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棉织物以其优良的服用性能深受人们喜爱,广泛应用于服装、装饰及工业领域。但棉纤维属于易燃材料,极限氧指数(LOI)仅为18,阻燃性差。传统的棉织物阻燃整理,因N-羟甲基交联剂的使用而存在游离甲醛释放问题,对人体健康构成威胁。有鉴于此,本文利用水性聚氨酯(PU)替代N-羟甲基交联剂,使之与阻燃中间体2,2,4,4,6,6-六氮杂环丙烷-2,4,6-三聚磷腈-1,3,5-三烯(NPAZ)发生架桥反应,制备环境友好型NPAZ-PU阻燃体系,并将其应用于棉织物阻燃整理,以获得优良阻燃效果。在此过程中,对阻燃前后织物的热降解过程进行初步探究。
实验中合成了阴离子水性聚氨酯和环磷腈衍生物2,2,4,4,6,6-六氮杂环丙烷-2,4,6-三聚磷腈-1,3,5-三烯,探讨了PU和NPAZ的合成工艺,并利用红外光谱、13C核磁共振谱、31p核磁共振谱对合成产物结构进行了表征。将产物NPAZ和PU进行共混,制备得到架桥型阻燃水性聚氨酯NPAZ-PU,并利用原位红外光谱分析法揭示了NPAZ-PU阻燃体系间的架桥固化过程。
将实验制备的NPAZ-PU阻燃体系应用于棉织物阻燃整理。通过垂直燃烧法优化了该阻燃体系对棉织物的整理工艺,实验得出较适宜的阻燃整理工艺为:NPAZ25％,PU15％,渗透剂JFC0.5％,整理液pH值8～9,80℃预烘3min,16℃焙烘3min。在此工艺条件下,阻燃棉织物的阻燃性能可达到国家B1级标准;锥形量热仪的测试结果表明:经NPAZ-PU阻燃处理后的棉织物燃烧性能大大降低,阻燃织物的点燃时间较未处理前延长了2倍,阻燃整理后棉织物难以被点燃,而一旦点燃后,其热释放速率和总热释放量均远远小于未阻燃棉织物,火险指数提高了3倍,显示出优异的阻燃性能。
实验对棉织物阻燃整理前后的物理机械性能进行了测试。结果显示整理后织物白度随着阻燃中间体用量和焙烘温度的升高下降,但下降程度并不严重;棉织物的拉伸强力亦稍有降低,但降低幅度不大,不影响棉织物的服用性能及其它功能。
通过热重分析对棉织物阻燃整理前后的热稳定性进行了研究。结果显示阻燃后棉织物的起始分解温度降低约80℃,但在500℃时阻燃棉织物的成炭率(38％)显著高于未整理棉织物(6％);扫描电镜、X-射线衍射结果显示NPAZ-PU对棉织物阻燃机理是通过使纤维素脱水成炭,在纤维表面形成保护炭层阻止纤维进一步裂解并减少可燃气体产生,增加固体炭渣含量,属固相机理:能谱及红外光谱对残炭及热降解过程分析显示,棉纤维表面的炭层为富磷结构,其中含有大量的含磷化合物,并且存在如P=O、P-O-P等稳定的基团结构,它们均能提高棉织物在高温下的热稳定性。
论文为了进一步探究NPAZ-PU阻燃体系对棉织物热降解行为的影响,在TGA数据的基础上,采用Kissinger和Flynn-Wall-Ozawa两种热降解动力学模型,探讨了阻燃前后棉织物的热降解表观动力学,通过热降解表观动力学模拟可知,棉织物经NPAZ-PU阻燃整理后,在主裂解阶段表观活化能大大高于未阻燃棉织物,表明阻燃后棉织物具备更高的热稳定性和更好的阻燃性。