CN109944070A

CN109944070A - 一种自熄性阻燃棉织物及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN109944070A
Application number: CN201910160786.6A
Authority: CN
Inventors: 秦宗益; 曾凡鑫; 陈园余; 马兆霞; 刘建敏; 蒋国平
Original assignee: SHANDONG LICHANG TEXTILE TECHNOLOGY Co Ltd; Donghua University
Current assignee: SHANDONG LICHANG TEXTILE TECHNOLOGY Co Ltd; Donghua University; National Dong Hwa University
Priority date: 2019-03-04
Filing date: 2019-03-04
Publication date: 2019-06-28
Anticipated expiration: 2039-03-04
Also published as: CN109944070B

Abstract

本发明涉及一种自熄性阻燃棉织物及其制备方法和应用，棉织物表面沉积有5～20个阻燃单元层；所述阻燃单元层为硅烷偶联剂/海藻酸钠/硅烷偶联剂/聚磷酸铵四层或硅烷偶联剂/聚磷酸铵/硅烷偶联剂/海藻酸钠四层。制备方法，包括：先用硅烷偶联剂溶液处理棉织物，然后相间着硅烷偶联剂交替喷涂海藻酸钠溶液和聚磷酸铵溶液，在棉织物表面逐层沉积，形成阻燃单元层，重复操作即得。本发明环保、操作简单、节约原料；涂层棉织物成炭率高，可离火自熄；具有很强的应用前景，适合规模化生产。

Description

一种自熄性阻燃棉织物及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于纺织品功能整理技术领域，特别涉及一种自熄性阻燃棉织物及其制备方法和应用。

背景技术

棉织物作为一种应用比较广泛的天然织物，具有自身的保温性、超高透气性、快速吸湿、舒适和柔软等优点而广泛应用于服装生产、家用纺织品和其它工业产品等领域。但是棉织物的着火点和氧指数较低(极限氧指数仅为18.0％)，在空气中极易燃烧并引发火灾，因此很有必要增强棉织物的阻燃性能。通常是将有阻燃效果的阻燃剂通过接枝法或后处理等方法对棉织物进行改性来实现阻燃目的。如中国发明专利CN105386305A将三嗪阻燃剂接枝到棉织物上，但接枝过程往往需要用到有机溶剂，对环境造成污染，而且该方法也需要采用高能耗、高成本的化学反应技术，很难在工业的应用中实现。更为常见的是织物的阻燃整理以离子间的相互吸附沉积、化学键之间的相互作用和分子之间的粘合效果等方法使阻燃剂沉积在织物上，主要包括浸轧-焙烘法(CN108611880A)、涂层法(CN108824005A)和喷涂法(CN108505323A)。一旦着火，阻燃整理的织物会发生物理和化学反应，从而达到阻燃效果。

层层自组装法(CN105088791A)作为一种新兴的织物阻燃方法，通常是基于静电相互作用，一般将基材在正负电解质中反复交替浸泡，这样分别带着正负电荷的层就在基材的表面堆积起来，从而在每次浸泡之后基材表面所带电荷实现一次反转。与传统的阻燃处理相比，该方法有很多优点：容易与多种功能性的材料相结合；可在温和的条件下(室温、常压等)操作；以水做溶剂，对环境友好；用于浸泡的溶液浓度较低且可被循环利用。层层自组装技术作为一种简单易操作的制备杂化涂层的方法，逐渐成为阻燃后整理方法中一项非常重要的制备手段。但该技术也存在着一些缺点，反复交替浸泡过程中易造成组装液之间相互污染，从而浪费原料并且降低基材阻燃效果。相比于浸渍法，喷涂法可以利用简易的喷涂装置，有效缩短处理时间，避免组装液之间的污染。

