[摘要]文章論述了羊毛的化學結構、阻燃機理、常用阻燃技術及阻燃性能的主要評價方法,其中包括評價 火災危險性最有效的參數———熱釋放速率的測試方法,并展望了羊毛阻燃整理技術的發展趨勢。
關鍵詞:羊毛;阻燃整理;阻燃測試
羊毛是物理、化學結構均較為復雜的天然蛋 白質纖維,其手感柔軟、質地堅牢,有良好的彈性 和保暖性;光澤自然、柔和,在建筑、服用、家紡等 領域應用十分廣泛,這就對其后整理提出更高的 要求[1~2]。
羊毛極限氧指數(LOI)約為25左右,閃點為570~600℃,最高燃燒溫度為680℃[1~4],為天然 難燃纖維。而且其燃燒時不會熔化或滴落,所產 生的泡沫灰燼具有良好的絕緣性。這些性質與其 化學結構密切相關,羊毛回潮率較高為15%(相 對濕度為60%),含氮15%~16%;含硫3%~ 4%;還含有6%~7%的氫。高的含氮量決定了 其本身具有較好的阻燃特性[1~2],若再對其進行 阻燃整理,可開發出更高性能的產品,如高溫防護 服、飛機上裝飾材料及毛毯、燃油車輛的篷蓋 等[5~7]。
1 燃燒模式及阻燃途徑
羊毛織物燃燒需具備3要素:燃料、熱量、氧 氣。
若要達到阻燃效果,需打破上述模式,
①移走熱源。使之沒有足夠的熱量維持燃 燒。多數有機磷阻燃劑以及AL(OH)3屬此機理, 燃燒時催化脫水帶走熱量,使纖維難以繼續燃燒。
②提高分解溫度。通過原絲改性或纖維混紡 生產阻燃纖維屬此機理。
③減少與O2的接觸,即氣體沖淡理論。鹵系 阻燃劑屬此機理,燃燒時產生鹵化氫氣體,稀釋纖 維周圍的氧氣。
④減少可燃性氣體的產生,增加炭化物的形 成。多數磷—氮系阻燃劑及金屬絡合物阻燃劑屬 此機理,燃燒時產生炭渣,在纖維表面形成一隔熱 層,阻止熱量向纖維的擴散,從而達到阻燃的目的。
2 阻燃技術及阻燃性能測試
2·1 阻燃技術及阻燃機理
羊毛纖維的阻燃整理最初是利用無機硼酸、 磷酸及其鹽。這種整理方法為非耐久性整理,不 耐水洗,僅用于劇院的帷幕等;后來利用改性的四 羥甲基氯化磷(THPC)及其衍生物、氨基磺酸鹽對 羊毛進行阻燃整理,可達半永久水平;此后又發展 到利用鈦、鋯的氟絡合物、羧酸絡合物處理羊毛, 此法可達永久水平;為了滿足更高要求,后又開發 出羊毛與其它耐燃纖維混紡的耐高溫織物。本文 主要介紹耐久性阻燃整理技術。
2·1·1 與阻燃纖維混紡[13~14]
羊毛為天然難燃纖維,與其它纖維混紡可制成耐高溫織物,阻燃性能好,而且價格低廉,加工 簡單,廣泛用于防護服、床上用品、室內裝飾、地毯 等方面。目前市場上的耐高溫纖維有芳綸1313, 芳綸與羊毛混紡時比例超過30%時,極限氧指數 可達28以上,具有良好的阻燃性。耐高溫酚醛纖 維Kynol與羊毛混紡其含量達35%時,織物就具 有阻燃性。近來,歐洲市場上出現了阻燃粘膠纖 維Visil,經研究發現它非常易于與羊毛纖維混紡。 這種纖維含有高比例的二氧化硅和金屬,燃燒煙 霧很少,無毒,羊毛與之混紡可提高熱分解溫度, 達到阻燃目的。目前,此法已得到廣泛應用,混紡 時Visil含量約為60%左右。
2·1·2 金屬絡合物處理它是目前羊毛阻燃整理應用最為廣泛且最為 成熟的技術,主要采用鈦或鋯的氟絡合物,一般鈦(鋯)/氟克分子比為1∶6[15],如K2TiF6或K2ZrF6, 在酸性條件下(一般pH值控制在2·5左右),溫度 為70℃,處理30 min,這就是著名的“Zirpro”工 藝[1,3]。該項技術在染色前后或染色過程中均可 進行。其阻燃機理為,在酸性條件下,羊毛上氨基 變為氨基正離子,與阻燃劑陰離子發生反應產生 吸附,燃燒時可增加炭的形成,減少可燃性氣體的 產生,從而達到阻燃的目的[1,15~20]。反應式如下(以鋯鹽為例):
W—NH2(羊毛纖維) +H+→ W—NH+3,W—NH+3+ZrF2-6→W—NH+3·ZrF2-6。
此 外經過水洗,ZrF2-6水解成ZrOF2,氟鋯酸鹽在受熱 燃燒時,氟化物也逐步分解,溫度為300℃以上時 也產生ZrOF2,ZrOF2為很細微粒,本身不能燃燒, 能與羊毛纖維混合或覆蓋纖維表面,著火時阻止 可燃性裂解氣體大量逸出,從而起到阻燃作用。
整理時添加四溴苯酐(TBPA)約10%~15%(對織 物重);該添加劑也可與羊毛纖維發生反應,使阻 燃性進一步提高。經驗證,經鈦、鋯的氟絡合物整 理后,阻燃效果可耐50次硬水洗滌和干洗,為耐 久性阻燃整理[5]。研究還發現,經鈦絡合物整理 的織物比經鋯絡合整理的織物阻燃效果好,但引 起織物泛黃嚴重[5,9],所以常用鋯鹽整理。該項技 術的阻燃效果有目共睹,阻燃整理廢水中含有大量 重金屬離子,鈦、鋯造成了環境污染[1]。不久的將 來,此項技術勢必被環保型阻燃整理技術所替代.
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