eng
Выпуск #1/2018
Б.Таусарова, Е.Такей
Золь-гель технология придания огнезащитных свойств целлюлозным текстильным материалам
Золь-гель технология придания огнезащитных свойств целлюлозным текстильным материалам
Просмотры: 4134
Рассмотрено применение силиката натрия и фосфорсодержащих антипиренов для придания огнезащитных свойств целлюлозным текстильным материалам. Исследовано влияние концентрации исходных компонентов, температуры и времени термообработки на огнезащитные свойства.
УДК 677.027.625; ВАК 05.16.09; DOI: 10.22184/1993-8578.2018.80.1.68.73
УДК 677.027.625; ВАК 05.16.09; DOI: 10.22184/1993-8578.2018.80.1.68.73
Теги: cellulosic textile materials fire resistance sodium silicate sol gel золь-гель огнестойкость силикат натрия целлюлозные текстильные материалы
Проблема придания огнезащитных свойств текстильным материалам различной природы и назначения приобретает все большую актуальность. Это обусловлено тем, что они являются серьезным источником опасности во время пожаров, легко воспламеняются, способствуют распространению пламени, а при горении выделяют большое количество дыма и газов. Текстильные материалы имеют широкую область применения в быту, промышленности, на транспорте и как специальные защитные средства. Они используются в качестве штор, драпировок, занавесей, материалов при изготовлении мягкой мебели, спальных принадлежностей, специальной защитной одежды и изделий, для декоративной отделки различных по функциональному назначению помещений.
В настоящее время в области создания текстильных материалов с огнезащитными свойствами достигнуты определенные успехи. В различных странах широко проводятся исследования, направленные на повышение огнезащитных свойств как природных, так и синтетических волокон [1–6]. Активно внедряется в производство огнестойких покрытий и волокон золь-гель технология [7–12]. Поэтому исследования, посвященные получению огнезащитных текстильных материалов методами золь-гель технологии, а также изучению их свойств, имеют как научное, так и практическое значение.
Целью настоящего исследования является получение целлюлозных материалов с огнезащитными свойствами с применением золь-гель технологии. В качестве основного компонента для приготовления золя предлагается использовать силикат натрия, в качестве катализатора гидролиза – уксусную кислоту, также целесообразно применить химические вещества, способные снизить горючесть текстиля.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Обработку хлопчатобумажной ткани артикула 1030 золь-гель композицией осуществляли в две стадии. Сначала образцы хлопка пропитывали в ванне с силикатом натрия в течение 1 мин с последующим отжимом до влажности 90%, далее следовала сушка при температуре 75–85 ⁰С в течение 8–10 мин, затем ткань подвергалась термообработке при температурах 110, 130 или 150 ⁰С в течение 1 мин с последующей промывкой в большом количестве дистиллированной воды и сушкой. После обработки силикатом натрия, на второй стадии, образцы пропитывали в растворе для снижения горючести текстиля (антипирене) в течение 1 мин, отжимали до влажности 90%, высушивали в термошкафу при 75 ⁰С в течение 3 мин с последующей промывкой в дистиллированной воде и сушкой при комнатной температуре.
Испытания огнезащитной эффективности разработанных составов проводились в соответствии с ГОСТ Р 50810-95, который регламентирует методы определения способности текстильных материалов (тканей, нетканых полотен) сопротивляться воспламенению, устойчивому горению, а также оценки их огнезащитности. Стандарт применяется для всех горючих декоративных текстильных материалов, поставляемых потребителю.
Способность образцов противостоять растягивающим усилиям до разрыва определяли на разрывной машине с постоянной скоростью опускания нижнего зажима РТ-250М-2. Испытание проводилось согласно ГОСТ 8847-85.
Электронно-микроскопическое изучение образцов проводилось с помощью низковакуумного растрового электронного микроскопа JSM-6510LA.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Измерение огнезащитных свойств хлопчатобумажной ткани проведены для трех вариантов режимов термообработки: 110, 130 и 150 °С. Исследования огнезащитной отделки с применением предлагаемых композиций показали, что необработанная хлопчатобумажная ткань при испытании на воспламеняемость при времени зажигания 15 с полностью сгорает за 60 с. У образцов, обработанных огнезащитным составом, при времени зажигания 15 с время тления близко к нулю. Исследования показали, что повышение концентрации антипирена приводит к изменению свойств ткани: с ростом концентрации длина обугленного участка уменьшалась с 220 до 98 мм (табл.1, рис.1).
