Применение силиката натрия и тиомочевины в разработке огнестойких целлюлозных текстильных материалов золь-гель методом

В связи с участившимися случаями возникновения пожаров в местах с большим скоплением людей, проблема огнезащиты стала очень актуальна [1]. Важно уделять внимание огнезащитным свойствам текстиля, так как текстильные материалы (ТМ) достаточно широко применяются во всех отраслях хозяйства. Однако наряду с многочисленными достоинствами обладают повышенной пожарной опасностью. Текстильные материалы, в основе которых лежат легковоспламеняемые природные или химические полимерные волокна, быстро распространяют пламя по поверхности и являются источниками возгорания. Особенно возрастает риск возгорания с трагическими последствиями в местах массового пребывания людей - гостиницах, больницах, школах, детских учреждениях, железнодорожном транспорте, самолетах, автомобилях и др. [2].

В настоящее время в области 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 [3]. Для снижения пожарной опасности текстильных материалов используются антипирены различного состава: неорганические и органические вещества, среди них преобладают галоген- и фосфорсодержащие соединения, полифосфаты аммония, гуанидин, хлорсодер -жащие соединения [4].

Разработка новых антипиренов различного строения и состава, с повышенной степенью фиксации препаратов с волокном, для обработки широкого ассортимента тканей из натуральных и синтетических волокон, с высокой устойчивостью к стиркам является актуальной задачей на сегодняшний день для решения проблемы расширения производства качественных и сравнительно недорогих огнезащитных текстильных материалов [5]. Качественный прорыв в данной области связан с развитием методов массового синтеза наноматериалов, обладающих необходимыми для практического применения свойствами. Наиболее интересным и перспективным подходом к созданию функциональных и умных наноматериалов является золь-гель технология. Данная технология базируется на реакциях гидролиза, гомо- и гетеро-полиядерного комплексообразования, полимеризации и поликонденсации в растворах с формированием системы золя и последующим ее переходом в гель [6].

Золь-гель методом можно придать текстильному материалу различные свойства: гидрофобные, оптические, антимикробные, огнезащитные, антистатические и многие другие [7]. Золь-гель технология является одним из наиболее перспективных методов получения материалов. Этот метод не требует больших затрат и позволяет получать продукты особой чистоты, к тому же по сравнению с другими методами его коммерческое применение представляется наиболее эффективным. Золь-гель технология позволяет гибко регулировать условия проведения процесса, а значит, и размеры получаемых частиц. Преимуществами золь-гель технологии, как и многих других методов химической модификации или «мягкой химии», являются низкие температуры процессов и гомогенность на молекулярном уровне, поэтому использование этой технологии особенно эффективно для получения текстильных материалов с заданными свойствами. Золь-гель технология бурно развивается и внедряется в производство получения огнестойких покрытий, волокон и других неорганических материалов [8-10].

Целью настоящего исследования является получение текстильных материалов с огнезащитными свойствами с применением золь гель технологии.

Объекты и методы исследования

В качестве объекта исследования в работе явились: хлопчатобумажная ткань артикула 1030 и химические вещества, способные снизить горючесть текстиля и дымообразова-ния токсичных продуктов горения.

Образцы хлопчатобумажной ткани полотняного переплетения обрабатывают водным раствором силиката натрия, катализатор гидролиза 70%-ный СН з СООН, пропитка при 25-

300С в течении 1 минуты, далее отжим на двухвальной плюсовке со степенью 90%. Затем ткань подвергали сушке при температуре 750С в течении 8-10 минут. Далее обработанная ткань подвергалась термообработке при 110, 130, 1500С в течении 1 минуты, на второй стадии пропитывают водным раствором антипирена, после отжим 90%, высушивание при 75 0С в течении 3 мин в термошкафу, с последующей промывкой в дистиллированной воде и высушиванием при комнатной температуре.

Результаты и их обсуждение

Испытания огнезащитной эффективности разработанных составов проводились в соот- ветствии с ГОСТ Р 50810-95, который устанавливает метод определения способности текстильных материалов (тканей, нетканых полотен) сопротивляться воспламенению, устойчивому горению, а также оценки их огнезащит-ности (рис.1). Стандарт применяется для всех горючих декоративных текстильных материалов, поставляемых потребителю. Также образцы подвергались испытанию на разрывную нагрузку и на воздухопроницаемость текстильных материалов (табл.1), проверке на элементный состав и изучению микроструктуры поверхности образцов (рис.3).

