Разработка способа придания текстильным материалам огнезащитных свойств

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

В ряде стран приняты и действуют нормативные положения и законодательные акты, запрещающие применение изделий из легковоспламеняющихся тканей и горючих напольных покрытий. Особенно необходима огнезащита текстильных изделий, используемых в качестве декоративно-обивочных тканей и напольных покрытий в автомобильной промышленности, для спецодежды металлургов, пожарных, сварщиков, а также для бытовых целей, оформления интерьеров общественных зданий, больниц, школ. Невоспламеняющиеся текстильные изделия необходимы для армии: ткани для палаток, тентов, спальные мешки, камуфляжные сетки и др.

Возгорание текстильных материалов является причиной все возрастающих количеств пожаров в жилых и общественных зданиях. При сгорании текстильных материалов из химических волокон выделяются газообразные соединения, неблагоприятно воздействующие на озоновый слой атмосферы и на экологическую обстановку в целом. Для придания огнезащитных свойств целлюлозным материалам и тканям из смеси целлюлозных и синтетических волокон используются следующие методы:

- поверхностная обработка;

- химическое модифицирование волокон и изделий из них;

- введение замедлителей горения в расплав или формовочный раствор полимера.

Выбор того или иного метода определяется требуемой степенью огнезащиты и степенью сохранения огнезащитные свойства после многократных водных обработок (стирок). Немаловажным является возможность технологического и аппаратурного оформления процесса и технико-экономические показатели.

Для придания огнезащитных свойств текстильным материалам используют прививочную сополимеризацию под воздействием окислительно-восстановительных систем или обработку текстильных материалов препаратами, взаимодействующими с функциональными группами волокна. Огнезащитные обработки можно подразделить на обработки, придающие невоспламеняемость и придающие огнестойкость. Невоспламеняемость придается декоративным обивочным интерьерным тканям, тканям для детской, производственной одежды. Эти ткани не воспламеняются, но при контакте с открытым пламенем разрушаются.

При создании текстильных материалов со специальными свойствами следует учитывать ряд требований, предъявляемых к применяемым препаратам и к технологическим процессам при их изготовлении.

К огнезащитным материалам относятся материалы, устойчивые к действию высоких температур и способные обеспечить полную защиту от огня. К ним относятся ткани для спецодежды пожарных, сталеваров, литейщиков. Текстильные материалы для спецодежды должны обладать пониженной горючестью, а также прочностью и высокими гигиеническими показателями. Этим требованиям удовлетворяют ткани, изготовленные из смеси целлюлозных волокон с синтетическим волокнами, в частности с полиэфирными, обработанными замедлителями горения.

Термостойкость и горючесть текстильных материалов характеризуется химическим строением и надмолекулярной структурой волокон, соотношением между количеством и составом летучих продуктов. Для снижения горючести волокнистых материалов необходимы замедлители горения.

Замедлители горения отличаются по составу и по эффективности огнезащитного действия. По химическому составу они подразделяются на: хлор-, бром-, азот-, фосфорсодержащие, неорганические (рис. 1).

Рис. 1. Использование замедлителей горения

До настоящего времени широко использовались галогенсодержащие замедлители горения. Эти замедлители горения не являются экологически чистыми. В процессе горения галогенсодержащих материалов могут выделяться токсичные соединения, которые могут привести к летальному исходу.

В связи с этим в настоящее время основное направление исследований в данной области - создание экологически чистых замедлителей горения. Большое внимание уделяется разработке фосфор- и азотсодержащих замедлителей горения. Они в процессе горения образуют карбонизованный остаток, защищающий волокно от пламени. Замедлители горения должны изменять процесс термоокислительного разложения волокон. Это приводит к снижению выделением большого количества тепла и количества выделяющихся газообразных соединений. Поэтому разработка таких систем является наиболее эффективным способом и позволяет получать огенестойкие материалы [1].

Ткани с огнезащитными свойствами должны обладать свойством самозатухания, не должны обладать остаточным тлением или свечением. Текстильные материалы с пониженной горючестью не должны быть токсичными, оказывать раздражающее действие на кожу человека, не должны быть канцерогенными. Для снижения горючести тканей из хлопка и из смеси волокон используется метод поверхностной обработки.

Препарат для огнестойкой отделки должен обладать достаточно высокой эффективностью. При выборе препарата важным является его стоимость и доступность для промышленного производства. Предлагаются новые химические неорганические и органические препараты. Разрабатываются методы придания волокнистым материалам огнезащитных свойств. Для снижения пожарной опасности текстильных материалов используются замедлители горения различного состава.

