新型磷氮阻燃剂的合成及工艺研究

汪季娟，陈曜扬，杨兰花

（义乌检验检疫科学技术研究院，浙江义乌 322000）

近年来，随着人们对阻燃要求的提高和环保意识的增强，磷氮系阻燃剂因具有磷氮协同作用，可以有效克服单一磷阻燃剂和氮阻燃剂存在的缺陷，具有低烟、低毒、高效等优点，从而成为当前研究的热门[1-2]。其阻燃机理是磷氮阻燃剂在受热时生成均匀致密的炭质层，起到隔热、隔氧、阻燃和抑烟的作用，并可有效阻止滴落现象，制止火焰的传播和蔓延[3]。磷氮系阻燃剂是目前最具有发展前途的新型无卤阻燃剂。

棉织物因其优异的物理机械性能，较好的吸湿性，穿着舒适等优点，受到了人们的青睐。但棉的LOI值仅为18%左右，属于易燃纤维。因此，对棉织物的阻燃研究一直是纺织界的热点[4]。本实验以三聚氯氰、羟乙基磺酸钠和磷类化合物DOPO为原料，合成了具有反应活性的磷氮阻燃剂YW-612，YW-612的氯原子可以被纤维素纤维中的阴离子取代，类似于发生活性染料的固色反应，从而达到耐久性阻燃的目的。

1 实验

1.1 材料

棉织物：全棉织物（纱卡）。

药品：三聚氯氰，分析纯,广东翁江化学试剂有限公司；羟乙基磺酸钠，化学纯，广东翁江化学试剂有限公司；9、10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物（简称DOPO）化学纯,广东翁江化学试剂有限公司；无水硫酸钠，分析纯，浙江三鹰化学试剂有限公司；无水碳酸钠，分析纯，浙江三鹰化学试剂有限公司；氢氧化钠，分析纯，浙江三鹰化学试剂有限公司。

1.2 仪器

C-MAG S25电动搅拌器（艾卡仪器），GM0.5真空泵（天津津腾），XMTD-702恒温水浴锅（金坛市精工仪器），AL204-Ic电子天平（梅特勒-托利多），fd53恒温干燥箱（德国宾德），YG813D数显氧指数测定仪（常州二纺仪），FOM71CLS缩水率试验机（瑞典伊莱克斯）。

1.3 磷-氮阻燃剂YW-612的合成

磷-氮阻燃剂YW-612的合成途径为：

一氯均三嗪类化合物和纤维素离子Cell-O-在水中的反应过程为：

其中氯原子被纤维素阴离子取代，类似于染料的固色反应。

1.4 磷氮阻燃剂YW-612的整理工艺

用制备的磷氮阻燃剂YW-612作为整理剂，对纯棉织物采用浸渍法整理，具体工艺过程如下：室温条件下，在溢流染色机中配好工作液（整理剂0～20%，o.w.f），然后加入织物，浴比1∶20，并以2 ℃/min的速率升温至50～70 ℃，然后加入无水硫酸钠，保温20～40 min；保温结束后加入无水碳酸钠，并继续以2 ℃/min的速率升温至70～90 ℃，保温20～40 min；保温结束后排液，室温下清水洗2次，然后烘干。

1.5 测试标准

氧指数法阻燃性能：根据GB/T 5454-1997《纺织品燃烧性能试验氧指数法》测试。

整理织物洗涤条件：按照GB/T 8629-2017《纺织品 试验用家庭洗涤和干燥程序》程序5N，悬挂晾干进行。

2 结果与讨论

2.1 整理工艺正交实验

磷氮阻燃剂YW-612结构中含有活性氯，在一定条件下能够与纤维织物结构中的羟基发生反应，从而赋予织物阻燃耐久性。本文以织物的极限氧指数LOI为测试指标，选择纯棉纱卡为测试织物，整理剂用量为10%织物重，浴比1∶20，采用6因素5水平正交实验，研究了吸附温度（A）、吸附时间（B）、固着温度（C）、固着时间（D）、无水硫酸钠用量（E）和无水碳酸钠用量（F）等因素对整理工艺的影响。正交实验因素水平表和实验结果分别见表1和表2。

表1 正交实验因素水平表

由表2可以看出，整理过程中影响织物极限氧指数LOI的因素由高到低的顺序为无水硫酸钠用量（E）＞固着温度（C）＞无水碳酸钠用量（F）＞固着时间（D）＞吸附温度（A）＞吸附时间（B）。其中5#工艺效果最好，得到的极限氧指数LOI为30.2，即优化条件为A1B5C5D5E5F5，与之对应的整理工艺为：吸附温度50 ℃，吸附时间40 min，固着温度90 ℃，固着时间40 min，无水硫酸钠用量40 g/L，无水碳酸钠用量35 g/L。

2.2 阻燃剂用量对织物阻燃性能的影响

按优化的整理工艺参数进行实验，考察了阻燃剂用量对织物阻燃性能的影响，结果见图1。

表2 正交实验结果

图1 阻燃剂用量和极限氧指数LOI关系图

一般认为，材料的氧指数＜22%属于易燃材料，22≤氧指数≤27属于缓燃材料，＞27属于阻燃材料。

由图1可以看出，极限氧指数LOI与阻燃剂用量成正比，极限氧指数LOI越高，表示织物阻燃性能越好。当用量达到15%o.w.f以上时，随着用量的增加，阻燃效果无明显改善。且当用量较大时，整理后织物的强力损伤较大、手感较差，综合考虑，确定阻燃剂最佳用量为15%o.w.f。

2.3 整理织物阻燃耐久性能

选取阻燃剂浓度为15%o.w.f，按照正交试验所得的优化工艺对纯棉织物进行阻燃整理，考察洗涤次数对织物阻燃性能的影响。结果见图2。

图2 水洗次数对织物阻燃性能的影响

从图2实验结果可知，随着水洗次数的增加，极限氧指数开始下降比较快，当次数达到30次以上时，变化趋于平缓。经20次水洗后，极限氧指数为27.9，属于难燃织物；经50次水洗后织物的极限氧指数仍可达到26.0，具有一定的阻燃性能，说明整理后织物具有较好的耐久性，同时也验证了该磷氮阻燃剂YW-612为耐久性阻燃剂。

3 结论

（1）以三聚氯氰、羟乙基磺酸钠和磷类化合物DOPO为原料合成了具有反应活性的磷氮阻燃剂YW-612，YW-612的氯原子可以和纤维素纤维中的羟基发生反应，从而达到耐久性阻燃的目的。

（2）用合成的阻燃剂YW-612对纯棉织物进行阻燃整理，通过6因素5水平正交实验确定了最佳整理工艺，其对应的最佳整理工艺参数为：吸附温度50 ℃，吸附时间40 min，固着温度90 ℃，固着时间40 min，无水硫酸钠用量40 g/L，无水碳酸钠用量35 g/L。

（3）采用优化的整理工艺参数进行实验，考察阻燃剂浓度对整理涤纶织物的阻燃性能影响，确定整理最佳浓度为15%o.w.f。

（4）通过对阻燃整理后的织物进行一定次数水洗并测试极限氧指数，发现经50次水洗后织物仍具有一定的阻燃性能，说明整理后织物具有较好的耐久性，该磷氮阻燃剂YW-612为耐久性阻燃剂。