從而加速了火焰的傳播。HRR是衡量材料火災(zāi)危險性的重要參數(shù)。

圖1 材料燃燒模型Fig.1 Combustion model of materials

圖2給出的是處理后真絲織物的熱釋放速率曲線。圖2可以看到，在燃燒過程中，未處理真絲織物、DMMEP單獨整理真絲織物、DMMEP與VETS復(fù)配整理真絲織物的峰值熱釋放速率依次下降，曲線與橫軸圍成的面積是總熱釋放量，可以看到，總熱釋放也是依次呈遞減趨勢。說明復(fù)配整理后，可大大降低真絲織物在燃燒過程中的釋熱速度及釋熱量，即火災(zāi)危險程度降低。

圖2 阻燃真絲織物燃燒時的熱釋放速率Fig.2 Heat release rate of flame-retardantsilk fabric during combustion

2.5 CO生成情況

火災(zāi)中，CO是降低能見度，造成人窒息死亡，影響逃生的主要因素。阻燃整理后，降低CO生成量具有十分重要的意義。整理后真絲織物的CO生成情況，如圖3所示。

圖3 阻燃真絲織物燃燒時CO生成情況Fig.3 CO yield of flame-retardantsilk fabric during combustion

由圖3可明顯得知，未處理真絲織物在燃燒時放出大量的CO，而經(jīng)DMMEP處理后CO生成量有所下降，當(dāng)DMEMP與VETS復(fù)配整理時，真絲織物在燃燒時僅生成少量的CO。這可能是因為磷組分在燃燒過程中促使真絲織物脫水成炭，而硅組分則更多的是產(chǎn)生自交聯(lián)及使得真絲織物本身形成交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有利于絲織物燃燒時在凝聚相產(chǎn)生結(jié)炭作用，另一方面，硅組分在燃燒過程中生成SiO2膜覆蓋在絲織物炭層上，起到隔絕氧氣的作用，使得燃燒減少，故燃燒生成的CO也相應(yīng)減少，從而顯示出熱釋放速率及CO生成量的下降。這在實際火災(zāi)發(fā)生中贏得逃生時間，降低窒息死亡具有十分重要的意義。上述結(jié)果表明硅組分的添加，在提高成炭量、降低釋熱速率、降低釋熱量、降低CO生成量中均有積極的作用。表明含硅組分是磷組分十分有效的協(xié)同阻燃劑。

3 結(jié)論

采用含硅組分VETS與DMMEP復(fù)配整理真絲織物后，織物阻燃性能大大提高，阻燃性能可耐20次水洗，且復(fù)配整理后的真絲織物在燃燒中可降低熱釋放速率及熱釋放量，大大降低燃燒過程中的CO生成量，該體系在提高真絲織物防火安全性方面十分有效。但白度和強力有所下降。該硅組分是DMMEP阻燃整理真絲織物有效的協(xié)同阻燃劑。

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