Проблема придания огнезащитных свойств текстильным материалам различной природы в последние годы приобретает все большую актуальность. Это обусловлено тем, что они являются серьезным источником опасности во время пожаров, легко воспламеняются, способствуют распространению пламени и при горении выделяют большое количество дыма и газов [2].

Разработка новых высокоэффективных аппретов и композиций с различными функциональными группами с целью придания тканям огнезащитных свойств является актуальной научно-технологической задачей.

Существует три основных способа получения текстильных материалов с пониженной пожарной опасностью:

- получение текстильных материалов из термостойких волокон, обладающих пониженной горючестью;

- модифицирование натуральных или химических волокон замедлителями горения, которые обеспечат снижение горючести и дымообразования токсичных продуктов горения;

- обработка тканей замедлителями горения в процессе заключительной отделки.

Обычная одежда под воздействием тепловой энергии мгновенно вспыхивает, синтетические волокна плавятся прямо на коже человека, усиливая страдания и увеличивая степень ожогов. Все это происходит за доли секунды, и оказать помощь практически невозможно.

Спецодежда должна обеспечивать защиту от теплового потока, исходящего от электрической дуги (сварщики, металлурги). Негорючие ткани -- это ткани не распространяющие (не поддерживающие) горение, изготовленные из негорючего модифицированного синтетического волокна. Негорючее модифицированное волокно это волокно из полиэфира, в молекулярную структуру которого введены фосфорорганические соединения. Использование негорючих тканей защищает людей от гибели и спасает от порчи имущество. Огонь быстро распространяется по обычному текстилю -- через 90 секунд после возгорания, в отличие от трудновоспламеняемых материалов.

Основными чертами одежды пожарного являются постоянство огне-, термо- и теплоизоляционных свойств, повышенный комфорт и отличная эргономика. Это главные свойства спецодежды для пожарных. Костюм пожарного должен обеспечивать защиту тела от высоких температур, тепловых потоков, открытого пламени, контакта с нагретыми поверхностями, физико-механических воздействий, воды и агрессивных сред.

При решении вопроса создания тканей с защитными свойствами в качестве критериев особенно важны такие свойства, как устойчивость к воздействию открытого пламени и прожиганию. Эти защитные свойства характеризуются следующими показателями:

- значением кислородного индекса (КИ);

- огнестойкостью;

- прочностью при разрыве;

- устойчивостью к прожиганию;

- воздухопроницаемостью;

- гигроскопичностью;

- сохранением прочностных свойств после воздействия открытого пламени.

Пропитка ткани огнезащитными составами меняет фактуру ткани - делает ее жестче, ткань хуже поддается драпировке, при попадании влаги на ткани появляются разводы и пятна. Ткань, обработанная огнезащитными составами, требует только сухой уборки, а после стирки свойства огнезащиты пропадают.

При правильном выборе аппрета и технологии обработки ткани можно получать хорошие результаты. В качестве огнезащитной пропитки можно привести пример компании «Чайковский текстиль» (Россия). Компания использует препарат Pyrovatex®, который проникает внутрь нити и за счет прочных ковалентных связей с хлопком придает ткани уникальные огнезащитные свойства. Огнезащитные ткани «Чайковский текстиль» соответствуют EN 531 [3]

Рис. 2. Нанесение огнезащитной отделки

Одежда из этой ткани:

- не горит и не плавится при воздействии открытого огня и высоких температур;

- не тлеет после пребывания в пламени в течение 30 секунд;

- сохраняет первоначальную форму при воздействии огня;

- свойства самозатухания сохраняются в течение всего срока эксплуатации;

- сохраняет защитные свойства после 200 циклов стирки;

- может эксплуатироваться в экстремальных условиях;

- отличается высокой морозостойкостью;

- гарантирует безопасность для здоровья (Oeko-Tex Standard 100) [3].

Также в России создана двухкомпонентная долговременная огне-искро-светозащитная отделка тканей. Ткани обрабатываются последовательно водным раствором двойной соли, содержащей в составе азот и фосфор и после сушки солевая композиция закрепляется на поверхности и в объеме тканевого материала с помощью бромсодержащего ненасыщенного мономера, который образует сетчатую структуру при термополимеризации без инициатора при температуре 100-110 C в течении 25-29 минут. Полимерная пространственная сетка сохраняет пористую структуру тканевой основы (ткани паро-влагопроницаемые), ткани устойчивы к действию искр и брызг расплавленного металла с температурой 800-1000°C. Ткани устойчивы к мокрым обработкам и химическим чисткам без снижения огнезащитных свойств - это новый вид высокоэффективной спецодежды для военных, сварщиков, газорезчиков металлургов и пожарников [4].

