阻燃超疏水涤/棉混纺织物的制备及其性能

方寅春， 陈吕鑫， 李俊伟

(安徽工程大学 纺织服装学院， 安徽 芜湖 241000)

涤/棉混纺织物兼具棉的吸湿透气性、柔软的手感和涤纶优异的弹性回复能力、抗皱性，被广泛应用于服装和装饰用纺织品[1-2]。然而涤纶和棉同属易燃材料，涤/棉混纺织物极易燃烧，且因其特殊的“烛芯效应”[3-4]，燃烧更为剧烈，存在更大的火灾隐患，极大地限制了涤/棉混纺织物的应用，改善涤/棉混纺织物的阻燃性能尤为必要[5-6]。

传统的含磷或含卤阻燃剂，存在阻燃剂用量大以及环境污染等问题，尤其是卤系阻燃剂对人和动物具有毒性、致癌性和生物累积性等[7-8]。随着环境保护意识的增强，绿色环保阻燃剂已成为阻燃剂领域的发展趋势，以生物基化合物作为阻燃剂符合绿色可持续发展战略，近些年来被广泛研究用于阻燃领域[9-10]，如生物基的植酸(PA)和壳聚糖(CS)。前期研究了在涤/棉混纺织物上构建CS/PA膨胀阻燃体系，可赋予其优异的阻燃性，但其阻燃耐久不佳[11]。

纺织品的多功能性是功能纺织品未来的发展趋势。对阻燃涤/棉混纺织物进行超疏水整理，使其可同时获得阻燃和超疏水的功能，且经超疏水处理也可以在一定程度上改善其阻燃耐久性[12-13]。基于此，本文以生物基的壳聚糖(CS)和植酸(PA)，采用层层自组装方法在涤/棉混纺织物上构建阻燃涂层，并采用含氟的超疏水整理剂处理涤/棉混纺织物，研究对涤/棉混纺织物阻燃性能和超疏水性能的影响，以期获得阻燃超疏水涤/棉混纺织物。

1 实验部分

1.1 实验材料与仪器

实验材料：涤/棉(65/35)混纺织物经、纬密分别为524、284根/(10 cm)，面密度为120 g/m2；深圳市龙岗市鸿伟布料批发行)；植酸(PA，50%，黄山市歙县兴诚植酸有限公司)；壳聚糖(CS，试剂级，上海泰坦科技有限公司)，1 H,1H,2 H,2H-全氟癸基三甲氧基硅烷(PFDS，试剂级，上海泰坦科技有限公司)。

实验仪器：JF-3型氧指数测试仪，南京江宁分析仪器有限公司；YG815A型垂直燃烧测试仪，温州方圆仪器有限公司；YG(B)022D型织物硬挺度测试仪，温州市大荣纺织仪器有限公司；S-4800型场发射扫描电子显微镜，日本日立公司；DTG-60H型热重分析仪，日本岛津公司；C-60型光学接触角测试仪，上海梭伦信息科技有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 阻燃和超疏水处理溶液配制

用去离子水配制质量分数为1.0%的CS溶液，调节pH值到4，在磁力搅拌器上搅拌24 h，使其充分溶解。将质量分数为50%的PA溶液用去离子水稀释成质量分数为3.0%。将2 g PFDS加入到98 g无水乙醇中，在磁力搅拌器上搅拌12 h，配制质量分数为2%的PFDS溶液。

1.2.2 涤/棉混纺织物阻燃超疏水整理

将涤/棉混纺织物先浸渍在1.0% CS溶液中5 min，取出用去离子水洗30 s，在80 ℃下烘干；然后将涤/棉混纺织物浸渍在3%的PA溶液中5 min，取出用去离子水洗30 s，在60 ℃下烘干，为1个CS/PA双层(BL)。重复以上交替浸渍CS和PA溶液，从第2 层开始每次浸渍时间为2 min，直至得到10层，完成阻燃处理。将阻燃处理过的涤/棉混纺织物浸渍在2% PFDS溶液中2 min，取出后在80 ℃下烘干6 h使PFDS完全固化，完成超疏水处理。处理后涤/棉混纺织物涂层增重率(G)计算公式为

式中：m0为未处理涤/棉混纺织物的质量，g；m为处理后涤/棉混纺织物的质量，g。

1.3 性能测试

1.3.1 阻燃性能测试

参照 GB /T 5455—1997《纺织品 燃烧性能试验 垂直法》，采用垂直燃烧测试仪测定织物的炭长、续燃和阴燃时间。

参照 GB /T 5454—1997《纺织品 燃烧性能试验 氧指数法》，采用氧指数测试仪测定织物的极限氧指数(LOI)值。

1.3.2 接触角测试

采用光学接触角测试仪对织物表面的水接触角进行测定，水滴大小为5 μL，在样品不同位置测3次取平均值[14]。

1.3.3 表面形貌观察

采用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)对阻燃整理前后的涤/棉混纺织物和垂直燃烧后的残炭外观形貌进行观察。

