新型膨胀阻燃剂螺环磷酰咪唑酯对棉布的阻燃性能.doc

新型膨胀阻燃剂螺环磷酰咪唑酯对棉布的阻燃性能摘要：本实验采用自制膨胀型阻燃剂螺环磷酰咪唑酯对纯棉布进行阻燃整理并测试其极限氧指数（LOI），从测试结果中选取LOI值超过28%的阻燃棉布共8组，进行垂直燃烧和拉伸性能测试，从中找出阻燃性能和拉伸性能都较优的阻燃整理工艺：整理液中阻燃剂含量为30%，催化剂用量为1.5%，交联剂用量为1%，焙烘温度为150时，阻燃棉布的LOI值达到33.96%，垂直燃烧续燃时间为0s，阴燃时间为0s，损毁长度为64.5mm，拉伸性能测得断裂强力为312.50N。关键词：膨胀型阻燃剂；螺环磷酰咪唑酯；阻燃整理；棉布中图分类号：TQ314.2; O631Flame retardancy of the cotton with a novel intumescent flame retardant imidazole spiro-cyclic phosphoramidateAbstract: Pure cotton was finished with a novel intumescent flame retardant imidazole spiro-cyclic phosphoramidate synthesized by ourselves and its Limtid Oxygen Index(LOI) was tested. The vertical burning and tensile strength were tested for the 8 group flame-retardant cotton whose LOI were over 28% and the better finishing process giving the cotton better flame-retardancy and tensile strength was ascertained: finished using the finishing liquor containing 30% flame-retardant imidazole spiro-cyclic phosphoramidate, 1.5% catalyst, 1% cross-linking agent and baked under 150 the flame-retardant cotton has 0s afterflame time, 0s afterglow time 64.5mm damaged length and its LOI was 33.96%, breaking force was 312.50N.Key words: intumescent flame retardant; imidazole spiro-cyclic phosphoramidate; flame retardant finishing; cotton棉布作为应用广泛的纺织品材料，它具有高度的易燃性。棉纤维及其服装的阻燃整理在人们的日常生活中变的越来越重要1-3，特别是在军事、航空工业、消防、森林防火等方面，阻燃纺织品的作用日益显著4。棉纺织品阻燃整理的目的就是降低棉布的易燃性，在棉的降解过程中起作用，阻止可燃气体的产生5-11。目前适用于棉织物的阻燃产品不多，主要使用的是PROBAN工艺。PROBAN是一种用于纤维素纤维及其混纺织物的耐久性后处理阻燃剂，其主要化学成分为四羟甲基氯化磷（THPC）。由于THPC在生产过程中可能会产生具有致癌性的双氯甲醚，而且其整理工艺需要特殊的设备，所以其应用受到了限制。Pyrovatex CP 是以N羟甲基二甲基磷酰丙烯酰胺 (MDPA)为主要成分的另一种棉织物耐久阻燃整理剂。但是其生产过程中的甲醛问题以及较高焙烘温度降低织物强度的问题限制了其应用范围4-10。开发新型的棉织物阻燃剂是棉织物阻燃的发展趋势。膨胀型阻燃剂是含有磷-氮结构的阻燃剂，因其组分中一般不含卤素，是一种环境友好型阻燃剂12-14。在本文中，使用自主研发的磷氮膨胀阻燃剂螺环磷酰咪唑酯为阻燃剂对棉织物进行处理，探讨了该阻燃剂对棉织物的阻燃性能，通过LOI和垂直燃烧以及拉伸性能测试优化了阻燃整理工艺，评价了不同阻燃整理液配方及焙烘温度对阻燃整理后的棉布阻燃性能和拉伸性能的影响。旨在获得适合用于森林防火服使用的棉织物阻燃剂。