王月華，范佳慧，歐衛(wèi)國，徐山青

(1.南通金仕達超微阻燃材料有限公司，江蘇 南通 226009；2.南通大學(xué) 紡織服裝學(xué)院,江蘇 南通 226019)

純棉織物阻燃整理的工藝優(yōu)化

王月華1，范佳慧2，*，歐衛(wèi)國1，徐山青2

(1.南通金仕達超微阻燃材料有限公司，江蘇 南通 226009；2.南通大學(xué) 紡織服裝學(xué)院,江蘇 南通 226019)

以磷酸三甲苯酯(TCP)及水性聚氨酯(PU)為原料制備阻燃劑，用于純棉織物的阻燃整理，探討了阻燃劑覆蓋量，阻燃劑與聚氨酯的用量，焙烘溫度和時間對阻燃效果的影響。通過正交實驗得到的最佳整理工藝為：阻燃劑覆蓋量175 g/m2，阻燃劑與聚氨酯的比例4∶1，焙烘溫度160 ℃，焙烘時間2 min。整理后織物阻燃指標達到了國家標準(GB/T 5455-1997)的B1級，具有較好的阻燃效果。

純棉織物；磷酸三甲苯酯；阻燃整理；正交試驗

近年來，紡織行業(yè)不斷發(fā)展，各式各類紡織品已經(jīng)融入我們的生活，但隨之而來的問題也不斷發(fā)生。據(jù)國外不完全統(tǒng)計，40%的火災(zāi)是由紡織品所引起的[1]，造成了大量的人員傷亡與經(jīng)濟損失，其中由棉織物引起的火災(zāi)占很大一部分。棉織物是由棉纖維織造而成，屬于綠色產(chǎn)品，其手感柔軟、光澤柔和、具有良好的吸濕性，深受廣大消費者的喜愛[2]，但也特別易燃，因此要對其進行阻燃處理。如何使棉織物保持原有的優(yōu)良性能，同時具有阻燃性能，且不會造成環(huán)境污染，一直是研究的難點。研究表明，磷是提高聚氨酯阻燃性的有效元素，磷化物、磷氧化物、磷酸酯[3]、磷酸鹽等含磷化合物是重要的環(huán)保阻燃劑，有釋放低毒或無毒氣體，燃燒過程中產(chǎn)生較少煙霧等特點，磷化合物作為促進炭化的試劑，也可以減少易燃氣體產(chǎn)生[4]。因而，含磷化合物阻燃劑應(yīng)用前景十分廣闊。

使用磷酸三甲苯酯阻燃劑(TCP)與聚氨酯(PU)復(fù)配作為阻燃劑，研究了阻燃劑覆蓋量，阻燃劑中TCP的濃度，焙烘溫度、焙烘時間對阻燃效果的影響，優(yōu)化了阻燃整理工藝。

1 試驗部分

1.1 材料和儀器

材料：純棉織物，經(jīng)緯線密度為27.8 tex×27.8 tex，經(jīng)緯密為425根/10 cm×228根/10 cm，經(jīng)緯斷裂強力分別為675、423 N(垂直燃燒測試均燃燒殆盡)。

試劑：磷酸三甲苯酯(天津利海石化有限公司)，聚氨酯(萬華化學(xué)集團股份有限公司)。

儀器：DT-500B電子天平(常熟市金羊砝碼儀器有限公司)；SXJQ-1型數(shù)顯直流無極調(diào)速攪拌器(鄭州長城科工貿(mào)有限公司)；LLY-07垂直燃燒性能測試儀(萊州市電子儀器)；RAPID自動定型烘干機(廈門瑞比精密機械有限公司)；YGH065/PC電子織物強力儀(萊州市電子儀器有限公司)等。

1.2 工藝流程

首先將阻燃劑TCP和聚氨酯分別稱取一定質(zhì)量后倒入燒杯，再用磁力攪拌器對阻燃劑進行充分攪拌2 h，攪拌結(jié)束后對其密封以方便后續(xù)的涂層整理。

