羊毛织物阻燃整理技术

羊毛织物阻燃整理技术

羊毛是物理、化学结构均较为复杂的天然蛋白质纤维，其手感柔软、质地坚牢,有良好的弹性和保暖性；光泽自然、柔和，在建筑、服装、家纺等领域应用十分广泛，这就对其后整理提出更高的要求。

羊毛极限氧指数(LOI)约为25左右，闪点为570~600℃，高燃烧温度为680℃，为天然难燃纤维。而且其燃烧时不会熔化或滴落，所产生的泡沫灰烬具有良好的绝缘性。这些性质与其化学结构密切相关，羊毛回潮率较高为15%(相对湿度为60%)，含氮15%~16%，含硫3%~4%，还含有6%~7%的氢。高的含氮量决定了其本身具有较好的阻燃特性，若再对其进行阻燃整理，可开发出更高性能的产品，如高温防护服、飞机上装饰材料及毛毯、燃油车辆的篷盖等。

一、燃烧模式及阻燃途径

羊毛织物燃烧需具备3要素：燃料、热量、氧气。

若要达到阻燃效果，需打破上述模式。

1、移走热源。使之没有足够的热量维持燃烧。多数有机磷阻燃剂以及Al(OH)3属此机理，燃烧时催化脱水带走热量，使纤维难以继续燃烧。

2、提高分解温度。通过原丝改性或纤维混纺生产阻燃纤维属此机理。

3、减少与O2的接触，即气体冲淡理论。卤系阻燃剂属此机理，燃烧时产生卤化氢气体，稀释纤维周围的氧气。

4、减少可燃性气体的产生，增加炭化物的形成。多数磷-氮系阻燃剂及金属络合物阻燃剂属此机理，燃烧时产生炭渣；在纤维表面形成隔热层，阻止热量向纤维的扩散，从而达到阻燃的目的。

二、阻燃技术及阻燃性能测试

1、阻燃技术及阻燃机理

羊毛纤维的阻燃整理初是利用无机硼酸、磷酸及其盐。这种整理方法为非耐久性整理，不耐水洗，仅用于剧院的帷幕等；后来利用改性的四羟甲基氯化磷(THPC)及其衍生物、氨基磺酸盐对羊毛进行阻燃整理，可达半永久水平；此后又发展到利用钛、锆的氟络合物、羧酸络合物处理羊毛，此法可达永久水平；为了满足更高要求，后又开发出羊毛与其它耐燃纤维混纺的耐高温织物。本文主要介绍耐久性阻燃整理技术。

2、与阻燃纤维混纺

羊毛为天然难燃纤维，与其它纤维混纺可制成耐高温织物，阻燃性能好，而且价格低廉，加工简单，广泛用于防护服、床上用品、室内装饰、地毯等方面。目前市场上的耐高温纤维有芳纶1313,芳纶与羊毛混纺时比例超过30%时，极限氧指数可达28以上，具有良好的阻燃性。耐高温酚醛纤维Kynol与羊毛混纺其含量达35%时，织物就具有阻燃性。近来，欧洲市场上出现了阻燃粘胶纤维Visil，经研究发现它非常易于与羊毛纤维混纺。这种纤维含有高比例的二氧化硅和金属，燃烧烟雾很少，无毒，羊毛与之混纺可提高热分解温度，达到阻燃目的。目前，此法已得到广泛应用，混纺时Visil含量约为60%左右。

3、金属络合物处理

它是目前羊毛阻燃整理应用为广泛且为成熟的技术，主要采用钛或锆的氟络合物，一般钛(锆)/氟克分子比为1∶6，如K2TiF6或K2ZrF6,，在酸性条件下(一般pH值控制在2.5左右)，温度为70℃，处理30min，这就是著名的“Zirpro”工艺。该项技术在染色前后或染色过程中均可进行。其阻燃机理为，在酸性条件下，羊毛上氨基变为氨基正离子，与阻燃剂阴离子发生反应产生吸附，燃烧时可增加炭的形成，减少可燃性气体的产生，从而达到阻燃的目的。反应式如下(以锆盐为例):W-NH2(羊毛纤维)+H+→W-NH+3，W-NH+3+ZrF2-6→W-NH+3·ZrF2-6。此外，经过水洗，ZrF2-6水解成ZrOF2，氟锆酸盐在受热燃烧时，氟化物也逐步分解，温度为300℃以上时也产生ZrOF2,ZrOF2为很细微粒，本身不能燃烧，能与羊毛纤维混合或覆盖纤维表面，着火时阻止可燃性裂解气体大量逸出，从而起到阻燃作用。

