论文部分内容阅读
棉纤维作为纺织工业中最重要的天然纤维,具有柔软、吸湿性高、穿着舒适以及亲肤性等优点。然而,棉纤维极易燃烧,很大程度上限制了它在对其阻燃性能有一定要求的领域中的应用。因此,科研人员对棉纤维进行阻燃整理和研究。近几十年来,对生态和环境的友好的含磷化合物已成为阻燃剂的研究热点。第一批棉用型有机膦系阻燃剂是基于交联四羟甲基磷盐和N-烷基取代的膦酰基丙酰胺衍生物,两种代表性阻燃剂四羟甲基氯化膦（THPC）和N-羟甲基-3-（二甲氧基膦酰基）丙酰胺（Pyrovatex CP）到目前为止仍占据主导地位。但经过该类阻燃剂处理的棉纤维在使用过程中释放甲醛。本文设计合成了三种棉用型氮磷阻燃剂,使用过程中无甲醛释放,该类阻燃剂的活性反应基团-P=O（NH4+）与棉纤维中的活性基团-OH发生接枝反应,形成P-O-C共价键。赋予阻燃棉纤维良好的耐久性,氮元素和磷元素之间的协同阻燃作用进一步提高了阻燃效率。本论文的主要研究工作如下:（1）以四乙烯五胺、甲醛以及亚磷酸为底物制备了四乙烯五胺七亚甲基叉膦酸,再用尿素进行氨化合成阻燃剂四乙烯五胺七亚甲基膦酸铵盐（ATEPAHP）,将合成的该阻燃剂用傅里叶变换红外光谱（FT-TR）,核磁共振氢谱（1H NMR）、碳谱(13C NMR)和磷谱(31P NMR)进行结构表征。采用传统的浸-轧-烘焙工艺制备阻燃棉纤维。通过热重分析（TG）、热重红外联用（TG-IR）、锥形量热、极限氧指数（LOI）、垂直燃烧、拉伸强度、硬挺度和X-射线衍射（XRD）等一系列测试,对阻燃棉织物的阻燃性能以及物理性能进行测试与评估。测试分析结果表明,经过20 wt%阻燃剂溶液整理的阻燃棉纤维极限氧指数值在洗涤前达到40.5%,50次洗涤后,其LOI值依然达到31.8%,远远高于纯棉的LOI值（18.5%）以及棉阻燃标准（>26%）,具有良好的阻燃性能以及耐洗性。整理后的阻燃棉在垂直燃烧测试中,出现明显的自熄现象;锥形量热数据显示,与纯棉相比,阻燃棉纤维的残碳量得到大幅度提高。扫描电镜结果显示,残碳的纤维结构表面有很多小气泡出现。此外,高温烘焙导致阻燃棉纤维的机械性能和白度略有下降,但并不影响在后续阶段的使用。该阻燃剂的优点是磷氮含量高,耐洗涤、高效阻燃。（2）以氨基丙基三乙氧基硅烷、甲醛、亚磷酸和尿素为原料合成氨丙基硅醇二甲叉膦酸铵（AASMP）,通过傅里叶变换红外（FT-TR）、核磁共振氢谱（1HNMR）、碳谱(13C NMR)和磷谱(31P NMR),对该化合物的结构进行表征分析。该阻燃剂分子中包含三种阻燃元素（N、P、Si）,起到协同阻燃效果。因此,该阻燃剂能赋予棉纤维更高效的阻燃性能。30%AASMP处理的阻燃棉纤维,在洗涤前,LOI值达到45.0%;50次循环洗涤（LCs）之后,LOI值依然维持在31.0%。热重与红外联用（TG-IR）进一步证实了在高温下阻燃棉产生的易燃性气体（如:醚类和羰基类等物质）的释放量远远低于纯棉,产生的不可燃气体（如水蒸气和氨气）释放量增大,起到稀释可燃物周围空气浓度的作用,提高阻燃效果。锥形量热测试结果显示,与纯棉相比,阻燃棉棉热释放速率峰值下降了96.5%。XRD测试结果表明该处理过程对棉织物的结晶度有轻微影响。与合成的第一种阻燃剂ATEPAHP相比,该阻燃剂由于其磷酸铵基团数量降低,高温整理时棉织物的机械性能也保持良好。硅元素的引入起到氮磷硅协同阻燃效果,用该阻燃剂整理的阻燃棉阻燃效果优异,在高温条件下具有良好的热稳定性和热氧化稳定性。（3）以二甘醇、磷酸和尿素为原料合成了环保型阻燃剂二膦酸二甘醇酯铵盐（ADGP）,用傅里叶变换红外（FT-TR）、核磁共振氢谱（1H NMR）、碳谱(13C NMR)和磷谱(31P NMR)对该阻燃剂的结构进行表征。通过极限氧测试（LOI）、锥形量热分析、扫面电镜（SEM）、元素能谱（EDS）分析以及拉伸强力测试对阻燃棉与对照棉的阻燃性、热稳定性、表面形貌以及机械性能进行对比分析。结果表明,洗涤前,40%ADGP处理的阻燃棉LOI值达到43.7%;50次洗涤（LCs）后,LOI值为32.5%。与纯棉相比,阻燃棉残碳量提高到42.6%。经阻燃整理的棉纤维表面和纯棉一样平整光滑,无破损出现。该阻燃剂溶液pH接近中性,对棉纤维结构损伤小,处理后的棉织物机械性能保持良好。该阻燃剂的合成过程简单易操作。与前两种阻燃剂相比,该阻燃剂在合成中避免了甲醛的使用。所用原料廉价易得,适用于工业化生产。