CN110117899A - 一种阻燃型棉织物及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种阻燃型棉织物及其制备方法。本发明首先通过γ‑甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅(KH570)对凹凸棒土(ATP)进行表面改性，使其双键化。然后采用3‑巯丙基三甲氧基硅烷(KH590)接枝棉织物以实现巯基官能化。最后在紫外光照射下通过巯基‑烯点击反应将ATP接枝到棉织物表面，制备阻燃棉织物。得到的棉织物显示出优异的阻燃性能，燃烧速率、极限氧指数和最大烟雾密度分别为5.3mm/s，25.6％和14.27％。与原棉织物相比，阻燃型棉织物的燃烧速率和最大烟密度分别降低了42.39％和57.81％，极限氧指数提高了38.3％，阻燃性能得到显著提高。
Description
技术领域
本发明属于织物改性技术领域，具体涉及一种阻燃型棉织物及其制备方法。
背景技术
棉织物由于具有透气、吸湿、质轻、柔软等优良特性，受到人们的普遍喜爱，在服饰、家用装修等方面都有广泛应用，但是它属于易燃材料，极限氧指数(LOI)一般在17～19之间，远低于其他服装材料。因此需要对棉织物进行阻燃整理，以降低火灾风险。
近年来，研究人员对棉织物的阻燃处理进行了广泛的研究，已经开发出各种含磷、含卤素和无机物质的化合物以改善棉织物的阻燃性能。例如，高等通过使用插层方法制备阳离子聚合物/蒙脱土(MMT)复合材料并将其引入棉织物中。结果表明，添加MMT可提高棉织物的阻燃性能和热性能，白度和抗弯强度基本不变。Lessan F等使用不同比例的NaH2PO2、TiO2和C4H4O4，并通过常规的垫-干-固化方法将它们施加到棉织物上。TiO2和P的协同作用使棉织物的LOI值从18.6％提高到22.7％，棉织物与NaH2PO2和TiO2的化学键结合大大提高了棉织物的洗涤耐久性。然而，这些阻燃剂具有成本高，应用条件恶劣和排放有毒物质的缺点。它们也可能对纤维的本身性质产生负面影响，例如造成强度损失。另外，当通过混纺或织物整理将阻燃剂施加到棉织物上时，由于两者间的粘合力很弱，因此随着使用时间和强度的增加，阻燃剂迅速脱落，阻燃性能消失。
发明内容
本发明的目的在于提供一种阻燃型棉织物及其制备方法，采用该方法制备的棉织物具有优异的耐磨阻燃性能，且不存在排放有毒物质的缺点，并且阻燃性能稳定。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种阻燃型棉织物的制备方法，包括如下步骤：
(1)凹凸棒土的改性
对凹凸棒土进行酸化处理，得到酸化凹凸棒土；酸化凹凸棒土加入醇水溶液中分散，加入γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅，反应得到改性凹凸棒土；
(2)阻燃型棉织物的制备
将棉织物与3-巯丙基三甲氧基硅烷反应，得到巯基改性棉织物；将改性凹凸棒土分散于丙酮中，加入安息香二甲醚，分散，得到改性凹凸棒土溶液，将巯基改性棉织物浸于改性凹凸棒土溶液中，并在紫外灯下照射，得到阻燃型棉织物。
优选的，步骤(1)中，对凹凸棒土进行酸化处理具体是：将凹凸棒土进行湿法球磨，干燥，然后分散在盐酸溶液中，50-70℃保温反应6-8h，过滤，洗涤至中性，干燥。
进一步的，步骤(1)中，盐酸溶液的浓度为1-3mol/L。
优选的，步骤(1)中，酸化凹凸棒土与γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅的反应温度为65-85℃，反应时间为4-5h。
优选的，步骤(1)中，酸化凹凸棒土与γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅的质量比为(5-7)：(0.35-0.49g)。
优选的，步骤(1)中，凹凸棒土的粒径为225-275nm。
优选的，步骤(2)中，棉织物与3-巯丙基三甲氧基硅烷在80-90℃下反应2-3h。
优选的，步骤(2)中，改性凹凸棒土的用量为棉织物质量的1.0-5.0％。
优选的，紫外灯强度为300W·m-2，紫外灯照射时间为2-3h。