1 实验部分1.1 主要原料及仪器纯棉布：随州市九龙布业有限公司，66*38（根/吋），纱支21/2*10（s），密度为261g/m2；螺环磷酰咪唑酯：自制，其结构如图1所示，其合成方法正在申请专利；氰尿酸：濮阳市千瑞达化工有限公司；磷酸：中国莱阳市双双化工有限公司。JF-3型氧指数测试仪，江宁县分析仪器厂；CZF-3型水平-垂直燃烧测试仪，江宁县分析仪器厂；RGT-20A型微机控制电子万能试验机，深圳市瑞格尔仪器有限公司。图1 螺环磷酰咪唑酯的结构Figure 1. Structure of imidazole spiro-cyclic phosphoramidate1.2样品的制备1.2.1棉布的预处理 首先将棉布在清水中煮沸30min，取出，在清水中漂洗两次，晾干待用。1.2.2棉布的整理将预处理过的棉布浸入整理液中。整理液中包含阻燃剂螺环磷酰咪唑酯，氰尿酸，磷酸。浸泡30min，取出轧掉多余溶液，使湿重增重100%。80预烘5min，一定温度下焙烘3min。1. 3正交实验设计实验中讨论了4个实验因素，即阻燃剂用量，催化剂用量，交联剂用量和焙烘温度对实验的影响。并设计了正交实验对其进行分析讨论。设计方案如表1所示。表1. L25（45）因素水平表Table 1 Orthogonal design of L25 ( 45 )水平因 素A阻燃剂用量/%B磷酸用量/%C氰尿酸用量/%D焙烘温度/110001402150.50.5150320111604251.51.5170530221801.4性能测试1.4.1 极限氧指数LOI测试根据GB/T5454-1997纺织品燃烧性能试验氧指数法测试LOI；试样从距离布边1/10幅宽的部位剪取，每个试样尺寸为150mm58mm。经(纵)纬(横)各取15块。测试过程中保持混合气体流量在10L/min。点火器火焰高度1520mm，在试样上端点火，待试样上端全部点燃后（点火时间控制在1015s内），移去点火器，并立即开始测定续燃时间和阴燃时间，随后测定损毁长度。续燃时间(afterflame time)：在规定的试验条件下，移开点火源后材料持续有焰燃烧的时间。阴燃时间(afterglow tim)：在规定的试验条件下，当有焰燃烧终止后，或者移开点火源后，材料持续无焰燃烧的时间。损毁长度(damaged length)：在规定的试验条件下，材料损毁面积在规定方向上的最大长度。1.4.2 垂直燃烧测试根据GB/T 5455-1997纺织品 燃烧性能试验垂直法进行垂直燃烧测试；试样从距离布边1/10幅宽的部位量取，试样尺寸为300mm80mm，长的一边与织物经向(纵向)或纬向(横向)平行。每一样品，经向(纵向)及纬向(横向)各取五块试样。点火器火焰高度达到40mm2mm。点火时间为12s。点火后记录续燃时间及阴燃时间，读数精确到0.1s。根据公共场所阻燃制品及组件燃烧性能要求和标识 GB 20286-2006规定，氧指数32.0；损毁长度150mm，续燃时间5s，阴燃时间5s；燃烧滴落物未引起脱脂棉燃烧或阴燃；烟密度等级（SDR）15； 产烟毒性等级不低于ZA2级为阻燃1级。损毁长度200mm，续燃时间15s，阴燃时间15s； 燃烧滴落物未引起脱脂棉燃烧或阴燃； 产烟毒性等级不低于ZA3级为阻燃2级别。1.4.3 拉伸性能测试根据GB/T 3923.1-1997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 条样法进行拉伸性能测试。以上所有测试结果，都是经向平行测试5组，纬向平行测试5组，最后取其平均值。2 结果与讨论2.1 正交实验结果与分析表2给出4因素5水平的正交实验结果及分析数据。表2 正交实验结果及分析Table 2 Analysis of variance for each factor试验编号因素A因素B因素C因素DLOI/%空白18.681111124.862122227.773133329.794144430.15155529.486212326.157223426.578234526.849245128.6810251228.2211313526.9012324126.6413335227.4014341327.6715352427.0816414226.5817425328.1718431427.3719442526.8720453127.6921515434.2322521527.2723532127.0624543233.9625554327.67K1141.99138.72135.39132.93K2 