一种膨胀性阻燃棉织物及其整理方法

本发明涉及一种膨胀性阻燃棉织物及其整理方法。

背景技术：

1、棉织物因其具有透气、保暖、舒适、耐磨、生物降解等诸多优良性能，自古以来就有着悠久的应用历史。而在现在棉织物作为一种高分子聚合物更是在服装、装饰、床上用品、产业用纺织品等领域被广泛运用，给我们的生活带来了极大的便利。然而，棉织物的loi(极限氧指数)值仅在18％左右，属于易燃高分子材料，尤其是可燃性棉纤维引起的火灾每年会造成大量人员伤亡和财产损失。

2、为提高棉织物的阻燃性能，需要对其进行阻燃处理，在现有技术中，一般是采用无机磷系颗粒和硅烷偶联剂对棉织物进行改性，但这种改性的阻燃效果不理想，或者采用植酸、缩二脲以及交联剂对面织物进行改性，这种改性虽然具有较好的阻燃效果，但其改性方法较为复杂，不利于工业化生产。

技术实现思路

1、为简化现有阻燃改性方法的流程，并提高棉织物的阻燃效果，本技术首先提出了一种膨胀性阻燃棉织物的整理方法，其包括如下步骤：

2、(1)将棉织物在氢氧化钠碱液中浸渍，然后取出采用去离子水清洗至中性，烘干，制得丝光处理棉织物；

3、(2)将丝光处理棉织物浸渍在阻燃整理液中，进行阻燃浸渍，然后取出固化并干燥，制得阻燃织物；该阻燃整理液为含有pepa、pei和二氰二胺的水溶液；

4、(3)将阻燃织物用去离子水润湿，然后浸渍在tmc乙醇溶液中，然后取出干燥至恒重，制得膨胀性阻燃织物。

5、本技术中，首先对棉织物进行丝光处理，以去除织物表面的浆料等添加剂，暴露出棉纤维本体，并对棉纤维表面进行适当刻蚀，提高阻燃物料的附着力，然后再采用两步法对棉织物进行阻燃处理。在进行阻燃处理时，首先将pepa(季戊四醇磷酸酯)、pei(聚乙烯亚胺)和二氰二氨沉积在棉纤维表面，然后利用tmc(均苯三甲酰氯)来提高附着力，并形成协同阻燃效应。以下对阻燃处理时各物料的作用进行说明：

6、其中pei含有大量的胺基(-nh2)和亚胺基(-nh-)，这些基团能够与棉纤维表面的羟基(-oh)以及pepa中的羟基(-oh)形成氢键和共价键。在中性或弱碱性溶液中，棉纤维带负电荷，而pei中的-nh2基团带正电荷，通过静电引力使pei吸附到纤维表面。pei中的氨基(-nh2)与棉织物中的羟基(-oh)和pepa中的羟基(-oh)发生反应，形成醚键(-o-)或酰胺键(-conh-)，化学键结合增强结合牢固度。同时由于pei为长链聚合物，具有较强的缠绕吸附能力，还能够提高pepa和聚乙烯亚胺在棉纤维上的附着牢固度。

7、pepa带有负电荷，通过静电引力吸附在带有正电荷的pei分子上。二氰二胺由于具有大量的胺基(-nh2)，其不但能够与棉纤维表面的羟基(-oh)以及pepa羟基(-oh)中的形成氢键和共价键，二氰二胺同时作为催化剂，促进pepa中的磷酸基团与pei中的胺基反应，形成n-c-o-p键。在二氰二胺的催化下，pepa中的羟基(-oh)与棉织物中的羟基发生反应，形成磷酸酯键(p-o-c)，增加体系的交联密度和热稳定性。

8、tmc含有三个酰氯基团(-cocl)，能够与pei中的氨基(-nh2)、棉织物中的羟基(-oh)、pepa中的羟基(-oh)反应，形成酯键(-coo-)和酰胺键(-conh-)，生成大分子交联网络，结合了棉织物、pei、pepa和tmc，通过化学键和静电吸附，构建了稳定且耐水洗的具有大分子网络结构的阻燃纤维。大分子网络结构提高了各组分在纤维上的固着力，避免了在洗涤过程中阻燃剂的流失，提升了阻燃性能的持久性。

