阻燃整理劑與抗菌織物的耦合作用研究

劉其思,張若璧,張 華,陳珺嫻,張天驕*

(1.北京服裝學院 材料設計與工程學院,北京 100029; 2.中國人民解放軍軍事科學院系統工程研究院,北京 100010)

目前,功能紡織品正由單一功能不斷向多功能一體化方向發展。由于紡織品的微孔結構為細菌、真菌滋生提供了便利條件,且大多數紡織材料極易燃燒[1],抗菌/阻燃多功能性紡織品的研發越來越受到重視。目前,原位共聚、纖維混紡[2]、表面接枝[3]、后整理法[4-5]等多種改性方法均已被用于多功能紡織品的開發,其中后整理法流程相對簡單,可以同時賦予織物抗菌/阻燃性能,因此在工業應用中受到廣泛重視。

紡織用阻燃整理劑種類很多,尤以鹵系、磷系、氮系、膨脹型阻燃劑最為常見,其中以磷、氮為主要成分的膨脹型阻燃劑具有無鹵、高阻燃性、低煙低毒等優點,是環保型阻燃劑之一,也是目前產品開發中應用較為廣泛的阻燃劑[6]。

抗菌織物是具有抑菌和殺菌特性的織物,可以分為天然抗菌織物、原料抗菌織物及后整理抗菌織物。天然抗菌織物由具有抗菌性能的天然纖維紡織形成;原料抗菌織物是將具備抗菌性能的纖維與常用纖維紡織形成;后整理抗菌織物則是對織物進行抗菌整理,使其具有抗菌性能,如陰離子抗菌整理、季銨鹽類抗菌整理等[7]。

目前抗菌/阻燃多功能紡織品的研發大多集中在提高抗菌及阻燃的功效或耐久性(耐洗性)上[8-11],尚未有涉及織物抗菌性能與阻燃功能之間相互作用的研究。為了能對工業生產中多功能織物的設計與開發提供一定的參考,作者選取應用較為廣泛的2類阻燃劑分別對3種不同抗菌機理的抗菌織物進行整理,探討阻燃劑與抗菌織物之間的耦合關系及作用原理。

1 實驗

1.1 原料與試劑

織物:1#織物為對照試樣,100%滌綸面料;2#織物為原料抗菌織物,50/50改性滌綸/滌綸面料,改性滌綸采用金銅鋅三元異質結抗菌劑原位聚合;3#織物為后整理抗菌織物,采用陰離子抗菌整理,100%滌綸面料;4#織物為后整理抗菌織物,采用有機硅季銨鹽抗菌整理,100%滌綸面料。4種織物均為自制。

Doher-6509阻燃劑:有機磷酸酯類,標記為A#阻燃劑,東莞市道爾新材料科技有限公司產;Doher-6510阻燃劑:有機磷氮類,標記為B#阻燃劑,東莞市道爾新材料科技有限公司產。

營養瓊脂、牛肉膏、蛋白胨:北京奧博星生物技術有限公司產;大腸桿菌:上海魯微科技有限公司產。

1.2 設備與儀器

DHG-9245AL型電熱恒溫鼓風干燥箱:北京陸?？萍加邢薰局?OI-2-X氧指數分析儀:美國Deatak公司制;LRH-250生物恒溫培養箱:北京陸希科技有限公司制。

1.3 實驗方法

阻燃劑溶液配制:根據阻燃劑的使用說明書要求,將A#阻燃劑配制成濃度為150 g/L的溶液,B#阻燃劑配置成濃度為350 g/L的溶液。

織物整理:將對照織物與抗菌織物浸入阻燃劑溶液中,浸泡2.5 h后取出,放入干燥箱中在120 ℃下烘烤10 min。

1.4 分析與測試

極限氧指數(LOI):按照GB/T 5454—1997《紡織品 燃燒性能試驗 氧指數法》的規定要求,測試試樣在氧、氮混合氣流中進行有焰燃燒所需的最低氧濃度,以氧氣百分含量表示最低氧濃度值。通常LOI越大,織物燃燒所需氧含量越多,阻燃效果越好。

垂直燃燒性能:按照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》的規定,測試試樣經向與緯向的續燃時間、陰燃時間及損毀長度,然后計算其平均續燃時間、陰燃時間和損毀長度。

抑菌率:按照GB/T 20944.2—2007《紡織品 抗菌性能的評價 第2部分:吸收法》的規定進行測試,分別使用實驗菌液對試樣與對照樣進行接種、培養,再分別進行立即洗脫和培養后洗脫,測定洗脫液中的細菌數,計算抑菌率,以此評估試樣的抗菌效果。