一般的，以硅烷偶联剂和海藻酸钠或硅烷偶联剂和聚磷酸铵为二组分涂层处理织物时，前者缺少阻燃剂使得织物不能离火自熄；而后者缺少成炭剂使织物成炭率降低，阻燃效果变差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种自熄性阻燃棉织物及其制备方法和应用，克服了棉织物热稳定性差、阻燃性能差以及避免传统阻燃处理的缺陷，实现绿色制备、节能环保和高效阻燃的目的。

本发明的一种自熄性阻燃棉织物，所述棉织物表面沉积有5～20个阻燃单元层；所述阻燃单元层为硅烷偶联剂/海藻酸钠/硅烷偶联剂/聚磷酸铵四层或硅烷偶联剂/聚磷酸铵/硅烷偶联剂/海藻酸钠四层。

所述涂层棉织物成炭率高，可离火自熄。

所述硅烷偶联剂为含有氨基官能团的硅烷偶联剂。

本发明还提供了上述自熄性阻燃棉织物的制备方法，包括：

以水为溶剂、硅烷偶联剂为正聚电解质、海藻酸钠和聚磷酸铵为负聚电解质，先用硅烷偶联剂溶液处理棉织物，然后相间着硅烷偶联剂交替喷涂海藻酸钠溶液和聚磷酸铵溶液，在棉织物表面逐层沉积，形成阻燃单元层，重复操作5～20次，即得。

所述硅烷偶联剂溶液的浓度为1～10wt％，pH值为4。

所述海藻酸钠溶液的浓度为1～5wt％，pH值为9。

所述聚磷酸铵溶液的浓度为0.5～2wt％，pH值为9。

所述每次喷涂溶液的用量为10～20毫升/平方米。

所述每次喷涂后将棉织物晾干或烘干。

本发明还进一步提供了上述自熄性阻燃棉织物用于纺织品。

本发明采用交替组装的方式，通过高温下含磷化合物可以催化并促成棉织物的碳化，而硅化合物则能增加碳层的稳定性，为棉织物提供一种高效的阻燃涂层；而喷涂法的采用可以避免了溶液之间的相互污染且节约原料，操作工艺简便易调控。同时以水为溶剂，组分选择符合环保化、低毒化和高效化的发展理念，制备工艺适应规模化生产的要求。

本发明将喷涂法与层层自组装结合，以硅烷偶联剂、海藻酸钠和聚磷酸铵组成的膨胀型阻燃涂层为原料，特别是采用交替组装的方式，充分发挥在高温条件下，含磷化合物可以催化棉织物在热降解过程中的脱水和碳化，而含硅化合物与磷、氮元素阻燃剂共同使用时具有协同提高基材的阻燃性的作用，可解决棉织物热稳定性差、阻燃性能差以及避免传统阻燃处理的缺陷，而以水为溶剂和快速喷涂工艺在工业上具有大的应用前景。

有益效果

(1)本发明提出了一种自熄性阻燃棉织物的制备方法，采用的层层喷涂自组装技术相比于传统自组装方法，可以省略水洗步骤而提高处理效率；利用喷涂装置将原料雾化可以大大节约原料，降低生产成本；并且该技术还能避免不同组分溶液之间的接触，避免了组分之间的相互污染。本发明可做到棉织物自熄，且制备工艺简便易调控、节能环保，可实现工业化规模生产。

(2)本发明采用层层喷涂自组装技术制备了一种自熄性阻燃棉织物。海藻酸钠与聚磷酸铵构成的组合在燃烧过程中可产生膨胀型炭层从而阻隔燃烧过程中热量和氧气的传播，硅烷偶联剂与聚磷酸铵的组合则作为无机涂层发挥隔热隔氧的作用，而硅烷偶联剂与磷、氮元素阻燃剂共同使用可协同提高基材的阻燃性，三组分的交替喷涂可充分发挥磷、氮、硅阻燃元素之间的协同作用，从而实现棉织物的高效阻燃，且制备工艺以水为溶剂，具有环保、低烟、低毒的优点。

