ИССЛЕДОВАНИЕ ОГНЕСТОЙКОСТИ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ОБРАБОТАННЫХ РАЗЛИЧНЫМИ АНТИПИРЕНАМИ

АННОТАЦИЯ

Разработка технологии модификации текстильных материалов с устойчивыми огнезащитными свойствами с применением сравнительно недорогих и экологически безопасных химических веществ позволит увеличить экономическую эффективность применения волокнистых материалов в различных областях.

Технологическое решение предлагаемого исследования базируется на использовании доступного сырья, исключается применение дорогих реагентов, высоких температур, давления, специального оборудования.

Цель: статья посвящена изучению огнезащитных свойств текстильных материалов, обработанных импортными препаратами: Nortex-Х (хлопчатобумажная ткань), Nortex-КП (нетканый материал) и композицией из гуанидин гидрохлорида и фосфорнокислого натрия.

Методология. Объекты исследования: хлопчатобумажная ткань, нетканый материал из отходов льняных и шерстяных волокон, а также антипирены и химические препараты (Nortex-Х (для целлюлозных волокон), Nortex-КП (для нетканого материала), гуанидин гидрохлорида и фосфорнокислый натрий). 

Пpи выполнении исследовательской работы использовался pяд комплексных методов исследования; устойчивость к гоpению материала определяли в соответствии тpебованиям стандаpта ГОСТ Р 50810-95. Для исследования морфологии поверхности волокон текстильных материалов применяли автоэмиссионный сканирующий растровый электронный микроскоп JSM- 6490LA (Япония). ИК-спектроскопический анализ был проведен при помощи ИК-Фурье спектрометра “Spectrum 65” (Perkin&Elmer).

АBSTRACT

Development of the technology of modification of textile materials with stable flame retardant properties with the use of relatively inexpensive and eco-friendly chemicals will increase the economic efficiency of the application of fiber materials in various fields.

Technological solution of the proposed research is based on the use of available raw materials, excludes the use of expensive reagents, high temperatures, pressure, special equipment.

Purpose: the article is devoted to the study of flame retardant properties of textile materials treated with imported preparations: Nortex-X (cotton fabric), Nortex-KP (nonwoven fabric) and composition of guanidine hydrochloride and sodium phosphoric acid.

Methodology. Research objects: cotton fabric, nonwoven material from waste linen and wool fibers, as well as flame retardants and chemical preparations (Nortex-X (for cellulose fibers), Nortex-KP (for nonwoven material), guanidine hydrochloride and sodium phosphoric acid). 

When performing the research work, a number of complex research methods were used; combustion resistance of the material was determined in accordance with the requirements of GOST R 50810-95 standard. An autoemission scanning focused-beam electron microscope JSM-6490LA (Japan) was used to study the surface morphology of textile fibers. IR spectroscopic analysis was performed using a Spectrum 65 FTIR spectrometer (Perkin&Elmer).

Ключевые слова: текстильный материал, нетканый материал, хлопчатобумажная ткань, антипирен, огнестойкость, воспламеняемость, горение, возгорание, огнезащитные свойства, гуанидин гидрохлорида, фосфорнокислый натрий. 

Keywords: textile material, nonwoven fabric, cotton fabric, flame retardant, fire resistance, flammability, combustion, ignition, flame retardant properties, guanidine hydrochloride, sodium phosphoric acid. 

Введение

Легковоспламеняющиеся текстильные изделия представляют серьёзную опасность возгорания. Они легко воспламеняются, быстро распространяют пламя и выделяют токсичные дым и газы, представляя значительную угрозу для жизни. Крупномасштабные пожары из-за возгорания текстильных изделий наносят серьёзный ущерб окружающей среде и требуют эвакуации. Снижение риска возгорания в быту за счёт повышения пожарной безопасности текстильных изделий имеет решающее значение для уменьшения числа смертей и травм, связанных с пожарами. Был достигнут значительный прогресс в разработке огнестойких текстильных изделий [1, 2, 3, 4, 5].

По всему миру проводятся обширные исследования для повышения огнестойкости натуральных и синтетических волокон. В большинстве традиционных огнезащитных покрытий используются полимерные матрицы на основе акриловых, эпоксидных, уретановых или силиконовых полимеров [6, 7, 8].

В последнее время ряд передовых технологий, таких как технология ультрафиолетового отверждения, плазменная технология, технология физико-химического осаждения из паровой фазы, золь-гель технология, и технология послойной сборки привлекают все большее внимание в области разработки огнестойких покрытий [9, 10, 11].

Технологическое решение предлагаемого исследования базируется на использовании доступного сырья, исключается применение дорогих реагентов, высоких температур, давления, специального оборудования.

