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膨胀型阻燃水性聚氨酯涂层胶的研究及应用
2019/11/8
纺织品易燃烧，在使用过程中往往由于燃烧而造成严重的生命、财产损失．随着科技的发展，人们对纺织品应用要求越来越高．水性聚氨酯是一种具有优良性能的高分子材料，作为织物涂层剂已得到广泛应用，将水性聚氨酯涂层剂进行阻燃化处理成为一个重要的研究方向．
水性聚氨酯（ＰＵ）以水为分散介质，不仅具有类似溶剂型聚氨酯高强度、耐摩擦等性能，还具有不燃、气味小，无毒、无污染等优点，且生产安全性高．
本文以聚碳酸亚丙酯多元醇为原料，以聚磷酸铵、三聚氰胺、季戊四醇为阻燃剂，以二甲基硅油和氢氧化镁为协效剂，合成阻燃聚氨酯涂层胶．该膨胀型阻燃涂层胶是一种新型无卤环保型阻燃涂层胶，其在燃烧过程中低烟、低毒、无融滴．
１．1 测试方法
（１） 物阻燃性能和耐洗牢度 按照国家标准 ＧＢＩＴ５４５５—１９９７《纺织品织物阻燃性能测定垂直法》对整理后织物阻燃性能进行测试．采用皂碱法对整理后织物耐洗牢度进行测试．
（２） 物增重率 经阻燃胶整理后的试样，待其重量平衡时测其质量．
增重率（％）＝［（ｍ１－ｍ０）／ｍ０］×１００％，
式中，ｍ０ 为整理试验前试样质量；ｍ１ 为整理后试样质量．
（３） 物白度 使用织物 ＷＳ－ 全自动白度测试仪．将织物叠成４层（织物表面纹路方向尽可能一致，织物平整），待仪器校准后，将叠好的织物夹到测试孔处白度测试仪上，仪器将自动显示数据，每块布测试４次，记录数据．
（４） 物断裂 力 使用电子织物强力测试仪，将织物剪成３００ｍｍ×５０ｍｍ 的规格，夹到强力仪上进行测试，测试３次，记录数据［７］．
（５）手感的 定 由５人分别触摸评定，评定结果共分为 （与未经助剂处理的原样相比）柔软、较软、不变、较硬和硬等５个级别．
２ 结果与讨论
２．１ 阻燃剂各原料质量比的优选
按照１．２的合成工艺及１．３阻燃涂层胶的整理工艺，阻燃剂的用量为水性聚氨酯含固量的４０％，改变阻燃剂（聚磷酸铵 三聚氰胺 季戊四醇）各原料的质量比，对涤纶织物进行阻燃整理，并测试阻燃效果，实验结果见表１．
后脱水交联形成炭，同时三聚氰胺（发泡剂）受热分解时释放大量的气体稀释空气中氧气的浓度以及促使炭化层膨胀，起到阻隔热能向基材的传递的作用，从而达到阻燃的效果．由表１可以看出，聚磷酸铵、三聚氰胺、季戊四醇三者配比发生变化时对织物阻燃效果有很大影响．故只有在合理使用三者配比的前提下，才能使阻燃效果达到最佳．最终确定聚磷酸铵、三聚氰胺、季戊四醇的最佳质量比为３０∶１５∶１５．
２．２ 阻燃剂用量的优选
在阻燃整理工艺中，阻燃剂的用量（相对于水性聚氨酯含固量的用量）直接影响阻燃产品性能的好坏．根据实验取聚磷酸铵、三聚氰胺、季戊四醇质量比为３０∶１５∶１５，按照 １．２的合成工艺及 １．３阻燃涂层胶的整理工艺，改变阻燃剂在阻燃聚氨酯涂层胶中的用量，对涤纶织物进行阻燃整理，并测试阻燃效果，实验结果见表２．
由表２可以看出，在织物增重率基本相近的情况下，阻燃涂层胶中不含阻燃剂时，涤纶的阻燃性很差，随着阻燃剂用量的增加，阻燃效果明显提高，但织物的断裂强力明显下降，这是由于阻燃剂破坏了聚氨酯胶体固化交联的完整性所致．综合考虑，确定阻燃剂的最佳用量为水性聚氨酯含固量的４０％．