Ткани, используемые для изготовления защитной и рабочей одежды, должны иметь эксплуатационную долговечность, комфортность и внешнюю привлекательность. Этим требованиям наибольшей степени отвечают фосфорсодержащие соединения [5].

Эффективное действие соединений фосфора в качестве замедлителей горения обеспечивают следующие факторы:

1) специфическое влияние фосфорных соединений на процессы, протекающие в конденсированной фазе при горении волокна: химические превращения полимеров осуществляются в направлении увеличения выхода нелетучего карбонизованного остатка и уменьшения летучих продуктов пиролиза;

2) образование поверхностного стеклообразного или вязкого расплавленного слоя полифосфорных кислот, который служит физическим барьером для переноса тепла от пламени к полимеру и диффузии реагентов;

3) ингибирование газофазных пламенных реакций;

4) влияние на гетерогенное окисление карбонизованного остатка, образующегося при пиролизе полимеров.

Фосфорсодержащие соединения, включающие С-Р и Р-N связи, обеспечивают более высокую термостабильность волокна, причем наличие фосфорамидной группы может способствовать проявлению фосфор-азотного синергизма, усиливать процесс дегидратации и карбонизации полимера. С точки зрения гидролитической стабильности замедлителей горения более целесообразно использовать фосфонаты, чем фосфаты.

Анализ литературных данных показал, что фосфорсодержащие соединения играют большую роль в процессах отделки текстильных материалов. Поэтому разработка перспективных методов получения фосфорсодержащих композиций является важной проблемой в легкой промышленности.

При нагревании целлюлозы свыше 250°С около трети летучих продуктов составляют вода, оксид, диоксид углерода и ацетальдегид. Остальная часть представляет собой смолообразный материал. При более высоких температурах степень превращения в эти продукты может достигать 90%. При этом остается обуглившийся продукт.

В присутствии фосфатов кислота, образовавшаяся при их разложении, этерифицирует гидроксильную группу целлюлозы. Фосфат целлюлозы затем разлагается с образованием двойной связи и регенерацией кислоты, снова принимающей участие в реакции. В результате этого в целлюлозе образуются стабильные сопряженные структуры, и с участием одной молекулы фосфорной кислоты может быть получено большое число двойных связей. Из подобных сопряженных ненасыщенных структур образуется обуглившийся материал, который наряду с водой является основным продуктом. Летучие горючие продукты при этом практически не образуются. Таким образом, фосфорсодержащие соединения при защите целлюлозы играют двойную роль:

- во-первых, уменьшается количество горючих продуктов;

- во-вторых, полимер защищен от действия тепла горящего пламени обуглившимся поверхностным слоем, а также образовавшейся водой [5].

На кафедре «Технология текстильной промышленности и материаловедение» ТарГУ им. М.Х. Дулати проводятся исследования по приданию хлопчатобумажным тканям огнестойкости. В предлагаемой работе изучено применение фосфорсодержащей композиции для совместного действия фосфора и азота в целлюлозных волокнах. В состав композиции вводили вещества, для придания огнезащитности текстильным материалам: полиэтиленполиамид, фосфорную кислоту и формалин. Смесь представлят гидрофильную композицию. Хорошая растворимость композиции в водных растворах позволяет применять ее в отделке ткани методом пропитки.

Самый распространенный способ введения этих элементов в целлюлозу включает стадию фосфорилирования с последующей модификацией фосфорсодержащих фрагментов реакционноспособными соединениями азота. Как известно, совместное действие фосфора и азота при пиролизе целлюлозы в условиях горения очень сложно [1].

Выявление оптимальных условий предполагает определение оптимальной концентрации в рабочем растворе, условия фиксации. Важным является выбор продолжительности пропитки ткани аппретирующим составом. С этой целью было изучено влияние времени пропитки ткани на плюсовке. При разной концентрации композиции и условий фиксации наиболее приемлемым является время пропитки 1 минута. Изменение огнезащитных свойств хлопчатобумажной ткани приведено для трех режимов термообработки: при 1100С, 1300С и 1500С. Результаты исследования представлены в таблице 1.