整理时添加四溴苯酐(TBPA)约10%~15%(对织物重)；该添加剂也可与羊毛纤维发生反应，使阻燃性进一步提高。经验证，经钛、锆的氟络合物整理后，阻燃效果可耐50次硬水洗涤和干洗，为耐久性阻燃整理。研究还发现，经钛络合物整理的织物比经锆络合整理的织物阻燃效果好，但引起织物泛黄严重，所以常用锆盐整理。该项技术的阻燃效果有目共睹，阻燃整理废水中含有大量重金属离子，钛、锆造成了环境污染。不久的将来，此项技术势必被环保型阻燃整理技术所替代。

4、有机磷阻燃

初使用四羟甲基氯化磷的衍生物整理，该整理剂具有还原性，整理后致使羊毛分子的二硫键断裂，导致强力大大下降。目前应用非还原性的有机磷整理剂如N-羟甲基甲氧基磷酰基丙酰胺对羊毛进行阻燃整理。该整理剂可与羊毛纤维发生交联，添加某些交联剂后，反应程度大大增加，阻燃效果明显。纤维受热后阻燃剂分解生成磷酸，使纤维脱水，带走部分热量从而使燃烧难以继续进行。但经其整理后会引起织物手感发硬，因此交联剂用量须严格控制。整理时采用轧-烘-焙技术，推荐用量：阻燃剂350g/L，交联剂100g/L，磷酸(85%)30g/L。整理后可耐50次水洗。

阻燃剂作用机理如下:

含磷阻燃剂也是一种自由基捕获剂。利用质谱技术发现，任何含磷化合物在聚合物燃烧时都有PO·形成。它可以与火焰区域中的氢原子结合，起到抑制火焰的作用。其作用可用下式表示:

PO·+H·→HPO·　HPO·+H·→H2+PO·

这就是含磷阻燃剂的气相作用机理。

5、氨基磺酸-尿素法

该项技术主要采用氨基磺酸作为阻燃剂，在尿素存在下，经轧烘焙整理而成，整理时，阻燃剂主要与羊毛纤维上氨基酸所含的氨基、羟基反应，反应如下：

RNH2（羊毛）+NH2SO3H(氨基磺酸)=RHSO3H+NH3ROH+NH2SO3H=ROSO3H+NH3–SS-+NH2SO3H=-SNH2+-SSO3H

阻燃整理工作液配方为：氨基磺酸20%，尿素20%，水60%，乳液率97%。工艺为：浸轧工作液→120℃预烘3min→150℃焙烘2min→水洗→烘干。整理后对织物手感无影响，可耐50次水洗。由于该法整理后对织物有拒染性，故整理须在染色后进行。

6、阻燃性能测试

阻燃性能的测试是阻燃整理研究中重要的环节，20世纪80年代以来，世界各国相继制定了许多测试方法来评估阻燃性能，一般有以下主要指标：①点燃难易性；②火焰表面传播速度；③发烟能见度；④燃烧产物的毒性；⑤燃烧产物的腐蚀性。其中①、②为主要的评估指标。测试方法有测定材料的燃烧广度,续燃、阴燃时间，极限氧指数等方法。根据火焰与试样的相对位置又可分为垂直法、水平法、倾斜法。目前常用的方法为垂直燃烧法和极限氧指数法(LOI)。

垂直燃烧法是垂直夹住试样一端，对试样自由端施加规定的气体火焰，通过测量有焰燃烧及无焰燃烧时间等来评价试样燃烧性能的方法。该测试方法给出的结果可用于产品质量控制及材料预选，但不能用来评价着火危险性。

极限氧指数法是在规定试验条件下，在氧、氮混合气流中，刚好能维持试样燃烧所需的低氧浓度。该指标用于表征材料被点燃的难易程度，测得的数据重现性好，适合于工艺实验，但也不能衡量发生火灾的危险性。

近年来，随着阻燃科学和技术的迅速发展，出现了一种新型测试方法，即利用锥型量热仪测试材料燃烧时的热释放速率(HeatReleaseRate)。燃烧热释放速率是指单位面积试样在燃烧过程中释放热量的速率(kW/m2)。一般来说，材料燃烧时释放热量越多、速度越快，火灾的危险性就越大。故该指标为可测量火灾的危险性的阻燃性能参数。锥型量热仪除可测定热释放速率外，还可给出样品点燃时间、质量损失速率、有效燃烧热、有害气体含量等参数，这些参数对于分析阻燃材料的综合性能，进而预测材料及制品在真实火灾中的燃烧行为有重要作用。

三、结语

羊毛由于其结构上的优势，本身属难燃纤维，且穿着舒适保暖，属高档面料，其应用前景十分广阔，对其进行阻燃整理开发高附加值的高档产品有很高可行性。随着人民生活水平的提高，对纺织品的附加价值要求也越来越高，“环保”、“舒适”成为基本的要求，所以阻燃整理的同时，一定要兼顾环保问题。

为此，今后必须致力于新型环保阻燃剂的开发，原来成熟的阻燃整理工艺也须进一步改进。