9、以下对采用该整理方法所获得膨胀性阻燃织物在燃烧时的阻燃机理进行说明：

10、在高温下，棉织物(纤维素)会经历以下几个热解阶段：

11、脱水阶段：在较低温度(约200-300℃)下，纤维素中的羟基发生脱水反应，生成水和不稳定的中间产物。

12、裂解阶段：随着温度升高，纤维素分子链发生裂解，产生挥发性产物(如co、co2、ch4等)和炭化产物。

13、炭化阶段：在更高温度(约400-600℃)下，裂解产物进一步聚合，形成稳定的炭层。

14、燃烧过程中膨胀多层炭层的形成机理：

15、1、燃烧过程中，棉纤维表面的交联网络先形成初步的炭层，其中pepa和tmc中未完全反应的酰氯，在高温下分解生成磷酸(h3po4)、多磷酸(h4p4o7)以及其他酸性产物，这些磷酸盐和酸性产物能够与棉纤维和pei发生酯化反应，促进纤维素和pei脱水炭化，形成稳定的炭层。

16、2、pei和二氰二胺中的氨基、亚氨基在高温下分解生成氨气(nh3)、co2和水蒸气等气体，这些气体使已处于熔融状态的体系膨胀发泡，棉纤维中的纤维素和pei发生交联反应，进一步脱水成炭，形成多孔膨胀炭层结构。

17、3、随着时间推移，产生的水蒸气和氨气等进一步使体系膨胀，体系逐渐胶化和固化，由于大分子网络结构提高了各组分在纤维上的固着力，炭层膨胀但不破裂，最终形成的炭层具有多层状结构，提供优异的隔热性能并阻止进一步的燃烧。

18、总体而言：

19、通过聚乙烯亚胺(pei)、季戊四醇磷酸酯(pepa)、二氰二胺和均苯三甲酰氯的协同作用，在棉织物表面形成高度交联的网络结构，提高纤维的耐水洗性和阻燃性能。在燃烧过程中，阻燃剂大分子网络结构，纤维素和pei发生交联反应提高了棉纤维的强度，在燃烧过程中部分纤维素未发生断裂，在气体和水蒸气的作用下膨胀扩大，遇到空气冷却后又固化成炭，形成的膨胀多层炭层，并通过氨气膨胀和磷酸盐的稳定作用，形成具有良好隔热性能和机械强度的炭化屏障，从而有效地阻止了热量和火焰的传播。膨胀层状炭层不仅提供了物理保护，还有效地隔绝热量和减少可燃性产物，从而提高棉织物的阻燃性能。这些化学反应和物理变化共同作用，最终生成了膨胀100倍的多层状炭层。

20、采用本技术所获得的膨胀性阻燃织物能够达到如下阻燃效果：

21、1、通过垂直燃烧可以得出纯棉织物的续燃时间为13s，阴燃时间为76s，损毁长度为300mm，膨胀性阻燃棉织物未被点燃，膨胀性阻燃棉织物的loi能够达到34％，燃烧时间为0s，损毁长度能够达到38mm，自熄，无滴落。

22、2、采用本发明膨胀性阻燃棉织物的整理方法，制备得到的膨胀性阻燃棉织物在高温或遇到火焰时发生膨胀反应的特性，生成一个隔热和隔绝氧气的炭质屏障，有效减缓材料的燃烧速度，残炭的膨胀倍率为100倍，膨胀性阻燃棉织物的phrr比纯棉织物降低94.9％，thr降低了75.0％。

23、3、本发明膨胀性阻燃棉织物的整理方法，tmc的加入提高了膨胀性阻燃棉织物的水洗性能，经过水洗30次后，其中loi降为30％，说明制备的膨胀性阻燃棉织物具有一定的耐水洗性能。

