涤纶的膨胀型阻燃体系整理工艺

涤纶的膨胀型阻燃体系整理工艺

引言

涤纶纤维强度高，耐热性和化学稳定性优良，广泛用于家用纺织品和各种内饰织物，但它易熔融，存在较大的火灾隐患。因此，研究涤纶纺织品阻燃技术，开发阻燃涤纶纺织品非常重要。

涤纶织物主要通过原丝阻燃改性或者表面处理改性达到阻燃效果。织物阻燃整理作为表面处理改性方法之一，具有工艺简单、成本低等优点。其中，含磷阻燃剂低毒、高效，在涤纶中应用较多。磷系阻燃剂主要是通过促进聚合物炭化，在凝聚相起到阻燃作用。

膨胀型阻燃剂以磷、氮为主要元素，受热时表面能生成一层均匀的炭质泡沫层，隔热、隔氧、抑烟，并能避免熔滴现象，具有良好的阻燃性能。研究表明，经膨胀型阻燃剂处理的聚酯纤维具有良好的阻燃和抗熔滴效果。虽然膨胀型阻燃剂在塑料、橡胶以及合成高聚物上得到了大量的研究，但是，对涤纶的阻燃整理还较少。

传统的膨胀型阻燃体系是由酸源、炭源和气源组成。酸源首先释放出磷酸、焦磷酸等具有脱水作用的无机酸，与多元醇起酯化反应，整个体系在这个过程中熔融；气源产生不燃气体和水蒸气，使已经熔融的体系发泡膨胀；炭源在脱水剂的作用下进一步脱水炭化，生成元机物及焦炭残留物，使整个体系熔融膨胀，形成泡沫炭层。

本试验采用含磷阻燃剂与可以产生不燃气体的含氮阻燃剂组成膨胀体系，通过适当的后处理工艺，得到具有良好阻燃性能的涤纶织物，并且使处理后的织物保持良好手感，断裂强度降低幅度小。

1试验

1．1材料及仪器

材料：蓝色涤纶布(200G／M2，成都海蓉特种纺织品有限公司)，含磷阻燃剂、含氮阻燃剂(自制)

仪器：AR2140型电子分析天平(美国奥豪斯国际贸易有限公司)，MU504A型台式轧车(北京纺织机械器材研究所)，SFG-02400型电热恒温鼓风干燥箱(黄石市恒丰医疗器械有限公司)，CZF-3型水平垂直燃烧测定仪、JF一3型氧指数测定仪(南京市江宁区分析仪器

厂)，HCT一1型联合热分析仪(北京恒久科学仪器厂)

1．2涤纶织物阻燃整理工艺

碱减量处理将涤纶织物在3OG/LNAOH水溶液中，于95℃碱减量处理20MIN，取出，洗除碱液，低温烘干，测失重。

阻燃整理将含氮阻燃剂和含磷阻燃剂以不同质量比复配溶于水中。将碱减量处理后的涤纶布投入复配阻燃液中浸泡0．5H，二浸二轧(轧车压力0．3MPA)，再于烘箱中100℃预烘4MIN，170℃焙烘3MIN，取出，冷却，测其阻燃性。

1．3性能测试

(1)极限氧指数

参照GB／T5454-1997(纺织品燃烧性能试验氧指数法》，在JF-3型氧指数测定仪上测试。气体流量设定为10L／MIN，试样尺寸为140MM×52MM。

(2)垂直燃烧测试

采用CZF-3型水平垂直燃烧仪，参照GB5455—1997(纺织品燃烧性能试验垂直法》测定试样的垂直燃烧性能。点燃时间12S，试样尺寸300MM×80MM。

(3)热分析

采用HCT一1型联合热分析仪，测试温度范围为室温至600℃，升温速率10℃／MIN，使用空气气氛，测试试样质量和热量随温度的变化，得到TCA和DSC曲线。

(4)断裂强力

采用YD026B型电子织物强力机，按照GB／T3923．1一L997《纺织品织物拉伸性能第1部分：断裂强力和断裂伸长率的测定条样法》测定。试样尺寸为30CMX3CM，夹具间长20CM。按式(1)计算强力损失：

阻燃整理增重率分别测试碱减量涤纶试样和阻燃试样的质量，按式(3)计算增重率。增重率控制在10％左右，不宜超过15％。

2结果与讨论

2．1阻燃整理工艺优化

2．1．1阻燃剂用量

固定含磷阻燃剂和含氮阻燃剂的质量比为3：1，考察阻燃剂用量对涤纶织物阻燃性能的影响，结果见表1

由表1可知，随着阻燃剂用量增加，涤纶织物的阻燃性能明显提高；当用量超过15％，阻燃整理织物的增重和LOI基本稳定。阻燃剂用量为20％时，LOI较未整理织物提高了8．1％；同时在垂直燃烧测试中。续燃时间缩短，损毁长度减少，燃烧时无熔滴，阻燃效果好。若继续增加阻燃剂浓度，织物的增重过量，因此，选择阻燃剂用量为20％。

2．1．2阻燃剂复配比

含磷阻燃剂呈酸性，含磷和羟基；而含氮阻燃剂分解后产生N2等不燃气体，因此复配体系含有酸源、气源和炭源。固定阻燃剂用量为20％，改变含磷阻燃剂和含氮阻燃剂的复配比，考察其对涤纶织物阻燃性能的影响，结果见表2。