附图说明

图1为纯棉织物和本发明实施例1制备的阻燃棉织物的SEM图；

图2为纯棉织物和本发明实施例2制备的阻燃棉织物在氮气氛围下的热失重曲线图；

图3为纯棉织物和本发明实施例3制备的阻燃棉织物在空气氛围下的热失重曲线图；

图4为纯棉织物和本发明实施例4制备的阻燃棉织物经过垂直燃烧测试后的数码照片图；

图5为纯棉织物和本发明实施例5制备的阻燃棉织物的炭渣的拉曼光谱图；

图6为本发明实施例6制备的阻燃棉织物水洗后再垂直燃烧测试后的数码照片图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明实施例采用的棉织物为山东立昌纺织科技有限公司生产。

实施例1

先用1wt％的硅烷偶联剂溶液(pH＝4)处理棉织物(95g/m²)，然后采用交替喷涂的方法将5wt％的海藻酸钠水溶液(pH＝9)和2wt％的聚磷酸铵水溶液(pH＝9)相间着与1wt％的硅烷偶联剂水溶液(pH＝4)逐层沉积到棉织物表面；每次喷涂溶液用量10毫升/平方米，并将棉织物晾干或烘干，重复该过程，以硅烷偶联剂/海藻酸钠/硅烷偶联剂/聚磷酸铵四层为一个阻燃单元层，直至在棉织物表面沉积5个阻燃单元层，得到涂层棉织物。

微观结构表征：本实施例的纯棉织物和涂层棉织物的SEM图，如图1所示，可以看出，整理前纤维表面光滑且干净，而整理后的棉织物表面粗糙，表明涂层成功地沉积在织物表面。

阻燃性测试：可知在700℃时，纯棉织物在氮气和空气氛围下的残炭率分别为8.4％和1.1％，涂层棉织物的残炭率分别为38.6％和20.6％，说明涂层棉织物的热稳定性得到显著地提高。参照GB/T 5455–2014《纺织品燃烧性能垂直方向损毁长度、阴燃和续燃时间的测定》测试涂层棉织物的续燃时间和阴燃时间均为0秒，残炭长度为6.7厘米，而纯棉织物的续燃时间为9秒，阴燃时间为12秒，残炭长度为30厘米。

自熄性测试：经过阻燃处理后，棉织物可离火自熄。

燃烧炭渣检测：燃烧后的纯棉织物炭渣利用拉曼光谱测试得到其D峰与G峰的面积比为4.61，而涂层棉织物炭渣的D峰与G峰的面积比为3.92，表明涂层棉织物炭渣的石墨化程度更高，更能有效地发挥隔热作用。

耐水洗测试：该涂层棉织物在按GB/T 3921–2008标准洗涤30次后，测试阻燃性能的残炭长度为10.5厘米，具有自熄效果。

实施例2

先用1wt％的硅烷偶联剂溶液(pH＝4)处理棉织物(95g/m²)，然后采用交替喷涂的方法将5wt％的海藻酸钠溶液(pH＝9)和2wt％的聚磷酸铵溶液(pH＝9)相间着与1wt％的硅烷偶联剂溶液(pH＝4)逐层沉积到棉织物表面；每次喷涂溶液用量10毫升/平方米，并将棉织物晾干或烘干，重复该过程，以硅烷偶联剂/聚磷酸铵/硅烷偶联剂/海藻酸钠四层为一个阻燃单元层，直至在棉织物表面沉积5个阻燃单元层，得到涂层棉织物。

微观结构表征：可知涂层整理前纤维表面光滑且干净，而整理后的棉织物表面粗糙，表明涂层成功地沉积在织物表面。

阻燃性能测试：纯棉织物与涂层棉织物在氮气氛围下的热失重曲线图如图2所示，可知在700℃时，纯棉织物和涂层棉织物的残炭率分别为8.4％和36.3％；而在空气氛围下，纯棉织物和涂层棉织物的残炭率分别为1.1％和19.6％，说明涂层棉织物的热稳定性得到显著地提高。参照GB/T 5455–2014《纺织品燃烧性能垂直方向损毁长度、阴燃和续燃时间的测定》测试涂层棉织物的续燃时间和阴燃时间均为0秒，残炭长度为7.1厘米，而纯棉织物的续燃时间为9秒，阴燃时间为12秒，残炭长度为30厘米。

