Mg(OH)2阻燃棉织物的制备及阻燃性能

臧莉静，张 静

（邢台职业技术学院，河北邢台 054035）

棉纤维是最常用的天然纤维，具有来源丰富、柔软、吸湿透气、隔热耐热的特点，广泛应用于服装面料和装饰织物等。但棉织物具有易燃性，极限氧指数约为18%，限制了其在阻燃功能纺织品中的应用，因此，赋予棉织物一定的阻燃性能对于扩展其应用范围和保障人身安全具有重要意义［1-3］。常用的棉织物阻燃剂可分为有机阻燃剂和无机阻燃剂，有机阻燃剂可能会释放甲醛、二氯甲醚等有害气体，整理后的棉织物手感较差。相比之下，无机阻燃剂具有不挥发、不产生有毒有害气体的特点，因而成为较常用的环保型阻燃剂［4-7］。为了更好地实现无机阻燃剂与有机纤维材料结合，常用方法为制备超细无机阻燃剂后再进行表面改性，以提高无机纳米材料的分散性能，然后加入聚合物纺丝液中或涂覆在纺织品上，但这种制备工艺成本较高、过程复杂，分散性较差或不能有效地实现阻燃效果等［8-9］。Mg(OH)2是一种无毒无害、具有抑烟能力的无机环保阻燃剂，因较高的分解温度而具有良好的阻燃性能［10］。

本研究以MgCl2为原料制备Mg(OH)2晶种，采用二次生长法得到Mg(OH)2负载棉织物（阻燃棉织物），并测试阻燃棉织物的表面形貌和阻燃性能。

1 实验

1.1 材料与仪器

材料：棉织物（400 mm×100 mm），六水氯化镁，氨水，乙醚，柠檬酸，次亚磷酸钠。

仪器：D2 PHASER 型X 射线衍射仪（XRD），Q500型热重分析仪（TG），SU1510 型扫描电镜（SEM），CCT型锥形量热仪（CONE），YG815型垂直燃烧仪（VET）。

1.2 Mg(OH)2晶种溶液的配制

将200 mL 去离子水加入烧瓶并置于40 ℃恒温水浴中，利用氨水调节pH 为10，按体积比1∶1 逐滴滴入0.1 mol/L MgCl2溶液和0.2 mol/L 氨水溶液，滴加结束后继续搅拌陈化2 h，得到Mg(OH)2晶种溶液。

1.3 棉织物改性

利用乙醚洗涤棉织物，以去除棉织物上的油脂；称取一定量柠檬酸和次亚磷酸钠溶解在烧杯中，将洗涤后的棉织物浸没其中，取出后在80 ℃下烘干10 min，再在160 ℃下焙烘5 min，用去离子水清洗3 次，烘干后备用。

1.4 Mg(OH)2负载棉织物

将晶种溶液稀释后加入烧杯中，并置于40 ℃恒温水浴振荡器中，加入氨水调节pH 为10，将改性棉织物浸没其中，保温30 min 后用去离子水清洗3 遍。将带有Mg(OH)2晶种的棉织物浸没于0.1 mol/L MgCl2溶液中，加入一定量氨水，在40 ℃水浴恒温振荡器中反应2 h，取出后在80 ℃下烘干，得到Mg(OH)2负载棉织物。

1.5 测试

阻燃性能：按GB/T 5455—1997《纺织品 燃烧性能试验垂直法》测试。

耐水洗性能：按AATCC 124—2001《多次家庭洗烫后织物的外观》测试，洗衣粉用量2 g/L，浴比1∶30，洗涤温度45 ℃，洗涤时间30 min，烘干温度60 ℃。

2 结果与讨论

2.1 表征

2.1.1 XRD

图1b 中，棉织物在2θ=14.8°、16.3°、22.6°和34.3°处的衍射峰分别对应于纤维素Ⅱ晶体的(101)、(101ˉ)、(002)和(040)晶面。图1c 中，除了棉织物的衍射峰外，在2θ=18.7°、33.1°、38.1°、50.7°、58.6°、61.9°和68.4°处还出现新的衍射峰，分别对应于Mg(OH)2的(001)、(100)、(101)、(102)、(110)、(111)和(103)晶面，表明成功制备出六方结构的Mg(OH)2负载到棉织物表面，并且棉织物和Mg(OH)2的特征峰没有明显变化，说明两种成分在晶体结构上基本不受对方影响。

图1 Mg(OH)2(a)、棉织物(b)和Mg(OH)2负载棉织物(c)的XRD 图谱

2.1.2 SEM

由图2 可知，棉织物纤维表面较光滑，无明显附着物；经过Mg(OH)2整理后，棉织物纤维表面凹凸不平，存在明显的附着物，附着物几乎完全包覆棉织物纤维，结合XRD 图谱分析，Mg(OH)2成功附着在棉织物纤维表面。

