真丝特殊整理及原理探究

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实验方法

1真丝织物阻燃整理工艺流程

整理液配制（pH2．7）→二浸二轧（轧余率80％）→预烘（80℃，3min）→焙烘（160℃，3min）→水洗（50℃，10min）→烘干。

2阻燃整理正交试验

采用4因素3水平正交试验优化真丝织物阻燃整理工艺，正交试验设计见表1。

3垂直燃烧性能测试

按GB／T5455—1997《纺织品燃烧性能测试垂直法》标准，在YG815A型织物垂直燃烧仪上进行测试。

4极限氧指数

LOI测试按GB／T5454—1997《纺织品燃烧性能需氧指数法》标准，在HC－2CZ极限氧指数仪进行测试。

5阻燃耐洗性测试

洗涤工艺：皂片2g／L，浴比1∶50，30℃洗12min，再冷水洗，晾干。按以上工艺分别重复洗涤15、30、50次。恒温恒湿放置8～24h后，在垂直燃烧仪上测其炭长。

6游离甲醛测试

按GB／T2912．1—1998《纺织品游离水解的甲醛（水萃取法）》标准进行测试。

7织物强力测试

按GB／T24218．3—2010《纺织品非织造布试验方法第3部分：断裂强力和断裂伸长率的测定（条样法）》标准，在YG065型电子织物强力仪上进行测试。

8织物白度测试

在WS－Ⅲ型白度仪按规定测试，测试时将试样折成4层，读取蓝光白度值，测定3个不同的部位取平均值。

9织物硬挺度测试

将织物裁剪成直径为11．5cm的圆形，称重后在YG821L型织物智能风格仪上进行测试。

10热分析

在TG－DTA热分析仪上进行测试，测试条件：试样剪成粉末状，空气气氛，升温速度为10℃／min，温度量程为35～650℃，质量控制在1．8～2．5mg左右。

11扫描电镜

取经垂直燃烧后的真丝残渣试样，喷金处理后在JSM－5600LV型扫描电子显微镜对残渣局部进行观测。

结果与讨论

1阻燃整理正交试验

真丝织物阻燃整理正交试验结果见表2。由表2中极差大小可知，各因素对真丝织物阻燃效果的影响程度依次为交联剂2D用量＞阻燃剂HFPO用量＞柔软剂T用量＞催化剂C用量。影响阻燃效果最显著的因素是交联剂。随着其用量的增加，炭长逐渐变短，阻燃效果提高，这是因为更多的交联剂2D可以和阻燃剂HFPO及真丝纤维形成共价交联，提高了真丝织物的阻燃效果。当交联剂用量为100g／L时，炭长最短。此时交联反应已经很充分，即使再增加交联剂2D的用量，其阻燃效果也不会有太大提高，所以当交联剂2D用量超过100g／L时，阻燃效果增加不明显。影响阻燃效果的另一主要因素是阻燃剂。阻燃剂用量增加，阻燃性能不断提高，这是因为有更多的阻燃剂分子在催化剂C的作用下，借助于交联剂与真丝纤维发生共价交联反应。当阻燃剂用量为300g／L时，阻燃效果已很好，共价交联反应已很充分，继续增加阻燃剂用量，阻燃效果变化不大。柔软剂T用量对真丝阻燃效果也有一定的影响。当柔软剂T用量为15g／L或20g／L时，炭长平均值相差不大；当柔软剂T用量超过20g／L时，阻燃效果有下降趋势。这是因为柔软剂T会导致火焰在织物上的传播速度加快，促使织物燃烧速率提高。但为了改善阻燃真丝织物的手感兼顾阻燃效果，柔软剂T用量取20g／L为宜。催化剂C用量对真丝的阻燃效果影响较小。根据正交试验结果，确定真丝织物阻燃整理的较佳工艺条件为阻燃剂HFPO300g／L、交联剂2D100g／L、柔软剂T20g／L、催化剂C40g／L。采用此工艺条件，测得其垂直燃烧炭长是6．1cm。

2阻燃整理真丝织物的耐久性

为了解阻燃整理真丝织物水洗后阻燃性能的变化，进行了洗涤试验，结果如图1所示。由图1可知，随着水洗次数的增加，阻燃真丝织物的极限氧指数不断减小，水洗1次后其极限氧指数为37％，50次水洗后降至31．2％。这是因为随着水洗次数的增加，真丝织物上磷含量降低，从而使阻燃性能下降。但是该阻燃体系具有活性基团，阻燃剂能够借助交联剂与真丝织物发生共价交联反应，因此耐久性较好［4－5］。

