饰品之家讯：引言
早在三十年代,人们已充分认识到无论是军用纺织品还是民用纺织物的阻燃性能的重要性,至九十年代初,国内外单一纤维织物(如纯棉织物、纯涤纶织物等)的阻燃整理已经相当成熟。但是,简单地将单一纤维织物的阻燃整理剂应用于涤棉混纺织物不一定能获得良好的阻燃效果。国内在这方面的研究还不十分成熟。为了满足市场的需求,广西工学院和柳州市床单厂承担了柳州市科委项目,合作研发涤棉混纺织物阻燃产品。主要任务是研制一种阻燃剂,应用于涤棉混纺织物的阻燃整理,生产阻燃高支高密精梳涤棉织物的炼白布、
染色布、满地印花布、斜纹台布等。涤棉混纺组份比例为50∶50。
1 涤、棉纤维的受热燃烧性质
棉纤维受热到350℃就开始热分解,很容易产生可燃的热解气化物,例如H·、CO等,如有足够的氧存在,就会着火燃烧。棉纤维产生燃烧的限氧指数(LOI值)为18-20%。涤纶纤维是一种热塑性纤维,它的软化温度是238～240℃,熔点是255-260℃,受热到420～447℃开始热分解。涤纶织物在玻璃衬托上的限氧指数是20-22%,在悬挂状态下是25%。涤纶织物在悬挂状态下的燃烧过程是首先发生热收缩,然后产生熔融,再进一步熔融为液滴,滴落到地面,将热能带走,从而产生自熄作用。
涤棉混纺织物的燃烧性,并不等于涤棉各纤维组份燃烧性的相加涤棉织物在燃烧过程中,熔融的涤纶组分覆盖在热解的棉纤维(碳状)表面,而热解棉的碳状态架构阻止了涤纶纤维的热收缩,因而不会自动滴落脱离燃烧的热源。实际上,纤维状的碳状焦碳不仅支托了熔融的涤纶,还会把熔融的涤纶体芯吸到燃烧的热源中,增加了着火区中燃料的供应,这种情况,人们称之为“骨架”效应。正由于这种“骨架”作用,使涤棉混纺织物的燃烧性远比人们预想的要强烈得多。
涤棉混纺织物和其他燃料一样,在热裂解时可与空气中的氧产生反应,并通过歧化反应:
H·+O2→HO·+O·(1)
O·+H2→HO·+H·(2)
使得燃烧蔓延。在燃烧的火焰中,主要的放热反应是:
HO·+CO→CO2+H·(3)
从而提供了保持燃烧所需的大部分热量。因此,要实现阻燃目的,必须要强烈抑制歧化反应(1)和(2)的进行。
2 阻燃机理和整理方法
2.1 阻燃机理
纺织物经过阻燃整理后,并不是说织物遇到火源不产生燃烧,而是其可燃性降低了,即遇火不容易燃烧,火焰不蔓延或蔓延速度低,当织物离开火源后能很快自熄,不再继续燃烧或阴燃。阻燃机理的复杂性和多样性已被公认,随着使用的阻燃剂种类的不同,其阻燃机理是有所区别的,迄今尚未建立对各方面都适用的阻
燃理论
[2]
,但概括起来有四种理论:覆盖论、气相论、热论和催化脱水论。
在气相阻燃机理中,气相燃烧反应的速度与燃烧过程中产生的自由基HO·和H·的浓度有密切关系,
气相阻燃剂的作用主要是将这类高能量的自由基转化成稳定的自由基,抑制燃烧过程的进行,达到阻燃目的。
卤素(溴)衍生物的阻燃作用被认为是按气相机理进行
[3]
。当含溴阻燃剂MBr受热时首先释放出溴游离基:
MBr→M+Br·(4)
或是释放出溴化氢HBr:
MBr→M+HBr
(5)
溴游离基Br·与织物燃烧时释放出的可燃性气体RH反应生成不燃烧性气体溴化氢:
Br·+RH→R·+HBr
(6)
溴化氢可有效地抑制歧化反应(1)和主要的放热反应(3),所以溴化氢是真正的火焰抑制剂:
H·+HBr→H2+Br· (7)
HO·+HBr→H2O+H·(8)