Все исследованные модифицирующие составы в оптимальных концентрациях обеспечивают высокий эффект огнезащиты ткани. Изучение изменения прочности ткани на разрыв показало, что разрывная нагрузка контрольного образца составляет 202 Н, а после обработки при температуре 150 °С колеблется в небольших пределах – от 202 до 196 Н (рис.2). Повышение концентрации антипирена приводит к незначительному снижению прочности ткани, а ее внешний вид изменяется незначительно. Показатели воздухопроницаемости хлопчатобумажной ткани, обработанной предлагаемой композицией, изменяются незначительно и соответствуют нормативным требованиям гигиенической безопасности для данной группы материалов (табл.1).
Электронно-микроскопические снимки (рис.3) подтверждают образование тонкой полимерной пленки на поверхности волокон. Результаты сканирующей электронной микроскопии показывают изменение морфологии поверхности обработанных образцов по сравнению с необработанными образцами.
Согласно данным сканирующей электронной микроскопии и энергодисперсионного микроанализа (табл.2), чистая хлопковая ткань содержит 69,95% углерода и 30,05% кислорода. После модификации на поверхности обработанной ткани образуются частицы Si (6,91%), P (4,25%), S (2,26%), которые распределены достаточно неравномерно. Показано, что с повышением концентрации антипирена в модифицируюшем составе содержание фосфора и серы в обработанных образцах возрастает до 6,16 и 3,73% соответственно.
Результаты энергодисперсионного микроанализа (табл.2) дают представление о количественном содержании элементов в обработанных и необработанных образцах.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработаны новые составы на основе силиката натрия и антипирена для придания целлюлозным материалам огнезащитных свойств. Определены оптимальные условия обработки тканей, исследовано влияние концентрации рабочего раствора, температуры пропитки и термофиксации на огнезащитные свойства ткани. Показано, что у целлюлозных материалов, модифицированных композициями на основе силиката натрия и антипирена, повышаются огнезащитные свойства. Предлагаемые композиции обеспечивают улучшение огнестойкости. Обработка может быть осуществлена на стандартном промышленном оборудовании без необходимости высокотемпературной фиксации.
REFERENCES
1. Liang S., N. Neisius M., Gaan S. Recent developments in flame retardant polymeric coatings. Progress in organic coatings. 2013. 76. P. 1642–1665.
2. Visakh P. M., Arao Yoshihiko. Flame Retardants. Polymer Blends, Composites and Nanocomposites. 2015. P. 247.
3. Tausarova B., Kutzhanova А., Каnlybaeva G. Decrease in combustibility of textile materials: achievements and prospects. Chemical Journal of Kazakhstan. 2015. No. 1. P. 287–303.
4. Taussarova B.R., Kanlybayeva G.S., Birimzhanova Z.S. Application of polyethylene polyamines and potassium hydrogen phosphate to impart flame-retardant properties to cellulosic materials. Chemical Journal of Kazakhstan. 2016. 2. P. 201–207.
5. Salmeia K., Gaan S., Malucelli G. Recent advances for flame retardancy of textiles based on phosphorus chemistry. Polymers. 2016. V. 8. P. 1–36.
6. Alongi J., Carosio F., Malucelli G. Current emerging techniques to impart flame retardancy to fabrics: an overview. Polymer Degradation and Stability. 2014. 106. P. 138–149.
7. Alongi J., Ciobanu M., MalucellI G. Novelflame retardant finishing systems for cotton fabrics based on phosphorus-containing compounds and silica derived from sol–gel processes. Carbohydrate polymers. 2011. V. 85. P. 599–608.
8. Colleoni C., Donelli I., Freddi G., Guido E., Migani V., Rosace G. A Novel sol-gel multi-layer approach for cotton fabric finishing by tetraethoxysilane precursor. Surface and Coatings coatings technology. 2013. V. 235. P. 192–203.
9. Alongi J., Colleoni C., Rosace G., Malucelli G. Sol-gel derived architectures for enhancing cotton flame retardancy: effect of pure and phosphorus-doped silica phases. Polymer degradation and stability. 2014. V. 99. P. 92–98.