采用所述的制备方法得到的阻燃型棉织物。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明首先通过γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅(KH570)对凹凸棒土(ATP)进行表面改性，使其双键化，然后采用3-巯丙基三甲氧基硅烷(KH590)接枝棉织物以实现巯基官能化，最后在紫外光照射下通过巯基-烯点击反应将凹凸棒土接枝到棉织物表面，实现阻燃型棉织物的制备。凹凸棒土具有比表面积大、稳定性高、环保性优异、成本低廉等特点，在燃烧过程中，凹凸棒土经过高温煅烧在基体表面形成致密的无机氧化物隔离层，隔热的同时又可隔绝氧气的传输，且凹凸棒土结构中含有四种不同形式的水，可以起到稀释可燃性气体的作用，因此，将凹凸棒土固定在棉织物表面能够起到很好的阻燃作用。本发明通过化学键合的方式将凹凸棒土固定在棉织物表面，凹凸棒土不易脱落，阻燃效果稳定，并且以凹凸棒土作为阻燃剂，安全环保，无污染。
采用本发明的方法制备的阻燃型棉织物，燃烧速率、极限氧指数和最大烟密度分别达到5.3mm/s、25.6％和14.27％。与原棉织物相比，燃烧速率和最大烟密度分别降低了42.39％和57.81％，极限氧指数提高了38.3％。
附图说明
图1为γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅改性凹凸棒土的FT-IR谱图；
图2为3-巯丙基三甲氧基硅烷改性棉织物的FT-IR谱图；
图3为阻燃棉织物的FT-IR谱图；
图4为棉织物表面的SEM照片：(a)原始棉织物；(b)巯基改性棉织物；(c)阻燃棉织物；(d)燃烧后的原始棉织物；(e)燃烧后的巯基改性棉织物；(f)燃烧后的阻燃棉织物。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明阻燃型棉织物的制备方法，包括如下步骤：
(1)凹凸棒土的改性
首先，将5-8g凹凸棒土分散于50mL蒸馏水中并在200-400r/min的转速下球磨5-6h，于60℃下干燥6h。然后，将7-10g球磨后的凹凸棒土分散在100mL的1-3mol/L盐酸溶液中，并转移至三口烧瓶，在300r/min的转速下于50-70℃保温反应6-8h，冷却至室温，抽滤，用蒸馏水洗涤至滤液呈中性，于60℃下干燥2h。最后，将5-7g酸化凹凸棒土在100mL的醇水溶液中超声分散15min，并转移至三口烧瓶，在300r/min的转速下于65-85℃下加入0.35-0.49g的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅，并保温反应4-5h，冷却至室温，用无水乙醇洗涤5min，6000r/min下离心，重复三次，于60℃下干燥5h。
(2)阻燃型棉织物的制备
将棉织物洗涤干净后，放入织物处理罐中，加入0.5-1.0g的3-巯丙基三甲氧基硅烷，在80-90℃下反应2-3h。然后，将0.2-1.0g的改性凹凸棒土分散于100g丙酮中，加入0.01-0.05g的光引发剂安息香二甲醚，超声分散20min，将上述棉织物浸于其中，并在紫外灯下照射2-3h，最后将棉织物于60℃烘干。
其中：
球磨后凹凸棒土的粒径为225-275nm。
所述盐酸溶液的浓度为1-3mol/L。
所述改性凹凸棒土的用量为棉织物质量的1.0-5.0％。
所述紫外灯强度为300W·m-2。
实施例1：
(1)凹凸棒土的改性
首先，将5g凹凸棒土分散于50mL蒸馏水中并在200r/min的转速下球磨5h，于60℃下干燥6h，得到粒径为225nm的凹凸棒土。然后，将7g球磨后的凹凸棒土分散在100mL的1mol/L盐酸溶液中，并转移至三口烧瓶，在300r/min的转速下于50℃保温反应6h，冷却至室温，抽滤，用蒸馏水洗涤至滤液呈中性，于60℃下干燥2h。最后，将5g酸化凹凸棒土在100mL的醇水溶液中超声分散15min，并转移至三口烧瓶，在300r/min的转速下于65℃下加入0.35g的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅，并保温反应4h，冷却至室温，用无水乙醇洗涤5min，6000r/min下离心，重复三次，于60℃下干燥5h。