136.47136.42134.93143.93K3135.67138.46144.91139.45K4136.67145.28137.83145.35K5150.19140.14145.96137.36k128.427.7427.0826.59k227.2927.2826.9928.79k327.1327.6928.9827.89k427.3329.0627.5729.07k530.0428.0329.1927.47极差R2.911.782.22.48优水平A5B4C5D4优组合A5B4C5D4由极差分析可以看出，阻燃剂用量是影响实验结果的主要因素，其次是实验温度，交联剂用量，对试验结果影响最小的是催化剂用量，主次顺序为ADCB。由实验指标K得出各试验因素的优水平分别为A5，B4，C5，D4。得到优组合为A5B4C5D4。用此方案对棉布进行整理，测其氧指数值为36.60%。再从氧指数试验结果中找出氧指数大于28%的8组实验方案，对棉布进行整理，测试其垂直燃烧性能和拉伸性能。2.2垂直燃烧测试 用氧指数测试得到的8组LOI值大于28%的实验方案对棉布进行阻燃整理，并对其进行垂直燃烧测试。结果如表3所示。表3 垂直燃烧测试结果Table 3 the results of vertical burning test for flame-retardant cotton实验编号对应正交实验编号续燃时间/s阴燃时间/s损毁长度/mm1空白33.6103.03002300104340079450081590072610007471700678210085924006410优组合0068由表3可以看出，未处理的棉布烧通，有续燃和阴燃，燃烧时间分别为33.6s和103.0s。经过整理的棉布均没有续燃和阴燃。除正交实验验第3组样品外，其它损毁长度相差不多。所有组均通过垂直燃烧阻燃1级。2.3 拉伸性能测试同样用氧指数测试得到的8组LOI值大于28%的实验方案对棉布进行阻燃整理，测其拉伸性能。所得结果如表4所示。表4拉伸强度测试结果Table 4 the results of tensile strength 实验编号正交实验编号断裂强力/N断裂伸长率%1空白386.7587.5123338.2878.5134314.8467.7045309.1371.2859338.4964.27610338.7064.95717344.0261.54821308.0766.44924312.5058.6710优组合159.3042.13由表4可以看出，除最优组合外，其他试验方案处理过的棉布的拉伸性能下降不大。综合表3和表4测试结果可以看出，虽然用LOI测试正交实验测试得出的较优配方处理的棉布的LOI值可以达到36.60%，但是相应的垂直燃烧测试时的损毁炭长以及拉伸性能测试结果并不较优，尤其是拉伸性能较其它试样降低了很多。将LOI、垂直燃烧以及拉伸性能测试结果列表进行综合比较，如表5所示。尽量小的损毁炭长，尽量高的LOI值，第24组整理液配方比较合理。其氧指数测试结果为33.96%，垂直燃烧测试通过阻燃1级而且没有续燃及阴燃，损毁长度最小为64.5 mm，此时的拉伸测试的断裂强力为312.50N，断裂伸长率为58.67%。表5 阻燃性能与拉伸性能测试结果比较Table 5 Contrast between flame retardancy and tensile strength实验编号正交实验编号损毁长度/mm氧指数%断裂强力/N1空白30018.68386.752310429.79338.28347930.1314.84458129.48309.135972.528.68338.4961074.528.22338.771767.528.17344.028218534.23308.0792464.533.96312.510优组合6836.6159.33 结论 研究结果表明，整理液中阻燃剂螺环磷酰咪唑的含量为30%，磷酸用量为1.5%，氰尿酸用量为1%，焙烘温度为150时，整理的综合效果最佳。此时的氧指数为33.96%，续燃时间为0s，阴燃时间为0s，损毁长度为64.5mm，最大载荷为312.50N。参考文献1 Weidong Wu, Charles Q. 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