Результаты исследований в виде технологических разработок и инновационных технических решений будут востребованы на предприятиях промышленности РК. Предлагаемая технология обеспечит высокую степень реализации поставленных в работе задач, потребуют меньших материальных и энергозатрат по сравнению с зарубежными аналогами, которые в настоящее время задействованы в большинстве предприятий отрасли: начиная с закупки дорогостоящей зарубежной аппаратуры и приглашения для их реализации высокооплачиваемых зарубежных специалистов по внедряемым технологиям.

В связи с этим, исследовательская задача состоит в разработке составов и технологии модификации текстильных и нетканых материалов с применением доступных и безопасных для здоровья человека препаратов.

Материалы и методы исследования

Объекты исследования: хлопчатобумажная ткань, нетканый материал из отходов льняных и шерстяных волокон, а также антипирены и химические препараты (Nortex-Х (для целлюлозных волокон), Nortex-КП (для нетканого материала), гуанидин гидрохлорида и фосфорнокислый натрий). 

Пpи выполнении исследовательской pаботы использовался pяд комплексных методов исследования; устойчивость к гоpению материала определяли в соответствии тpебованиям стандаpта ГОСТ Р 50810-95 [12]. Для исследования морфологии поверхности волокон текстильных материалов применяли автоэмиссионный сканирующий растровый электронный микроскоп JSM- 6490LA (Япония). ИК-спектроскопический анализ был проведен при помощи ИК-Фурье спектрометра “Spectrum 65” (Perkin&Elmer).

В работе исследованы огнезащитные свойства текстильных материалов, обработанных импортными препаратами: Nortex-Х (для хлопчатобумажной ткани), Nortex-КП (для нетканого материала) и композицией из гуанидин гидрохлорида и фосфорнокислого натрия. На основании предварительных исследований была выбрана концентрация 20 г/л гуанидина гидрохлорида и 10 г/л фосфата натрия.

Результаты и обсуждения

В результате исследования установлено, что текстильные материалы обработанные композицией на основе гуанидин гидрохлорида и фосфорнокислого натрия приобретают высокие огнезащитные свойства. Нетканый материал, обработанный препаратом Nortex-КП показывает улучшенные огнезащитные свойства. Однако, хлопчатобумажная ткань, обработанная данным препаратам не обладает огнезащитными свойствами.

Исследования морфологических особенностей необработанных и обработанных материалов проводили с использованием автоэмиссионного сканирующего растрового электронного микроскопа сверхвысокого разрешения.

По результатам электронно-сканирующей микроскопии выявлено изменение морфологической поверхности обработанных образцов по сравнению с  необработанными образцами (рисунок 1, 2). Анализ фотографий, показал, что необработанные образцы обладают гладкой поверхностью и однородной структурой. На поверхности обработанных материалов закреплены частицы из композиции фосфорнокислого натрия и гуанидина гидрохлорида.

а, б – исходные образцы; в, г – образцы, обработанные гуанидин гидрохлоридом и фосфорнокислым натриям

Рисунок 1. Электронно-микроскопические снимки волокна хлопчатобумажной ткани

а, б, в – исходные образцы; г, д, е – образцы, обработанные гуанидин гидрохлоридом и фосфорнокислым натриям

Рисунок 2. Электронно-микроскопические снимки волокна нетканого материала

Для полного выяснения взаимодействия аппретирующего состава с целлюлозными волокнами в работе были исследованы ИК-спектры образцов исходных и обработанных материалов, которые представлены на рисунке 3.

При рассмотрении ИК-спектра волокна, обработанного раствором, наблюдается широкий языкоподобный пик 3270,94см⁻¹, что является сигналом валентного колебания гидроксильной группы (-ОН), и обусловлено присутствием в образце влаги. Пик 2900,88 см⁻¹ соответствует валентному колебанию С-Н в метиленовой группе. Положение максимумов в интервале 3300-2800 см⁻¹ у обоих образцов совпадают. Неявный пик в пределах 1700-1600 см⁻¹ (обычно 1640 см⁻¹) в образце (а) и образце (б) соответствует деформационному колебанию гидроксильной группы (-ОН).

В “области отпечатков пальцев” спектров наблюдаются пики-индикаторы целлюлозной структуры образцов: асимметричным валентным колебаниям С-Н (1146,81 см⁻¹) и симметричным валентным колебаниям С–Н (1099,42см⁻¹) в глюкозных остатках полисахарида целлюлозы, а также максимумы в области частот 1300-1250 см⁻¹ указывают на деформационные колебания С-О групп в целлюлозной структуре.

Широкий пик 873,93 см⁻¹ характеризует деформационное колебание С-О-С мостиков, 656,15 см⁻¹ - деформационное колебание С-О-Н. Все остальные пики ниже ~600см⁻¹ обычно связывают с коллективными вибрациями структуры (например, связанных сетей водородных связей в целлюлозе).

