三乙醇胺磷酸酯銨鹽阻燃整理織物的性能研究

徐愛玲 王春梅

（南通大學，江蘇南通，226019）

棉織物作為一種天然紡織纖維，具有可生物降解、柔軟以及透氣性好等優點［1?2］，因此廣泛應用于床上用品、服裝等，但是棉織物極易燃燒，其極限氧指數僅為18%左右［3］，阻燃劑的應用可以減緩棉織物的燃燒并提高其安全性，阻燃棉織物燃燒時的現象可以由迅速燃燒轉變為穩定炭化。因此，賦予棉織物阻燃性能具有重要意義［4］。

三乙醇胺是一種無色至淡黃色透明黏稠液體，化學性質與其他胺類化合物相似，氮原子上存在孤對電子，孤對電子結合水中的H+，從而使水電離出OH－，因此三乙醇胺具有弱堿性，能夠與無機酸或有機酸反應生成鹽。磷?氮型阻燃劑以磷和氮為阻燃劑的有效活性成分，提高了棉織物的阻燃效果。磷、氮兩種元素對棉織物具有協同阻燃作用，在高溫下促進炭的生成，覆蓋在織物表面，從而中斷燃燒的連鎖反應，達到阻燃效果［5?6］。三乙醇胺磷酸酯銨鹽與常規磷?氮型阻燃劑相比，阻燃劑中磷和氮的含量較高且制備工藝高效簡單。該阻燃劑幾乎為中性，具有自緩沖性能，是一種高效、環保、耐用的棉織物阻燃劑［7］。本試驗采用三乙醇胺、磷酸以及尿素反應得到阻燃劑三乙醇胺磷酸酯銨鹽（以下簡稱TEAPEA），采用浸軋焙烘的方法對棉織物進行整理，研究TEAPEA 對棉織物性能的影響。

1 試驗部分

1.1 材料、藥品

材 料：棉 織 物（ 19.7 tex×19.7 tex ，236 根/10 cm×236 根/10 cm），由南通金仕達超微阻燃材料有限公司提供。

藥品：三乙醇胺、磷酸、尿素（分析純，廣東西隴化工廠），雙氰胺（化學純，上海凌峰化學試劑有限公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 TEAPEA 的合成

采用三乙醇胺、磷酸和尿素合成磷?氮型阻燃劑。首先將三乙醇胺和磷酸進行酯化反應，其次加入尿素進行銨化反應，反應物三乙醇胺、磷酸、尿素的摩爾比為1∶3∶3。具體過程如下：將三乙醇胺和磷酸混合于四口瓶中，在140 ℃下酯化反應2 h，得到黏稠的淺黃色液體三乙醇胺磷酸酯，待酯化產物冷卻后加入相應量的尿素，升高溫度至100 ℃，反應2 h 得到阻燃劑三乙醇胺磷酸酯銨鹽。

1.2.2 棉織物的阻燃整理

配方：TEAPEA 的濃度為250 g/L，雙氰胺用量為75 g/L。

工藝流程：配制整理液→二浸二軋（浸漬25 min，帶液率100%）→預烘（80 ℃，3 min）→焙烘（170 ℃，5 min）。

1.3 測試方法

織物白度：參照GB/T 17644—2008《紡織纖維白度色度試驗方法》，采用WSB?3 型智能式數字白度計進行測試。

拉伸斷裂強力：參照GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能 第1 部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測定（條樣法）》在電子織物強力儀上進行測定。

柔軟度：參照GB/T 18318.1—2009《紡織品彎曲性能的測定 第1 部分：斜面法》，采用織物硬挺度試驗儀在室溫下測定織物的抗彎長度。抗彎長度越小，柔軟度越好。

垂直燃燒：參照GB/T 5455—2014《紡織品燃燒性能垂直方向損毀長度、陰燃和續燃時間的測定》，對整理織物進行燃燒試驗和測試。

熱穩定性能：采用TG 209 F1 型熱重分析儀，將樣品在氮氣的氛圍下進行測試，測試溫度范圍為30 ℃～600 ℃，升溫速率為20 K/min。

耐水洗性能：根據AATCC 61—2013《耐洗色牢度：加速法》，使用耐洗牢度測試儀測定經阻燃整理織物的耐水洗牢度。洗滌劑濃度為3.7 g/L，水洗溫度為40 ℃，水洗45 min。洗滌時放入10 顆鋼珠，相當于家庭洗滌5 次。

采用NICOLET IS10 型傅里葉紅外光譜儀對試樣進行光譜掃描。掃描范圍為4 000 cm-1～500 cm-1，分辨率為2.0 cm-1。

采用GeminiSEM 300 型超高分辨率場發射掃描電子顯微鏡，觀察在不同放大倍數下織物的表面形貌。

2 結果與討論

2.1 整理前后織物化學結構分析

圖1 為棉織物阻燃整理前后的紅外光譜圖。

圖1 未整理與整理后織物的紅外光譜圖

由圖1 可知，未整理棉織物的紅外光譜中，在3 340 cm-1附近的峰為—OH 的伸縮振動峰，在2 905 cm-1附近的峰為—CH 的吸收振動峰，在1 050 cm-1附近的峰為C—O 的吸收振動峰，在1 658 cm-1附近的峰為C=O 的吸收振動峰，這些是纖維素纖維常見的特征吸收峰。由整理后棉織物的紅外光譜曲線可知，在3 160 cm-1附近為—NH2的吸收振動峰，在1226cm-1附近為P=O的吸收振動峰，在930cm-1附近為P—O—C 的振動吸收峰，在770 cm-1附近為P—N 的振動吸收峰。將未整理棉織物與阻燃整理織物進行比較，可以明顯地觀察到由TEAPEA引起的新特征峰，而且P—O—C 鍵的出現證實了三乙醇胺磷酸酯胺鹽接枝在棉織物上。