2 結果與討論

2.1 阻燃性能

2.1.1 LOI

3種抗菌織物及對照織物阻燃整理前后的LOI測試結果如表1所示。從表1可以看出,1#純滌綸織物整理前LOI為18.4%,經A#和B#阻燃劑整理后阻燃性能有了明顯的提高,LOI分別提高了20.7%和28.3%,說明A#和B#阻燃劑及整理工藝對滌綸織物適用、有效。A#阻燃劑屬于有機磷酸酯類阻燃劑,阻燃機理是凝聚相和氣相綜合作用。凝聚相阻燃是通過降低聚合物的降解速率或者減少可燃性氣體的產生來發揮阻燃作用。氣相阻燃機理是產生大量不燃性揮發物,不燃性揮發物起到稀釋作用,并且降低表面熱量;同時,氣相阻燃可以捕捉活性大的自由基HO·和H·,從而抑制自由基發生連鎖反應[12]。B#阻燃劑屬于膨脹型阻燃劑,受熱分解生成偏磷酸或聚偏磷酸,酸性物質可促進聚合物脫水形成炭,并且玻璃狀的薄層聚偏磷酸也會覆蓋在殘炭層表面,抑制炭層進一步氧化;分解出的不燃性氣體則可稀釋可燃性氣體,減緩燃燒的蔓延,促進膨松炭層的形成[13]。

表1 阻燃整理前后織物的LOI

從表1還可以看出:2#、3#、4#抗菌織物整理前的LOI均略高于純滌綸織物,為20.0%～20.2%,這可能是抗菌整理劑在纖維之間的填充效應引起的變化,也可能是由于金屬離子類抗菌成分起到了一定的阻燃作用;經A#和B#阻燃劑整理后,2#、3#、4#抗菌織物的LOI均有不同程度的提高,其中最為突出的是2#織物,經B#阻燃劑整理后其LOI提高了50.7%,表現出明顯的協同作用,其原因是2#織物中含有金銅鋅三元異質結抗菌成分,在燃燒過程中金屬離子對B#阻燃劑中有機磷的降解起到了催化作用[11],加速其脫水成炭,從而大幅提高了織物的阻燃性能;3#與4#織物經阻燃整理后,LOI的提高程度較小,低于對照織物的變化率,這可能是因為二者皆為后整理抗菌織物,再進行阻燃整理時,纖維和紗線的吸附能力受限,固著的阻燃劑較少,從而無法大幅提高阻燃效果。

2.1.2 垂直燃燒性能

3種抗菌織物及對照織物阻燃整理前后的垂直燃燒性能列于表2。從表2可以看出:2#織物經B#阻燃劑整理后,損毀長度明顯減少,續燃時間亦大幅縮短,變化顯著,表現出明顯的協同阻燃效果;2#織物經A#阻燃劑整理后,也表現出較短的續燃時間和較小的損毀長度,與其具有較高的LOI(24.1%)一致;3#和4#織物整理前后燃燒性性能均沒有明顯改善。

表2 不同類型阻燃劑整理后織物的垂直燃燒性能

2.2 抗菌性能

以吸收法測得的抗菌織物阻燃整理前后的大腸桿菌抑菌率列于表3。

表3 不同類型阻燃劑整理后織物的抑菌率

從表3可以看出:1#純滌綸織物經A#阻燃劑整理后,抑菌率仍為0,說明有機磷酸酯類阻燃劑無抗菌功能,但經B#阻燃劑整理后,織物抑菌率達到92.2%,說明有機磷氮類阻燃劑同時具有顯著的抗菌作用,這是由于有機磷氮類阻燃劑中含有一定量帶正電荷的N+離子,吸附在細菌表面可破壞細胞壁,導致細胞死亡[14-15];2#、3#、4#織物均為抗菌織物,本身即具有較高的抑菌率,分別為98.2%、95.3%、96.3%,但2#織物經B#阻燃劑整理后,抑菌率出現異常,降至42.3%,二者在抗菌性能方面表現出較大的拮抗作用,其原因是2#織物中的抗菌活性來源于纖維中金銅鋅三元異質結所產生的特殊微電場,而B#阻燃劑主要成分為有機磷氮化合物,P—N元素可填補電子空穴,破壞原微電場,從而導致織物的抑菌能力下降。

由于有機磷氮類阻燃劑與金銅鋅三元抗菌織物之間同時存在協同阻燃效應和抑菌性的拮抗作用,二者結合并不能得到滿意的阻燃、抗菌產品。綜合比較整理后織物的阻燃和抗菌效果,可以看出,經有機磷酸酯類阻燃劑整理的金銅鋅三元抗菌織物具有較高的LOI和較好的垂直燃燒性能,同時還能保持較高的抑菌率,成為優選的復合功能織物,說明有機磷酸酯類阻燃劑與金銅鋅三元抗菌織物具有較好的配合效果。

3 結論

a.有機磷氮類阻燃劑對金銅鋅三元抗菌改性滌綸織物進行處理可以顯著提高織物的LOI和垂直燃燒性能,二者存在顯著的協同阻燃效應。

b.有機磷氮類阻燃整理劑能賦予純滌綸織物抗菌功能,但對金銅鋅三元抗菌改性滌綸織物進行整理時,會使織物的抗菌性大幅下降,兩者之間存在針對抗菌功能的拮抗作用。