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        季戊四醇磷酸酯在棉織物阻燃整理中的應(yīng)用研究

        2019-03-05 02:50:52周正元徐浩東石明星周天池錢紅燕
        山東紡織經(jīng)濟 2019年2期
        關(guān)鍵詞:分析

        周正元,徐浩東,石明星,周天池,錢紅燕

        (1.江蘇鹽城中學,江蘇 鹽城 224005;2.鹽城工學院 紡織服裝學院,江蘇 鹽城 224051)

        當下,我國火災(zāi)爆發(fā)的頻率越來越高,給人民生活造成了巨大的經(jīng)濟損失,其中由于紡織纖維制品引起的火災(zāi)占據(jù)一半以上。作為紡織重要原料之一的棉材料具有易燃性的特點,其限氧指數(shù)僅為18,因此開發(fā)針對棉纖維及其混紡產(chǎn)品的阻燃劑迫在眉睫。市售棉用阻燃整理劑主要有鹵系、磷系、氮系、硅系等等,其阻燃機理主要分為氣相阻燃和凝聚相阻燃。[1]但由于鹵系具有毒性,氮硅系產(chǎn)品效果欠佳,因此研究磷系阻燃整理劑成為開發(fā)的主流方向。[2]目前,磷系阻燃整理劑主要有烷基磷酸酯[3]、縮合磷酸酯[4]、芳基磷酸酯[5]、環(huán)狀磷酸酯[6]、籠型及螺狀磷酸酯[7]等等,但這些整理劑多數(shù)存在合成困難、整理工藝要求高、耐久性低等等問題,因此經(jīng)濟實用、功能持久的棉用新型磷系整理劑亟待開發(fā)。本文選用季戊四醇、磷酸、尿素等藥品合成季戊四醇磷酸酯及其尿素鹽,并將其應(yīng)用于棉織物阻燃整理,通過醚化反應(yīng)將整理劑以共價接枝/交聯(lián)的方式與棉纖維結(jié)合,以期達到耐久阻燃的效果。

        1 實驗部分

        1.1 實驗材料

        純棉平紋針織布、蒸餾水由鹽城工學院紡服學院實驗室提供;季戊四醇、磷酸、尿素、氯化鎂、對二甲苯、無水乙醇均為分析純,購買于國藥集團化學試劑。

        1.2 季戊四醇磷酸酯的合成

        取250mL四頸燒瓶,四口分別接上回流冷凝管、分水器、分液漏斗和JJ-1型電動機械攪拌器(江蘇佳美儀器制造有限公司,中國),用鐵架臺、鐵夾固定好實驗裝置,將13.6g季戊四醇和80mL對二甲苯加入的四口燒瓶內(nèi),機械攪拌至完全溶解。向分液漏斗中加入20.2g磷酸(濃度為85%),半小時內(nèi)邊攪拌邊滴加磷酸,滴加完成后用GY-5型高溫油浴鍋(上海湃瀾有限公司,中國)加熱攪拌直至142℃,保溫反應(yīng)至分水器中水量不再增加。向反應(yīng)體系內(nèi)加入22.0g尿素,在142℃下繼續(xù)加熱攪拌反應(yīng)3小時,將所得產(chǎn)物趁熱抽濾,用無水乙醇淋洗兩次濾渣,得白色固體狀產(chǎn)品,將產(chǎn)品置于真空烘箱中160℃真空干燥1小時以去除殘留對二甲苯,冷卻后將白色粉末研磨并用塑料密封袋保存待用。

        圖1 季戊四醇磷酸酯的合成反應(yīng)方程式

        1.3 棉織物的阻燃整理

        配制阻燃整理劑溶液(100g/L季戊四醇磷酸酯尿素鹽,50g/L氯化鎂,浴比1:100),浸漬10min后用均勻小軋車軋去多余溶液,軋余率控制在100%左右,按相同步驟重復(fù)浸軋一次。將織物于80℃下預(yù)烘3min,再于180℃下焙烘處理3min,冷卻后置于塑料密封袋中待測。