2.2 織物的熱穩定性分析

圖2 為阻燃整理前后棉織物的熱重曲線圖。

圖2 阻燃整理前后棉織物的熱重曲線

由圖2 可知，未整理棉織物的主要裂解溫度范圍為283 ℃～400 ℃，此時棉織物分解最快，600 ℃時殘余炭量只有21.81%；整理棉織物的主要裂解溫度范圍為180 ℃～317 ℃，起始裂解溫度和終止裂解溫度與未整理棉織物相比都有所降低，這是因為織物上的阻燃劑分解溫度較低，600 ℃時織物的殘余炭量為46.96%，比未整理棉織物提高25.15 個百分點；整理織物經20 次水洗后，仍保持著較好的熱穩定性，主要裂解溫度范圍介于未整理棉織物與整理織物之間，且600 ℃時的殘余炭量高達40.30%，具有較好的成炭性能。由此可以說明，TEAPEA 可以提高棉織物的熱穩定性，延緩織物裂解。

2.3 阻燃整理前后織物表面形貌

2.3.1 整理前后棉織物的掃描電鏡照片

圖3 為棉織物整理前后的掃描電鏡照片。

圖3 阻燃整理前后棉織物的掃描電鏡照片（×3 000）

由圖3 可以觀察到，未整理的棉纖維呈不規則的卷曲狀，且纖維表面有明顯的溝壑；阻燃整理后，纖維表面附著了一層均勻致密的阻燃劑，纖維之間有明顯的阻燃劑交聯；而整理織物經20次標準洗滌之后，織物表面的阻燃劑有些許脫落，但是仍有大量的阻燃劑附著在織物上。

由X 射線能譜分析可知，整理前棉織物含有86.1%的C 元素和13.9%的O 元素，經阻燃整理的織物上除了含有棉織物最基本的C 元素（30.0%）、O 元素（28.3%）外，還包含了大量阻燃劑的P 元素（24.9%）和N 元素（16.9%），整理織物經20 次水洗后仍含有大量的P 元素（15.8%）和N 元素（3.0%），同時還增加了洗滌劑中所含的Na 元素（3.1%）和Mg 元素（1.1%），C 元素和O 元素占比分別為49.3%和27.7%。由此可以推斷阻燃劑進入到織物內部，與棉纖維產生了交聯，有一定的耐水洗性能。

2.3.2 整理棉織物燃燒殘渣的掃描電鏡照片

圖4 為整理織物燃燒殘渣的掃描電鏡照片。

圖4 棉織物燃燒殘渣的掃描電鏡照片（×3 000）

由圖4 可知，整理織物燃燒后的纖維形態保持完整，表面有緊致的炭層。而普通未整理棉織物燃燒時續燃時間長，纖維燃燒后化為灰燼，無完整纖維殘留。同時由X 射線能譜測試結果可知，整理織物的燃燒殘渣含有大量的P 元素（12.9%）和N 元素（8.9%），C 元素和O 元素占比分別為55.5%和22.7%；整理織物經20 次水洗后，燃燒殘渣含有的C 元素、O 元素、P 元素、N 元素、Na 元素和Mg 元素分別為44.0%、32.5%、13.9%、1.2%、7.5%和0.9%。整理織物燃燒時纖維表面有大量氣泡產生，這是因為整理織物含有N 元素，在織物燃燒過程中形成氨氣釋放，燃燒炭層覆蓋在纖維上有效保護了纖維，由此可知經TEAPEA 阻燃整理的棉織物具有較好的阻燃性能和耐水洗性能。

2.4 整理織物的物理性能

整理前后織物的物理機械性能如下。

從此可以看出，經阻燃整理后棉織物的白度、抗彎長度和斷裂強力均有所下降，但下降不多，可以滿足服用要求。

2.5 整理織物的耐水洗性能

按照標準水洗工藝，對阻燃整理棉織物依次進行5 次、10 次、15 次、20 次、25 次水洗，測定織物的阻燃性能，試驗結果見表1。

表1 阻燃整理棉織物耐水洗性能

由表1 可知，隨著水洗次數的增加，棉織物的碳長增加，阻燃效果逐漸下降，水洗25 次后的棉織物沒有阻燃效果。這是因為三乙醇胺磷酸酯銨鹽含有親水性基團，水洗過程中基團解離導致阻燃劑溶解在水中，織物上的阻燃劑含量下降，導致阻燃性能下降。由此可知，三乙醇胺磷酸酯銨鹽可以作為一種半耐久性阻燃劑對織物進行整理。

3 結論

（1）通過紅外光譜、掃描電鏡、熱重分析可知，TEAPEA 接枝到棉織物上，且整理棉織物具有良好的熱穩定性及阻燃性。

（2）棉織物阻燃整理后的白度、抗彎長度和斷裂強力均有所下降，但下降不多，可以滿足服用要求。

（3）棉織物經阻燃整理后，整理織物的碳長僅為3.7 cm，經20 次標準洗滌后，碳長為16.1 cm，且無陰燃和續燃，說明TEAPEA 具有一定的耐水洗性能。