反应(7)比反应(8)快两倍
[3]
,而且在火焰前沿H2/HO·的比值高,表明反应(7)是抑制燃烧的主要反
应。在此情况下,反应(7)和反应(1)相互竞争,结果是活性H·被消耗了,而活性H·的被消耗决定了抑制效应。反应(8)和反应(3)也相互竞争,活性HO·也被消耗,从而也抑制了在燃烧中热量的产生,使得燃烧被进一步阻止。
在卤素(溴)的衍生化合物中加入三氧化二锑,可以增强阻燃作用。三氧化二锑本身没有阻燃作用,但是,
它与含溴的衍生化合物共同受热时,可产生如下反应:
Sb2O3+6HBr→SbBr3+3H2O(9)
SbBr3+3H·→Sb+3HBr(10)
SbBr3+H2O→SbOBr+2HBr(11)
SbOBr+H·→SbO+HBr(12)
SbO+H·→SbOH(13)
由此可见,活性H·被大量消耗的同时,还产生了大量的火焰抑制剂HBr
,从而起到更有效的阻燃作用。
2.2 涤棉混纺织物阻燃整理的几种方法
由于涤棉混纺织物的阻燃整理难度远大于单一纤维织物,有人主张使用已具有阻燃性能的改性涤纶纤维(例如TreviraCS或ToyoboGH)与棉纤维混纺,再对其织物利用棉型阻燃剂进行处理,可获得较好的阻燃效果,而且耐洗性能好。但是,这种改性的涤纶纤维价格比一般的涤纶纤维贵,因此以这种方法生产的涤棉混纺织物的阻燃产品并不多见。
浸轧烘焙整理是一种很普遍的后整理方法,它是将阻燃剂工作液浸轧到织物上,经烘焙处理使阻燃剂粘
结于织物上而获得阻燃效果。本文采用此后整理方法对涤棉混纺织物进行阻燃整理。
3 阻燃剂的研制及阻燃整理工艺
国外涤棉织物阻燃剂可归结为以下三大类
[1]
:含磷和含氮类阻燃剂系列、在含磷及含氮阻燃剂中加入卤素(溴)的阻燃剂系列和含锑及含溴化合物阻燃剂系列。后一类阻燃剂是三氧化二锑和芳香族溴化物的混合物,它们具有协合阻燃效应。这类阻燃剂得到重视,例如美国White公司的CalibanF/RP-44和德国
Schill&Seilacher公司生产的Flacavon阻燃剂等。
3.1 阻燃整理工作液的研制
本文选用三氧化二锑和芳香族溴化物十溴联苯醚的混合物为阻燃剂。先将十溴联苯醚和三氧化二锑按一定比例混合为预制剂DS,再添加相关助剂配制为工作液。
预制剂DS中的卤素和锑的摩尔比为3∶1,折合为十溴联苯醚和三氧化二锑的重量比为2∶1时,其协合阻燃效应最好
[3]
。十溴联苯醚和三氧化二锑都是固体粉末,不具有水溶性,需要将之研磨制成细度小于1m的分散乳化液才能有效应用于轧-烘-焙阻燃整理工艺。
3.2 工作液的配制
工作液配制要解决的关键问题是:一定浓度的工作液在常温下具有相对稳定性,不破乳分层和受轧辊挤轧不破乳,才能用于生产实践。因此,选择适合的乳化剂和高速剪切搅拌是关键。从众多的乳化剂如JFC、OP、NNO、太古油、平平加O等进行对比试验,寻求到乳化稳定剂A(平平加O和某种胶体保护剂的混合物)可使工作液在常温下稳定三天以上不破乳分层并能耐轧辊的挤轧。
3.3 工艺路线和阻燃整理工艺条件探讨
作为一种涤棉混纺阻燃产品,除了要获得特定的阻燃效果之外,还要具备一定的耐洗性和良好的手感,为此设计如下工艺路线:
织物前处理→碱减量处理→(染色)→浸轧阻燃工作液→烘干→焙烘→皂洗→烘干→拉幅定型→(印花)→柔软整理→轧光→复制→包装成品
阻燃工艺条件采用轧-烘-焙阻燃工艺路线,通过小样试验,先以简易垂直燃烧法测试织物燃烧后的炭