自熄性测试：经过阻燃处理后，棉织物可离火自熄。

燃烧炭渣检测：燃烧后的纯棉织物炭渣利用拉曼光谱测试得到其D峰与G峰的面积比为4.61，而涂层棉织物炭渣的D峰与G峰的面积比为4.03，表明涂层棉织物炭渣的石墨化程度更高，更能有效地发挥隔热作用。

耐水洗测试：该涂层棉织物在按GB/T 3921–2008标准洗涤30次后，测试阻燃性能的残炭长度为10.9厘米，具有自熄效果。

实施例3

先用5wt％的硅烷偶联剂溶液(pH＝4)处理棉织物(120g/m²)，然后采用交替喷涂的方法将3wt％的海藻酸钠溶液(pH＝9)和1wt％的聚磷酸铵溶液(pH＝9)相间着与5wt％的硅烷偶联剂溶液(pH＝4)逐层沉积到棉织物表面；每次喷涂溶液用量15毫升/平方米，并将棉织物晾干或烘干，重复该过程，以硅烷偶联剂/海藻酸钠/硅烷偶联剂/聚磷酸铵四层为一个阻燃单元层，直至在棉织物表面沉积10个阻燃单元层，得到涂层棉织物。

阻燃性能测试：纯棉织物与涂层棉织物在氮气氛围下的热失重曲线图如图3所示，可知在700℃时，纯棉织物和涂层棉织物的残炭率分别为1.1％和27.3％；而在氮气氛围下，纯棉织物和涂层棉织物的残炭率分别为8.4％和47.4％，说明涂层棉织物的热稳定性得到显著提高。参照GB/T 5455–2014《纺织品燃烧性能垂直方向损毁长度、阴燃和续燃时间的测定》测试涂层棉织物的续燃时间和阴燃时间均为0秒，残炭长度为4.5厘米，而纯棉织物的续燃时间为9秒，阴燃时间为12秒，残炭长度为30厘米。

自熄性测试：经过阻燃处理后，棉织物可离火自熄。

燃烧炭渣检测：燃烧后的纯棉织物炭渣利用拉曼光谱测试得到其D峰与G峰的面积比为4.61，而涂层棉织物炭渣的D峰与G峰的面积比为3.22，表明涂层棉织物炭渣的石墨化程度更高，更能有效地发挥隔热作用。

耐水洗测试：该涂层棉织物在按GB/T 3921–2008标准洗涤30次后，测试阻燃性能的残炭长度为8.1厘米，具有自熄效果。

实施例4

先用5wt％的硅烷偶联剂溶液(pH＝4)处理棉织物(120g/m²)，然后采用交替喷涂的方法将3wt％的海藻酸钠溶液(pH＝9)和1wt％的聚磷酸铵溶液(pH＝9)相间着与5wt％的硅烷偶联剂溶液(pH＝4)逐层沉积到棉织物表面；每次喷涂溶液用量15毫升/平方米，并将棉织物晾干或烘干，重复该过程，以硅烷偶联剂/聚磷酸铵/硅烷偶联剂/海藻酸钠四层为一个阻燃单元层，直至在棉织物表面沉积10个阻燃单元层，得到涂层棉织物。

阻燃性测试：可知在700℃时，纯棉织物在氮气和空气氛围下的残炭率分别为8.4％和1.1％，涂层棉织物的残炭率分别为45.8％和25.7％，说明涂层棉织物的热稳定性得到显著地提高。参照GB/T 5455–2014《纺织品燃烧性能垂直方向损毁长度、阴燃和续燃时间的测定》测试涂层棉织物的续燃时间和阴燃时间均为0秒，残炭长度为5.4厘米，而纯棉织物的续燃时间为9秒，阴燃时间为12秒，残炭长度为30厘米。