Таблица 1. Результаты исследования огнезащитной отделки с применением композиции на основе полиэтиленполиамида и фосфорной кислоты

Образцы, обработанные фосфорсодержащей композицией по сравнению с исходным образцом обладают показателями огнезащитных свойств. Исходный необработанный образец хлопчатобумажной ткани размером при испытании на воспламеняемость при времени зажигания 4с сгорает полностью за 62 секунды. У образцов, обработанных композицией, содержащих 35 г/л полиэтиленполиамида, 25 г/л фосфорную кислоту и 10 г/л формалина при испытании наблюдается повышение времени самостоятельного горения, после чего прекращается процесс горения. При повышении концентрации фосфорной кислоты в растворе прекращение процесса горения происходит после 35 секунд. Известно, что при обработке ткани методом аппретирования, фиксация аппрета происходит при повышенной температуре. Предполагается, что при повышении температуры термообработки до 130°С степень закрепления аппрета с волокном увеличится. огнезащитный текстильный термостойкость

Максимальный эффект огнестойкости достигается при температуре термообработки 130°С. В рабочем растворе наиболее эффективным является концентрация фосфорной кислоты 45г/л, так как после удаления источника пламени горение продолжается в течении 23 секунд с полностью прекращением. Для выявления оптимальных параметров изучено влияние температуры термообработки на прочностные характеристики тканей.

Рис. 3. Зависимость разрывной нагрузки ткани от концентрации составов (при концентрации полиэтиленполиамида - 35 г/л): 1 - необработанная ткань; 2 - ортофосфорная кислота - 25 г/л, формалин - 10 г/л; 3 - ортофосфорная кислота - 45 г/л, формалин - 10 г/л; 4 - ортофосфорная кислота - 25 г/л, формалин - 40 г/л; 5 - ортофосфорная кислота - 45 г/л, формалин - 40 г/л.

При температурах 110°С, 130°С потеря прочности ткани в меньшей степени, чем при температуре термообработки 150°С. С увеличением температуры выше 130°С разрывная нагрузка ткани уменьшается от 303 до 262Н. При концентрациях полиэтиленполиамида 35 и 65 г/л, увеличение концентрации фосфорной кислоты и формалина в обрабатывающих растворах, а также повышение температуры термообработки и времени её проведения, приводит к уменьшению прочности ткани.

С увеличением концентрации фосфорной кислоты потеря прочности ткани у образцов хлопчатобумажной ткани определенной на приборе РТ - 250М - 2 уменьшается с 283 до 268Н, что подтверждает неизбежную потерю прочности. Это объясняется протеканием термического разложения и с их подверженностью действию химических реагентов. С увеличением концентрации фосфорной кислоты, температуры термообработки ткань приобретает требуемый эффект огнезащиты.

Устойчивость к истиранию текстильных материалов определяет способность материалов защищать тело человека от воздействия окружающей среды. В связи с этим в работе исследована устойчивость к истиранию и устойчивость аппретов к стирке. Результаты исследования устойчивости к стирке показали, что потеря массы обработанных образцов после первой стирки составляет 0,016%, а после трехкратной стирки составил 1,3%. Результаты исследования показали, что коэффициент устойчивости к истиранию исходного образца и обработанного образца ткани составил 1,2. Установлено, что при огнезащитной отделке текстильных материалов, необходимо принимать оптимальное соотношение аппретирующих веществ. При выборе факторов, которые могут существенное влияние на образование трехмерных сетчатых структур в макромолекуле целлюлозных волокон учитывались основные закономерности, характеризующие образование связи Р-N-О, а также результаты ведущих ученых, работающих в этой области.

Литература

1. Зубкова Н.С. Огнезащитные химические волокна // Полимеры («Полимерные материалы XXI века»): материалы Междунар. конф. - М., 2007.

2. Перепелкин К.Е. Принципы и методы модифицирования волокон и волокнистых материалов // Хим. волокна. - 2005. - № 2. - с. 37-51.

3. http://textile.ru/industry/technology/fire

4. http://www.ex.ua/user/arkadiychernyuk

5. Леонова Н.А., Шкробышева В.И., Мельников Б.Н., Смирнова О.К. / Огнезащита целлюлозных материалов композициями фосфор- и азотсодержащих соединений //Технология текстильной промышленности. - 2005. - № 5 (286).

Размещено на Allbest.ru