２．３ 增重率对阻燃效果的影响
根据实验取聚磷酸铵、三聚氰胺、季戊四醇质量比为３０∶１５∶１５，阻燃剂用量为水性聚氨酯含固量的４０％，按照１．２的合成工艺及１．３阻燃涂层胶的整理工艺，改变经阻燃整理后织物增重率，对涤纶织物进行阻燃整理，并测试阻燃效果，实验结果见表３．
由表３可以看出，随着整理后涤纶增重率的增加，整理后涤纶在燃烧过程中损毁炭长减小，阴燃时间变短．当增重率大于１２０％时，整理后织物阻燃效果无明显提高，且此时织物手感有所下降，综合考虑各项因素，确定织物最佳增重率为１２０％．
２．４ 二甲基硅油的优选
二甲基硅油本身具有一定阻燃性，同时，在聚磷酸铵及其组成的膨胀型阻燃体系中加入有机硅阻燃剂，还能使聚磷酸铵的热稳定性提高１７～３１，从而提高其阻燃性能．本实验采用二甲硅油作为聚氨酯阻燃涂层胶的协效剂，以其用量为变量，其他工艺条件同实验２．３，对涤纶织物进行阻燃整理，并测试阻燃效果，结果见表４．
由表４可以看出，随着二甲基硅油用量的增加，涤纶整理织物在燃烧过程中的损毁炭长减小，续燃时间变短，因为二甲基硅油所含有的硅氧链节具有一定的阻燃作用，阻燃机理属于凝聚相阻燃机理，即通过生成裂解炭层和提高炭层的抗氧化性实现其阻燃功效．故当二甲基硅油含量增高时，整理后的涤纶织物阻燃性能提高，同时当引入二甲基硅油时能够显著提高整理后织物的柔软性能．当其用量继续增大时，阻燃效果无明显变化，综合考虑各项因素，确定二甲基硅油最佳用量为５％．
２．５ 氢氧化镁的优选
氢氧化镁属于无机阻燃剂，在燃烧时不产生有毒气体，环保抑烟．本实验采用氢氧化镁作为聚氨酯阻燃涂层胶的协效剂，以其用量为变量，其他工艺条件同实验２．３，对涤纶织物进行阻燃整理，并测试阻燃效果，结果见表５．
由表５可以看出，随着氢氧化镁用量的增加，整理后涤纶损毁炭长变短，白度增加．因为氢氧化镁分解过程中释放出的大量水蒸气冲淡了聚合物表面附近的氧气和可燃气体的浓度，使织物表面燃烧较难进行；氢氧化镁有利于形成表面炭化层，阻止氧气和热量的进入，其分解生成的氧化镁是良好的耐火材料，能提高聚合物材料抵抗火焰的能力，起到隔绝空气阻止燃烧的作用．同时，加入氢氧化镁能显著提高织物白度．综合考虑各项因素，确定氢氧化镁最佳用量为４％．
２．６ 自制阻燃胶与市售阻燃胶的比较
按照１．２的合成工艺及１．３阻燃涂层胶的整理工艺，自制阻燃胶采用优化出的最佳原料配方，分别使用自制阻燃胶和市售阻燃胶（浙江股份有限公司）对涤纶织物进行整理，测试阻燃效果，结果见表６．
由表６可以看出，自制阻燃胶与浙江阻燃胶相比较，自制阻燃胶具有发烟量小，无黑烟产生，低毒以及二次污染小的优点．
３ 结论
（1）以聚磷酸铵、季戊四醇、三聚氰胺为原料制备膨胀型阻燃胶，通过实验优化出聚磷酸铵∶季戊四醇∶三聚氰胺的最佳质量比为３０∶１５∶１５．
（2）二甲基硅油和氢氧化镁与该膨胀型阻燃涂层胶复配使用时在提高其阻燃效果的同时，整理后织物柔软性及白度均有所提高．
（3）水性聚氨酯阻燃涂层胶具备良好的阻燃性能，低烟、低毒、无融滴，是与环境兼容的无卤阻燃胶.
