[摘要]文章论述了羊毛的化学结构、阻燃机理、常用阻燃技术及阻燃性能的主要评价方法,其中包括评价 火灾危险性最有效的参数———热释放速率的测试方法,并展望了羊毛阻燃整理技术的发展趋势。
关键词:羊毛;阻燃整理;阻燃测试
羊毛是物理、化学结构均较为复杂的天然蛋 白质纤维,其手感柔软、质地坚牢,有良好的弹性 和保暖性;光泽自然、柔和,在建筑、服用、家纺等 领域应用十分广泛,这就对其后整理提出更高的 要求[1~2]。
羊毛极限氧指数(LOI)约为25左右,闪点为570~600℃,最高燃烧温度为680℃[1~4],为天然 难燃纤维。而且其燃烧时不会熔化或滴落,所产 生的泡沫灰烬具有良好的绝缘性。这些性质与其 化学结构密切相关,羊毛回潮率较高为15%(相 对湿度为60%),含氮15%~16%;含硫3%~ 4%;还含有6%~7%的氢。高的含氮量决定了 其本身具有较好的阻燃特性[1~2],若再对其进行 阻燃整理,可开发出更高性能的产品,如高温防护 服、飞机上装饰材料及毛毯、燃油车辆的篷盖 等[5~7]。
1 燃烧模式及阻燃途径
羊毛织物燃烧需具备3要素:燃料、热量、氧 气。
若要达到阻燃效果,需打破上述模式,
①移走热源。使之没有足够的热量维持燃 烧。多数有机磷阻燃剂以及AL(OH)3属此机理, 燃烧时催化脱水带走热量,使纤维难以继续燃烧。
②提高分解温度。通过原丝改性或纤维混纺 生产阻燃纤维属此机理。
③减少与O2的接触,即气体冲淡理论。卤系 阻燃剂属此机理,燃烧时产生卤化氢气体,稀释纤 维周围的氧气。
④减少可燃性气体的产生,增加炭化物的形 成。多数磷—氮系阻燃剂及金属络合物阻燃剂属 此机理,燃烧时产生炭渣,在纤维表面形成一隔热 层,阻止热量向纤维的扩散,从而达到阻燃的目的。
2 阻燃技术及阻燃性能测试
2·1 阻燃技术及阻燃机理
羊毛纤维的阻燃整理最初是利用无机硼酸、 磷酸及其盐。这种整理方法为非耐久性整理,不 耐水洗,仅用于剧院的帷幕等;后来利用改性的四 羟甲基氯化磷(THPC)及其衍生物、氨基磺酸盐对 羊毛进行阻燃整理,可达半永久水平;此后又发展 到利用钛、锆的氟络合物、羧酸络合物处理羊毛, 此法可达永久水平;为了满足更高要求,后又开发 出羊毛与其它耐燃纤维混纺的耐高温织物。本文 主要介绍耐久性阻燃整理技术。
2·1·1 与阻燃纤维混纺[13~14]
羊毛为天然难燃纤维,与其它纤维混纺可制成耐高温织物,阻燃性能好,而且价格低廉,加工 简单,广泛用于防护服、床上用品、室内装饰、地毯 等方面。目前市场上的耐高温纤维有芳纶1313, 芳纶与羊毛混纺时比例超过30%时,极限氧指数 可达28以上,具有良好的阻燃性。耐高温酚醛纤 维Kynol与羊毛混纺其含量达35%时,织物就具 有阻燃性。近来,欧洲市场上出现了阻燃粘胶纤 维Visil,经研究发现它非常易于与羊毛纤维混纺。 这种纤维含有高比例的二氧化硅和金属,燃烧烟 雾很少,无毒,羊毛与之混纺可提高热分解温度, 达到阻燃目的。目前,此法已得到广泛应用,混纺 时Visil含量约为60%左右。
2·1·2 金属络合物处理它是目前羊毛阻燃整理应用最为广泛且最为 成熟的技术,主要采用钛或锆的氟络合物,一般钛(锆)/氟克分子比为1∶6[15],如K2TiF6或K2ZrF6, 在酸性条件下(一般pH值控制在2·5左右),温度 为70℃,处理30 min,这就是著名的“Zirpro”工 艺[1,3]。该项技术在染色前后或染色过程中均可 进行。其阻燃机理为,在酸性条件下,羊毛上氨基 变为氨基正离子,与阻燃剂阴离子发生反应产生 吸附,燃烧时可增加炭的形成,减少可燃性气体的 产生,从而达到阻燃的目的[1,15~20]。反应式如下(以锆盐为例):
W—NH2(羊毛纤维) +H+→ W—NH+3,W—NH+3+ZrF2-6→W—NH+3·ZrF2-6。
此 外经过水洗,ZrF2-6水解成ZrOF2,氟锆酸盐在受热 燃烧时,氟化物也逐步分解,温度为300℃以上时 也产生ZrOF2,ZrOF2为很细微粒,本身不能燃烧, 能与羊毛纤维混合或覆盖纤维表面,着火时阻止 可燃性裂解气体大量逸出,从而起到阻燃作用。
整理时添加四溴苯酐(TBPA)约10%~15%(对织 物重);该添加剂也可与羊毛纤维发生反应,使阻 燃性进一步提高。经验证,经钛、锆的氟络合物整 理后,阻燃效果可耐50次硬水洗涤和干洗,为耐 久性阻燃整理[5]。研究还发现,经钛络合物整理 的织物比经锆络合整理的织物阻燃效果好,但引 起织物泛黄严重[5,9],所以常用锆盐整理。该项技 术的阻燃效果有目共睹,阻燃整理废水中含有大量 重金属离子,钛、锆造成了环境污染[1]。不久的将 来,此项技术势必被环保型阻燃整理技术所替代.
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