笼型聚倍半硅氧烷的合成、表征及其对棉织物阻燃性能的影响研究

发布时间：2017-09-21 15:22

  本文关键词：笼型聚倍半硅氧烷的合成、表征及其对棉织物阻燃性能的影响研究

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【摘要】：棉织物由于来源广泛且产量大、吸湿性、透气性较好及易降解等特点,广泛的应用于服装、装饰材料及其他领域,在世界上是非常畅销的纺织品。纯棉织物的极限氧指数LOI为18。棉织物是易燃的材料,如果遇到火源会迅速的燃烧,很容易酿成火灾。据统计,每年发生的火灾的50%是由于纺织品的燃烧引发的,因此阻燃整理后的纺织品广泛的应用于职业安全、室内装饰、消防材料等领域。多年的科学研究及生活实践表明,合理使用阻燃剂是有效避免及减少火灾发生的有效措施之一。所以,对棉织物进行阻燃整理很有必要,且能够拓宽棉织物的应用领域。笼型聚倍半硅氧烷(Polyhedral Oligomerie Silsesquioxane,简称POSS)是一类具有纳米尺度笼状构造的低聚硅氧烷,又称为立方硅烷。POSS结构规整,尺寸很小(直径为1~3nm),并且本身就具有有机无机两部分,是一类含有RSi O1.5结构的物质,它内部由Si、O组成无机骨架构成(内核),外面被有机取代基即R覆盖(外壳),是一种三维新型的分子程度上的有机/无机杂化的复合材料,笼型聚倍半硅氧烷拥有特殊的结构特点,所以它同时具有有机材料及无机纳米材料的特性,如良好的反应性、很好的耐热性等。笼型聚倍半硅氧烷在纺织品中的具有广泛的应用,如对织物拒水拒油的整理,抗皱整理,阻燃整理等。但POSS不溶于水,易溶于四氢呋喃、甲苯与氯仿等有机溶剂,在阻燃整理方面一般为熔融纺丝整理或直接以有机物为溶剂对织物进行整理,因此用于棉织物的阻燃整理有一定局限。本课题目的为将环氧基POSS均匀分散在水溶液中,并对棉织物进行阻燃整理。首先对含环氧基的POSS的合成工艺进行了研究,以四甲基氢氧化铵(TMAH)为催化剂,在催化剂的作用下催化3-环氧丙氧基三甲氧基硅烷(KH-560)脱水缩合合成环氧基poss。讨论了环氧基poss的合成工艺,包括温度和质量比对产品性能的影响,对合成的环氧基poss进行表征,用化学法测定poss的环氧值、用热失重法测定其耐热性、用红外光谱分析合成poss的结构及用凝胶渗透色谱测其分子量。然后研究了环氧基poss的乳化液的配制,首先以司班(span)-60和吐温(tween)-80复配的乳化剂测定环氧基poss的hlb值;在此基础上按照环氧基poss应用于棉织物阻燃整理的条件下,选择了适当的表面活性剂进行复配,并对其离心稳定性及粒径进行了表征,为将环氧基poss以水为溶剂用在棉织物阻燃整理上做准备。最后,以环氧基poss与聚磷酸铵(app)为复合阻燃剂对棉织物进行阻燃整理,对处理前后棉织物的极限氧指数、垂直燃烧、热失重等燃烧性能进行了测定,并用扫描电子显微镜(sem)对其表面形态进行了测定,确定了环氧基poss与app的配比及整理工艺。同时对处理前后棉织物的白度、拒水性及抗皱性进行了测试。结果表明:(1)kh-560与5%四甲基氢氧化铵的较适质量比为4:1,较适的脱水缩合温度为80℃,所得环氧基poss的产率为72%,环氧值为0.50mol/100g。所合成的环氧基poss主要为t8型poss,同时含有少量t6型poss及无规则、梯形和其他杂质。对环氧基poss进行热失重分析,发现失重5%时的温度为175℃,200℃开始快速失重,800℃时的残炭率为33.5%,具有良好的耐热性能。(2)确定了环氧基poss的hlb值为7,以此为基础选用复配乳化剂为非离子型表面活性剂单硬脂酸甘油酯(hlb=3.8)和阴离子型表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(hlb=10.64)为复配乳化剂对环氧基poss进行乳化,且单硬脂酸甘油酯(hlb=3.8)与十二烷基苯磺酸钠(hlb=10.64)的比例为9.1:8。复配乳化剂的质量为环氧基poss的10%,该条件下乳化液的粒径为180.9。(3)通过正交试验确定了环氧基poss与app的配比为6:4。阻燃整理工艺为以15%环氧基poss、10%app为复合阻燃整理剂,在二浸二轧,轧液率为90%,100℃、3min预烘,150℃、3min焙烘的工艺条件下进行阻燃整理。在该条件下,处理后棉织物的loi是40.70,续燃时间及阴燃时间均是0s,损毁长度为1.5cm,处理后棉织物的快速失重温度为210℃、残炭率为31%,阻燃效果明显。(4)对纯棉织物与环氧基poss、app及环氧基poss/app处理后棉织物进行白度、拒水性及抗皱测试,其白度下降不明显,静态接触角为130.9°,折皱回复角由90°提高到180°,环氧基POSS/APP处理后棉织物的白度有所下降,但拒水性及抗皱性均高于纯棉织物及只有环氧基POSS或APP处理后的棉织物。
【关键词】：POSS 环氧基 阻燃 乳化 棉织物
【学位授予单位】：上海工程技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TS195.592
【目录】：