自熄性测试：纯棉织物和涂层棉织物垂直燃烧后的数码照片图如图4所示，可以看出经过阻燃处理后，棉织物可离火自熄。

燃烧炭渣检测：燃烧后的纯棉织物炭渣利用拉曼光谱测试得到其D峰与G峰的面积比为4.61，而涂层棉织物炭渣的D峰与G峰的面积比为3.41，表明涂层棉织物炭渣的石墨化程度更高，更能有效地发挥隔热作用。

耐水洗测试：可知该涂层棉织物在按GB/T 3921–2008标准洗涤30次后，测试阻燃性能的残炭长度为8.8厘米，具有自熄效果。

实施例5

先用10wt％的硅烷偶联剂溶液(pH＝4)处理棉织物(200g/m²)，然后采用交替喷涂的方法将1wt％的海藻酸钠溶液(pH＝9)和0.5wt％的聚磷酸铵溶液(pH＝9)相间着与10wt％的硅烷偶联剂溶液(pH＝4)逐层沉积到棉织物表面；每次喷涂溶液用量20毫升/平方米，并将棉织物晾干或烘干，重复该过程，以硅烷偶联剂/海藻酸钠/硅烷偶联剂/聚磷酸铵四层为一个阻燃单元层，直至在棉织物表面沉积20个阻燃单元层。

微观结构表征：涂层整理前纤维表面光滑且干净，而整理后的棉织物表面粗糙，表明涂层成功地沉积在织物表面。

阻燃性测试：在700℃时，纯棉织物在氮气和空气氛围下的残炭率分别为8.4％和1.1％，涂层棉织物的残炭率分别为42.9％和23.0％，说明涂层棉织物的热稳定性得到显著地提高。参照GB/T 5455–2014《纺织品燃烧性能垂直方向损毁长度、阴燃和续燃时间的测定》测试涂层棉织物的续燃时间和阴燃时间均为0秒，残炭长度为5.7厘米，而纯棉织物的续燃时间为9秒，阴燃时间为12秒，残炭长度为30厘米。

自熄性测试：经过阻燃处理后，棉织物可离火自熄。

燃烧炭渣检测：纯棉织物和涂层棉织物炭渣的拉曼光谱图，如图5所示，可以看出，纯棉织物炭渣的D峰与G峰的面积比为4.61，而涂层棉织物炭渣的D峰与G峰的面积比为3.73，表明涂层棉织物炭渣的石墨化程度更高，更能有效地发挥隔热作用。

耐水性测试：该涂层棉织物在按GB/T 3921–2008标准洗涤30次后，测试阻燃性能的残炭长度为9.2厘米，具有自熄效果。

实施例6

先用10wt％的硅烷偶联剂溶液(pH＝4)处理棉织物(200g/m²)，然后采用交替喷涂的方法将1wt％的海藻酸钠溶液(pH＝9)和0.5wt％的聚磷酸铵溶液(pH＝9)相间着与10wt％的硅烷偶联剂溶液(pH＝4)逐层沉积到棉织物表面；每次喷涂溶液用量20毫升/平方米，并将棉织物晾干或烘干，重复该过程，以硅烷偶联剂/聚磷酸铵/硅烷偶联剂/海藻酸钠四层为一个阻燃单元层，直至在棉织物表面沉积20个阻燃单元层。

阻燃性测试：在700℃时，纯棉织物在氮气和空气氛围下的残炭率分别为8.4％和1.1％，涂层棉织物的残炭率分别为40.4％和21.4％，说明涂层棉织物的热稳定性得到显著地提高。参照GB/T 5455–2014《纺织品燃烧性能垂直方向损毁长度、阴燃和续燃时间的测定》测试涂层棉织物的续燃时间和阴燃时间均为0秒，残炭长度为6.3厘米，而纯棉织物的续燃时间为9秒，阴燃时间为12秒，残炭长度为30厘米。