純棉織物→涂層→預(yù)烘(100 ℃，2 min)→焙烘(155～165 ℃)→烘干→冷卻→測試。

1.3 性能測試

1.3.1 燃燒性能

垂直燃燒法阻燃性能按GB/T 5455-1997《紡織品燃燒性能試驗垂直法》測試。將一定尺寸的試樣置于燃燒器下，測定試樣的續(xù)燃、陰燃時間及損毀長度。B1級別續(xù)燃時間≤5 s，陰燃時間≤5 s，損毀長度≤15 cm，B2級別續(xù)燃時間≤15 s，陰燃時間≤15 s，損毀長度≤20 cm。

1.3.2 斷裂強力

阻燃整理后純棉織物斷裂強力根據(jù)國標GB/T 3932.1-1997《織物拉伸性能第1部分：斷裂強力和斷裂延伸率的測定條樣法》測定，每塊試樣測試5次，取平均值，并按下式計算織物的斷裂強力損失率：

(1)

式中，ω0代表整理后織物的斷裂強力；ω1代表整理前織物的斷裂強力。

1.4 正交試驗

根據(jù)前期單因素水平試驗，初步確定TCP濃度在75%至85%之間(客戶提供)，焙烘溫度155～165 ℃，焙烘時間1～3min時，織物具有良好的阻燃性。因此選擇阻燃劑中TCP濃度、焙烘溫度和焙烘時間為正交試驗的主要因素，探討其對純棉織物阻燃性能的影響。設(shè)計了3因素3水平的正交試驗，經(jīng)向與緯向各做一次正交試驗，因素和水平如表1所示。

表1 正交試驗因素與水平

2 結(jié)果和分析

2.1 覆蓋量

將樣布按要求裁成相同的5塊試樣，對其進行不同覆蓋量(織物上涂覆的阻燃劑重量換算成平方米克重，覆蓋量越大，阻燃劑涂得越多)的涂層整理后進行垂直燃燒測試。從表2可見，隨著覆蓋量的增加，棉織物的續(xù)燃時間和損毀長度都有明顯減少(由于陰燃時間為0未標注)，說明在棉織物上涂覆的阻燃劑量越重，阻燃效果越好。當棉織物上覆蓋量達到150g/m2以上時，阻燃效果已經(jīng)達到了國家標準的B1級。但考慮到棉織物經(jīng)過涂層整理后，覆蓋量越多，其織物手感會越硬以及成本等多方面因素，最終選取覆蓋量為175g/m2。

表2 棉織物上阻燃劑的覆蓋量對阻燃效果的影響

2.2 影響因素

為了得出純棉織物最佳的阻燃整理工藝，將阻燃整理后棉織物的經(jīng)向、緯向阻燃性能分別進行測試分析，結(jié)果如表3、表4所示。因所有測試樣的陰燃時間均為0，故未在表中列出。

表3 正交試驗結(jié)果

表4 正交試驗極差分析

2.2.1 續(xù)燃時間

續(xù)燃時間數(shù)值越小其阻燃效果越好。由試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過整理后的棉織物阻燃效果明顯比未整理之前得到提高。由極差可得3因素對續(xù)燃效果的影響，經(jīng)向：C>B>A；緯向：A>C>B。從極差上分析，經(jīng)向極差差距不是很大，而緯向卻很好地反應(yīng)了3因素對棉織物阻燃效果的影響，所以取濃度A(阻燃劑中TCP的濃度)為主要因素。

圖1為TCP濃度對續(xù)燃時間的影響。如圖1所示，無論經(jīng)向還是緯向，隨著阻燃劑中TCP的含量增加，續(xù)燃時間明顯減小，但當TCP含量超過80%之后，阻燃效果基本達到了一個頂點，含量繼續(xù)增加經(jīng)向阻燃效果反而有減小的趨勢，而緯向阻燃效果基本保持不變。這是因為磷酸三甲苯醋類阻燃劑，受熱的時候會分解生成覆蓋在棉織物表面的磷酸，磷酸固化在棉織物的表面，形成炭化層，這樣不僅阻礙了空氣與棉織物的直接接觸，還能抑制可燃性氣體的揮發(fā)，使棉織物周圍氧氣濃度不足，因而從根本上阻止了棉織物的燃燒。這與試驗的燃燒過程，涂層后的棉織物在接觸火源時，織物底部變黑，火焰緩緩而上，當火焰離開織物后，一會就自己熄滅了這一現(xiàn)象相符合。而且這一燃燒過程會促使纖維素分子鏈在斷裂前進行脫水反應(yīng)，脫水的過程會吸收大量的熱，降低棉織物周圍的熱量，減少提供棉織物燃燒所需的熱能[5]。