图2 棉织物(a)和Mg(OH)2负载棉织物(b)的SEM 图

2.1.3 热失重

由图3、表1 可以看出，棉织物的初始分解温度为314.1 ℃（质量损失10%），最快分解温度为361.9 ℃，分解温度区间主要为300～380 ℃，600 ℃时棉织物的残炭率为11.2%。Mg(OH)2负载棉织物在100 ℃时存在一定的质量损失，这是由于棉织物表面Mg(OH)2吸收的水分蒸发，初始分解温度降低为253 ℃（质量损失10%），最快分解温度为313 ℃，分解温度区间集中在230～350 ℃，600 ℃时Mg(OH)2负载棉织物的残炭率达到23.7%。相比纯棉织物，Mg(OH)2负载棉织物的分解温度区间增大［11］，且主要分解温度降低，这是由于Mg(OH)2受热分解，生成MgO 和水覆盖在棉织物纤维表面，达到隔热隔氧效果，抑制了棉织物分解，棉织物的降解难度增大。另外，Mg(OH)2受热分解产生的MgO和水使棉织物的主要分解温度提前到230～350 ℃，棉织物的成炭率提高，残炭率提高，说明Mg(OH)2负载棉织物具有良好的热稳定性。

图3 棉织物(a)和Mg(OH)2负载棉织物(b)的TG 和DTG 曲线

2.2 燃烧性能

由表1 可看出，纯棉织物的峰值热释放速率和总热释放量分别为211.2 kW/m2和6.73 mJ/m2，Mg(OH)2负载棉织物的峰值热释放速率和总热释放量分别为73.4 kW/m2和4.78 mJ/m2。Mg(OH)2负载棉织物的阻燃机理：在高温环境下，Mg(OH)2分解成水和MgO，水在高温下快速蒸发，能够吸收大量热量并隔绝织物燃烧产生的可燃气体，避免可燃气体与外界氧气接触，抑制燃烧；MgO 耐高温，生成的MgO 快速覆盖在棉织物表面，避免火焰直接接触棉织物而使之燃烧。此外，Mg(OH)2负载棉织物的二氧化碳平均释放量由纯棉织物的3.1 kg/kg 降低为0.4 kg/kg，表明棉织物负载Mg(OH)2后抑烟性能大大提高，这是由于Mg(OH)2在预燃区和燃烧区的阻燃作用较小，阻燃作用主要集中在固体降解区，可减少可燃物和烟雾的生成［12］。

表1 棉织物和Mg(OH)2负载棉织物的燃烧性能

2.3 阻燃性能

由图4、表2 可以看出，纯棉织物的损毁长度为13 cm，Mg(OH)2负载棉织物的损毁长度明显减小，仅为5 cm；燃烧结束后，棉织物表面均匀地覆盖着致密的阻燃层，在纤维表面存在颗粒状物质，这可能是因为Mg(OH)2在高温下分解生成MgO，棉织物纤维较好地保存了原有的形貌结构。火焰移开后，纯棉织物的明火燃烧持续6 s，火焰熄灭后，阴燃时间为5 s，燃烧测试结束后基本无残留；而Mg(OH)2负载棉织物在火焰移开后无明火燃烧，阴燃时间仅为2 s，燃烧测试结束后，燃烧部分成炭并基本保持了原有形貌。

图4 棉织物(a)和Mg(OH)2负载棉织物(b)燃烧实物图

表2 棉织物和Mg(OH)2负载棉织物的阻燃性能

2.4 耐水洗性能

由表3 可知，未水洗Mg(OH)2负载棉织物的阻燃性能最佳，随着水洗次数的增加，损毁长度、续燃时间和阴燃时间均明显增加，阻燃性能逐渐下降，水洗10 次后损毁长度为8 cm，续燃时间和阴燃时间分别为1 s 和4 s，达到GB 8965.1—2009《防护服装 阻燃防护第1部分：阻燃服》的C 级标准，水洗后仍具有一定的阻燃性能，表明Mg(OH)2负载棉织物具有较好的耐水洗性能。

表3 Mg(OH)2负载棉织物水洗不同次数后的阻燃性能

3 结论

（1）以MgCl2为原料制备Mg(OH)2晶种，采用二次生长法得到Mg(OH)2阻燃棉织物。

（2）Mg(OH)2为六方结构，在棉织物表面均匀附着。Mg(OH)2负载棉织物具有良好的阻燃性能，火焰移开后无明火燃烧，阴燃时间仅为2 s，燃烧部分成炭并基本保持原有形貌，同时具有较好的耐水洗性能。