原位构筑复合涂层实现棉织物的阻燃多功能化
棉织物是用量最大的天然纺织品，因优异的舒适性、透气性而广泛应用于服装、软包装以及内饰材料等领域；但是其化学结构导致其极易燃烧，并成为火焰传播的载体；阻燃剂的引入会降低棉织物的火灾风险，但是有时也会带来烟气危害、健康和环境风险等问题，所以安全环保的阻燃棉织物的设计势在必行。此外，随着时代发展和科技的进步，单一的阻燃功能不能满足市场对棉织物的要求，对功能化的需求越来越多，所以对传统棉纺织品进行多功能化设计具有重要的现实意义和广泛的实际应用价值。 本研究以开发安全环保的多功能阻燃棉织物为目标，利用原位制备的方法分别在织物表面引入超分子聚集体、一维磷氮配合物、二维层状双金属氢氧化物(LDH)以及生物基气凝胶，通过对阻燃体系进行结构设计，解决阻燃剂引入所导致的生烟量增加和点燃时间提前等问题，制备了具有阻燃、疏水、抗菌、电磁屏蔽等多功能的棉织物，并通过合理的表征分析探讨相关涂层的阻燃机理。主要研究成果如下： 1.利用三聚氰胺和对氨基苯磺酸合成了一种新型气源AM，通过层层自组装技术在棉织物表面构筑AM-壳聚糖(CS)/聚磷酸铵(APP)高效膨胀型阻燃涂层。在叠层处理过程中APP与AM自发原位生成聚集体，提升了层与层之间的结合力，保持了织物的力学性能与柔软度。阻燃处理后棉织物极限氧指数(LOI)达到31.5，损毁长度仅为4.3cm；热释放速率峰值(pHRR)和总热释放量(THR)相较于未处理样品降幅分别达39.2%和59.9%。AM在燃烧过程中生成更多不燃气体，导致更加膨胀的炭质结构的生成。APP与AM对细胞增殖的影响评估表明，在相同剂量时，AM表现出更低的细胞毒性。相较于传统CS/APP阻燃体系，该体系阻燃效率更高、柔软度更好、使用安全系数更高。 2.以9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物，二甲基咪唑和氯化锌作为反应物，制备锌基氮磷配合物(ZnPN)。利用多巴胺(PDA)与金属的螯合作用，诱导ZnPN在织物表明原位生长，使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)对其进行包覆处理，得到兼具阻燃、超疏水、抗菌功能的棉织物。结果表明，改性后棉织物的LOI提升到23.6，pHRR和THR分别下降28.0%和23.7%，总烟生成量(TSP)下降了34.8%。处理后织物对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率分别达到95.1%和85.8%。由于ZnPN在棉织物表面形成一维“针刺状”排布，构成粗糙表面，与PDMS结合后赋予棉织物超疏水性能，水接触角(WCA)可以达到161°。此外，超疏水涂层的构筑有效提升了织物的阻燃耐久性，以及抗细菌粘附性。 3.利用PDA的桥接作用在棉织物表面原位构筑单层定向生长的二维LDH涂层，有效解决了LDH纳米片在织物表面团聚以及结合较弱的问题，实现织物阻燃抑烟性能的提升。阻燃测试结果表明，处理后织物的pHRR和THR相较于未处理棉织物分别下降了38.2%和15.9%，总烟释放量(TSR)下降了98%，同时释放的烟气毒性也有所下降。通过对残炭以及烟颗粒成分分析证实，一方面LDH发挥催化作用降低烟气释放，另一方面粗糙的结构会发挥“多通路障碍”，降低烟气释放的可能。此外，在PDMS的共同作用下，棉织被赋予稳定的超疏水性。涂层的耐用性能得到提升，并拓展了其在油水分离领域的应用。 4.利用具有高温稳定性的高比表面积的无机LDH涂层复合植酸(PA)与Fe3+络合形成的有机配合物，构筑具有固体颗粒物(PM)过滤效果的阻燃棉织物。处理后织物的LOI达到33.9，损毁长度仅6.3cm，THR下降78.2%。Fe3+PA的提前分解促进凝聚相中炭交联网络形成，LDH提升了炭层抗氧化能力，并且在高温下形成金属盐提高炭层热稳定性。LDH的引入进一步强化了PA与Fe3+自组装层的烟毒的抑制效果，表现为TSP下降51.0%，由Fe3+PA所带来的CO的释放得到抑制，抑制率为47.7%。此外处理后棉织物对PM的吸附过滤性能相较于未处理样品提升13%，并可以实现长时过滤效果。 5.以棉织物为骨架，在纤维内部原位构筑钙锆双离子交联的海藻酸钠(SA)气凝胶，获得棉气凝胶互穿网络体系，并在中间层引入银纳米线(AgNWs)，实现外隔热内导热的三级结构的设计，获得兼具阻燃、疏水、抗菌以及电磁屏蔽功能的棉织物C-Ag-SA(Ca/Zr)。结果显示，C-Ag-SA(Ca/Zr)的LOI达到31.5，并且相较于棉织物其pHRR下降37.1%，点燃时间延迟了34s。针对点燃时间延后提出“横向导热，纵向隔热”的降低火灾风险的阻燃涂层设计思路。此外，C-Ag-SA(Ca/Zr)的电磁屏蔽效能(SET)达到56.3dB，相较于只沉积AgNWs未经SA处理的织物的提升了37.0dB，并且由于Zr2+交联处理所导致的疏水特性以及SA的黏附作用，C-Ag-SA(Ca/Zr)经过12h水洗测试后，SET依然可以达到44.4dB。在抗菌性能方面Zr2+与AgNWs发挥协同作用，表现出显著的抗菌效果。此设计在特种防护服领域具有一定的应用潜力。
棉织物;原位法;阻燃性能;火灾风险;多功能化;原位构筑;复合涂层
北京化工大学
博士
材料科学与工程
王菊琳
2022
中文
TS195.17
2022-11-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）