圖1 TCP濃度對續(xù)燃時間的影響

圖2為焙烘溫度對續(xù)燃時間的影響。如圖2所示，續(xù)燃時間隨焙烘溫度的升高有一個先減小再增大的趨勢，特別是緯向增大的趨勢更為明顯。這是因為磷酸三甲苯酯與纖維素大分子和聚氨酯之間的交聯(lián)反應(yīng)會更充分，阻燃效果才能達到最佳。

圖2 焙烘溫度對續(xù)燃時間的影響

圖3為焙烘時間對續(xù)燃時間的影響。如圖3所示，續(xù)燃時間隨焙烘時間的改變，經(jīng)緯向有不同的變化。經(jīng)向的續(xù)燃時間隨焙烘時間的增大而增大，緯向則先減小后增大的趨勢。同樣是因為磷酸三甲苯酯與纖維素大分子和聚氨酯之間的交聯(lián)反應(yīng)只有在合適的焙烘時間下才能充分反應(yīng)，焙烘時間偏短偏長都會影響織物的阻燃效果。

圖3 焙烘時間對續(xù)燃時間的影響

2.2.2 陰燃時間

陰燃時間也是其值越小阻燃效果越好。經(jīng)過整理以后的棉織物，陰燃時間全部為0，這是因為磷酸三甲苯酯在燃燒過程中使纖維素分子產(chǎn)生脫水反應(yīng)，吸收熱量的同時，在棉織物表面形成一層炭化層，阻止了織物與空氣的接觸，從而有效阻止了織物的持續(xù)自燃，所以陰燃時間為0。

2.2.3 損毀長度

損毀長度其數(shù)值越小阻燃效果越好。通過正交試驗結(jié)果可知經(jīng)過整理后的織物與未經(jīng)處理的織物相比，損毀長度明顯得到減小，大部分阻燃效果已達到B1級。從極差分析表4來看，經(jīng)向?qū)p毀長度的影響作用大小是B>C>A；緯向?qū)p毀長度的影響作用大小是A>B>C。

由圖4可以看出隨著TCP濃度的增加，損毀長度也隨著減小，當達到80%左右時，損毀長度達到最小，繼續(xù)增加TCP含量反而使損毀長度增加，影響阻燃效果。

圖4 TCP濃度對損毀長度的影響

由圖5可以看出來損毀長度隨著焙烘溫度的升高都呈現(xiàn)出一個先下降后上升的趨勢，當焙烘溫度達到160 ℃左右時損毀長度到了一個最低點，說明此時的阻燃效果最好。

圖5 焙烘溫度對損毀長度的影響

由圖6可以看出，隨著焙烘時間的增加，經(jīng)向和緯向出現(xiàn)了一個相反的趨勢，經(jīng)向逐漸上升，而緯向卻逐漸減小。這時選取一個中間值，使經(jīng)緯向阻燃效果都能達到要求。

圖6 焙烘時間對損毀長度的影響

因為損毀長度與續(xù)燃時間一般是密切相關(guān)的，續(xù)燃時間短則表明織物在離開火焰后并沒有持續(xù)燃燒，織物沒有繼續(xù)破壞，所以續(xù)燃時間越短相應(yīng)的損毀長度也越小。

2.2.4 最佳工藝

(1)阻燃劑TCP的濃度A。對經(jīng)緯向續(xù)燃時間、損毀長度來說，A的指標越小越好，從圖4可以看出，對于經(jīng)向的續(xù)燃時間與損毀長度來說，當A的指標為80%時阻燃效果最好；而對于緯向的續(xù)燃時間來說，當A的指標為85%時阻燃效果最好，對于損毀長度來說，A的指標為80%時，阻燃效果最佳。綜合考慮選取TCP的濃度為80%。

(2)焙烘溫度B。由圖5發(fā)現(xiàn)，無論經(jīng)向還是緯向，當焙烘溫度為160 ℃時，續(xù)燃時間與損毀長度都為最小。所以選取焙烘溫度為160 ℃最佳。

