疏水阻燃剂的设计合成及其对棉织物的整理研究

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棉织物广泛用于各产业和生活中,但棉织物易燃,具有潜在的火灾风险,因此对棉织物进行阻燃整理对棉织物的安全使用具有重要意义。目前在染整行业中大规模应用的主要是Proban阻燃剂和Pyrovatex CP阻燃剂。分别是四羟甲基氯化膦和N-羟甲基-3-(二甲氧基膦酰基)丙酰胺,可以赋予棉织物较好的阻燃性和耐洗性,但这两种阻燃剂在使用过程中会释放对人体有害的甲醛。近年来,对阻燃剂新型活性基团及新型整理技术的研究成为国际国内研究热点,如基于含烯烃基团阻燃剂的紫外线引发聚合(UV-curable)整理,基于三聚氯氰活性基团的阻燃整理剂,基于含有硅烷基团的溶胶-凝胶整理(sol-gel)和基于正负纳米粒子的层层自组装(layer-by-layer)等,这些整理方法的阻燃性和耐洗性还不能完全满足市场需要。基于此,本文设计并合成了一种阻燃效率高,不释放甲醛,具有自缩聚性的阻燃剂,并将其整理到了棉织物上,赋予棉织物良好的阻燃性和耐洗性。同时,一些领域要求棉织物不仅具有阻燃性还同时具有疏水性,这一类的棉织物不易燃且具有自清洁性,不易滋生细菌,并且其对阻燃的耐洗性要求不高,如窗帘,沙发布,汽车坐垫等。但是,对于既疏水又阻燃的整理方法鲜有报道。传统的方法是使用阻燃整理加疏水整理两道工艺生产,疏水整理剂主要是含氟化合物,而氟元素对环境和人体都有一定危害性。因此,本文设计并合成了不含氟的疏水阻燃整理剂,以期通过一次性整理制备出既疏水又阻燃的双重功能棉织物。本文的主要工作如下:(1)N-乙醇基-N-亚甲基膦酸铵-N-乙基磷酸酯铵(ACMPEP)阻燃剂的合成及其对棉织物上的整理以二乙醇胺,甲醛,磷酸,亚磷酸,尿素为原料合成了一种含-OH基团和反应性基团-P=O(ONH42的新型阻燃剂。该阻燃剂能通过-P=O(ONH42与棉织物发生接枝反应,还能通过-P=O(ONH42与自身的-OH发生缩合酯化反应,通过核磁共振谱(NMR)对ACMPEP结构进行了表征,并通过傅里叶红外光谱(FTIR)分析证实了其成功接枝在了棉织物上。在高温整理过程中,阻燃剂不仅与纤维素反应生成P-O-C共价键,而且还发生了自缩聚反应。结果表明,经该阻燃剂处理的棉织物具有较高的阻燃性和良好的耐洗性。经30%浓度的ACMPEP处理后的棉织物极限氧指数(LOI)值提高到42.0%。经50次洗涤后的棉织物其LOI值达到30%。热重(TG)分析表明,ACMPEP改变了棉织物的分解途径。热重-红外光谱联用(TG-FTIR)结果表明,阻燃棉织物可燃气体的释放量明显减少。锥形量热测试结果表明,整理后棉织物的热释放速率(HRR)和热释放总量(THR)显著降低。整理后的棉纤维结构和表面形态保持良好。整理后棉织物的强力有所下降,硬挺度提高。综上所述,ACMPEP可以作为一种高效耐久的棉织物阻燃剂。(2)N,N-二甲基膦酸十八酯丙烯酰胺(NDOPA)疏水阻燃剂的合成及其对棉织物上的整理采用丙烯酰胺,甲醛,十八醇,亚磷酸为原料设计合成了一种含有烯烃活性基团的新型无氟疏水阻燃整理剂,并通过NMR表征了NDOPA的结构。整理后的棉织物同时具有疏水和阻燃两种性能。FTIR表明,NDOPA与棉纤维反应生成C-O-C共价键。经10%浓度的NDOPA溶液整理后的棉织物的水接触角(WCA)可达157.5°,达到了超疏水性的标准。同时,经过整理后的棉织物在垂直燃烧测试中能够保存完整的炭架。经30次洗涤后,棉织物的水接触角维持在149.5°。垂直燃烧测试表明,处理后的棉织物在30次洗涤后仍能保持基本完整的炭架。TG测试结果表明,整理后棉织物的炭残留量有大幅度提升。FTIR和EDX分析表明,整理剂与棉纤维形成共价键结合。因此,棉织物具有一定的疏水性和阻燃性。XRD和SEM分析表明,整理棉织物的结构和表面形貌保持良好。NDOPA整理剂可作为一种耐久、环保的棉用疏水阻燃剂。(3)十八烷基磷酸酯铵疏水阻燃剂(AMOP)疏水阻燃剂的合成及其在棉织物上的应用以十八醇,磷酸,尿素为原料合成了环保型疏水阻燃剂十八烷基磷酸酯铵(AMOP),其结构通过1HNMR、13CNMR和31PNMR进行表征。AMOP可以同时赋予棉织物阻燃和超疏水性能。处理后棉织物的WCA和LOI可以分别达到161.8°和27%。经过30次洗涤后,棉织物的疏水性保持良好。TG和TG-FTIR分析表明,AMOP改变了棉纤维的热分解路径,处理样品在热分解过程中释放的可燃气体较少。锥形量热测试结果表明,处理棉的THR和HRR的值明显低于对照棉。FTIR和EDX分析表明,AMOP通过P-O-C基团成功接枝到棉织物上。SEM的结果显示,AMOP会使棉织物表面变粗糙。处理棉织物的断裂强度略有下降。经AMOP整理后的棉织物具有更加优异的疏水和阻燃性。
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