10. Zhang D. et al. Flame retardant and hydrophobic coatings on cotton fabrics via sol-gel and self-assembly techniques. Journal of Colloid and Interface Science. 2017. 505. P. 892–899.
11. Tang X., Yan X. Dip-coating for fibrous materials: mechanism, methods and applications. J Sol-Gel Sci. Technol. 2017. 81. P. 378–404.
12. Rena Y., Zhang Y., Gu Y., Zeng Q. Flame retardant polyacrylonitrile fabrics prepared by organic-inorganic hybrid silica coating via sol-gel technique. Progress in Organic Coatings. 2017. 112. P. 225–233.
В настоящее время в области создания текстильных материалов с огнезащитными свойствами достигнуты определенные успехи. В различных странах широко проводятся исследования, направленные на повышение огнезащитных свойств как природных, так и синтетических волокон [1–6]. Активно внедряется в производство огнестойких покрытий и волокон золь-гель технология [7–12]. Поэтому исследования, посвященные получению огнезащитных текстильных материалов методами золь-гель технологии, а также изучению их свойств, имеют как научное, так и практическое значение.
Целью настоящего исследования является получение целлюлозных материалов с огнезащитными свойствами с применением золь-гель технологии. В качестве основного компонента для приготовления золя предлагается использовать силикат натрия, в качестве катализатора гидролиза – уксусную кислоту, также целесообразно применить химические вещества, способные снизить горючесть текстиля.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Обработку хлопчатобумажной ткани артикула 1030 золь-гель композицией осуществляли в две стадии. Сначала образцы хлопка пропитывали в ванне с силикатом натрия в течение 1 мин с последующим отжимом до влажности 90%, далее следовала сушка при температуре 75–85 ⁰С в течение 8–10 мин, затем ткань подвергалась термообработке при температурах 110, 130 или 150 ⁰С в течение 1 мин с последующей промывкой в большом количестве дистиллированной воды и сушкой. После обработки силикатом натрия, на второй стадии, образцы пропитывали в растворе для снижения горючести текстиля (антипирене) в течение 1 мин, отжимали до влажности 90%, высушивали в термошкафу при 75 ⁰С в течение 3 мин с последующей промывкой в дистиллированной воде и сушкой при комнатной температуре.
Испытания огнезащитной эффективности разработанных составов проводились в соответствии с ГОСТ Р 50810-95, который регламентирует методы определения способности текстильных материалов (тканей, нетканых полотен) сопротивляться воспламенению, устойчивому горению, а также оценки их огнезащитности. Стандарт применяется для всех горючих декоративных текстильных материалов, поставляемых потребителю.
Способность образцов противостоять растягивающим усилиям до разрыва определяли на разрывной машине с постоянной скоростью опускания нижнего зажима РТ-250М-2. Испытание проводилось согласно ГОСТ 8847-85.
Электронно-микроскопическое изучение образцов проводилось с помощью низковакуумного растрового электронного микроскопа JSM-6510LA.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Измерение огнезащитных свойств хлопчатобумажной ткани проведены для трех вариантов режимов термообработки: 110, 130 и 150 °С. Исследования огнезащитной отделки с применением предлагаемых композиций показали, что необработанная хлопчатобумажная ткань при испытании на воспламеняемость при времени зажигания 15 с полностью сгорает за 60 с. У образцов, обработанных огнезащитным составом, при времени зажигания 15 с время тления близко к нулю. Исследования показали, что повышение концентрации антипирена приводит к изменению свойств ткани: с ростом концентрации длина обугленного участка уменьшалась с 220 до 98 мм (табл.1, рис.1).
Все исследованные модифицирующие составы в оптимальных концентрациях обеспечивают высокий эффект огнезащиты ткани. Изучение изменения прочности ткани на разрыв показало, что разрывная нагрузка контрольного образца составляет 202 Н, а после обработки при температуре 150 °С колеблется в небольших пределах – от 202 до 196 Н (рис.2). Повышение концентрации антипирена приводит к незначительному снижению прочности ткани, а ее внешний вид изменяется незначительно. Показатели воздухопроницаемости хлопчатобумажной ткани, обработанной предлагаемой композицией, изменяются незначительно и соответствуют нормативным требованиям гигиенической безопасности для данной группы материалов (табл.1).