3阻燃整理对真丝织物游离甲醛及物理机械性能影响

阻燃整理对真丝织物游离甲醛及各项性能的影响结果如表3所示。由表3可以看出，阻燃整理后的真丝织物游离甲醛只有40．02mg／kg，这是由于交联剂2D为N－羟甲基化合物，它会与阻燃剂HFPO及真丝纤维发生共价交联反应，导致N－羟甲基水解率降低，织物游离甲醛含量较低，达到了GB18401—2010《国家纺织产品基本安全技术规范》B类标准［6］。由表3可知，真丝织物白度从原来的77．41下降到62．64，这可能是由于未和真丝织物发生反应的交联剂2D在高温焙烘过程中，部分N－羟甲基发生水解生成的NH会被氧化成有色物质，导致了织物的黄变［7］。由表3可知，阻燃整理后真丝织物强力也有所下降，原因可能是交联剂2D不仅在阻燃剂和真丝纤维之间形成了共价交联，而且也会在纤维与纤维之间形成共价交联，结合式分别如图2和图3所示，交联限制了各单元之间的移动性［8］，导致了强力下降。但强力下降并不严重，强力保留率仍高达94．06％。同时，阻燃整理后织物手感也受到了一定的影响，硬挺度增加。可能是因为交联剂2D与阻燃剂HFPO和真丝织物上的基团形成了交联网状结构［9］，结合式如图4所示，交联网状结构使得纤维之间不易滑动，从而导致手感略受影响。整体来说，阻燃整理对真丝织物的物理机械性能影响较小。

4阻燃机理研究

1）磷－氮协同效应研究

采用4种不同的阻燃工艺对真丝进行阻燃整理，然后测试真丝织物的LOI，以研究磷－氮之间的协同效应，实验结果如图5所示。从图5可以看出，交联剂2D整理后的真丝织物与未整理的相比，其极限氧指数提高了2．3％。这是因为含氮交联剂2D中的氮元素起到了阻燃作用。阻燃剂HFPO整理后的真丝织物与未整理的相比，其极限氧指数提高了6．5％，是有机磷阻燃剂HFPO中的磷元素起到了阻燃作用，使阻燃效果提高。而用HFPO／2D阻燃体系整理后的真丝织物与未整理的相比，其极限氧指数提高了11．6％。经HFPO／2D体系阻燃后的织物极限氧指数理论值为6．5％＋2．3％＋25．4％＝34．2％。但是，实际测试的极限氧指数是37％，比理论上的LOI高。交联剂2D与阻燃剂HFPO配合使用提高了真丝织物的阻燃效果，这一现象说明交联剂2D与阻燃剂HFPO之间存在P－N协同效应。交联剂2D可以作为氮的提供者，为阻燃体系提供氮元素，和阻燃剂HFPO中的磷元素形成P－N协同效应，使得阻燃效果得到很大的提高。

2）阻燃整理前后真丝热性能分析

为研究HFPO／2D阻燃体系的机理，对真丝阻燃整理前后的热降解行为进行了分析，结果如图6所示。由图6可知，阻燃整理后，真丝织物的分解温度从整理前的280℃下降到225℃，600℃时残渣剩余量由整理前的32．6％增加到37％。这是因为阻燃剂HFPO促进了真丝纤维的催化脱水而炭化，降低了热分解温度，改变了热分解历程和分解产物，减少了可燃性气体，增加了难燃性固体炭。且从真丝DTG曲线上可以看出，未阻燃真丝织物分解速率最快的温度为380℃，阻燃后的真丝织物有两个最大分解速率峰值，分别对应两个分解最快时的温度为271℃和380℃，说明阻燃后真丝织物的分解不是一步完成的，体系中至少存在两类主要化学键的断裂，阻燃剂上的CP键被引入到了真丝织物上，而CP键的键能比CC键的键能小，在燃烧时易于破坏而发生断裂，这可能也是阻燃整理后丝织物的初始分解温度提前，热稳定性降低的原因。分解温度提前，相应形成更多的炭渣，炭渣本身是难燃物质，可以隔绝热和氧气。有效炭渣的形成，抑制了丝织物的进一步分解。阻燃整理后裂解结束时炭渣的增加，表明该阻燃体系是凝聚相起阻燃作用。

3）阻燃整理前后真丝炭渣表面形貌

由图7（a）可以看出，未阻燃整理的真丝织物燃烧形成的炭渣较为疏松，存在球状泡孔，且炭层易破碎塌陷。阻燃整理后的真丝织物燃烧形成的炭渣薄而致密、平整连续，且不易塌陷和滴落，能很好地覆盖在基体表面，起到绝缘壁的作用，可有效地阻止热量向基材传播，阻止可燃性气体的扩散和自由基的传递，从而阻止基体的进一步燃烧，表现优良的阻燃效果。

结论

a）真丝织物阻燃整理优化工艺为：阻燃剂HF－PO300g／L，交联剂2D100g／L，催化剂C40g／L，柔软剂T20g／L。b）阻燃整理后真丝织物具有较好的阻燃效果，垂直燃烧炭长是6．1cm，极限氧指数高达37％，50次水洗后极限氧指数为31．2％。游离甲醛含量＜75mg／kg，达到了GB18401—2010《国家纺织产品基本安全技术规范》B类甲醛标准。c）通过阻燃机理分析得知：HFPO／2D体系是在凝聚相起阻燃作用的，且体系中存在P－N协同效应。