由表2可见，随着含氮阻燃剂含量逐渐增加，涤纶织物的LOI值逐渐提高，复配比在1：0．3时，阻燃效果好。继续增加含氮阻燃剂含量，LOI值开始减小，且续燃时间、滴落情况变差。所以，含磷阻燃剂和含氮阻燃剂复配比为1：0．3。

2．1．3焙烘温度

在含磷阻燃剂和含氮阻燃剂质量比为1：0．3，总用量为20％的条件下，对涤纶织物进行阻燃整理，100℃预烘3MIN，140—190℃焙烘3MIN，考察焙烘温度对阻燃等效果的影响，结果如表3所示。

由表3可知，随着焙烘温度升高，涤纶织物的LOI值略有提高，温度高于180℃后又开始降低。焙烘温度高于180℃后，织物的断裂强力损失较大。以原涤纶布料洗净后为标准样，经焙烘的涤纶布料为测试样，将标准样和测试样一起置于日光灯下，可分辨出焙烘温度越高，对涤纶布料颜色的影响越严重。焙烘温度越高对涤纶织物的手感影响也较大。因此，焙烘温度选择在170℃。

2．2阻燃整理涤纶织物性能分析

2．2．1涤纶织物的热性能分析

图1为涤纶原样、碱减量处理样和阻燃处理试样的TG曲线。

图1中，阻燃处理涤纶试样的初始分解温度降低，说明阻燃剂的引入降低了涤纶织物的热稳定性。在涤纶纤维燃烧之前，阻燃剂就开始分解，发挥阻燃作用，在310℃时分解速率达到大；450℃时分解速率变慢，说明阻燃过程即将结束，阻燃剂的分解与涤纶纤维的燃烧同步进行。分解速率变小的原因，是出现的炭层减少并终阻隔了火焰与基体的接触，从而有利于阻燃。阻燃涤纶织物的终止分解温度与起始分解温度的差值较未处理涤纶织物略大，说明其热分解温度范围变宽。

所用含磷阻燃剂是含有膦基和多羟基的化合物，可以释放具有脱水作用的无机酸，促使具有成炭倾向的涤纶织物炭化。含氮阻燃剂含有硫组分，在209℃开始分解，260℃分解释放出S02、S03、N2、水及其它微量产物。这些不燃气体在一定程度上稀释了可燃气体的浓度，伴随有气相阻燃作用；同时使体系熔融物发泡，形成膨胀的炭层。束缚在膨胀炭质层上气体的导热性较固体低一个数量级，限制了氧气扩散到聚合物表面，有效阻止和延缓了聚合物的热降解，防止可燃性气体的释放，中断聚合物的燃烧。

图1中，涤纶原布的残炭率约为8％，碱减量处理样的残炭率略有提高，而经阻燃剂处理涤纶布的残炭率约为24％，大幅提高。这说明炭源燃烧后，炭化吸热，降低燃烧体系温度，且成炭膨胀，防止熔滴，从而使涤纶织物的LOI有很大提高。

图2为涤纶原样、碱减量处理样和阻燃处理试样的DSC曲线。

图2中，未经阻燃整理涤纶织物在540℃左右出现了很强的放热峰；阻燃涤纶布的放热峰不明显，放热面积也较小。这说明在燃烧过程中，阻燃体系由于阻燃剂的分解而吸收大量的热量，降低体系温度，导致涤纶纤维燃烧所需热量不足，无法燃烧分解，达到阻燃目的。

2．2．2涤纶织物燃烧残余物形貌分析

图3为未处理和阻燃整理涤纶织物的燃烧残余物电镜照片。

由图3(A)可知，未处理涤纶织物的残余物并未完全燃烧，是部分降解、少部分炭化的熔融物，其表面较为光滑且连续，保持有熔体流动的形态。这是因为燃烧残余物中的主要成分是涤纶织物燃烧产生的熔滴，还有一部分为未完全分解的涤纶。图3(B)中，采用膨胀阻燃体系处理的织物，燃烧残余物表面有许多蜂窝状的较深的孔洞，且较为蓬松。这是由于在膨胀型阻燃体系的作用下，涤纶织物的脱水作用增强，熔融物在燃烧过程中不会快速滴落，使得涤纶织物的燃烧残炭量增加；其次，由于释放出大量的不燃气体，整个体系发生膨胀，故炭层出现很多孔洞。

3结论

(1)将自制的含磷阻燃剂和含氮阻燃剂复配成膨胀型阻燃体系，应用于涤纶织物阻燃后整理。当含磷阻燃剂和含氮阻燃剂质量比为3：1，阻燃剂总用量为20％，焙烘温度为170℃时，阻燃涤纶织物的LOI值可达到29．6％，断裂强力降幅小于5％，且具较好的抗熔滴性，说明该膨胀体系对涤纶织物有较好的阻燃效果。

(2)采用本阻燃体系处理的涤纶织物，燃烧后残炭量明显提高，炭层具有蓬松、多孔的膨胀型特征。因此，下一步的工作是合成能与以上两种阻燃剂反应的交联剂，在涤纶织物上形成网状结构，以改善阻燃整理织物的耐水洗性能。M7aab9F

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