1.3.4 热稳定性能测试

剪取5 mg左右测试样，采用微机差热天平测试在氮气气氛下的热失重，温度的测试范围为室温至700 ℃，气体流速为20 mL/min，升温速率为10 ℃/min。

1.3.5 耐久性能测试

测定不同次数水洗后阻燃超疏水涤/棉混纺织物的LOI值和静态接触角，评价其阻燃和超疏水耐久性。洗涤方式参照AATCC 124—2006《多次家庭洗烫后织物的外观》手洗标准分别洗涤1、2、4次。1次水洗条件为：洗衣粉质量浓度2 g/L，浴比1:30，温度45 ℃，时间3 min，60 ℃烘干。

1.3.6 弯曲长度测试

参照GB/T 18318.1—2009《纺织品 弯曲性能的测定 第1部分：斜面法》，采用织物硬挺度测试仪，测定处理前后涤/棉混纺织物的弯曲长度，评价处理前后织物的手感。

2 结果与讨论

2.1 阻燃处理前后涤/棉混纺织物外观形貌

图1示出涤/棉混纺织物处理前后SEM观察的表面形貌。可以看出：未处理的涤/棉纤维清晰可见，且表面光滑；经层层自组装10层壳聚糖/植酸涂层后，涤/棉纤维表面发生明显的变化，在纤维表面覆盖了一层涂层；经阻燃超疏水处理后涤/棉混纺织物表面涂层变得更加平整。因此，经过层层自组装处理成功地在涤/棉混纺织物上构建CS/PA涂层，经PFDS超疏水处理在阻燃涂层上成功构建超疏水涂层。

图1 涤/棉混纺织物处理前后的SEM照片(×1 000)Fig.1 SEM images of polyester/cotton fabrics before and after treatment (×1 000). (a) Untreated; (b) Flame retardant; (c) Flame retardant and superhydrophobic treatment

2.2 涤/棉混纺织物阻燃性能

阻燃超疏水处理涤/棉混纺织物水洗前后的LOI值和垂直燃烧性能如表1所示，垂直燃烧测试后的照片如图2所示。由表1和图2可知：未处理涤/棉混纺织物的LOI值仅为17.2%；垂直燃烧测试结果为其完全燃尽，续燃时间为10.0 s，且有熔滴产生，表明未处理涤/棉混纺织物极易燃烧。经过层层自组装CS/PA涂层阻燃处理和阻燃超疏水处理后涤/棉混纺织物的增重率达到45.0%。CS/PA阻燃涤/棉混纺织物的LOI值为30.6%，且炭长减少至12 cm，无续燃和阴燃，无熔滴，表现出优异的阻燃性能。经阻燃超疏水处理后涤/棉混纺织物LOI值降为29.4%，炭长为14 cm，无续燃和阴燃，其阻燃性能相比仅阻燃处理的涤/棉混纺织物有所降低，但仍具有较好的阻燃性，无熔滴。CS/PA涂层可在涤/棉混纺织物表面构成膨胀阻燃体系赋予其优异的阻燃性，超疏水处理对其阻燃性能有一定的影响，但仍可以获得良好的阻燃性。经过不同次数水洗后涤/棉混纺织物的LOI值明显降低，1次水洗后的LOI值分别降低至26.3%和26.7%，炭长分别为16.5和14.5 cm，4次水洗后阻燃涤/棉混纺织物的LOI值降低至23.1%，而阻燃超疏水处理的涤/棉混纺织物降低至25.8%。因此，阻燃超疏水处理的涤/棉混纺织物比单独阻燃处理的涤/棉混纺织物表现出更好的阻燃耐久性。经阻燃处理后的涤/棉混纺织物弯曲长度为56.5 mm，织物手感较硬，明显高于未处理织物；但经阻燃超疏水处理后织物的弯曲长度相比阻燃处理织物有明显降低，织物手感有所改善。

图2 涤/棉混纺织物处理前后的垂直燃烧后图片Fig.2 Vertical burning photographs of polyester/cotton fabrics before and after treatment.(a)Untreated; (b)Flame retardant;(c) Flame retardant and superhydrophobic treatment

表1 涤/棉混纺织物水洗前后LOI值和垂直燃烧性能Tab.1 LOI values of polyester/cotton fabrics before and after washing and their vertical burning properties

2.3 涤/棉混纺织物超疏水性能

阻燃超疏水处理涤/棉混纺织物静态接触角如图3所示，经过不同次数水洗后阻燃超疏水涤/棉混纺织物的静态接触角如图4所示。

由图3可知，经CS/PA涂层阻燃处理后的涤/棉混纺织物具有较好的亲水性，但经超疏水处理后其接触角可以达到150°以上，具有优异的超疏水性能，表明涤/棉混纺织物CS/PA阻燃涂层经PFDS超疏水处理可赋予其超疏水性能。由图4可知，阻燃超疏水涤/棉混纺织物经过不同次数水洗后静态水接触角会发生降低，经1次水洗后接触角可以达到140°以上，2次洗后接触角仍可以达到135°以上，具有优异的疏水性能，表现出了较好的水洗耐久性。但经4次水洗后10 s的接触角仅为109.8°，疏水性明显降低，且20 s以后的接触角为83.6°。可见，经过阻燃超疏水处理可赋予涤/棉混纺织物超疏水的功能，且疏水性能具有一定的水洗耐久性。