        1.4 性能測試

        合成產(chǎn)品化學結(jié)構(gòu)用NEXUS-670型傅里葉變換紅外光譜儀(NICOLET公司,美國)分析;

        限氧指數(shù)采用HC-2型氧指數(shù)測定儀(南京市江寧區(qū)分析儀器廠,中國)檢測;

        熱重分析采用Netzsch熱重分析儀(耐馳公司,德國)分析,氮氣氣氛,升溫速率10℃/min,溫度范圍為25-730℃。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 紅外光譜分析

        圖2為季戊四醇磷酸酯的紅外光譜圖,由圖可以看出,3334.05 cm-1為O-H伸縮振動,2951.90cm-1及2871.18 cm-1為飽和C-H的伸縮振動。由于P=O的引入,分子間和分子內(nèi)氫鍵作用力增強,因此在X-H區(qū)的峰型較寬較大。在2365.87cm-1處的吸收峰應(yīng)該由P-OH…O 結(jié)構(gòu)所引起,1234.19cm-1處的吸收峰應(yīng)該由 P=O 鍵所引起。紅外光譜分析表明季戊四醇與磷酸之間形成化學鍵合,生成了季戊四醇磷酸酯。

        圖2 季戊四醇磷酸酯的紅外光譜圖

        2.2 熱重分析

        圖3 為棉織物整理前后的熱重分析微分圖。從圖中可以看出,未處理棉織物熱降解分成兩個階段,分別在350℃和460℃左右。阻燃整理過的棉布,其峰面積明顯小于未整理的棉布,說明放熱量大大降低。第一階段,整理后的棉織物放熱峰比未處理棉織物前移,這可能是因為阻燃劑受熱后先于棉材料分解,釋放出有效物質(zhì)抑制棉纖維的熱降解,而第二階段其放熱峰比未處理棉織物明顯后移,說明整理后棉纖維的熱穩(wěn)定性得到顯著提高。最終殘渣質(zhì)量保留率整理后棉織物為11.8%,而未處理棉織物僅為3.44%。

        圖3 氫氧化鈉/改性劑摩爾比對染色效果的影響

        2.3 限氧指數(shù)分析

        圖4 為阻燃整理棉織物與未處理棉織物限氧指數(shù)的對比分析。阻燃整理棉織物限氧指數(shù)達到30而未處理棉織物僅為18,這是因為阻燃整理劑中含有磷氮兩種元素,磷元素可以從凝聚相機理出發(fā)阻燃,減少左旋葡萄糖的生成,促進焦炭的形成,也有一定的氣相阻燃作用,生成磷氧自由基可以捕獲燃燒過程中的氧氫活性自由基;氮元素可以產(chǎn)生難燃性氣體,達到一定的氣體稀釋效果。磷氮配成使用可以達成協(xié)同作用,進一步提高阻燃效果。經(jīng)過10次洗滌后,整理后的棉織物其限氧指數(shù)仍達到28,說明合成產(chǎn)物對棉織物的功能整理具有較好的耐久性,這是因為整理劑具有羥甲基,在高溫、催化劑存在的條件下可以和棉纖維6號碳上的羥基發(fā)生醚化反應(yīng),形成共價接枝或交聯(lián),故其耐久性較好。從燃燒后的照片可以看出在氧濃度為18%的條件下,未處理棉織物基本燒成灰燼,而處理后的棉織物在氧濃度為30%的條件下方可燃燒,并且其殘渣仍可形成較為完整的炭層結(jié)構(gòu)。

        圖4 阻燃整理棉織物與未處理棉織物限氧指數(shù)的對比分析

        3 結(jié)論

        (1)通過紅外測試分析合成產(chǎn)物具有P=O、P-OH…O結(jié)構(gòu),說明季戊四醇磷酸酯得以生成。

        (2)熱重分析表明整理后棉織物的放熱性能大大減弱,殘渣保留率由原來的3.4%提高至11.8%。

        (3)整理后棉織物的限氧指數(shù)由18提高至30,說明棉織物阻燃性得到大幅度提高,洗滌10次后限氧指數(shù)仍達到28,說明整理產(chǎn)品具有較好耐久性能。

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