Электронно-микроскопические снимки (рис.3) подтверждают образование тонкой полимерной пленки на поверхности волокон. Результаты сканирующей электронной микроскопии показывают изменение морфологии поверхности обработанных образцов по сравнению с необработанными образцами.
Согласно данным сканирующей электронной микроскопии и энергодисперсионного микроанализа (табл.2), чистая хлопковая ткань содержит 69,95% углерода и 30,05% кислорода. После модификации на поверхности обработанной ткани образуются частицы Si (6,91%), P (4,25%), S (2,26%), которые распределены достаточно неравномерно. Показано, что с повышением концентрации антипирена в модифицируюшем составе содержание фосфора и серы в обработанных образцах возрастает до 6,16 и 3,73% соответственно.
Результаты энергодисперсионного микроанализа (табл.2) дают представление о количественном содержании элементов в обработанных и необработанных образцах.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработаны новые составы на основе силиката натрия и антипирена для придания целлюлозным материалам огнезащитных свойств. Определены оптимальные условия обработки тканей, исследовано влияние концентрации рабочего раствора, температуры пропитки и термофиксации на огнезащитные свойства ткани. Показано, что у целлюлозных материалов, модифицированных композициями на основе силиката натрия и антипирена, повышаются огнезащитные свойства. Предлагаемые композиции обеспечивают улучшение огнестойкости. Обработка может быть осуществлена на стандартном промышленном оборудовании без необходимости высокотемпературной фиксации.
REFERENCES
1. Liang S., N. Neisius M., Gaan S. Recent developments in flame retardant polymeric coatings. Progress in organic coatings. 2013. 76. P. 1642–1665.
2. Visakh P. M., Arao Yoshihiko. Flame Retardants. Polymer Blends, Composites and Nanocomposites. 2015. P. 247.
3. Tausarova B., Kutzhanova А., Каnlybaeva G. Decrease in combustibility of textile materials: achievements and prospects. Chemical Journal of Kazakhstan. 2015. No. 1. P. 287–303.
4. Taussarova B.R., Kanlybayeva G.S., Birimzhanova Z.S. Application of polyethylene polyamines and potassium hydrogen phosphate to impart flame-retardant properties to cellulosic materials. Chemical Journal of Kazakhstan. 2016. 2. P. 201–207.
5. Salmeia K., Gaan S., Malucelli G. Recent advances for flame retardancy of textiles based on phosphorus chemistry. Polymers. 2016. V. 8. P. 1–36.
6. Alongi J., Carosio F., Malucelli G. Current emerging techniques to impart flame retardancy to fabrics: an overview. Polymer Degradation and Stability. 2014. 106. P. 138–149.
7. Alongi J., Ciobanu M., MalucellI G. Novelflame retardant finishing systems for cotton fabrics based on phosphorus-containing compounds and silica derived from sol–gel processes. Carbohydrate polymers. 2011. V. 85. P. 599–608.
8. Colleoni C., Donelli I., Freddi G., Guido E., Migani V., Rosace G. A Novel sol-gel multi-layer approach for cotton fabric finishing by tetraethoxysilane precursor. Surface and Coatings coatings technology. 2013. V. 235. P. 192–203.
9. Alongi J., Colleoni C., Rosace G., Malucelli G. Sol-gel derived architectures for enhancing cotton flame retardancy: effect of pure and phosphorus-doped silica phases. Polymer degradation and stability. 2014. V. 99. P. 92–98.
10. Zhang D. et al. Flame retardant and hydrophobic coatings on cotton fabrics via sol-gel and self-assembly techniques. Journal of Colloid and Interface Science. 2017. 505. P. 892–899.
11. Tang X., Yan X. Dip-coating for fibrous materials: mechanism, methods and applications. J Sol-Gel Sci. Technol. 2017. 81. P. 378–404.
12. Rena Y., Zhang Y., Gu Y., Zeng Q. Flame retardant polyacrylonitrile fabrics prepared by organic-inorganic hybrid silica coating via sol-gel technique. Progress in Organic Coatings. 2017. 112. P. 225–233.
Отзывы читателей