水性聚氨酯（ＰＵ）以水为分散介质，不仅具有类似溶剂型聚氨酯高强度、耐摩擦等性能，还具有不燃、气味小，无毒、无污染等优点，且生产安全性高．
本文以聚碳酸亚丙酯多元醇为原料，以聚磷酸铵、三聚氰胺、季戊四醇为阻燃剂，以二甲基硅油和氢氧化镁为协效剂，合成阻燃聚氨酯涂层胶．该膨胀型阻燃涂层胶是一种新型无卤环保型阻燃涂层胶，其在燃烧过程中低烟、低毒、无融滴．
１．1 测试方法
（１） 物阻燃性能和耐洗牢度 按照国家标准 ＧＢＩＴ５４５５—１９９７《纺织品织物阻燃性能测定垂直法》对整理后织物阻燃性能进行测试．采用皂碱法对整理后织物耐洗牢度进行测试．
（２） 物增重率 经阻燃胶整理后的试样，待其重量平衡时测其质量．
增重率（％）＝［（ｍ１－ｍ０）／ｍ０］×１００％，
式中，ｍ０ 为整理试验前试样质量；ｍ１ 为整理后试样质量．
（３） 物白度 使用织物 ＷＳ－ 全自动白度测试仪．将织物叠成４层（织物表面纹路方向尽可能一致，织物平整），待仪器校准后，将叠好的织物夹到测试孔处白度测试仪上，仪器将自动显示数据，每块布测试４次，记录数据．
（４） 物断裂 力 使用电子织物强力测试仪，将织物剪成３００ｍｍ×５０ｍｍ 的规格，夹到强力仪上进行测试，测试３次，记录数据［７］．
（５）手感的 定 由５人分别触摸评定，评定结果共分为 （与未经助剂处理的原样相比）柔软、较软、不变、较硬和硬等５个级别．
２ 结果与讨论
２．１ 阻燃剂各原料质量比的优选
按照１．２的合成工艺及１．３阻燃涂层胶的整理工艺，阻燃剂的用量为水性聚氨酯含固量的４０％，改变阻燃剂（聚磷酸铵 三聚氰胺 季戊四醇）各原料的质量比，对涤纶织物进行阻燃整理，并测试阻燃效果，实验结果见表１．
后脱水交联形成炭，同时三聚氰胺（发泡剂）受热分解时释放大量的气体稀释空气中氧气的浓度以及促使炭化层膨胀，起到阻隔热能向基材的传递的作用，从而达到阻燃的效果．由表１可以看出，聚磷酸铵、三聚氰胺、季戊四醇三者配比发生变化时对织物阻燃效果有很大影响．故只有在合理使用三者配比的前提下，才能使阻燃效果达到最佳．最终确定聚磷酸铵、三聚氰胺、季戊四醇的最佳质量比为３０∶１５∶１５．
２．２ 阻燃剂用量的优选
在阻燃整理工艺中，阻燃剂的用量（相对于水性聚氨酯含固量的用量）直接影响阻燃产品性能的好坏．根据实验取聚磷酸铵、三聚氰胺、季戊四醇质量比为３０∶１５∶１５，按照 １．２的合成工艺及 １．３阻燃涂层胶的整理工艺，改变阻燃剂在阻燃聚氨酯涂层胶中的用量，对涤纶织物进行阻燃整理，并测试阻燃效果，实验结果见表２．
由表２可以看出，在织物增重率基本相近的情况下，阻燃涂层胶中不含阻燃剂时，涤纶的阻燃性很差，随着阻燃剂用量的增加，阻燃效果明显提高，但织物的断裂强力明显下降，这是由于阻燃剂破坏了聚氨酯胶体固化交联的完整性所致．综合考虑，确定阻燃剂的最佳用量为水性聚氨酯含固量的４０％．
２．３ 增重率对阻燃效果的影响