• 摘要6-9
• ABSTRACT9-16
• 第一章 绪论16-37
• 1.1 笼型聚倍半硅氧烷（POSS）概述17-23
• 1.1.1 POSS发展史17-18
• 1.1.2 POSS的结构18-20
• 1.1.3 POSS的分类20-21
• 1.1.4 POSS的合成21-23
• 1.1.4.1 官能团转化法21-22
• 1.1.4.2 水解缩合法22-23
• 1.1.4.3 缺角-闭环法23
• 1.2 POSS的应用23-25
• 1.2.1 POSS在阻燃上的应用23-24
• 1.2.1.1 POSS阻燃机理分析24
• 1.2.2 POSS在生物领域的应用24-25
• 1.2.3 POSS在光致发光和电致发光设备的应用25
• 1.2.4 POSS在平版印刷上的应用25
• 1.3 POS的乳化25-29
• 1.3.1 乳化方法26-27
• 1.3.1.1 水相的制备法26
• 1.3.1.2 油相的制备法26
• 1.3.1.3 油、水混合法26-27
• 1.3.1.4 转相乳化法27
• 1.3.1.5 低能乳化法(LEE)27
• 1.3.2 HLB值的概念27-28
• 1.3.3 HLB值的测定方法28-29
• 1.4 棉织物阻燃整理29-35
• 1.4.1 棉织物的燃烧29-31
• 1.4.2 阻燃剂概述31-33
• 1.4.3 阻燃机理33-34
• 1.4.3.1 吸热作用33
• 1.4.3.2 覆盖作用33
• 1.4.3.3 抑制链反应33-34
• 1.4.3.4 气相阻燃34
• 1.4.3.5 凝聚相阻燃34
• 1.4.4 棉纤维的阻燃整理方法34-35
• 1.5 本文研究内容及创新点35-37
• 1.5.1 本文研究内容35-36
• 1.5.2 创新点36-37
• 第二章 环氧基POSS的合成及性能研究37-47
• 2.1 引言37
• 2.2 实验试剂37-38
• 2.3 设备及仪器38
• 2.4 环氧基POSS的合成38-39
• 2.5 性能测试与结构表征39
• 2.5.1 红外分析39
• 2.5.2 热失重(TGA)分析39
• 2.5.3 凝胶渗透色谱(GPC)39
• 2.5.4 环氧值的测定39
• 2.6 结果与讨论39-46
• 2.6.1 KH-560与 5% TMAH的质量比对合成环氧基POSS热性能的影响40-41
• 2.6.2 脱水缩合温度对合成环氧基POSS热性能的影响41-42
• 2.6.3 红外表征42-45
• 2.6.3.1 KH-560和中间产物的红外表征42-43
• 2.6.3.2 中间产物和环氧基POSS的红外表征43-44
• 2.6.3.3 KH-560和环氧基POSS的红外表征44-45
• 2.6.4 凝胶渗透色谱45-46
• 2.6.5 环氧值的测定46
• 2.7 本章小结46-47
• 第三章 环氧基POSS HLB值的测定及其乳化47-54
• 3.1 引言47
• 3.2 实验试剂47-48
• 3.3 设备及仪器48
• 3.4 环氧基POSS乳液的制备48-49
• 3.4.1 环氧基POSS HLB值的测定48-49
• 3.4.2 环氧基POSS乳液的制备49
• 3.5 性能测试49
• 3.5.1 乳液离心稳定性49
• 3.5.2 粒径分析49
• 3.6 结果与讨论49-53
• 3.6.1 环氧基POSS HLB值的确定49-51
• 3.6.2 环氧基POSS的乳化51-53
• 3.6.2.1 复配乳化剂的选择51
• 3.6.2.2 复配乳化剂HLB值的确定51-52
• 3.6.2.3 复配乳化剂用量及乳化方法的确定52-53
• 3.7 本章小结53-54
• 第四章 环氧基POSS/APP复合阻燃剂对棉织物的阻燃整理研究54-70
• 4.1 引言54
• 4.2 实验材料及试剂54-55
• 4.3 设备及仪器55-56
• 4.4 阻燃整理工艺56
• 4.5 性能测试56-57
• 4.5.1 热失重分析(TGA)56
• 4.5.2 燃烧性能测试56
• 4.5.3 织物表面形貌分析56
• 4.5.4 接触角测试56
• 4.5.5 织物抗皱性测试56-57
• 4.5.6 织物的白度测试57
• 4.6 结果与讨论57-69
• 4.6.1 环氧基POSS对棉织物的阻燃整理57-58
• 4.6.2 环氧基POSS/APP阻燃整理工艺的确定58-63
• 4.6.3 阻燃整理棉织物的热失重分析63-65
• 4.6.4 棉织物处理前后形貌对比65-66
• 4.6.5 环氧基POSS/APP处理前后棉织物其它性能对比66-69
• 4.6.5.1 环氧基POSS/APP处理前后棉织物拒水性对比66-68
• 4.6.5.2 环氧基POSS/APP处理前后棉织物抗皱性对比68-69
• 4.7 本章小结69-70
• 第五章 总结与展望70-72
• 5.1 全文总结70-71
• 5.2 研究展望71-72
• 参考文献72-79
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的相关科研成果79-80
• 致谢80-81

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