24、具体地，步骤(1)中，氢氧化钠碱液中的氢氧化钠的质量百分数为0.8-1.2％，棉织物在氢氧化钠碱液中浸渍时，浸渍温度为80-110℃，浸渍时间为0.8-1.5h。步骤(1)中，在对丝光处理棉烘干是，烘干温度控制在50-70℃，烘干时间为2-4h，并采用高温短时间或低温长时间的烘干方式，以减少对棉织物的损害。

25、采用氢氧化钠碱液对棉织物进行处理，一方面是为了去除织物表面的浆料等添加剂，以暴露出棉纤维本体，另一方面是为了对棉纤维表面进行刻蚀，以便于提高阻燃物料的附着力，保证阻燃效果，在上述条件下，能够顺利地达到上述目标。如氢氧化钠碱液的浓度过低、浸渍温度过低或浸渍时间偏低时，无法达到上述目标，当时当氢氧化钠碱液的浓度过高、浸渍温度过高或浸渍时间过长时，会对棉纤维的强度造成较大的损失，降低棉织物的使用价值。

26、具体地，阻燃整理液中，pepa的质量百分数为15-30％，pei的质量百分数为4-10％，二氰二胺的质量百分数为3-6％。阻燃整理液中各组分的质量百分数偏低时，会导致各组分在棉织物上的附着量偏低，无法达到良好的阻燃效果；而当各组分的质量百分数偏高时，虽然能够保证阻燃效果，但阻燃效果已无法有效提升，仅会提高阻燃处理的成本。

27、具体地，为保证各阻燃成分的附着量，步骤(2)中，丝光处理棉织物在阻燃整理液中进行阻燃浸渍时，浸渍温度为60-90℃，浸渍时间为20-50min。浸渍温度过低或浸渍时间偏短时，会导致各组分在棉织物上的附着量偏低，无法达到良好的阻燃效果；而当浸渍温度过高或浸渍时间偏长时，虽然能够保证各组分的附着量，但阻燃效果已无法有效提升，仅会提高阻燃处理的成本。

28、具体地，为保证反应效果，步骤(2)中，在进行固化时，其固化温度为105-115℃，固化时间为30-50min，干燥温度为130-140℃，干燥时间为5-8min。固化是指通过加热方式使材料中的化学物质发生交联反应，形成坚固的网状结构。固化温度过高，可能会导致纤维的热降解，损坏织物的物理性能，阻燃剂可能会分解，导致阻燃效果下降。固化温度过低，阻燃剂可能无法完全固化，影响其在织物上的附着和分布。固化时间过长，会增加生产成本和时间，影响生产效率，织物的柔软度变差，对织物手感产生不利影响。固化时间过短，阻燃剂可能无法完全固化，导致阻燃性能不足，可能导致阻燃剂分布不均匀，影响防火效果。

29、具体地，为保证阻燃效果，步骤(3)中，tmc乙醇溶液中，tmc的质量百分数为0.3-0.5％。tmc的质量分数过低，会影响大分子网络结构的构建，tmc的质量分数过高，会导致阻燃剂的分子量过高，影响阻燃剂在织物表面的附着力。tmc中的酰氯基团(-cocl)在燃烧过程中会产生有害物质，环保性差。

30、具体地，步骤(3)中，阻燃织物在tmc乙醇溶液中的浸渍温度为室温，阻燃织物在tmc乙醇溶液中的浸渍时间为4-10min，干燥温度为50-80℃。

31、在tmc乙醇溶液中浸渍时间4-10分钟能够确保阻燃剂在棉织物上的均匀分布，时间太短可能导致分布不均，影响阻燃效果。保证阻燃剂能够充分吸附到纤维上，提高阻燃效果。干燥温度50-80℃温度可以有效干燥阻燃剂溶液，而不会对棉织物造成热损伤或影响其物理性能。适中的温度范围有助于阻燃剂的固化，确保其在棉织物上的稳定性和持久性。这个范围的选择是为了在确保阻燃效果的同时，保护棉织物的物理特性和质量。

32、其次，本技术还公开了采用上述任一项所述的整理方法所获得的膨胀性阻燃棉织物。该膨胀性阻燃棉织物具有大分子网络的结构，良好的阻燃效果。