Таблица 1 - Результаты испытания эффективности огнестойкости и физико-механических покозателей

№	Концентрация веществ , г/л			Длина обугленного участка, мм			Разрывная нагрузка, Н			Воздухопроницаемость, дм3/м2×сек
	6 сю S’ z	ою и	и S сЗ	Температура термообработки,°С
				110°	130°	150°	110°	130°	150°	110°	130°	150°
1	Исходный образец			220	220	220	202	202	202	170	170	170
2	100	60	200	123	138	137	195	199	190	168	165	164
3	100	60	300	114	110	113	201	196	188	167	168	166
4	100	60	400	115	131	104	199	200	191	168	166	167

Результаты исследования огнезащитной эффективности с применением предлагаемых композиций показали, что с повышением концентрации составов длина обугленного участка уменшается. Исследования показали, что при повышении анитпирена и при средней температуре термообработки 130°С степень закрепления композиции с волокном увеличится и показывает наилучшие результаты.

Рисунок 1 - Снимки хлопчатобумажной ткани, обработанной огнезащитной композицией при 110 0С (a), при 130 0С (b), при 1500С (c) после испытания на эффективность огнестойоксти

Необработанная хлопчатобумажная ткань при испытании на воспламеняемость при времени зажигания 15 с полностью сгорает за 60 секунд. У образцов, обработанных огнезащитным составом, при времени зажигания 15 с время тления практически сводится к нулю. С повышением концентрации антипирена в составе длина обугленного участка уменьшилась от 220 до 104 мм (рис.2а).

При растяжении материала до разрыва определяют характеристики прочности и деформации материала. Предлагаемый огнезащитный состав незначительно влияет на показатели прочности обработанных текстильных материалов (рис. 2b). Внешний вид ткани меняется незначительно.

1 – Na 2 SiO 3 -100 г/л, CS (NH 2 ) 2 -60 г/л; антипирен -200 г/л

■меобребстемммтммь i при ISC* С

I при 130*С

Шри ПО* С

3 - – Na 2 SiO 3 -100 г/л, CS (NH 2 ) 2 -60 г/л;

антипирен -400 г/л

2 - – Na 2 SiO 3 -100 г/л, CS (NH 2 ) 2 -60 г/л; антипирен -300 г/л

4 – необработанная ткань;

Рисунок 2 - Зависимость длины обугленного участка(a) и разрывной нагрузки (b) от концентрации веществ в огнезащитном составе

Для исследования морфологии поверхности и элементного микроанализа волокон использовали автоэмиссионный сканирующий растровый электронный микроскоп (СЭМ) JSM-6490LA (Япония) с регтгеноспектральным микроанализаторм JED-2300 AnalysisStation.

Результаты по электронно-микроскопическим снимкам (рис.3) и по проведенному энергодисперсному микроанализу подтверждают образование тонкой полимерной пленки на поверхности волокна, также чистая хлопковая ткань содержит C - 69.95% O – 30.05%. После модификации на поверхности обработанной ткани образуются частицы: Si- 6.82%, P – 2.18%, S-2.03%, которые распределены достаточно неравномерно.

Рисунок 3 - Электронно-микроскопические снимки хлопчатобумажной ткани (а) образцов, обработанных огнезащитной композицией при 110 0 С (b), при 130 0 С (c), при 150 0 С (d) и энергодисперсионный микроанализ(е)

Установлено, что на поверхности обработанных тканей образуется полимерный слой в виде оксидокремниевой матрицы. По результатам исследования выявлено, что в волокнах обработанной ткани присутствуют следующие вещества: во всех образцах были обнаружены углерод, кислород, входящие в химический состав целлюлозного волокна, элемент Si присутствует в большом количестве, это объясняется тем, что в качестве основного компонента был использован силикат натрия, также виден элемент S, что доказывает присутствие тиомочевины.

Исходя из анализа полученных результатов, предполагаемый механизм взаимодействия силиката натрия с целлюлозным волокном в присутствии антиперена и тиомочевины протекает ступенчато: сначала в процессе полимеризации происходит образование жидкофазного золя (коллоидное состояние), который химически связывается с активными центрами волокна и обеспечивает высокую степень огнестойкости целлюлозных текстильных материалов.

Выводы

Разработан состав на основе силиката натрия, антипирена и тиомочевины 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, обработанных полимерными композициями, улучшаются огнезащитные свойства.

Методом электронно-сканирующей микроскопии установлено, что обработка тканей с разработанными композициями приводит к изменению морфологии поверхности волокон.