根据实验取聚磷酸铵、三聚氰胺、季戊四醇质量比为３０∶１５∶１５，阻燃剂用量为水性聚氨酯含固量的４０％，按照１．２的合成工艺及１．３阻燃涂层胶的整理工艺，改变经阻燃整理后织物增重率，对涤纶织物进行阻燃整理，并测试阻燃效果，实验结果见表３．
由表３可以看出，随着整理后涤纶增重率的增加，整理后涤纶在燃烧过程中损毁炭长减小，阴燃时间变短．当增重率大于１２０％时，整理后织物阻燃效果无明显提高，且此时织物手感有所下降，综合考虑各项因素，确定织物最佳增重率为１２０％．
２．４ 二甲基硅油的优选
二甲基硅油本身具有一定阻燃性，同时，在聚磷酸铵及其组成的膨胀型阻燃体系中加入有机硅阻燃剂，还能使聚磷酸铵的热稳定性提高１７～３１，从而提高其阻燃性能．本实验采用二甲硅油作为聚氨酯阻燃涂层胶的协效剂，以其用量为变量，其他工艺条件同实验２．３，对涤纶织物进行阻燃整理，并测试阻燃效果，结果见表４．
由表４可以看出，随着二甲基硅油用量的增加，涤纶整理织物在燃烧过程中的损毁炭长减小，续燃时间变短，因为二甲基硅油所含有的硅氧链节具有一定的阻燃作用，阻燃机理属于凝聚相阻燃机理，即通过生成裂解炭层和提高炭层的抗氧化性实现其阻燃功效．故当二甲基硅油含量增高时，整理后的涤纶织物阻燃性能提高，同时当引入二甲基硅油时能够显著提高整理后织物的柔软性能．当其用量继续增大时，阻燃效果无明显变化，综合考虑各项因素，确定二甲基硅油最佳用量为５％．
２．５ 氢氧化镁的优选
氢氧化镁属于无机阻燃剂，在燃烧时不产生有毒气体，环保抑烟．本实验采用氢氧化镁作为聚氨酯阻燃涂层胶的协效剂，以其用量为变量，其他工艺条件同实验２．３，对涤纶织物进行阻燃整理，并测试阻燃效果，结果见表５．
由表５可以看出，随着氢氧化镁用量的增加，整理后涤纶损毁炭长变短，白度增加．因为氢氧化镁分解过程中释放出的大量水蒸气冲淡了聚合物表面附近的氧气和可燃气体的浓度，使织物表面燃烧较难进行；氢氧化镁有利于形成表面炭化层，阻止氧气和热量的进入，其分解生成的氧化镁是良好的耐火材料，能提高聚合物材料抵抗火焰的能力，起到隔绝空气阻止燃烧的作用．同时，加入氢氧化镁能显著提高织物白度．综合考虑各项因素，确定氢氧化镁最佳用量为４％．
２．６ 自制阻燃胶与市售阻燃胶的比较
按照１．２的合成工艺及１．３阻燃涂层胶的整理工艺，自制阻燃胶采用优化出的最佳原料配方，分别使用自制阻燃胶和市售阻燃胶（浙江股份有限公司）对涤纶织物进行整理，测试阻燃效果，结果见表６．
由表６可以看出，自制阻燃胶与浙江阻燃胶相比较，自制阻燃胶具有发烟量小，无黑烟产生，低毒以及二次污染小的优点．
３ 结论
（1）以聚磷酸铵、季戊四醇、三聚氰胺为原料制备膨胀型阻燃胶，通过实验优化出聚磷酸铵∶季戊四醇∶三聚氰胺的最佳质量比为３０∶１５∶１５．
（2）二甲基硅油和氢氧化镁与该膨胀型阻燃涂层胶复配使用时在提高其阻燃效果的同时，整理后织物柔软性及白度均有所提高．
（3）水性聚氨酯阻燃涂层胶具备良好的阻燃性能，低烟、低毒、无融滴，是与环境兼容的无卤阻燃胶.
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