(3)焙烘時間C。綜合考慮圖6，為了使經(jīng)緯向的阻燃效果達到一個合適的點，此時選取焙烘時間2min為最佳。

2.3 優(yōu)化工藝整理后的織物阻燃性能

以續(xù)燃時間、陰燃時間、損毀長度為主要因素，為使織物經(jīng)過整理后，阻燃效果能有明顯提高，選取的最佳工藝為：覆蓋量175g/m2，TCP濃度80%，焙烘溫度160 ℃，焙烘時間2min。最后采用最佳工藝對純棉織物進行整理，測試的各項性能指標如表5所示。

表5 優(yōu)化工藝整理后織物阻燃和強力性能

從表5中可以看出，經(jīng)過優(yōu)化工藝整理后的織物，續(xù)燃時間和損毀長度都達到了B1級，具有很好的阻燃效果，且斷裂強力損失率較小。

3 結(jié)論

(1)以磷酸三甲苯酯和聚氨酯作為阻燃劑，經(jīng)過涂層整理后的純棉織物具有良好的阻燃效果，最佳整理工藝優(yōu)化為覆蓋量175g/m2，TCP的濃度為80%，焙烘溫度為160 ℃，焙烘時間為2min。

(2)經(jīng)過最佳工藝整理后的織物經(jīng)緯向續(xù)燃時間為1.1s與1.3s，無陰燃，損毀長度分別為6.5cm和7.6cm。

(3)經(jīng)過優(yōu)化工藝整理后的織物經(jīng)緯強力均有所損失，經(jīng)向斷裂強力損失率為5.78%，緯向斷裂強力損失率為6.38%。

[1]DIDANEN,GIRAUDS,DEVAUXE,etal.DevelopmentoffireresistantPETfibrousstructuresbasedonphosphinate-POSSblends[J].PolymerDegradationandStability, 2012, 97:879-885.

[2]PRICED,HORROCKSAR,AKALINM,etal.Influenceofflameretardantsonthemechanismofpyrolysisofcotton(cellulose)fabricsinair[J].JournalofAnalyticalandAppliedPyrolysis, 1997, 40 (5):511-524.

[3]PARKHS,HAHMHS,PARKEK.Preparationandcharacteristicsoftwo-componentpolyurethaneflameretardantcoatingsusing2,3-dibromomodifiedpolyesters[J].AppliedPolymerScience, 1996, 61(3):421-429.

[4] DIDANE N, GIRAVE S,DEVAUXE,etal.AcomparativestudyofPOSSassynergistswithzincphosphinatesPETfireretardancy[J].PolymerDegradationandStability,2012, 97(3):383-391.

[5] 陸寧寧.純棉織物阻燃整理工藝探討[J].染整技術(shù),2003,25(6):32-33.

Optimization of Flame Retardant Finishing Process of Cotton Fabrics

WANG Yue-hua1, FAN Jia-hui2,*, OU Wei-guo1, XU Shan-qing2

(1.Nantong SunGard Advanced Micro Flame Retardant Materials Co. Ltd., Nantong 226009, China; 2. School of Textile and Clothing, Nantong University, Nantong 226019, China)

The fire retardant was prepared with tricresyl phosphate (TCP) and waterborne polyurethane (PU) as raw materials for flame retardant finishing of cotton fabric. Influence of the fire retardant coverage amount, the ratio of TCP to PU, curing temperature and curing time on the flame retardant properties of the finished fabric was studied. Through orthogonal test, the optimum finishing process was established as follow: the fire retardant coverage amount 175 g/m2, the ratio of TCP to PU was 4∶1, curing temperature 160 ℃, curing time 2 min. The flame retardant index of the finished fabric met the national standard (GB/T 5455-1997) B1level and had good flame retardant effect.

cotton fabric; tricresyl phosphate; flame retardant finishing; orthogonal experiment

2017-04-11

南通市前沿與關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新計劃：工業(yè)創(chuàng)新科技項目(GY22015026)

王月華(1967-)，男，江蘇海安人，工程師，主要從事印染技術(shù)研發(fā)和生產(chǎn)。

*通信作者：范佳慧(1993-)，男，江蘇海門人，在讀碩士研究生，主要從事功能紡織品研發(fā)，E-mail:975064072@qq.com。

TS195.5

B

1673-0356(2017)06-0017-04