Магистрант Мурзабаева Гульжан, студент Баданова Айнур,

к.т.н., проф. Баданов К.И.

Таразский государственный университет им. М.Х. Дулати, г. Тараз, Республика Казахстан

ПРИДАНИЕ ХЛОПЧАТОБУМАЖНЫМ ТКАНЯМ ОГНЕСТОЙКОСТИ С ПРИМЕНЕНИЕМ КОМПОЗИЦИИ НА ОСНОВЕ ПОЛИЭТИЛЕНПОЛИАМИНА И ФОСФОРНОЙ КИСЛОТЫ

Проблема придания огнезащитных свойств текстильным материалам различной природы и назначения в последние годы приобретает все большую актуальность. Это обусловлено тем, что они являются серьезным источником опасности во время пожаров, легко воспламеняется, способствует распространению пламени и при горении выделяют большое количество дыма и газов. В ряде стран подготавливаются или уже приняты нормативные положения и законодательные акты, запрещающие применение изделий из легковоспламеняющих тканей. В настоящее время в области текстильных материалов с огнезащитными свойствами достигнуты определенные успехи. Согласно, литературному обзору, в различных странах широко проводятся исследования, направленные на повышение огнезащитных свойств как природных, так и синтетических волокон. Работы ведутся также по синтезу новых антипиренов.

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.

Решение этой задачи открывает большие возможности применения их в различных областях промышленности. Природа большинства полимерных материалов такова, что их невозможно сделать полностью пожаробезопасными. Единственное, что можно сделать – это снизить их способность к возгоранию и поддержанию горения. Для этой цели применяли композицию, затрудняющую воспламенение и снижающую скорость распространения пламени.

При нагревании целлюлозы до температур, превышающих 250°С, около трети летучих продуктов составляют вода, оксид и диоксид углерода и ацетальдегид, а остальная часть представляет собой смолообразный материал, в который входят левоглюкозановые структуры. При более продолжительном нагревании или при более высоких температурах степень превращения в эти продукты может достигать 90%, помимо этого остается обуглившийся продукт. В условиях пожара левоглюкозан может гореть или распадаться на более легкие горючие продукты.

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, а летучие горючие продукты при этом практически не образуются.

Таким образом, фосфорсодержащие соединения при защите целлюлозы играют двойную роль: во-первых, уменьшается количество горючих продуктов, и, во-вторых, полимер предохраняется от действия тепла горящего пламени обуглившимся поверхностным слоем, а также образовавшейся водой [1].

В процессах огнезащитной отделки описанные препараты применяются в совокупности с другими веществами выполняющими вспомогательную роль. Однако многие препараты вызывают ряд проблем с экологической точки зрения. С этой позиции нам представилось интересным изучение возможности использования фосфорсодержащего замедлителя горения. Важную роль играют правильно выбранные критерии оценки пожарной опасности материала. С этой целью осуществлен комплекс исследований по оценке эффективности огнезащиты текстильных материалов в зависимости от функционального назначения и способам модифицирования материалов с целью придания им требуемых пожаробезопасных свойств [2].

Вещества, для придания огнезащитности текстильным материалам: полиэтиленполиамин, фосфорная кислота и формалин представляют гидрофильную композицию. Хорошая растворимость композиции в водных растворах позволяет применять ее в отделке ткани. В работе изучено применение фосфорсодержащей композиции, а также совместное действие фосфора и азота в целлюлозных волокнах.

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. Направление процессов зависит как от химической структуры групп, содержащих азот, так и от того, связаны ли фосфор- и азотсодержащие компоненты с целлюлозой химическими связями или введены в целлюлозу как добавки [3].

Рисунок 1. Микроснимки хлопчатобумажной ткани с нанесенным огнестойким аппретом

Из рис.1 видно, что аппрет равномерно распределен по поверхности волокна. Скрыты все неровности волокна, полученные при подготовке ткани. Огнестойкий аппрет, нанесенный на ткань препятствует быстрому возгоранию ткани.

Рисунок 2. Микроснимок волокна с нанесенным аппретом

Огнестойкий аппрет обволакивает каждое волокно, поэтому в целом возгорание ткани замедляется.