а

б

Рисунок 3. График ИК-спектров целлюлозных волокон, необработанных (а) и обработанных композицией из гуанидин гидрохлорида и фосфорнокислого натрия (б)

Кроме того, проведенные испытания на кожнораздражающее действия материалов, обработанных предлагаемым способом показали его безопасность для здоровья человека (таблица 1).

Таблица 1.

Показатели безопасности хлопчатобумажного и нетканого материалов

Заключение.

Обработка хлопчатобумажной ткани и нетканого материала составом на основе гуанидин гидрохлорида и фосфорнокислого натрия обеспечивает высокую степень огнестойкости обработанных текстильных материалов.

Анализ электронно-сканирующей микроскопии фотографий, показал, что необработанные образцы обладают гладкой поверхностью и однородной структурой. На поверхности обработанных материалов закреплены частицы из композиции фосфорнокислого натрия и гуанидина гидрохлорида.

Изучение ИК-спектров данных систем показывает, что все полосы поглощения, характерные для целлюлозы у обработанных тканей сохраняются. Также в спектрах образца, обработанного композицией, появляются новые полосы поглощения, подтверждающие появления новой химической связи между целлюлозой и препаратами состава.

 Список литературы:

1. Burkitbay A., Dyussenbiyeva K.Z., Taussarova B.R., Sarttarova L.T., Sarybayeva E.E. &Kalmakhanova M.S. Novel method for finishing nonwoven fabrics from domestic raw materials with flame retardant and antimicrobial properties. The Journal of The Textile Institute.  Published online: 27 Aug 2024. https://doi.org/10.1080/00405000.2024.2396185
2.  Идельбаева Н.А., Буркитбай А., Орманова М.А., Такей Е., Онгар Т. Разработка способа получения огнестойкого и биоцидного нетканого материала из льняных и шерстяных волокон. Вестник Алматинского технологического университета. 2024; 143(1):173-181. https://doi.org/10.48184/2304-568X-2024-1-173-181
3. Wei DD, Dong CH, Liu J, Zhang Z, Lu Z A novel cyclic polysiloxane linked by guanidyl groups used as flame retardant and antimicrobial agent on cotton fabrics. Fiber Polym 2019; 20:1340–1346.  https://doi.org/10.1007/s12221-019-9008-7
4. Hedayati N, Montazer M, Mahmoudirad M, Toliyat T Ketoconazole and Ketoconazole/β-cyclodextrin performance on cotton wound dressing as fungal skin treatment. Carbohyd Polym 2020; 240:116267. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2020.116267
5.  Hong KH Phenol compounds treated cotton and wool fabrics for developing multi-functional clothing materials. Fiber Polym 2015; 16:565–571. https://doi.org/10.1007/s12221-015-0565-0
6. Xu J, Ao X, de la Vega J, et al., Poly (vinyl alcohol) Composite Aerogel toward Lightweight, Remarkable Flame Retardancy, and Thermal Insulation Properties by Incorporating Carbon Nanohorns and Phytic Acid. ACS Appl. Polym. Mater. 2024; 6(14), 8027-8039. DOI:  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsapm.4c00729.
7.  Yin D, Wang X, Wang Y, et al. Multifunctional Biobased Polyurethane/Tannic Acid Composites with Controllable  Damping, Flame-Retardant, and Ultraviolet-Shielding Performances. ACS Appl. Polym. Mater. 2024, 6(14), 8409-8418. DOI: 10.1021/acsapm.4c01289
8. Marcioni M, Zhao M, Maddalena L, et al. Layer-by-Layer-Coated Cellulose Fibers Enable the Production of Porous, Flame-Retardant, and Lightweight Materials. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2023, 15(30), 36811-36821. DOI: 10.1021/acsami.3c06652
9. Azad MM, Ejaz M, Shah A ur R. A bio-based approach to simultaneously improve flame retardancy, thermal stability and mechanical properties of nano-silica filled jute/thermoplastic starch composite. Mater. Chem. Phys. 2022, 289, 126485. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2022.126485
10. Cui H, Wu N, Ma X, et al. Superior intrinsic flame-retardant phosphorylated chitosan aerogel as fully sustainable thermal insulation bio-based material. Polym. Degrad. Stab. 2023, 207, 110213. DOI: https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2022.110213
11. Madyaratri E, Ridho M, Aristri M, et al. Recent Advances in the Development of Fire-Resistant Biocomposites—A Review. Polymers. 2022, 14(3), 362. DOI: https://doi.org/10.3390/ijerph19084828
12. GOST R 50810-95. Pozharnaya bezopasnost' tekstil'nyh materialov. Tkani dekorativnye. Metod ispytaniya na vosplamenyaemost' i klassifikaciya./li>