(2)阻燃型棉织物的制备
将棉织物洗涤干净后，放入织物处理罐中，加入0.5g的3-巯丙基三甲氧基硅烷，在80℃下反应2h。然后，将0.2g的改性凹凸棒土分散于100g丙酮中，加入0.01g的光引发剂安息香二甲醚，超声分散20min，将上述棉织物浸于其中，并在紫外灯下照射2h，最后将棉织物于60℃烘干。其中，改性凹凸棒土的用量为棉织物质量的1.0％。
实施例2：
(1)凹凸棒土的改性
首先，将6.5g凹凸棒土分散于50mL蒸馏水中并在200r/min的转速下球磨5.5h，于60℃下干燥6h，得到粒径为250nm的凹凸棒土。然后，将8.5g球磨后的凹凸棒土分散在100mL的1.5mol/L盐酸溶液中，并转移至三口烧瓶，在300r/min的转速下于60℃保温反应7h，冷却至室温，抽滤，用蒸馏水洗涤至滤液呈中性，于60℃下干燥2h。最后，将6g酸化凹凸棒土在100mL的醇水溶液中超声分散15min，并转移至三口烧瓶，在300r/min的转速下于75℃下加入0.42g的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅，并保温反应5h，冷却至室温，用无水乙醇洗涤5min，6000r/min下离心，重复三次，于60℃下干燥5h。
(2)阻燃型棉织物的制备
将棉织物洗涤干净后，放入织物处理罐中，加入1.0g的3-巯丙基三甲氧基硅烷，在90℃下反应3h。然后，将0.5g的改性凹凸棒土分散于100g丙酮中，加入0.025g光引发剂安息香二甲醚，超声分散20min，将上述棉织物浸于其中，并在紫外灯下照射3h，最后将棉织物于60℃下烘干。其中，改性凹凸棒土的用量为棉织物质量的2.5％。
实施例3：
(1)凹凸棒土的改性
首先，将7.8g凹凸棒土分散于50mL蒸馏水中并在300r/min的转速下球磨6h，于60℃下干燥6h，得到粒径为260nm的凹凸棒土。然后，将10g球磨后的凹凸棒土分散在100mL的3mol/L盐酸溶液中，并转移至三口烧瓶，在300r/min的转速下于70℃保温反应8h，冷却至室温，抽滤，用蒸馏水洗涤至滤液呈中性，于60℃下干燥2h。最后，将7g酸化凹凸棒土在100mL的醇水溶液中超声分散15min，并转移至三口烧瓶，在300r/min的转速下于85℃加入0.49g的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅，并保温反应4h，冷却至室温，用无水乙醇洗涤5min，6000r/min下离心分离，重复三次，于60℃下干燥5h。
(2)阻燃型棉织物的制备
将棉织物洗涤干净后，放入织物处理罐中，加入0.68g的3-巯丙基三甲氧基硅烷，在85℃下反应2h。然后，将0.6g的改性凹凸棒土分散于100g丙酮中，加入0.032g光引发剂安息香二甲醚，超声分散20min，将上述棉织物浸于其中，并在紫外灯下照射2h，最后将棉织物于60℃下烘干。其中，改性凹凸棒土的用量为棉织物质量的3.0％。
实施例4：
(1)凹凸棒土的改性
首先，将6.5g凹凸棒土分散于50mL蒸馏水中并在300r/min的转速下球磨5h，于60℃下干燥6h，得到粒径为275nm的凹凸棒土。然后，将10g球磨后的凹凸棒土分散在100mL的2mol/L盐酸溶液中，并转移至三口烧瓶，在300r/min的转速下于60℃保温反应8h，冷却至室温，抽滤，用蒸馏水洗涤至滤液呈中性，于60℃下干燥2h。最后，将6g酸化凹凸棒土在100mL的醇水溶液中超声分散15min，并转移至三口烧瓶，在300r/min的转速下于75℃加入0.38g的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅，并保温反应4h，冷却至室温，用无水乙醇洗涤5min，6000r/min下离心分离，重复三次，于60℃下干燥5h。
(2)阻燃型棉织物的制备
将棉织物洗涤干净后，放入织物处理罐中，加入0.82g的3-巯丙基三甲氧基硅烷，在90℃下反应2h。然后，将0.74g的改性凹凸棒土分散于100g丙酮中，加入0.037g光引发剂安息香二甲醚，超声分散20min，将上述棉织物浸于其中，并在紫外灯下照射2.5h，最后将棉织物于60℃下烘干。其中，改性凹凸棒土的用量为棉织物质量的3.7％。