В данной работе с добавками решающее значение имеет способность полиэтиленполиамина, ускоряет фосфорилирование целлюлозы, представляющее собой стадию, предшествующую процессам, приводящим в конце концов к образованию трехмерных термостойких структур, содержащих связи Р―N―О. Эффективность и механизм действия соединений этого типа в значительной степени определяется характером заместителей у атома фосфора.

Достаточно большое количество ГОСТов и различных международных методик используется для исследования показателей пожарной опасности текстильных материалов. Например, декоративно-накидочные материалы, постельные принадлежности, специальная защитная одежда проходят испытания по ГОСТ, сертифицируются и только тогда могут быть использованы по назначению. Наиболее распространенным методом оценки огнезащитных свойств текстильных материалов является определение воспламеняемости. В качестве критериев оценки приняты: эффект пониженной горючести ткани, разрывная нагрузка. Исследовано влияние температуры термообработки и концентрации рабочего раствора. Органолептическая оценка обработанных тканей также позволяет сделать выводы влияния аппретирующего состава на текстильные свойства ткани.

Выявление оптимальных условий предполагает определение оптимальной концентрации в рабочем растворе, условия фиксации (температуру и продолжительность, температуру термофиксации). При проведении поискового эксперимента важным является выбор продолжительности пропитки ткани аппретирующими составами, так как именно скорость движения полотна определяет производительность оборудования. 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, при времени обработки 1 минута.

1 – необработанная ткань; 2 – ортофосф. кис. 25 г/л, формал. 10 г/л; 3 - ортофосф. кис. 45 г/л, форм. 10 г/л; 4 - ортофосф. кис. 25 г/л, форм. 40 г/л;5 - ортофосф. кис. 45 г/л, форм. 40 г/л.

Рисунок 3. Зависимость длины обугленного участка от концентрации составов

Как видно из рис. 3 образцы, обработанные фосфорсодержащей композицией по сравнению с исходным образцом обладают показателями огнезащитных свойств. Исходный необработанный образец хлопчатобумажной ткани размером 220х170мм при испытании на воспламеняемость при времени зажигания 4с сгорает полностью за 62 секунды. У образцов, обработанных композицией, содержащих 35 г/л полиэтиленполиамина, 25 г/л фосфорную кислоту и 10 г/л формалина при испытании наблюдается повышение времени самостоятельного горения, после чего прекращается процесс горения. При этом длина обугленного участка снижается до 161мм соответственно. При повышении концентрации фосфорной кислоты в растворе прекращение процесса горения происходит после 35 секунд. Также снижается длина обугленного участка до 150мм. 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. Повышение концентрации полиэтиленполиамина не приводит к изменению свойств ткани. Максимальный эффект огнезащитности 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. С возрастанием температуры термообработки значение длины обугленного участка колеблется незначительно, а прочность ткани снижается. Показатели характеристик прочности испытываемого материала представлены на рисунке 4.

1 – необработанная ткань; 2 – ортофосф.кис. 25 г/л, форм.10 г/л; 3 - ортофосф. кис. 45 г/л, форм. 10 г/л; 4 - ортофосф. кис. 25 г/л, форм. 40 г/л; 5 - ортофосф. кис. 45 г/л, форм. 40 г/л.

Рисунок 4. Зависимость разрывной нагрузки от концентрации составов

Из рисунка 4 видно, что при температурах 110°С, 130°С потеря прочности ткани в меньшей степени, чем при температуре термообработки 150°С. Влияние температуры термообработки показывает, что с увеличением температуры выше 130°С разрывная нагрузка ткани уменьшается от 303 до 262Н. При концентрациях полиэтиленполиамина 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. Полученные результаты о снижении прочности ткани соответствуют информации в литературных источниках. Из приведенных данных видно, что с увеличением концентрации фосфорной кислоты, температуры термообработки ткань приобретает требуемый эффект огнезащиты.

Литература:

1. Леонова Н.А. Огнезащита целлюлозных материалов композициями фосфор- и азотсодержащих соединений / Под ред. Н. А. Леонова, В. И. Шкробышева, Б. Н. Мельников, О. К. Смирнова // Технология текстильной пром-ти. - 2006. – Ч. 5 (286). - С. 37-41.

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

3. Абдрахманова Г. С. Разработка новых аппретов на основе водорастворимых полимеров и композиций для отделки хлопчатобумажных тканей. Дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук. Алматы, 2010.