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    四川大學王玉忠院士團隊提出棉織物無醛耐洗阻燃新方法
    2021-01-14  來源:高分子科技

      棉織物的易燃性是引發室內等公共場所火災的主要原因之一,對其進行阻燃處理具有重要的科學意義與應用價值。然而,現有的棉織物阻燃方法受到環境友好性和耐久性的嚴重限制。一方面使用含甲醛的傳統鹵素/磷阻燃后整理劑(如商用PyrovatexCP®)會引起嚴重的環境問題;另一方面,阻燃棉織物的阻燃性能會隨著洗滌過程而迅速喪失。如何實現棉織物的環境友好耐久阻燃已成為該領域亟待解決的難題。


      四川大學王玉忠院士團隊受傳統織物染整固色工藝啟發,設計了一類既不含Cl、Br、P等傳統阻燃元素,也不使用有毒有機溶劑的新型環保生物質基阻燃劑,賦予棉織物耐久阻燃性能。在該阻燃劑涂層(TC)中,生物質單寧(TA)作為成炭劑,以水為溶劑,通過類似染料的固色作用被吐酒石(TE)穩定固定在棉織物的纖維表面,進一步絡合Fe2+離子,保證涂層的耐久阻燃性能(圖1)。在織物遇火燃燒時,Fe2+離子將迅速催化TA交聯炭化,在基材骨架表面形成隔氧絕熱的石墨化炭層,達到阻燃目的。所得織物經過100次洗滌或摩擦循環后,仍能維持良好的阻燃性能。


    圖1. 耐久阻燃涂層的構建以及涂層組份之間相互作用示意圖


      與織物染料固定作用類似,TC涂層組分與棉織物間的氫鍵和配位協同作用確保處理后阻燃棉織物的耐水洗性和摩擦耐久性。掃描電鏡、X射線能譜分析以及激光共聚焦顯微鏡測試結果表明,該阻燃涂層與棉纖維之間具有足夠的結合力,使得涂層在長期洗滌和摩擦過程中能夠保持其原有的形態和組成。經過100次模擬洗滌/摩擦循環后,阻燃織物的極限氧指數值(LOI)仍穩定在較高值,且以極低的損毀蔓延速度通過水平燃燒測試。在熱輻射功率為35 kw/m2錐形量熱測試中,阻燃織物的峰值熱釋放速率(PHRR)從173.1 kW/m2降低至125.6 kW/m2;經100次洗滌之后,其PHRR仍能維持在139.3 kW/m2;而在50 kw/m2的熱輻射功率下,阻燃棉織物的PHRR可下降約50%,說明更高的熱輻射利于金屬催化TA形成隔熱炭層,發揮阻燃作用。此外,該阻燃涂層可通過改變金屬離子種類,調控織物阻燃性能。例如,使用Co2+/Zn2+進行絡合時,所得棉織物在經過20次模擬洗滌之后,LOI仍高達30%以上,且通過垂直燃燒測試。該不含Cl、Br、P等傳統阻燃元素的耐久阻燃涂層能有效降低棉織物在長期使用過程中的火災危險。


    圖2. 經不同次數模擬洗滌后涂層棉織物的水平燃燒行為及錐形量熱測試(35 kw/m2)中熱釋放速率曲線


      研究者進一步闡明了該涂層的阻燃作用機制。通過熱重分析,發現該涂層可減緩棉織物在高溫下的分解速率,并且促進棉織物形成更多的殘炭。掃描電子顯微鏡(SEM)和拉曼(Raman)測試表明阻燃織物纖維在燃燒后表面被粗厚且致密的炭層所覆蓋,該炭層為具有較小ID/IG值的石墨化炭(圖3)。結合熱重-紅外聯用(TG-IR)結果,發現該涂層形成的炭化物可有效減少棉織物在受熱時產生的可燃揮發性產物,減少材料燃燒時反饋至火焰區的“燃料”(圖4)。綜合多種測試手段分析,TC涂層受熱時,其中TA在金屬離子催化作用下轉變成大尺寸的石墨化熱穩定炭層,聚集結塊并覆蓋在纖維表面,構成熱穩定的屏障,有效阻止熱量、氧氣和易燃揮發物的傳遞,從而起到阻燃作用。


    圖3. 錐形量熱測試后純棉織物(a1, a2, a3)和阻燃棉織物(b1, b2, b3)的殘炭數碼照片、SEM圖片和Raman測試曲線


    圖4. 純棉織物和阻燃棉織物的熱重-紅外聯用測試結果


      該成果發表在Chemical Engineering Journal(DOI10.1016/j.cej.2020.128361)上。論文的第一作者為四川大學博士生張愛濘,通訊作者為趙海波教授王玉忠院士。該不含傳統阻燃元素的耐久阻燃棉織物可通過OEKO-TEX®生態紡織品標準,具有很好的應用前景,也為制備綠色環保的耐久阻燃織物提供了新的思路。


      論文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894720344739

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