自熄性测试：经过阻燃处理后，棉织物可离火自熄。

燃烧炭渣检测：燃烧后的纯棉织物炭渣利用拉曼光谱测试得到其D峰与G峰的面积比为4.61，而涂层棉织物炭渣的D峰与G峰的面积比为3.89，表明涂层棉织物炭渣的石墨化程度更高，更能有效地发挥隔热作用。

耐水性测试：本实施例制得的涂层棉织物在按GB/T 3921–2008标准洗涤30次后垂直燃烧测试的数码照片图，如图6所示，可知其残炭长度为9.7厘米，具有自熄效果。

对比例1

专利CN 109183408A公开了一种层层自组装阻燃棉织物及其制备方法，具体公开了采用层层自组装的方法将预处理好的棉织物先浸渍在聚阳离子溶液中，再浸渍在阴离子溶液中，完成层层自组装的第一层，每次在浸渍溶液之前棉织物都用去离子水充分洗涤；重复以上组装过程，直到达到10-30层。其中，所述聚阳离子溶液的制备是将聚(3-氯丙基三乙氧基硅氧烷)溶于DMF中，加入三聚氰酸和三乙胺，加热搅拌，反应完成后，冷却析出三乙胺盐酸盐，抽滤去除三乙胺盐酸盐；然后在反应液中加入三甲胺水溶液，反应结束后去除溶剂、洗涤。所述阴离子溶液是将植酸溶于去离子水中，并用氢氧化钠溶液调节其pH。

阻燃性测试：参照GB/T 5455–2014《纺织品燃烧性能垂直方向损毁长度、阴燃和续燃时间的测定》，测试结果如下：

实施例	续燃时间/s	阴燃时间/s	炭长/cm
				原棉	15	3.1	0
预处理棉	14.8	3.5	>30
				1	8.3	2.3	>30
2	0	0	11.2
				3	0	0	8.1

与对比例1相比，本发明提出了一种自熄性阻燃棉织物的制备方法，采用的层层喷涂自组装技术相比于对比例1层层自组装方法，可以省略水洗步骤而提高处理效率；利用喷涂装置将原料雾化可以大大节约原料，降低生产成本；并且本发明技术还能避免不同组分溶液之间的接触，避免了组分之间的相互污染。本发明可做到棉织物自熄，且制备工艺简便易调控、节能环保，可实现工业化规模生产。

与对比例1相比，本发明提出了一种自熄性阻燃棉织物的制备方法，所用正负聚电解质均以水为溶剂，不含任何有机溶剂(如DMF等)，真正实现制备工艺的节能环保。

与对比例1相比，本发明提出了一种自熄性阻燃棉织物的制备方法，所有实施例中的涂层棉织物在垂直燃烧测试中均没有续燃时间和阴燃时间，成炭率高，离火自熄后残炭长度较短，充分发挥了磷、氮、硅阻燃元素之间的协同作用，从而实现了棉织物的高效阻燃。

Claims

1.一种自熄性阻燃棉织物，其特征在于：所述棉织物表面沉积有5～20个阻燃单元层；所述阻燃单元层为硅烷偶联剂/海藻酸钠/硅烷偶联剂/聚磷酸铵四层或硅烷偶联剂/聚磷酸铵/硅烷偶联剂/海藻酸钠四层。

2.根据权利要求1所述的自熄性阻燃棉织物，其特征在于：所述硅烷偶联剂为含有氨基官能团的硅烷偶联剂。

3.一种如权利要求1或2所述的自熄性阻燃棉织物的制备方法，包括：

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述硅烷偶联剂溶液的浓度为1～10wt％，pH值为4。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述海藻酸钠溶液的浓度为1～5wt％，pH值为9。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述聚磷酸铵溶液的浓度为0.5～2wt％，pH值为9。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述每次喷涂溶液的用量为10～20毫升/平方米。

8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述每次喷涂后将棉织物晾干或烘干。

9.权利要求1所述的自熄性阻燃棉织物的应用。