图3 阻燃超疏水涤/棉混纺织物静态接触角Fig.3 Static contact angle of flame retardant and superhydrophobic polyester/cotton fabrics. (a) Flame retardant treatment; (b) Flame retardant and superhydrophobic treatment

图4 阻燃超疏水涤/棉混纺织物不同次数水洗后静态接触角Fig.4 Static contact angle of flame retardant superhydrophobic polyester/cotton fabric after washing for different times. (a) After one time washing; (b)After two times washing; (c) After four times washing

2.4 热力学分析

图5示出涤/棉混纺织物氮气气氛下的TG和DTG曲线，表2示出TG分析数据。

图5 涤/棉混纺织物热重分析Fig.5 Thermogravimetric analysis of polyester/cotton fabrics.(a) TG curves; (b) DTG curves

表2 涤/棉混纺织物氮气气氛下的TG分析数据Tab.2 TG analysis data of polyester/cotton fabrics under nitrogen atmosphere

由图5和表2可知，在氮气气氛下，未处理、阻燃处理和阻燃超疏水处理涤/棉混纺织物都有2个明显的质量损失阶段。第1质量损失阶段主要是涤/棉混纺织物中棉组分的降解；第2质量损失阶段对应的是涤纶组分的分解。经阻燃处理和阻燃超疏水处理涤/棉混纺织物的起始分解温度(T-10%)和第1阶段的最大质量损失速率温度(T1max)相比与未处理涤/棉混纺织物的明显降低，主要是由于阻燃剂CS和PA低的起始分解温度及促进涤/棉混纺织物分解引起的。阻燃处理和阻燃超疏水处理涤/棉混纺织物在达到第1阶段的最大质量损失速率前存在一个小的最大质量损失速率峰，此阶段主要由阻燃剂CS和PA低的起始分解温度引起的。经阻燃处理和阻燃超疏水处理涤/棉混纺织物的T2max相比未处理涤/棉混纺织物略有提高，说明经CS/PA阻燃涂层处理后有利于提高涤/棉混纺织物的高温热稳定性。经阻燃处理和阻燃超疏水处理涤/棉混纺织物的700 ℃残炭由未处理的0.25%分别增加至13.7%和15.8%，说明CS/PA阻燃涂层有利于促进涤/棉混纺织物成炭[15]。综上分析，CS/PA阻燃涂层涤/棉混纺织物存在明显的凝聚相阻燃作用。

2.5 涤/棉混纺织物残炭形貌

图6示出涤/棉混纺织物垂直燃烧测试后残炭SEM照片。可以看出，未处理涤/棉混纺织物残炭表面存在孔洞，有利于传热和可燃气体扩散，使其极易燃烧。经阻燃处理后和阻燃超疏水处理后的涤/棉混纺织物残炭连续、完整、不存在孔隙，且在残炭表面存在小气泡，表明经CS/PA阻燃处理后有利于促进涤/棉混纺织物形成完整的炭，可在涤/棉混纺织物表面发挥膨胀阻燃作用，赋予涤/棉混纺织物优异的阻燃性[16-17]。

图6 涤/棉混纺织物残炭SEM照片(×3 000)Fig.6 SEM images of char residues of polyester/cotton fabrics(×3 000). (a)Untreated; (b) Flame retardant;(c) Flame retardant and superhydrophobic treatment

3 结 论

1)采用生物基的(CS)和植酸(PA)、以层层自组装方法在涤/棉混纺织物上构建阻燃涂层，并采用含氟的超疏水整理剂处理涤/棉混纺织物，在涤/棉混纺织物上成功构建阻燃和超疏水涂层。

2)经过层层自组装CS/PA涂层阻燃处理后涤/棉混纺织物LOI值从未处理的17.2%提高到30.6%，且炭长减少至12 cm，表现出优异的阻燃性能。经阻燃超疏水处理后涤/棉混纺织物LOI值有所降低为29.4%，其阻燃性能相比仅阻燃处理的涤/棉混纺织物有所降低，但仍具有较好的阻燃性。经阻燃超疏水处理后涤/棉混纺织物接触角可以达到150°以上，具有优异的超疏水性能。经过阻燃超疏水处理可赋予涤/棉混纺织物阻燃和超疏水的性能，阻燃性能相比单独阻燃处理涤/棉混纺织物具有一定的水洗耐久性，疏水性能也具有一定的耐久性。

3)经CS/PA阻燃涂层和超疏水处理有利于提高涤/棉混纺织物的高温热稳定性，阻燃超疏水处理会促进涤/棉混纺织物形成完整的炭，可在涤/棉混纺织物表面发挥膨胀阻燃作用。