实施例5：
(1)凹凸棒土的改性
首先，将7.3g凹凸棒土分散于50mL蒸馏水中并在400r/min的转速下球磨5.5h，于60℃下干燥6h，得到粒径为250nm的凹凸棒土。然后，将9.5g球磨后的凹凸棒土分散在100mL的2.5mol/L盐酸溶液中，并转移至三口烧瓶，在300r/min的转速下于70℃保温反应7h，冷却至室温，抽滤，用蒸馏水洗涤至滤液呈中性，于60℃下干燥2h。最后，将7g酸化凹凸棒土在100mL的醇水溶液中超声分散15min，并转移至三口烧瓶，在300r/min的转速下于75℃加入0.40g的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅，并保温反应4h，冷却至室温，用无水乙醇洗涤5min，6000r/min下离心分离，重复三次，于60℃下干燥5h。
(2)阻燃型棉织物的制备
将棉织物洗涤干净后，放入织物处理罐中，加入0.93g的3-巯丙基三甲氧基硅烷，在90℃下反应3h。然后，将0.84g的改性凹凸棒土分散于100g丙酮中，加入0.042g光引发剂安息香二甲醚，超声分散20min，将上述棉织物浸于其中，并在紫外灯下照射2h，最后将棉织物于60℃下烘干。其中，改性凹凸棒土的用量为棉织物质量的4.2％。
实施例6：
(1)凹凸棒土的改性
首先，将8g凹凸棒土分散于50mL蒸馏水中并在400r/min的转速下球磨6h，于60℃下干燥6h，得到粒径为250nm的凹凸棒土。然后，将9g球磨后的凹凸棒土分散在100mL的3mol/L盐酸溶液中，并转移至三口烧瓶，在300r/min的转速下于60℃保温反应8h，冷却至室温，抽滤，用蒸馏水洗涤至滤液呈中性，于60℃下干燥2h。最后，将6g酸化凹凸棒土在100mL的醇水溶液中超声分散15min，并转移至三口烧瓶，在300r/min的转速下于75℃加入0.49g的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅，并保温反应4h，冷却至室温，用无水乙醇洗涤5min，6000r/min下离心分离，重复三次，于60℃下干燥5h。
(2)阻燃型棉织物的制备
将棉织物洗涤干净后，放入织物处理罐中，加入1.0g的3-巯丙基三甲氧基硅烷，在90℃下反应3h。然后，将1.0g的改性凹凸棒土分散于100g丙酮中，加入0.05g光引发剂安息香二甲醚，超声分散20min，将上述棉织物浸于其中，并在紫外灯下照射2.5h，最后将取出棉织物于60℃下烘干。其中，改性凹凸棒土的用量为棉织物质量的5.0％。
图1为实施例1中γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅改性凹凸棒土的FT-IR谱图。与酸化凹凸棒土的FT-IR谱图相比，γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅改性凹凸棒土在1056cm-1附近的吸收峰变强，这是由于γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅水解缩合成新的Si-O-Si键。同时，2968cm-1附近出现了亚甲基的C-H伸缩振动峰，表明γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅成功接枝到凹凸棒土的表面。
图2为实施例4中3-巯丙基三甲氧基硅烷改性棉织物的FT-IR谱图。与未改性棉织物的FT-IR谱图相比，巯基改性棉织物在1178cm-1处出现Si-O-Si的特征吸收峰，2835cm-1和800cm-1处出现亚甲基C-H的拉伸和弯曲振动峰，表明3-巯丙基三甲氧基硅烷成功地接枝到棉织物的表面。
图3为实施例6中阻燃型棉织物的FT-IR谱图。与巯基改性棉织物相比，阻燃型棉织物在1178cm-1附近的吸收峰变强。同时，在643cm-1出现C-S键的伸缩振动峰，表明凹凸棒土通过巯基-烯点击反应成功接枝到棉织物的表面。