长和阴燃时间(根据国标GB5455-85)来评判阻燃效果,以确定工艺配方和工艺条件。
4 实验结果和讨论
4.1 工作液浓度、织物增重与阻燃效果的关系
织物的增重是指织物经轧-烘-焙整理后,织物重量的增加。显然,工作液的浓度将影响到织物的增重,影响到阻燃效果。试验情况见表1。
从表1中的数据可知,工作液的浓度与织物增重率、阻燃效果密切相关,但当工作液浓度≥400g/l时,虽然阻燃效果较好,但手感太硬,而且由于工作液过于浓厚,浸轧时容易粘辊,不利于生产要求,为此选定工作液的浓度为350g/l
4.2 织物碱减量处理与阻燃效果的关系
织物的增重率除了与工作液的浓度有关之外,还与织物对工作液的吸附性有关。为
此,织物需要经过良好的退浆、煮练、漂白和丝光前处理加工,才能保证织物有着良好的吸附性能。这些前处理加工主要是针对增加涤棉混纺织物中的棉纤维的吸附性。对于涤纶纤维,可通过碱减量处理,使涤纶纤维表面产生凹凸不平从而增大了涤纶纤维的表面积,有利于涤纶纤维对工作液的吸附,提高阻燃效果。试验结果见表2。
从表2的数据可知,经过碱减量处理的织物与未经碱减量处理的织物相比较,前者更有利于对阻燃工作液的吸附,从而有利于阻燃效果的提高。但是当碱减量达到4%时,阻燃效果并不明显提高,因此,碱减量应控制在(2～4)%为宜。
4.3 粘合剂的选择与用量
由于十溴联苯醚和三氧化二锑都是固体粉末,与织物之间没有亲和力,不能牢固地固着在织物上,必需借助于交联粘合剂的粘合作用,使得十溴联苯醚和三氧化二锑牢固地固着在织物上从而获得良好的耐洗性。经试验,使用丙烯酸酯粘合剂不影响阻燃性,而且粘合牢固。粘合剂用量越高,耐洗性越好,可以经受50次洗涤后还保持良好的阻燃效果,但是织物的手感虽然经过后序专门的柔软整理,依然感到偏硬。这就需要根据产品的不同要求来确定其用量,一般而言,其用量在(150-200)g/l
l即可获得耐洗20次的阻燃效果。
4.4 焙烘温度与时间的确定
选用的丙烯酸酯交联粘合剂需要在一定的焙烘温度和时间的作用下才能完成交联粘合反应,获得较好的粘合效果。经多次试验,在165℃、3min或者175℃、2min的焙烘处理下,阻燃效果和耐洗性都比较理想,而且布面不泛黄,织物强力受损不大。
4.5 阻燃整理工艺配方
如前所述,得出涤棉混纺织物阻燃整理工艺配方如表3:
4.6 阻燃性能的测试及耐洗色牢度、断裂强力检测
根据上述工艺配方和工艺条件(织物经过轧-烘-焙阻燃整理工序之后的其它工序,其工艺条件按常规工艺进行),上生产设备进行中试,随机抽取样品委托有关权威检测机构进行阻燃性能测试,依据GB5454-85《纺织织物燃烧性能测定氧指数法》测定LOI值和依据GB5455-85《纺织织物燃烧性能测定垂直燃烧法》测定炭长(即损毁长度)、续燃时间、阴燃时间。LOI值≥27,损毁长度≤150mm,续燃时间≤5秒,阴燃时间≤5秒即可认为具有阻燃效果,测试结果见表4。阻燃效果的评价:依据GB50222-95《建筑内部装修设计防火规范》可达阻燃B1级。此外,还依据GB5326-89《精梳涤棉混纺印染布》测试其内在质量,耐洗色牢度达到4-5级,耐磨擦牢度达到4级,断裂强力在标准值允差之内,符合一等品要求。
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