图4为实施例6中棉织物表面的SEM照片。原始棉织物(图4a)，纤维表面光滑平整，平均直径约为12.5μm。3-巯丙基三甲氧基硅烷处理后的棉织物(图4b)，纤维表面变得非常粗糙。与双键功能化凹凸棒土即改性凹凸棒土反应后的棉织物(图4c)，纤维表面粘附一些ATP颗粒。再次表明，棉织物和凹凸棒土之间发生了巯基-烯点击反应。对上述棉织物燃烧后的表面结构进行观察，可以看出，原始棉织物燃烧后(图4d)结构完全被破坏。3-巯丙基三甲氧基硅烷处理后的棉织物燃烧后(图4e)结构仍然存在，但纤维发生了断裂。阻燃型棉织物燃烧后(图4f)表面粗糙，且在其表面有一层均匀的覆盖层，这是由于凹凸棒土在高温下被分解为更加稳定的氧化物层。
表1为实施例6中采用本发明所制备的阻燃型棉织物的燃烧速率、极限氧指数和最大烟密度。由表1可知，阻燃型棉织物的燃烧速率、极限氧指数和最大烟密度分别为5.3mm/s、25.6％和14.27％。与原棉织物相比，燃烧速率和最大烟密度分别降低了42.39％和57.81％，极限氧指数提高了38.3％。
表1阻燃型棉织物的燃烧速率、极限氧指数和最大烟密度
本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种阻燃型棉织物的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)凹凸棒土的改性
对凹凸棒土进行酸化处理，得到酸化凹凸棒土；酸化凹凸棒土加入醇水溶液中分散，加入γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅，反应得到改性凹凸棒土；
(2)阻燃型棉织物的制备
将棉织物与3-巯丙基三甲氧基硅烷反应，得到巯基改性棉织物；将改性凹凸棒土分散于丙酮中，加入安息香二甲醚，分散，得到改性凹凸棒土溶液，将巯基改性棉织物浸于改性凹凸棒土溶液中，并在紫外灯下照射，得到阻燃型棉织物。
2.根据权利要求1所述的阻燃型棉织物的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，对凹凸棒土进行酸化处理具体是：将凹凸棒土进行湿法球磨，干燥，然后分散在盐酸溶液中，50-70℃保温反应6-8h，过滤，洗涤至中性，干燥。
3.根据权利要求2所述的阻燃型棉织物的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，盐酸溶液的浓度为1-3mol/L。
4.根据权利要求1所述的阻燃型棉织物的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，酸化凹凸棒土与γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅的反应温度为65-85℃，反应时间为4-5h。
5.根据权利要求1所述的阻燃型棉织物的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，酸化凹凸棒土与γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅的质量比为(5-7)：(0.35-0.49g)。
6.根据权利要求1所述的阻燃型棉织物的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，凹凸棒土的粒径为225-275nm。
7.根据权利要求1所述的阻燃型棉织物的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，棉织物与3-巯丙基三甲氧基硅烷在80-90℃下反应2-3h。
8.根据权利要求1所述的阻燃型棉织物的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，改性凹凸棒土的用量为棉织物质量的1.0-5.0％。
9.根据权利要求1所述的阻燃型棉织物的制备方法，其特征在于，紫外灯强度为300W·m-2，紫外灯照射时间为2-3h。
10.采用权利要求1-9任一项所述的制备方法得到的阻燃型棉织物。
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